控制工程基礎(chǔ)第三章時(shí)域分析法

控制工程基礎(chǔ)第三章時(shí)域分析法第1頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制工程基礎(chǔ)——時(shí)域分析方法的實(shí)質(zhì)直接解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程式時(shí)間域的微分方程拉氏變換復(fù)數(shù)域的代數(shù)方程復(fù)域解時(shí)域解拉氏反變換瞬態(tài)解自由解瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)解強(qiáng)迫解穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)域問(wèn)題變換方法復(fù)域問(wèn)題

控制系統(tǒng)的時(shí)域分析就是在時(shí)間域內(nèi)，直接求解描述系統(tǒng)性能的運(yùn)動(dòng)微分方程或動(dòng)態(tài)方程，它們的解就是系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，亦稱(chēng)為時(shí)間響應(yīng)。第2頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.1控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)

控制工程主要研究系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。

一零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)零輸入響應(yīng)僅有激勵(lì)而初始狀態(tài)為零的響應(yīng)僅有初始狀態(tài)而激勵(lì)為零時(shí)的響應(yīng)

若將系統(tǒng)的初始狀態(tài)看成系統(tǒng)的另一種輸人激勵(lì)，則對(duì)于線性系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的線性特性，其輸出總響應(yīng)必然是每個(gè)輸入單獨(dú)作用時(shí)相應(yīng)輸出的疊加。第3頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是系統(tǒng)的自然響應(yīng)，其變化規(guī)律只取決于系統(tǒng)函數(shù)G的極點(diǎn)在s平面的位置，體現(xiàn)了系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，與激勵(lì)函數(shù)的形式無(wú)關(guān)，其中的每一項(xiàng)稱(chēng)為自然響應(yīng)模式；第二項(xiàng)是系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)，其變化規(guī)律只取決于輸入激勵(lì)u的極點(diǎn)在S平面的位置，即輸入信號(hào)的性質(zhì)。但是待定系數(shù)與G和u的零極點(diǎn)分布都有關(guān)系。零狀態(tài)響應(yīng)為：設(shè)系統(tǒng)輸入為：設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：若函數(shù)中不含有多重極點(diǎn)，可展成部分分式:取拉氏反變換，得到零狀態(tài)響應(yīng):零狀態(tài)響應(yīng)的模式由系統(tǒng)G（s）和輸入u（s）的極點(diǎn)共同確定。第4頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

若u(s)的極點(diǎn)實(shí)部大于或等于零，或者極點(diǎn)在原點(diǎn)，仍假定G(s)具有負(fù)實(shí)部的極點(diǎn)，在此情況下，自然響應(yīng)就是瞬態(tài)響應(yīng)，強(qiáng)迫響應(yīng)就是穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

根據(jù)微分方程理論，系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)的函數(shù)結(jié)構(gòu)與微分方程的右函數(shù)（自變量）結(jié)構(gòu)相同，即與輸入信號(hào)結(jié)構(gòu)相同。二瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

系統(tǒng)的完全響應(yīng)y(t)還可以分為瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。隨著時(shí)間t的增大而衰減為零的部分為瞬態(tài)響應(yīng)，其余部分為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)與G(s)和u(s)都有關(guān)系。

當(dāng)G(s)和u(s)的極點(diǎn)都在S域左半平面時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)等于自然響應(yīng)與強(qiáng)制響應(yīng)之和，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)等于零。第5頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)第6頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2控制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的求解一基于傳遞函數(shù)的輸出響應(yīng)求解實(shí)質(zhì)：用拉普拉斯反變換求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，可按下列步驟進(jìn)行：(1)設(shè)初始條件為零，對(duì)高階微分方程進(jìn)行拉氏變換；(2)求解關(guān)于s的代數(shù)方程得輸出響應(yīng)的拉氏變換Y(s)；(3)對(duì)y(s)進(jìn)行部分分式展開(kāi)；(4)取反變換后，得到y(tǒng)(t)。例1已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，輸人為單位階躍函數(shù)，初始條件均為零。求系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。解：根據(jù)傳遞函數(shù)定義有：階躍輸入的拉氏變換為：部分分式展開(kāi)：第7頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一基于傳遞函數(shù)的輸出響應(yīng)求解待定系數(shù)的求法：用乘上式兩邊，取s→pi的極限。注意：系統(tǒng)傳遞函數(shù)的兩個(gè)極點(diǎn)在指數(shù)上。第一項(xiàng)是穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，是階躍函數(shù)；后兩項(xiàng)是瞬態(tài)響應(yīng)，因系統(tǒng)極點(diǎn)具有負(fù)實(shí)部，隨著時(shí)間的增加將逐漸衰減為零。極點(diǎn)距s平面虛軸越遠(yuǎn)衰減越快。結(jié)論：系統(tǒng)極點(diǎn)決定了系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的特性。

