自控实验三线性定常系统的稳态误差

实验三 线性定常系统的稳态误差一、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测I型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3. 观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。四、实验原理通常控制系统的方框图如图4-1所示。其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。图4-1由图4-1求得（1）由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：（2）本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。下面叙述0型、I型、II型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差。10型二阶系统设0型二阶系统的方框图如图4-2所示。根据式（2），可以计算出该系统对阶跃和斜坡输入时的稳态误差：图4-2 0型二阶系统的方框图1） 单位阶跃输入（）图表 1仿真结果中可以看到，读到的误差值为324.506mV，基本符合理论的推算结果。Matlab仿真2） 单位斜坡输入（）上述结果表明0型系统只能跟踪阶跃输入，但有稳态误差存在，其计算公式为：其中，R0为阶跃信号的幅值。由实验观测到的图4-3(a)和图4-3(b)所示的波形可知，系统实际的稳态误差符合理论计算的结果。图4-3(a) 图4-3(b)图表 2从图上可以看出，对于这个系统，当输入是单位斜坡信号时，系统的误差会随着时间的推移而不断的加大，可以想见如果不是系统量程有限，误差一定会趋于无穷大，这与理论结果是一致的。而图上当输入信号超出量程之后，信号不再增大，误差也不再增大，这与输入阶跃信号的结果也是一致的。Matlab仿真2I型二阶系统设图4-4为I型二阶系统的方框图。图4-41） 单位阶跃输入图表 3图上看到，当时，误差的确是趋于0的。Matlab仿真2） 单位斜坡输入这表明I型系统的输出信号完全能跟踪阶跃输入信号，在稳态时其误差为零。对于单位斜坡信号输入，该系统的输出也能跟踪输入信号的变化，且在稳态时两者的速度相等（即），但有位置误差存在，其值为，其中，为斜坡信号对时间的变化率。图表 4图中读到的误差值稳定在95mV左右，与预期的100mV相差不多，认为是正确的。Matlab仿真3） 单位抛物输入图表 5可见，输入单位抛物信号时，I型系统的误差是趋于无穷大的。当输入信号超量程时，系统又变成输入单位阶跃信号时的形态，误差趋于零。Matlab仿真3II型二阶系统设图4-5为II型二阶系统的方框图。图4-5 II型二阶系统的方框图同理可证明这种类型的系统输出均无稳态误差地跟踪单位阶跃输入和单位斜坡输入。当输入信号，即时，其稳态误差为：l 单位阶跃输入图表 6结果为误差趋于零。Matlab仿真l 单位斜坡输入图表 7结果为误差趋于零Matlab仿真l 单位抛物输入图表 8可以看到，误差接近于理论值100mVMatlab仿真五、实验步骤1. 0型二阶系统当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。注：单位斜坡信号的产生最好通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成。2. 型二阶系统当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。3. II型二阶系统当输入ur为一单位斜坡(或单位阶跃)信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位单位抛物波信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。注： 单位抛物波信号的产生最好通过两个积分环节(时间常数均为1S)和一个反相器完成。 本实验中不主张用示波器直接测量给定信号与响应信号的曲线，因它们在时间上有一定的响应误差； 在实验中为了提高偏差e的响应带宽，可在二阶系统中的第一个积分环节并一个510K的普通电阻。六、实验思考题1. 为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？答： 以实验要求中给出的系统为例，图4-2 0型二阶系统的方框图从0型系统的方框图可以推知，对阶跃信号稳态误差为对斜坡信号的稳态误差为可见，由于0型系统的E(S)在原点处没有零点，而斜坡信号拉氏变换后在原点有一个二阶极点，极点不能被抵消，造成了误差的不断累积，因此0型系统不能跟踪斜坡输入信号。2. 为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在，决定误差的因素有哪些？答：同样以以实验要求中给出的系统为例，图4-2 0型二阶系统的方框图从0型系统的方框图可以推知，对阶跃信号稳态误差为可见，由于阶跃信号拉氏变换后在原点只有一个一阶极点，能够被抵消，同时也不存在未被抵消的零点，这时的就是常数。从系统框图可见，0型系统由两个惯性环节串联，再做负反馈构成，惯性环节的传递函数：稳态误差决定于两个惯性环节的放大倍数，3. 为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？答：从上面的计算式子就可以看出，为了减少0型系统的稳态误差，系统的开环增益应当取大些。对于I型系统，前面也已推导过，对斜坡信号输入存在稳态误差，其值为，其中，为斜坡信号对时间的变化率。对于II型系统，情况类似，可见，为了减少稳态误差，开环增益都应该增大。4. 解释系统的动态性能和稳态精度对开环增益K的要求是相矛盾的，在控制工程中应如何解决这对矛盾？答：从之前得到的分析结果可知，为了减少稳态误差，需要增大开环增益K，但是，对于动态性能来说，开