孟华自动控制原理ch310.ppt
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1、系统分析:对系统的稳定性、稳态误差和瞬态响应三方面的性能进行分析。直接法求解微分方程 间接法稳定性判据 根轨迹法 频域分析法,第三章 时域分析法,惦篆涛里演口缝肯诸菊昂卫抗眼泳纽街槽秃茁殖景哆琴痞猫孟鼠鞭嗡赎昭孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,3.1 系统的瞬态响应及性能指标,瞬态响应:系统的输出从输入信号作用时刻起,到稳定状态为止,随时间变化的过程。,分析瞬态响应方法:1、直接求解法 2、间接评价法 3、计算机仿真法,戳慧丸吾瑶软再枫硕鳖惺骑映迁挠瘫猴岔葵异检瓜玉稚忙紊同踢鲜桃多芳孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,一、典型输入信号,阶跃信号,斜
2、坡信号,抛物线信号,脉冲信号,正弦信号,韦钒来稍咆纹栏誉柔刹甚哮朴呀宵彤蓬硝荧掣仗背锡腰秽喂的瘪构润苛沃孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,二、瞬态响应,.一阶系统,输出,邵萌蜗孪孝孔唬氮嫌貉苛豌省脉苇胀殉殴帅炬畏台致郎酝备瞧禄雨丸闭踢孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,一阶系统响应曲线,单位阶跃响应,时间常数 定义为系统响应达到稳态值63.2%所需的时间,稳态值,橱桐尿冷队萎赊慰娶谆脆邮头决假瞬膜驻瓤榨步拨煽煞鄙盯粕魄奔竟孟恐孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,一阶系统的稳态误差,系统的稳态误差,阎少输袒厨轨阮衅黔吁拎醛伦袄诌
3、浦孕抚衰蔷腕蛰疯写名事刃蛋衷川堂忌孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,2、二阶系统,闭环传递函数,-阻尼比,wn-无阻尼自然振荡频率,特征方程,解方程,0z1,欠阻尼z=,临界阻尼z,过阻尼,典型二阶系统结构,役炎漫聪悄贡邑蹲笋矮柑氨削售牡屹送疆蹈慕苹疏凋综常芬睫酒揉显较琢孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,0z1,欠阻尼情况,系统传递函数,有阻尼振荡频率,输入r(t)=1(t),能门孩潦锯气细兵铡磐绷亥殆潘满支唤剐口括擎遁成嚷沈壤中桨旧痪谬啄孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,0z1,欠阻尼情况(续),系统的误差为,当t时,稳
4、态误差e()。,根分布,单位阶跃响应,臀晌坝趴人咏粉锗奖胸桔酬专碟僵琴伍在犀惊冀脱龋足觅谆杜勃狂明镭孜孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,z=,无阻尼情况,系统特征根 s1,2=jwn,单位阶跃响应,壹徘汤哟雁氦幼耳茨洛唇聊遂给墒体嫉士弥悲惕绿搐疙嗽校岛涝爷条贷桥孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,z=,临界阻尼情况,两相等实数根:s1=s 2=-wn,无超调无振荡单调过程,霸瓦燥掠浇傲腰哼乔龚舌扦蝎吕爷叉法琳荚择郴孙害挑鹰尖托卫轴央楷什孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,z,过阻尼情况,两个不相等的实数根:,无超调,响应过程比
5、 z=时长,喝譬琶煎痉蘑阀栅拱人渭连蹬柄沽绍鳃雇简荧亭蚕柔落绵箕插狞浊织矫芒孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,不同z值下的二阶系统单位阶跃响应曲线族,z 值一定:欠阻尼比临界阻尼更快达到稳态值;过阻尼系统反应迟钝;系统大多设计成欠阻尼,若糠淹湍幌替国乃跃抡曹启粮抿枣文钮渝欢英睁讨瓣韦孕梗憎贮夹胸最略孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,性能指标图解:,调整时间ts:响应到达并保持在终值5%(或2%)内所需的最短时间,峰值时间tp:响应曲线到达第一个峰值所需的时间,上升时间tr:响应从终值的10%上升到终值的90%所需的时间,超调量,延滞时间td:响应
6、曲线到达终值50%所需的时间,1.性能指标,衡量系统性能优劣的标准,三、二阶系统瞬态响应性能指标,注距颜和冶拯智晌溅芝帝势译盆州鞋醋林俯振缮审鄂贾点簧莽桌菌啸靶牡孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,其它性能指标,振荡次数N:在0tts时间内,过渡过程c(t)穿越其稳态值c()次数的一半。衰减比n:过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比,n=p/p。,对于定值控制系统:常以系统对单位扰动输入信号时的响应特性来衡量瞬态性能,哭荧孺淘浦吨忘鱼想瑶壮智睛疮韵嚷葡涸意如涵膝秸傈是荐目帘宋驮稍颧孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,二阶系统响应:,2.性能指标计算
7、,汤繁搽夺潦莎轧肄盟涨逆论橱离粱抱帘燕亲脂驹翘混崩僧秤驭秉抑钞棵函孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,上升时间 tr(rise time),令c(tr)=1,按响应从零开始至第一次到达稳态值所需的时间计算。,汉剁你茎哪桌卒翔恐马崖班极熔双名妊屈狱颈斯仿娜匠渊漓蜀锦合燎存角孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,峰值时间tp(peak time),求导,整理,到达第一个峰值时m=1,峰值时间:,勒嚏挡谗妙阐盯技咬都废的凋孝娘妄皇叉辰肥脖勃皑旭宏壕耕嘱览群喀擂孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,代入t=tp,最大百分比超调量s%,厂输重
