自动控制原理第三章-二阶系统的数学模型及单位阶跃响应

自动控制原理第三章-二阶系统的数学模型及单位阶跃响应第一页，共42页。二、二阶系统的数学模型及单位阶跃响应定义：由二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。第二页，共42页。二阶系统数学模型二阶系统的微分方程一般式为：二阶系统的反馈结构图第三页，共42页。二阶系统的传递函数开环传递函数：闭环传递函数：第四页，共42页。二阶系统的特征方程为解方程求得特征根：当输入为阶跃信号时，则微分方程解的形式为：式中为由r(t)和初始条件确定的待定的系数。s1,s2完全取决于，n两个参数。第五页，共42页。此时s1,s2为一对共轭复根，且位于复平面的左半部。①特征根分析—

（欠阻尼）典型二阶系统的暂态特性第六页，共42页。②特征根分析—（过阻尼）此时s1,s2为两个负实根，且位于复平面的负实轴上。第七页，共42页。③特征根分析—（临界阻尼）此时s1,s2为一对相等的负实根。

s1=s2=-n第八页，共42页。④特征根分析—（无阻尼）此时s1,s2为一对纯虚根，位于虚轴上。S1,2=jn第九页，共42页。⑤特征根分析—（负阻尼）此时s1,s2为一对实部为正的共轭复根，位于复平面的右半部。第十页，共42页。⑥特征根分析—（负阻尼）此时s1,s2为两个正实根，且位于复平面的正实轴上。第十一页，共42页。二阶系统单位阶跃响应1.过阻尼二阶系统的单位阶跃响应取C(s)拉氏反变换得：由得第十二页，共42页。过阻尼系统单位阶跃响应与一阶系统阶跃响应的比较tc(t)0二阶过阻尼系统一阶系统响应1第十三页，共42页。过阻尼二阶系统分析衰减项的幂指数的绝对值一个大，一个小。绝对值大的离虚轴远，衰减速度快，绝对值小的离虚轴近，衰减速度慢；（指数关系）衰减项前的系数一个大，一个小；二阶过阻尼系统的动态响应呈非周期性，没有振荡和超调，但又不同于一阶系统；离虚轴近的极点所决定的分量对响应产生的影响大，离虚轴远的极点所决定的分量对响应产生的影响小，有时甚至可以忽略不计。第十四页，共42页。过阻尼二阶系统阶跃响应指标分析对于过阻尼二阶系统的响应指标，只着重讨论，它反映了系统响应过渡过程的长短，是系统响应快速性的一个方面，但确定的表达式是很困难的，一般取相对量及经计算机计算后制成曲线或表格。第十五页，共42页。2.欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应第十六页，共42页。欠阻尼二阶系统单位响应系统的输出拉氏反变换得：第十七页，共42页。欠阻尼二阶系统输出分析二阶欠阻尼系统的单位阶跃响应由稳态分量和暂态分量组成。稳态分量值等于1，暂态分量为衰减过程，振荡频率为ωd。右图为二阶系统单位阶跃响应的通用曲线第十八页，共42页。根据右图分析系统的结构参数、对阶跃响应的影响平稳性（％）结论：越大，ωd越小，幅值也越小，响应的振荡倾向越弱，超调越小，平稳性越好。反之，越小，ωd越大，振荡越严重，平稳性越差。第十九页，共42页。当＝0时，为零阻尼响应，具有频率为的不衰减（等幅）振荡。阻尼比和超调量的关系曲线在一定的情况下，越大，振荡频率

也越高，响应平稳性也越差。结论：对于欠阻尼二阶系统而言，大，小，系统响应的平稳性好。第二十页，共42页。快速性从图中看出，对于5％误差带，当时，调节时间最短，即快速性最好。同时，其超调量<5％，平稳性也较好，故称为最佳阻尼比。总结：越大，调节时间越短；当一定时，越大，快速性越好。第二十一页，共42页。稳态精度从上式可看出，瞬态分量随时间t的增长衰减到零，而稳态分量等于1，因此，上述欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应稳态误差为零。第二十二页，共42页。补充说明：稳态分量（steadystatecomponent）即周期性激励作用于有损、线性和时不变的动态电路时，电路中所出现的与激励周期相同的响应分量。

