《时域分析法》PPT课件.ppt

自动控制原理,1,自动控制原理,Principles of Automatic Control,主讲人：谭 思 云,自动控制原理,2,系统（机械，电气，过程等）,建模方法,机理或实验,数学模型,性能分析,稳定性、动态性能、鲁棒性等,若性能不满足要求对系统进行校正,校正方法（控制器设计方法）,滞后-超前、PID、LQ最优等,第3章 时域分析法,自动控制原理,3,本章的主要内容,3.1 稳定性分析3.2 暂态性能分析3.3 稳态性能分析3.4 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,自动控制原理,4,本章的主要内容,3.1 稳定性分析3.2 暂态性能分析3.3 稳定性能分析3.4 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,自动控制原理,5,3.1 稳定性分析,系统稳定是保证系统能正常工作的首要条件。稳定性是控制系统最基本的性质。,自动控制原理,6,3.1.1 稳定性的概念,欧氏范数的概念,1.向量的范数,2.矩阵的范数,自动控制原理,7,系统的平衡状态,系统没有输入作用时，处于自由运动状态。当系统到达某状态，并且维持在此状态而不再发生变化时，这样的状态称为系统的平衡状态。一般非线性系统的平衡状态：,对于非线性系统，可能有一个平衡状态，也可能有多个平衡状态。,线性系统通常,自动控制原理,8,设描述SISO线性定常连续系统的微分方程为,系统的特征方程为,系统的脉冲响应为,系统的全部特征根或闭环极点都具有负实部，或者都位于复平面左半部。,3.1.2 系统稳定的条件,自动控制原理,9,系统稳定的充分必要条件是稳定性分析的基础。但直接检查全部特征根是否都具有负实部是困难的。因此，后面将陆续介绍各种稳定性判据。如：,从检查系统稳定性角度，稳定性必要条件有时是很有用的。,系统稳定的必要条件是系统特征方程的系数同号，而且都不为零。,系统稳定性必要条件,稳定性的代数稳定判据,李雅普诺夫稳定判据,奈奎斯特稳定判据,自动控制原理,10,设闭环系统的特征方程为,劳斯表,劳斯稳定判据：系统稳定的充分必要条件是劳斯表的第一列数的符号相同。而且，系统正实部特征根的个数等于劳斯表第一列数的符号变化次数。,3.1.3 劳斯稳定判据,自动控制原理,11,直至其余,全为0。,直至其余,全为0。,劳斯表构成：,前两行第一列,前两行下一列,自动控制原理,12,例3.2 已知系统的特征方程为,用劳斯稳定判据判别系统稳定性。,劳斯表构成如下：,因为劳斯表第一列数符号相同，所以系统是稳定的。,自动控制原理,13,例3.3 已知系统的特征方程为,用劳斯稳定判据判别系统稳定性。,特征方程系数的符号不相同，不满足稳定的必要条件，所以系统是不稳定的。,因为劳斯表第一列数符号变化2次，所以系统是不稳定的，有2个特征根在右半S平面。,自动控制原理,14,劳斯表第一列数符号变化2次，所以系统是不稳定的，有2个特征根在右半S平面。,特殊情况（1）：劳斯表中某一行的第一列数为0，其余不为0。,自动控制原理,15,特殊情况（2）：劳斯表中某一行的数全为0,自动控制原理,16,解 系统的开环传递函数为,劳斯表构成如下：,由劳斯稳定判据，系统稳定的充分必要条件为,自动控制原理,17,要使系统稳定得,例 确定系统稳定的K、T 值。,系统的特征方程为,列劳斯表，,则稳定条件为：,自动控制原理,18,列劳斯表,代入原特征方程，得到如下特征方程：,劳斯表中第一列元素符号变化一次，所以有一个特征方程根在垂线右边。,劳斯表第一列无符号变化，系统稳定。,列劳斯表,自动控制原理,19,本章的主要内容,3.1 稳定性分析3.2 暂态性能分析3.3 稳定性能分析3.4 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,自动控制原理,20,3.2 暂态性能分析,（1）阶跃信号,（2）速度信号（斜坡信号）,3.2.1 典型输入信号,自动控制原理,21,（3）加速度信号（抛物线信号）,（4）脉冲信号,自动控制原理,22,（5）正弦信号,自动控制原理,23,3.2.2 暂态性能指标,利用系统的单位阶跃响应曲线的特征来定义控制系统的动态性能指标,直观，含义清楚。