稳态误差分析.doc

3-7 稳态误差分析控制系统在输入信号作用下，其输出信号中将含有两个分量。其中一个分量是暂态分量。它反映控制系统的动态性能，是控制系统的重要特性之一。对于稳定的系统，暂态分量随着时间的增长而逐渐消失，最终将趋于零。另一个分量称为稳态分量。它反映控制系统跟踪输入信号或抑制扰动信号的能力和准确度，它是控制系统的另一个重要特性。对于稳定的系统来说，稳态性能的优劣一般是根据系统反应某些典型输入信号的稳态误差来评价的。因此，本节着重建立有关稳态误差的概念。一、误差和稳态误差设是控制系统输出(被控量)的希望值，是控制系统的实际输出值。我们定义系统输出的希望值与输出的实际值之差为控制系统的误差，记作,即 （3-40）对于如图336(a)所示单位反馈系统，输出的希望值就是系统的输入信号。因此，系统的误差为 （3-40a）可见， 单位反馈系统的误差就是偏差。 但对于如 图 336(b)所示的非单位反馈系统，输出的希望值与输入信号之间存在一个给定的函数关系。这是因为，系统反馈传递函数，通常是系统输出量反馈到输入端的测量变换关系。因此，在一般情况下，系统输出的希望值与输入之间的关系为，所以系统误差为 (3-40b)显然，在非单位反馈系统中，误差与偏差是有差别的。由图3-36(b)和式(3-40b)不难看出，它们之间存在如下简单关系 (3-40c)所谓稳态误差，是指系统在趋于稳态后的输出希望值和实际输出的稳态值之差，即下面举二个例子说明稳态误差究竟是如何产生的?它与哪些因素有关?1随动系统如图1-7所示随动系统，要求输出角以一定精度跟踪输入角，显然这时输出的希望值就是系统的输入角度。故这个随动系统的偏差就是系统的误差。若系统在平衡状态下，即，电机不转。假定在时，输入轴突然转过某一角度,如图3-37(a)所示。由于系统有“惯性”，输出不可能立即跟上输入，于是出现误差，此时，相应的，电机就要开始转动，使输出轴跟随输入轴转动，直到,，时为止。此时电机停止转动，系统进入新的平衡状态。可见，在这种情况下，系统将不产生稳态误差。如图3-37(a)所示。假定输入轴作等速转动(斜坡输入)，如图3-37(b)所示。显然，这时输出轴仍将跟随输入轴转动。而且，当瞬态过程结束，系统进入新的稳态后，输出轴的转速将等于输入轴的转速，即,但是，即，如图3-37（b）中所示。原因如下：要电机作等速转动，就一定要求其输入端有一定的电压，因此放大器的输入电压也必不为零，所以也就不为零。其次，假如输入速度增加(其余情况保持不变)，那么维持电机转动的电压亦应增加，因此相应的和也增加（图3-37（c）。由此可知，稳态误差将随着输入轴转速的增加而加大。最后，如增大放大器的放大系数，那么同样大小的值所需要的值就小，对应的也就小了。因此，稳态误差随着放大系数的增大而减小。由此可见，对这样一个随动系统，系统的稳态误差和外作用的形式、大小有关，也与系统的结构参量（开环放大系数）有关。2电压自动控制系统 首先研究一个较简单的电压控制系统，其原理图如图338所示，要求控制发电机发出的电压保持某一恒值。系统的控制信号为，其大小等于被控制量的希望值。通常它是一个恒值，故此系统是一个镇定系统。作用在系统上的干扰信号为负载的变化。电压控制系统的误差是当系统稳态时，不论负载是否存在，输出电压总不等于零。要使不等于零，则发电机激磁电压也不能为零，因此总不为零。显然，系统处于稳态时(即负载不变) 为常值，即此系统的稳态误差不为零。如何来减小或消除系统的稳态误差呢?一种方法是可以通过增加放大器的放大系数来减小稳态误差，但不能消除。另一种方法，可以改变系统结构来消除或减小稳态误差。如在图3-38系统中加入电机和电位器(给系统增添了积分环节)成为图1-2所示的电压控制系统。此系统在恒值负载的情况下稳态误差为零。先看一下系统在空载时消除稳态误差的物理过程。假定,则，经过放大器放大后加到电机上使电机转动，电机轴的转动就带动电位器电刷转动，从而改变了激磁电压。激磁电压应该向减小的方向变化，这样才能使发电机的电压减小。总之，只要， 就存在，电机总要转动电刷改变，使趋于，直到时电机才停止转动，系统进入平衡状态，此时，这就表明系统在空载时稳态误差等于零。