阶系统的数学模型.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,其闭环传递函数为,：,式中，称为时间常数，开环放大系数越大，时间常数越小。,由一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。其传递函数是,s,的一次有理分式。,一阶系统的微分方程为：,-,典型的一阶系统的结构图如图所示。,3.2.1 一阶系统的数学模型,1,.,单位脉冲信号与单位阶跃信号的一阶导数、单位斜坡信号的二阶导数和单位加速度信号的三阶导数相等。,单位脉冲响应与单位阶跃响应的一阶导数、单位斜坡响应的二阶导数和单位加速度响应的三阶导数也相等。,3.2.5 一阶系统的单位加速度响应线性系统的特点,2,.,开环传递函数为:,闭环传递函数为:,-,典型结构的二阶系统如右图所示：,由二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。它在控制工程中的应用极为广泛。许多高阶系统在一定的条件下，也可简化为二阶系统来研究。,典型二阶系统的微分方程,：,3.3.1 典型二阶系统的数学模型,3,.,称为典型二阶系统的传递函数，称为,阻尼系数,，,称为,无阻尼振荡圆频率,或,自然频率。,这两个参数称为二阶系统特征参数。T称为二阶系统的时间常数。,其特征根为：,二阶系统的特征方程为：,4,.,注意：,当 不同时，特征根有不同的形式，系统的阶跃响应形式也不同。它的阶跃响应有振荡和非振荡两种情况。,当 时，特征方程有一对共轭的虚根，称为,零(无)阻尼系统,，系统的阶跃响应为持续的等幅振荡。,当 时，特征方程有一对实部为负的共轭复根，称为,欠阻尼,系统，系统的阶跃响应为衰减的振荡过程。,当 时，特征方程有一对相等的实根，称为,临界阻尼,系统，系统的阶跃响应为非振荡过程。,当 时，特征方程有一对不等的实根，称为,过阻尼,系统，系统的阶跃响应为非振荡过程。,5,.,阻尼系数、特征根、极点分布和单位阶跃响应形式如下表所示：,单位阶跃响应,极点位置,特征根,阻尼系数,单调上升,两个互异负实根,单调上升,一对负实重根,衰减振荡,一对共轭复根(左半平面）,等幅周期振荡,一对共轭虚根,6,.,3.3.3 典型二阶系统的性能指标（衰减振荡瞬态过程）,最大超调量,2、,调节时间 ：,7,.,例,有一位置随动系统，其方块图如图所示。其中K=4，T=1。试求：(1)该系统的无阻尼振荡频率,w,n,；,(2)系统的阻尼系数,z,；,(3)系统超调量,d,%,和和调整时间t,s,；（4）如果要求,z,0.707，,在不改变时间常数T的情况下，应怎样改变系统开环放大系数K。,解：,系统的闭环传递函数为:,8,.,（4）当要求在,z,0.707时，,w,n,=1/2,z,=0.707，则K,w,n,2,=0.5。,可见要满足二阶工程最佳参数的要求（该例中为增加阻尼系数），必须降低开环放大系数 K的值。,9,.,传递函数：,当,0,z,0或,偶,0。,根据李纳德-戚帕特判据，若系统特征方程式的各项系数中有负或零（缺项），则系统是不稳定的。,对于n4的线性系统,其稳定的充要条件还可以表示为如下简单形式:,n=2时:特征方程的各项系数严格为正.,n=3时:特征方程的各项系数严格为正,且,2,0,n=4时:特征方程的各项系数严格为正,且,2,0以及,2,a,n-1,2a,n-4,/a,n-3,3.5.3 代数稳定性判据-胡尔维茨稳定性判据的另一种形式,李纳德-戚帕特判据,15,.,例2,设线性系统的开环传递函数为：,试判断系统稳定时K,T应满足的条件。