,自动控制原理,24,典型的单位阶跃响应曲线（衰减振荡形式）,自动控制原理,25,（1）（最大）超调量,3.2.2 暂态性能指标,自动控制原理,26,系统对于超调量的要求,对一般系统，总希望超调量较小。但常常希望系统有一点超调，以增加系统的快速性。例如，在电动机调速系统中，电动机速度有一点超调是容许的，这时电动机速度跟踪特性较好。,对不可逆系统，系统不能出现超调，例如，在水泥搅拌控制系统中，含水量不能过量，因为控制系统只能加水，而不能排水。机床刀架系统。,自动控制原理,27,（2）（最大）超调时间（3）上升时间,自动控制原理,28,（4）调节时间,自动控制原理,29,典型的单位阶跃响应曲线（非衰减振荡形式）,90%的稳态值,自动控制原理,30,3.2.3 一阶系统的暂态性能分析,为什么要研究典型系统的性能分析？现实中存在大量的系统，他们本身就属于典型的一阶或二阶系统。（温度计系统，单自由度机械振动系统等等）大量的高阶、复杂系统可以在一定的近似范围内简化为典型的系统，以便于系统的分析与设计。在校正系统时，往往把系统设计成一个典型的系统。分析和理解高阶系统的动态响应的基础。,自动控制原理,31,微分方程：,传递函数：,自动控制原理,32,一阶系统的单位阶跃响应：,自动控制原理,33,一阶系统的动态性能指标,（1）上升时间,（2）调节时间,95%,自动控制原理,34,设K=1，取不同的时间常数T,对于系统单位阶跃响应的影响。,T=1,T=3,T=7,T=9,T=5,t,参数K，T对于一阶系统单位阶跃响应的影响,自动控制原理,35,设T=3，取不同的K，对于系统单位阶跃响应的影响。,K=10,K=7,K=4,K=1,t,K,T,自动控制原理,36,小结：,一阶系统的单位阶跃响应是单调 上升的。因而，不存在超调量。可以用上升时间或者调节时间来 作为动态性能指标。为了提高一阶系统的快速响应 和跟踪能力，应该减少系统的 时间常数 T。单位阶跃输入，一阶系统的稳态响应值为 K，稳态值与 T 无关。,自动控制原理,37,3.2.4 典型二阶系统的暂态性能,为系统的阻尼比，为无阻尼自然振荡频率。,1、典型二阶系统的数学模型：,自动控制原理,38,2、典型二阶系统的单位阶跃响应,特征根的分布主要取决于系统的阻尼比,（1）过阻尼状态,（2）临界阻尼状态,（3）欠阻尼状态,（4）无阻尼状态,（5）,（5）负阻尼状态,典型二阶系统的特征方程：,自动控制原理,39,系统有两个稳定的互为共轭的极点：极点分布位置和大小由阻尼比和无阻尼振荡频率决定。（试讨论他们对于极点位置，以及单位阶跃响应的影响）,重点考虑欠阻尼状况,自动控制原理,40,欠阻尼状态下，系统的单位阶跃响应为：,在欠阻尼情况下，系统的单位阶跃响应具有衰减振荡形式。,自动控制原理,41,自动控制原理,42,t,自动控制原理,43,欠阻尼典型二阶系统暂态性能分析,（1）上升时间,自动控制原理,44,（2）超调时间,自动控制原理,45,（3）超调量,自动控制原理,46,（4）调节时间,一般将系统设计成欠阻尼状态，以提高系统响应的快速性。上述公式很重要，要求熟记。,自动控制原理,47,当=0时，系统的输出为正弦曲线。这种情况称为无阻尼振荡，系统处于临界稳定状态。当01 时，系统为过阻尼状态，在 增加时系统的响应减慢。当自然频率n 增加时，系统的响应速度加快但是系统响应的峰值保持不变，超调量由阻尼系数唯一确定。,小结：,自动控制原理,48,计算举例,如图所示典型二阶系统，求,自动控制原理,49,计算举例,设计图示系统具有如下的动态性能指标：超调量20%，超调时间为1秒。试确定系统参数K和A。,自动控制原理,50,解答：,系统的闭环传递函数为：,系统为典型的二阶系统。化为标准形式,自动控制原理,51,增加速度反馈环节可以提高系统的稳定性，减少超调量，减少振荡次数，但系统的快速性略为减低。,d,自动控制原理,52,3.2.5 高阶系统的暂态性能近似分析,高阶系统的闭环传递函数一般表示为：,设系统闭环极点均为单极点（实际系统大都如此），单位阶跃响应的拉氏变换式为：,自动控制原理,53,对于上式求拉氏反变换得到高阶系统的单位阶跃响应为：,闭环极点离虚轴越远，表达式中对应的暂态分量衰减越快，在系统的单位阶跃响应达到最大值和稳态值时几乎衰减完毕，因此对上升时间、超调量影响不大；反之，那些离虚轴近的极点，对应分量衰减缓慢，系统的动态性能指标主要取决于这些极点所对应的分量。