控制系统典型的输入信号

第3章 辅导控制系统典型的输入信号1. 阶跃函数阶跃函数的定义是式中A为常数。A等于1的阶跃函数称为单位阶跃函数，如图所示。它表示为xr(t)l(t)，或xr(t)=u(t)单位阶跃函数的拉氏变换为Xr(s)=L1(t)=1/s在t0处的阶跃信号，相当于一个不变的信号突然加到系统上；对于恒值系统，相当于给定值突然变化或者突然变化的扰动量；对于随动系统，相当于加一突变的给定位置信号。2. 斜坡函数这种函数的定义是式中A为常数。该函数的拉氏变换是Xr(s)=LAt=A/s2这种函数相当于随动系统中加入一按恒速变化的位置信号，该恒速度为A。当Al时，称为单位斜坡函数，如图所示。3. 抛物线函数如图 所示，这种函数的定义是式中A为常数。这种函数相当于随动系统中加入一按照恒加速变化的位置信号，该恒加速度为A。抛物线函数的拉氏变换是Xr(s)=LAt2=2A/s3当A1/2时，称为单位抛物线函数，即Xr(s)=1/s3。4. 脉冲函数这种函数的定义是式中A为常数，为趋于零的正数。脉冲函数的拉氏变换是当A1，0时，称为单位脉冲函数(t)，如图 所示。单位脉冲函数的面积等于l，即在tt0处的单位脉冲函数用(t-t0)来表示，它满足如下条件幅值为无穷大、持续时间为零的脉冲纯属数学上的假设，但在系统分析中却很有用处。单位脉冲函数(t)可认为是在间断点上单位阶跃函数对时间的导数，即反之，单位脉冲函数(t)的积分就是单位阶跃函数。控制系统的时域性能指标对控制系统的一般要求归纳为稳、准、快。工程上为了定量评价系统性能好坏，必须给出控制系统的性能指标的准确定义和定量计算方法。1 动态性能指标动态性能指标通常有如下几项：延迟时间 阶跃响应第一次达到终值的50所需的时间。上升时间 阶跃响应从终值的10上升到终值的90所需的时间；对有振荡的系统，也可定义为从0到第一次达到终值所需的时间。峰值时间 阶跃响应越过稳态值达到第一个峰值所需的时间。调节时间 阶跃响到达并保持在终值误差带内所需的最短时间；有时也用终值的误差带来定义调节时间。超调量 峰值超出终值的百分比，即 在上述动态性能指标中，工程上最常用的是调节时间（描述“快”），超调量（描述“匀”）以及峰值时间。 2 稳态性能指标稳态误差是时间趋于无穷时系统实际输出与理想输出之间的误差，是系统控制精度或抗干扰能力的一种度量。稳态误差有不同定义，通常在典型输入下进行测定或计算。一阶系统的阶跃响应一. 一阶系统的数学模型由一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。一些控制元部件及简单系统如RC网络、发电机、空气加热器、液面控制系统等都是一阶系统。因为单位阶跃函数的拉氏变换为R(s)=1/s，故输出的拉氏变换式为取C(s)的拉氏反变换得 或写成式中，css=1，代表稳态分量；代表暂态分量。当时间t趋于无穷，暂态分量衰减为零。显然，一阶系统的单位阶跃响应曲线是一条由零开始，按指数规律上升并最终趋于1的曲线，如图所示。响应曲线具有非振荡特征，故又称为非周期响应。 一阶系统的单位阶跃响应二阶系统的阶跃响应典型二阶系统方框图，其闭环传递函数为： 式中 Kv-开环增益； n-无阻尼自然频率或固有频率，； -阻尼比，。 二阶系统的闭环特征方程为s2+2ns+2n=0 其特征根为1. 临界阻尼(=1) 其时域响应为 上式包含一个衰减指数项。c(t)为一无超调的单调上升曲线，如图3-8b所示。 (a) (b) (c)1时二阶系统的特征根的分布与单位阶跃响应2. 过阻尼(1)具有两个不同负实根的惯性环节单位阶跃响应拉氏变换式。其时域响应必然包含二个衰减的指数项，其动态过程呈现非周期性，没有超调和振荡。图为其特征根分布图。3. 欠阻尼（01） 图3-9 01时二阶系统特征根的分布 图3-10 欠阻尼时二阶系统的单位阶跃响应 4. 无阻尼(0)其时域响应为 在这种情况下，系统的响应为等幅(不衰减)振荡， 图0时特征根的分布 图0时二阶系统的阶跃响应5. 负阻尼（0）当0时，特征根将位于复平面的虚轴之右，其时域响应中的e的指数将是正的时间函数，因而为发散的，系统是不稳定的。显然，0时的二阶系统都是不稳定的，而在1时，系统动态响应的速度又太慢，所以对二阶系统而言，欠阻尼情况是最有实际意义的。下面讨论这种情况下的二阶系统的动态性能指标。欠阻尼二阶系统的动态性能指标1. 上升时间tr上升时间tr是指瞬态响应第一次到达稳态值所需的时间。 由此式可见，阻尼比越小，上升时间tr则越小；越大则tr越大。固有频率n越大，tr越小，反之则tr越大。2. 峰值时间tp及最大超调量Mp 最大超调量 最大超调百分数 3. 调整时间ts 图3-13 二阶系统单位阶跃响应的一对包络线 图3-14 调节时间和阻尼比的近似关系根据以上分析，二阶振荡系统特征参数和n与瞬态性能指标(4. 振荡次数在调整时问ts之内，输出c(t)波动的次数称为振荡次数，显然 式中 ，称为阻尼振荡的周期时间。