,根据李纳德-戚帕特判据，K0,T0且,解：,系统特征方程式为,1+G(s)H(s)=0,系统稳定时，要求,：,16,.,（二）、劳斯判据,设线性系统的特征方程为,劳斯阵列的前两行元素由特征方程的系数组成，第一行由特征方程的第一、三、五、项系数组成，第二行由特征方程的第二、四、六、项系数组成。若特征方程有缺项，则该项系数以零计。,劳斯阵如下：,3.5.3 代数稳定性判据-劳斯稳定性判据,17,.,以后各项的计算式为：,18,.,依次类推。可求得,19,.,劳斯判据：,系统特征方程具有正实部根的数目与劳斯阵列第一列元素中符号变化的次数相等。,根据这个判据可以得出线性系统稳定的充分必要条件为：由系统特征方程系数组成的劳斯阵列的第一列元素没有符号变化。,若劳斯阵列第一列元素的符号有变化，其变化的次数等于该特征方程的根在,s,右半平面的个数，表明相应的线性系统不稳定。,20,.,一.,劳思阵某一行第一项系数为零，而其余系数不全为零,。导致劳思阵下一列无法计算。,处理办法,：,用很小的正数 代替零的那一项，然后据此计算出劳斯阵列中的其他项。若第一次零（即 ）与其上项或下项的符号相反，计作一次符号变化。,3.5.3 代数稳定性判据-劳斯稳定性判据的特殊情况,二.劳斯阵某行系数全为零的情况,。表明特征方程具有大小相等而位置径向相反的根。至少有下述几种情况之一出现，如：大小相等，符号相反的一对实根，或一对共轭虚根，或对称于虚轴的两对共轭复根。,处理办法：,可将不为零的最后一行的系数组成辅助方程，对此辅助方程式对s求导所得方程的系数代替全零的行。大小相等，位置径向相反的根可以通过求解辅助方程得到。辅助方程应为偶次数的。,21,.,例5：,设线性系统特征方程式为：,试判断系统的稳定性。,解,：,建立劳斯表：,若劳斯表某行第一列系数为零，则劳斯表无法计算下去，可以用无穷小的正数代替0，接着进行计算，劳斯判据结论不变。,22,.,由于劳斯表中第一列系数有负，系统是不稳定的。,23,.,例9,系统的特征方程为,：该系统稳定吗？,解：,劳斯阵如下,行全为零。由前一行系数构成辅助方程得：,其导数为：,将4，48或1，12代替 行，可继续排列劳斯阵如下：,劳斯阵第一列系数全为正，所以系统稳定,24,.,控制系统的稳态误差：,定义：,误差信号,在时间 趋于无穷大时的数值定义为系统的稳态误差，记为 。即：,误差信号 包括瞬态分量 和稳态分量 两部分.由于系统必须稳定,故当时间趋于无穷大时,必有瞬态分量 趋于零,因而,控制系统的稳态误差 定义为误差信号的稳态分量,对于稳定的系统，稳态误差可以借助拉氏变换的,终值定理,方便的计算出：,使用上式的条件是有理函数 在 右半平面和虚轴上必需解析，即 的全部极点都必需分布在 左半平面（包括坐标原点）。,25,.,-,给定作用下的误差传递函数,稳态误差的计算（总结）：,-,+,26,.,扰动作用下的误差传递函数,+,给定和扰动同时作用下的误差表达式,27,.,对稳定的系统，可利用拉氏变换的终值定理计算稳态误差,终值定理要求有理函数,的所有极点都在s平面的左半开平面（包括原点）。,-,+,28,.,例2,系统方块图如图所示，当输入为单位斜坡函数时，求系统在输入信号作用下的稳态误差；调整K值能使稳态误差小于0.1吗,？,-,解：,只有稳定的系统计算稳态误差才有意义，所以先判稳：,系统特征方程为,由劳斯判据知稳定的条件为：,由稳定的条件知：不能满足 的要求,29,.,典型输入作用下的稳态误差,上表中，,k,为开环放大系数（开环传递函数写成时间常数形式时的开环增益）,3.6.2 稳态误差分析典型输入作用下的稳态误差（总结）,30,.,