系统带上恒值负载后情况如何呢?负载加入后使发电机的输出电压下降，因此，的出现就会重复上述过程，使电动机转动电刷增加激磁电压，直至时电机才停止转动，此时回到零。可见，系统不论负载如何改变，在稳态时系统的稳态误差总为零。综上所述，系统的稳态误差，不仅与外作用形式、大小有关，并且还与系统结构、结构参量有关。二、单位反馈系统稳态误差的计算误差本身是时间的函数，在时间域中以表示。因此，控制系统稳态误差实质上是误差信号的稳态分量，即当时间趋于无穷时的极限存在，则稳态误差为因此，可以利用终值定理求取系统的稳态误差，即 (3-41)这样计算稳态误差比求解系统的误差响应e(t)要简单得多。终值定理使用条件是的拉氏变换式在s平面的右半平面和虚轴上(坐标原点除外)必须解析，即的全部极点都必须分布在s平面的左半平面。由上可知，利用终值定理求稳态误差，实质问题归结为求误差的拉氏变换式。图3-39为一个单位反馈系统。由于单位反馈系统的误差与偏差相同，因此，其误差直接可以从系统偏差传递函数中得到，即则有 (3-42)1利用终值定理可求得不同输入函数下的稳态误差(1) 阶跃输入时(表示阶跃量大小的常值)， 则，由式(3-41)和(3-42)，得 (3-43a)(2) 斜坡输入时(表示输入信号的速度)，则，由式(3-41)和(3-42)，得 (3-43b) (3) 等加速输入 (其中为加速度)，则由式(3-41)和(3-42)，得 (343c)由式(3-43ac)可见，稳态误差与输入函数大小成正比。同时与系统开环传递函数有关。我们定义 (3-44a) (3-44b) (3-44c)、和分别称为位置、速度和加速度静态误差系数，统称为静态误差系数。用这些静态误差系数表示稳态误差，则有 (3-45a) (3-45b) (3-45c)因此，把相对应的稳态误差也分别称为位置、速度和加速度误差。但要注意：速度误差(或加速度误差)这个术语，是表示系统在斜坡输入(或加速度输入)作用时的稳态误差。当我们说，某系统速度(或加速度)误差为常值时，并不是指系统在到达稳态后，其输入与输出在速度(或加速度)上有一个固定的差值，而是说系统在斜坡(或加速度)输入作用下，到达稳态后，在位置上有一个固定的差值(误差)。图3-40中，清楚地显示了这一点。由式(3-45ac)可知，、和的大小，分别反映了系统在阶跃、斜坡和加速度输入作用下系统的稳态精度及跟踪典型输入信号的能力。静态误差系数越大，稳态误差越小，跟踪精度越高。总之，静态误差系数、和均是从系统本身的结构特征上体现了系统消除稳态误差的能力，它反映了系统跟踪典型输入信号的精度。根据静态误差系数的定义可知，它们与系统开环传递函数有关，因此稳态误差还与系统结构形式及参数有关。将写成典型环节形式，即(2-52)式对上式在上式所有典型环节中均不出现负项，由该特征的传递函数构成的系统，称为最小相位系统。有关这方面的内容参见第五章取对照式(3-44ac)，清楚地表明，静态误差系数只与开环传递函数中的积分环节、放大系数有关，而与时间常数无关，为了能更方便地说明问题，根据系统开环传递函数中所包含积分环节的数目将控制系统分成不同类型：当时，开环传递函数中无积分环节，称为零型系统。当时，开环传递函数中有一个积分环节，称为一型系统。当时，开环传递函数中有二、三、个积分环节，称为二型、三型、等系统。2系统的类型和误差系数(1) 零型系统()则有；可见零型系统，只有位置误差是有限值，速度和加速度误差均为无穷大。因此，在阶跃输入下，若系统允许存在一定的稳态误差时，可以采用零型系统。如果对阶跃输入，希望稳态误差为零，则零型系统无法满足要求。(2) 一型系统()则有则有；显然，一型系统对阶跃输入是不存在稳态误差，而对斜坡输入有一定的常值稳态误差，对加速度输入以及更高阶次的输入稳态误差为无穷大。其曲线如图3-41所示。(3) 二型系统()则有因此 ；显然，二型系统对阶跃和斜坡输入的稳态误差都为零，而对加速度输入有稳态误差。的大小反映系统跟踪等加速度输入信号的能力。越大，稳态误差越小，精度越高。在表3-3中，列出了最小相位系统的类型、静态误差系数及稳态误差与输入信号之间的关系。