因此，一般可将相对远离虚轴的极点所引起的分量忽略不计，而保留那些离虚轴较近的极点所引起的分量。,自动控制原理,54,例：,自动控制原理,55,例：,自动控制原理,56,例：,零极点抵消，接近零点的极点所对应的响应分量小，可忽略！,自动控制原理,57,结论：,1）若某极点远离虚轴与其它零、极点，则该极点对应的响 应分量较小。2）若某极点邻近有一个零点，则可忽略该极点引起的暂态 分量。忽略上述两类极点所引起的暂态分量后，一般剩下为数不多的几个极点所对应的暂态分量。这些分量对系统的动态特性将起主导作用，这些极点通常称为主导极点。,自动控制原理,58,本章的主要内容,稳定性分析 暂态性能分析 稳态性能分析 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,自动控制原理,59,3.3 稳态性能分析,控制系统误差与稳态误差的定义,自动控制原理,60,3.3.2 控制系统型号或无差度的定义,系统跟踪输入信号的能力主要取决于开环传递函数中所包含的积分环节的数目。,0型系统,V型系统,自动控制原理,61,3.3.3 终值定理法,终值定理：设,且,在,右半平面与虚轴上没有极点，则,终值定理法：设,在,右半平面及虚轴上（除原点外）没有极点，,为,则稳态误差的终值,自动控制原理,62,例3.11,已知单位反馈系统的开环传递函数为,求当系统输入分别为阶跃、速度、加速度时的稳态误差。,满足终值定理条件,自动控制原理,63,满足终值定理条件,自动控制原理,64,自动控制原理,65,例3.12 已知单位反馈系统的开环传递函数为,，,时，求系统的稳态误差。,当,自动控制原理,66,在虚轴上存在极点，不满足终值定理条件，不能用终值定理求系统稳态误差。,应用终值定理求稳态误差时，一定要注意条件,自动控制原理,67,对于正弦输入下的稳态误差，可以用频率特性求取,自动控制原理,68,例3.13 已知单位反馈系统的开环传函为,求速度输入时的稳态误差,可用劳思判据判断,是否满足终值定理条件,经检验，满足终值定理的条件,自动控制原理,69,3.3.4 误差系数法,阶跃输入,对0型系统,对1型或高于1型的系统,自动控制原理,70,2 斜坡输入,对1型系统,对0型系统,对2型或高于2型的系统,自动控制原理,71,3 抛物线输入,对0型系统,对1型系统,对2型系统,对3型系统或高于3型的系统,自动控制原理,72,表3.1 典型输入信号作用下的稳态误差终值,自动控制原理,73,3.3.5 扰动作用下的稳态误差分析,自动控制原理,74,自动控制原理,75,的积分环节数和传递系数有关。,而参考输入下的稳态误差则与系统开环传递函数,当扰动为阶跃信号时，,当扰动为速度信号时，,当扰动为加速度信号时，,扰动作用下的稳态误差只与扰动作用点之前的传递函数,的积分环节数和传递系数有关。,所以在系统设计中，通常在,中增加积分环节或增大传递增益，这既抑制了参考输入引起的稳态误差，又抑制了扰动输入引起的稳态误差。,自动控制原理,76,3.3.6 复合控制系统及误差分析,自动控制原理,77,若设计补偿器,则系统误差为0,这种将误差完全补偿的作用称为全补偿,完全不变性条件只是一种理想情况，事实上，上式确定的,往往不满足物理可实现条件。,自动控制原理,78,若设计补偿器,满足,则由扰动引起的系统误差将为0,完全补偿是一种理想情况，但有时不满足物理可实现条件，或者所设计的补偿器太复杂，所以常常采用较简单的、可实现的部分补偿。,自动控制原理,79,部分补偿系统,，,自动控制原理,80,上述系统对于速度输入也能准确跟踪。但是它同2型系统的准确跟踪有本质差别。因为当系统参数发生变化时，上述补偿就被破坏，从而使稳态误差不为0，所以这种由补偿使稳态误差为0的方法不是鲁棒的。而对于2型系统，只要参数、结构的变化不改变型号，总能准确（渐进）跟踪速度输入，使稳态误差为0，所以，这种方法是鲁棒的。,对2型或高于2型的系统,自动控制原理,81,本章的主要内容,稳定性分析 暂态性能分析 稳态性能分析 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,自动控制原理,82,3.4 MATLAB辅助分析控制系统时域性能,-,-,-,仿真算例1：,自动控制原理,83,自动控制原理,84,算例1仿真结果,