这一系统的单位阶跃响应瞬态特性指标为：最大超调百分数上升时间调整时间 (用近似式求得为8T) (用近似式求得为6T) 有一位置随动系统其中Kk4。求该系统的()固有频率；(2)阻尼比；(3)超调量和调整时间；(4)如果要求实现工程最佳参数l，开环放大系数值应是多少？【解】系统的闭环传递函数为 与二阶系统标准形式的传递函数对比得：(1) 固有频率 (2) 阻尼比 由得 (3) 超调 (4) 调整时间 当要求时，由 得 可见该系统要满足工程最佳参数的要求，须降低开环放大系数的值。但是，降低值将增大系统的误差。劳斯稳定判据将系统的特征方程式写成如下标准式 将各系数组成如下排列的劳斯表表中的有关系数为 系数的计算，一直进行到其余的b值全部等于零为止。这一计算过程，一直进行到 n行为止。为了简化数值运算，可以用一个正整数去除或乘某一行的各项，这时并不改变稳定性的结论。(l) 第一列所有系数均不为零的情况 第一列所有系数均不为零时，劳斯判据指出，特征方程式的实部为正实数根的数目等于劳斯表中第一列的系数符号改变的次数。方程式的根全部在复平面的左半平面的充分必要条件是，方程式的各项系数全部为正值，并且劳斯表的第一列都具有正号。例如， 三阶系统的特征方程式为列出劳斯表为则系统稳定的充分必要条件是，系统的特征方程为 试用劳斯判据判断系统的稳定性。解 计算劳斯表中各元素的数值，并排列成下表由上表可以看出，第一列各数值的符号改变了两次，由+2变成-1，又由-1改变成+9。因此该系统有两个正实部的根，系统是不稳定的。(2) 某行第一列的系数等于零而其余项中某些项不等于零的情况 在计算劳斯表中的各元素的数值时，如果某行的第一列的数值等于零，而其余的项中某些项不等于零，那么可以用一有限小的数值来代替为零的那一项，然后按照通常方法计算阵列中其余各项。如果零()上面的系数符号与零()下面的系数符号相反，则表明这里有一个符号变化。例如，对于下列特征方程式劳斯表为现在观察第一列中的各项数值。当趋近于零时，的值是一很大的负值，因此可以认为第一列中的各项数值的符号改变了两次。由此得出结论，该系统特征方程式有两个根具有正实部，系统是不稳定的。如果零()上面的系数符号与零()下面的系数符号不变，则表示系统有纯虚根。例如，对下列特征方程式劳斯表为可以看出，第一列各项中的上面和下面的系数符号不变，故有一对虚根。将特征方程式分解，有 解得根为 ， (3) 某行所有各项系数均为零的情况 如果劳斯表中某一行的各项均为零，或只有等于零的一项， 这表示在 s 平面内存在一些大小相等但符号相反的特征根。 在这种情况下，可利用全零行的上一行各系数构造一个辅助方程，式中s均为偶次。将辅助方程对s求导，用所得的导数方程系数代替全零行，然后继续计算下去。至于这些大小相等，符号相反的根，可以通过解辅助方程得到。系统特征方程式为试用劳斯判据判断系统的稳定性。解 劳斯表中的各项为 由上表可以看出，行的各项全部为零。为了求出-各项，将行的各项组成辅助方程为将辅助方程对s求导数得用上式中的各项系数作为行的各项系数，并计算以下各行的各项系数，得劳斯表为 从上表的第一列可以看出，各项符号没有改变，因此可以确定在右半平面没有特征方程式的根。另外，由于行的各项皆为零，这表示有共轭虚根。这些根可由辅助方程求出。本例中的辅助方程式是由之求得特征方程式的大小相等符号相反的虚根为， ， 稳态误差及其计算误差本身是时间t的函数，在时域中以表示。稳定系统误差的终值称为稳态误差，即为误差信号的稳态分量，则稳态误差为 系统的误差传递函数 故 将系统误差的拉氏变换E(s)代入(3-38)，得稳态误差的计算公式为 控制系统的型别控制系统的一般开环传递函数可以写成 式中为开环放大系数或称为开环传递系数；、为时间常数；N表示开环传递函数中串联的积分环节个数。这是一个很重要的结构参数。根据N的数值，可将系统分为几种不同类型。N0的系统称为0型系统；N1的系统称为I型系统；N=2的系统称为II型系统。当N2时，要使系统稳定是很困难的。因此，一般采用的是0型、I型和II型系统。典型输入下系统的稳态误差对于不同输入函数，下面分析系统的稳态误差。1. 单位阶跃输入下的稳态误差单位阶跃输入()下的系统稳态误差，由式(3-40)得 定义 称为位置误差系数，则 0型系统的稳态误差为 I型或高于I型的系统的位置稳态误差为 2. 单位斜坡输入下的稳态误差单位斜坡输入()的系统稳态误差定义 称为速度误差系数。则 对于0型系统所以 对于I型系统所以 对于II型或更高型系统所以，0型系统不能跟踪斜坡输入；单位反馈的型系统能跟踪斜坡输入，但总有一定误差， 3. 单位抛物线输入下的稳态误差定义 称为加速度误差系数则 对于0型系统 所以 对于型系统所以对于型系统所以由此可知，0型和型系统都不能跟踪抛物线输入，型系统能跟踪抛物线输入，但存在稳态误差。 典型输入信号作用下的稳态误差和误差系数系统型别静态误差系数阶跃输入斜坡输入加速度输入位置误差速度误差加速度误差000I00II00。 减小稳态误差的方法1. 引入给定量顺馈2. 引入扰动量顺馈14