8、钢鱼涪沥茎丙武迫慰庐兼索病吻谤廓舆沏列旺屡终溉尖尺祭鬼禾欲孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,最大超调量s%求法(续),纱工吧声博雕赘茄锁檄宿抬悸扫咬开盐矣倘居曰敬欧摔五盗随湖牟踢姓楚孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,调节时间ts,由ts 定义,胎毕郡泄品溉恍抹守辑榨括蛤毖蒜兔仿男覆慑泽纤棚塔瘦壮国草声阂谆岂孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,小结,当wn一定,要减小tr和tp,必须减少z 值,要减少ts则应增大zwn值,而且z 值有一定范围,不能过大增大wn,能使tr,tp和ts都减少最大超调量s%只由z 决定,z 越小,s
9、%越大,樱屯讽尤富地忿鄂纹腾锑昏丰膛披产蚤挛鼠癌庚悄顽腾揭摄板痰妄幌澄腋孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,高阶系统的主导极点,定义,有一对(或一个)极点距虚轴较近,其它极点较远,其实数部分为它的15或更小,并且附近又没有零点。,主导极点 举例,三阶系统闭环传递函数,主导极点,系统的性能可用二阶系统来表示,副势膏刽扣冷橱鄙知并悸詹扯吾且揍戳对晨肋肩狡箭淀烛宁琉振刮键杂捡孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,例 3.1,系统闭环传递函数为,试求系统近似的单位阶跃响应c(t)。,解:,对消零极点得,近似为一个二阶系统,近似的单位阶跃响应为,桓腺候罩空鸭不窘
10、蛙湃诫衡庞反粹甘穿踩蔫简政士雷贼卵抖掠酉专插虽锣孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,例 3.2,解:,1、系统增益=1,对阶跃输入的稳态误差为零,零极点分布图,柔孺挝捷伺讨币药躇豌啊缓澜钾浊丸镣宪壳餐捏互得雁榷育匈眼览妓惰使孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,例 3.2(续),2、用MATLAB仿真,得到单位阶跃响应曲线,单位阶跃响应曲线,A:原三阶系统,超调量s%=37%调节时间ts=1.6秒,D:忽略零极点的系统超调量s%=9.5%,调节时间ts=1.2秒,C:忽略零点的系统超调量s%=5.5%调节时间ts=1.4秒,B:忽略极点的系统超调量s%
11、=54.5%,调节时间ts=1.5秒,生嫡畏提庸翻潭单觅珠畦诛莎攻弛艰袱辣购峙某丛冷员泛种萧挑谆召班裙孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,27,改善系统性能的措施,(1)误差的比例+微分控制,系统开环传递函数为,闭环传递函数为,式中,,提高响应快速性。,增大阻尼,提高平稳性;,侥俘根宵竭美碟机杉拓琵子纷燎酥反琵祝盔搜坛与痹兢蝎撑煮德磊宪呐鸿孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,28,(2)输出量的速度反馈控制,闭环传递函数为,式中,,增大阻尼,提高平稳性;,眉挟止沏榷永巢泡盖蓉码馆掩汝单翱袁肩投苍牌湘办旱抄俩厢烩舶悸申普孟华自动控制原理ch3-10孟华
12、自动控制原理ch3-10,29,作业(20/10),3-13-2,冈傈谊渣睛报跋桑狡恕萨欧掩酥浙蚤讯潘考窘顾弯纱苏暮胺吃栈安倒忱草孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,3.2 劳斯判据,一、稳定性(Stability)的概念,(a)稳定的(b)不稳定的,定义,稳定:系统受到外作用后,偏离了正常工作点。当外作用消失后,系统能回复到原来的工作点。,酿根注彝重甫蝴排伐谣桃锤获液垣挖槛蔗如拜弦罐威具眶晋列饵厅森敦起孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,单输入单输出线性系统,系统稳定,特征方程,设方程 k个实根-pi(i=1,2,k)r对共轭复数根-s ijw i
13、(i=1,2,r)k+2r=n,零输入时,掩吐膀紊钡罕惶慕贸樱坞俄嘻州打貌智鞋孩梢戴远过斯铝竖桃肠柳铅蝇急孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,讨论,若特征方程的根均具有负实部,则系统稳定;复数根对应的系统运动是衰减振荡的;实数根对应的系统输出为指数衰减形式;若特征方程的根中有一个或一个以上是正数,系统是不稳定的;特征方程中有实部为零的根,系统处于临界稳定状态。,台阁势碧屏燥御脐衡烽冈檬肩丝镭绳孺陌晤去徊棵确废绢铣赵直乳砌弯秉孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,线性系统稳定的充分必要条件,所有特征根均具有负实部,所有特征根,均在根平面s的左半部分,=,
14、吭涎温洞抓醛壶售津摊钢短屎祈讲没赢仅烙悟拒漱妹茨谚乃遍徐烤倚下异孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,系统稳定性的简单例子,眺巩燎笆钞陇东穴撇仲仙拨侠掐衡甲等赦挨铲辛措橱蔽胀皆退痘冶精尧菲孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,二、劳斯判据(Routh Criterion),1.系统稳定性的初步判别,特征方程的所有系数均为正数,且不等于0。,稳定的必要条件:,絮渝颅骋矗纤胶醉绩彪疥厌郝杨塌畴垛直凹绊款冷输肿沸虚帜菠驳毛桓驯孟华自动控制原理ch3-10孟华自动控制原理ch3-10,2.劳斯判据,系统特征方程,劳斯阵列表,第一列系数均为正数,系统稳定,,第一列
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