由表可见：(1) 在对角线上(如表中虚线所示)，静态误差系数均为系统开环增益；对角线以上的静态误差系数为零；对角线以下为无穷大。对应的稳态误差栏对角线上均为有限常值，且与系统开环增益成反比，与系统输入量大小成正比。而在稳态误差栏对角线以上为无穷大；在对角线以下为零。这充分说明了，静态误差系数越大，稳态误差越小，系统跟踪输入信号的能力越强，跟踪精度越高。所以误差系数、和均是系统本身从结构特征上体现了消除稳态误差的能力。(2)，即零型系统，对三种典型输入均有差，故又称作有差系统。一型系统()，对阶跃输入信号为无差，而对斜坡和加速度输入为有差，故称一阶无差系统。二型系统()，对阶跃和斜坡输入均为无差，而对加速度输入为有差，故称二阶无差系统。可见，系统类型越高，系统稳态无差度越高。因此，从稳态准确度的要求上讲，积分环节似乎越多越好，但这要受系统稳定性的限制。因而实际系统一般不超过二个积分环节。为什么在开环系统中串入积分环节能使有差系统变成无差系统呢?这要从积分环节的输入输出特性上得到解释。理想积分环节的输出等于输入对时间的积分。如图3-42所示，当输入不为零时，输出将不断变化。只有当输入为零时，输出才保持某一常值不变。此常值为“不定值”，其具体数值由输入为零前的工作情况所决定。由于积分环节的上述特性，即可理解，为什么在开环传递函数中包含有串联积分环节时，在阶跃函数作用下就不会存在恒定的误差。同时，也可以说明，如果输入信号变化复杂，或者为正负交变的信号，那么积分环节再多也不解决问题了。【例3-7】如图3-43所示系统，若已知输入信号。试求系统的稳态误差。解 首先，判别系统的稳定性，系统闭环特征方程为展开整理得 根据代数判据，可知系统稳定的条件：，即、和均应大于零；,即，因此要求。其次，根据计算稳态误差的公式，可以直接求出系统的稳态误差。由图343可知，系统为单位反馈系统，系统的偏差即为误差；系统开环传递函数中有二个积分环节，即为二型系统。因此，由表33可知：当输入时，当输入时， 当输入时，所以，系统在输入下的稳态误差为应当指出：系统必须是稳定的，否则计算稳态误差没有意义。三、非单位反馈系统稳态误差的计算非单位反馈系统如图3-44所示。根据系统误差的定义式(3-40b)，即由于因此 (3-46)同样可利用终值定理计算稳态误差，则 (3-47)假定系统输入信号为，其单位为弧度；，将上述已知条件代入式(3-47)，求得非单位反馈系统在阶跃输入下的稳态误差当然，还可以利用误差与偏差之间的关系式(3-40c)进行计算。首先计算出偏差，然后再换算成误差。仍以图3-44系统为例计算如下：由图3-44得偏差信号的拉氏变换式利用终值定理代入上述已知条件，计算稳态偏差最后得系统稳态误差(已知)；。显然，二种计算方法结果是相同的。四、干扰作用下的稳态误差由于控制系统经常处于各种扰动作用之下，如负载的变动，电源电压波动及系统工作环境温度、湿度的变化等等。因此，系统在扰动作用下的稳态误差大小就反映了系统抗扰动的能力。在理想情况下，总希望系统对任何扰动作用的稳态误差为零。但实际上，这是不可能做到的。对于扰动作用下的稳态误差，同样可以采用终值定理计算。系统典型结构图如图345所示。假定系统无输入作用，只有扰动N(s)作用在系统上。这时，系统输出的希望值为零，而实际输出值为因此，扰动作用下系统的误差为利用终值定理得 (3-48)假定图3-45所示系统中，已知，试求在阶跃干扰作用下系统的稳态误差。将上述已知条件代入式(3-48)并整理得由此可见：(1) 系统的稳态误差不等于零，其大小随的增加而减小。因此可通过增加来减小扰动作用下的稳态误差。(2) 稳态误差与干扰信号大小成正比。(3) 干扰的作用点改变后，由于干扰作用点到系统输出前向通路传递函数不同，因此稳态误差也就不同。所以稳态误差还与干扰的作用点有关。下面我们讨论减小稳态误差的方法。如上所述，改变放大系数无疑是一种方法，但显然不能用无限增加放大系数的方法使趋于零，因为这样会导致系统的不稳定。如前所述，对于输入信号的稳态误差，可以在系统中串入积分环节来增加系统的无差度。对于干扰信号是否也成立呢?设在图3-45系统中；式中和中均为