瞬态分量（transientcomponent）周期性激励作用于有损、线性和时不变的动态电路时，从全响应中减去稳态分量的剩余部分。

稳态分量就是时间趋向正无穷，也就是电路稳定时的量。瞬态分量就是开关打开或闭合后瞬时值。第二十三页，共42页。欠阻尼二阶系统

单位阶跃响应性能指标1.上升时间：令，则所以：第二十四页，共42页。根据极值定理有：该项不可能为零2.峰值时间：取n=1得:第二十五页，共42页。3.超调量：将峰值时间代入下式得:所以:第二十六页，共42页。4.调节时间写出调节时间的表达式相当困难。在分析设计系统十，经常采用下列近似公式。当阻尼比时第二十七页，共42页。二阶系统特征参数与暂态性能指标之间的关系由阻尼比判断一个二阶系统的暂态品质：过阻尼时，单调线性，无超调，无振荡，时间长。小于等于零时，有等幅振荡或发散振荡，系统不稳。一般欠阻尼工作。阻尼比过小，超调量大，振荡次数多，调节时间长，品质差。最大超调量只与阻尼比有关，由其来选择阻尼比。调节时间与阻尼比和自然振荡角频率的乘机成反比。阻尼比在之间，此时超调量在1.5%-25%第二十八页，共42页。

三、改善二阶系统响应的措施1.误差信号的比例－微分控制第二十九页，共42页。系统开环传函为：闭环传函为：等效阻尼比：可见，引入了比例－微分控制，使系统的等效阻尼比加大了，从而抑制了振荡，使超调减弱，可以改善系统的平稳性。微分作用之所以能改善动态性能，因为它产生一种早期控制（或称为超前控制），能在实际超调量出来之前，就产生一个修正作用。第三十页，共42页。前面图的相应的等效结构由此知道：第三十一页，共42页。和及的大致形状如下一方面，增加项，增大了等效阻尼比，使曲线比较平稳。另一方面，它又使加上了它的微分信号，加速了c(t)的响应速度，但同时削弱了等效阻尼比的平稳作用。第三十二页，共42页。总结：引入误差信号的比例－微分控制，能否真正改善二阶系统的响应特性，还需要适当选择微分时间常数。若大一些，使具有过阻尼的形式，而闭环零点的微分作用，将在保证响应特性平稳的情况下，显著地提高系统的快速性。第三十三页，共42页。2.输出量的速度反馈控制将输出量的速度信号c(t)采用负反馈形式，反馈到输入端并与误差信号e(t)比较，构成一个内回路，称为速度反馈控制。如下图示。第三十四页，共42页。闭环传函为：等效阻尼比：等效阻尼比增大了，振荡倾向和超调量减小，改善了系统的平稳性。第三十五页，共42页。3.比例－微分控制和速度反馈控制比较从实现角度看，比例－微分控制的线路结构比较简单，成本低；而速度反馈控制部件则较昂贵。从抗干扰来看，前者抗干扰能力较后者差。从控制性能看，两者均能改善系统的平稳性，在相同的阻尼比和自然频率下，采用速度反馈不足之处是其会使系统的开环增益下降，但又能使内回路中被包围部件的非线性特性、参数漂移等不利影响大大削弱。第三十六页，共42页。四、二阶系统举例2设位置随动系统，其结构图如图所示，当给定输入为单位阶跃时，试计算放大器增益KA＝200，1500，13.5时，输出位置响应特性的性能指标：峰值时间tp，调节时间ts和超调量，并分析比较之。第三十七页，共42页。例题解析(1)输入：单位阶跃闭环传递函数：第三十八页，共42页。例题解析(2)当KA

＝200时系统的闭环传递函