取反變換后，得到y(tǒng)(t)第8頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)的零點(diǎn)對(duì)響應(yīng)的影響

可見(jiàn)，盡管這兩個(gè)系統(tǒng)的極點(diǎn)相同,但由于零點(diǎn)不同,它們的響應(yīng)截然不同，系統(tǒng)1有超調(diào)。例2已知兩個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)分別為

系統(tǒng)的零點(diǎn)影響系統(tǒng)響應(yīng)曲線的形狀。結(jié)論第9頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3

控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

控制系統(tǒng)必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性，從而使系統(tǒng)能迅速跟蹤參考輸入信號(hào)，并且不產(chǎn)生劇烈的振蕩。因此，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，改善瞬態(tài)響應(yīng)是自動(dòng)控制的核心工作。

為了衡量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)能對(duì)不同系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，通常采用單位階躍函數(shù)作為測(cè)試信號(hào)。相應(yīng)地，系統(tǒng)的響應(yīng)稱(chēng)為單位階躍響應(yīng)。第10頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一任何復(fù)雜系統(tǒng)都是由簡(jiǎn)單的一階、二階系統(tǒng)組成任何復(fù)雜信號(hào)都是由簡(jiǎn)單信號(hào)疊加而成的—傅立葉級(jí)數(shù)線性穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)輸入的微分(積分)響應(yīng)的微分(積分)輸入脈沖函數(shù)階躍函數(shù)加速度函數(shù)速度函數(shù)積分積分微分一、低階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析第11頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（一）一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)舉例

特點(diǎn)：有一個(gè)蓄能元件，含時(shí)間常數(shù)，具有慣性，輸出滯后輸入。

響應(yīng)分析：：時(shí)間常數(shù)第12頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)單位脈沖函數(shù)的拉氏變換為1，所以記系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)為g（t），那么00-0.0180.0184T-0.1350.1352T-0.3680.368T0t一階系統(tǒng)時(shí)域指標(biāo)：

一階系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，為4T。

一階系統(tǒng)對(duì)單位脈沖輸入的響應(yīng)達(dá)到初始值的2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，為4T。第13頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析練習(xí)：一階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)下圖所示.試求該系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。如果要求秒,試求系統(tǒng)的反饋系數(shù)應(yīng)如何取值?圖一階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第14頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析解：（1）寫(xiě)出閉環(huán)傳遞函數(shù)因此調(diào)節(jié)時(shí)間：(2)現(xiàn)求滿(mǎn)足秒的反饋系數(shù)：假設(shè)系統(tǒng)的反饋系數(shù)為，由結(jié)構(gòu)圖寫(xiě)出閉環(huán)傳遞函數(shù)第15頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析根據(jù)題意：則：第16頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)現(xiàn)將一階系統(tǒng)的典型輸入響應(yīng)歸納成下表：第17頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例例：電氣傳感器第18頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例例：電氣傳感器第19頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)應(yīng)用示例例：電氣傳感器傳遞函數(shù)模型：第20頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)應(yīng)用示例電氣傳感器第21頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)應(yīng)用示例溫度控制系統(tǒng)的方框圖模型第22頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例機(jī)械系統(tǒng)第23頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例機(jī)械系統(tǒng)第24頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例機(jī)械系統(tǒng)第25頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例電路系統(tǒng)第26頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例電路系統(tǒng)第27頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一階系統(tǒng)示例電路系統(tǒng)第28頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二階系統(tǒng)以二階微分方程描述的控制系統(tǒng)，稱(chēng)為二階系統(tǒng)。第29頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二階系統(tǒng)第30頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二階系統(tǒng)第31頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(二)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖

二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

注意典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的聯(lián)系與區(qū)別

二階系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

1.二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)第32頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.二階系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的分布根據(jù)系統(tǒng)阻尼比ζ的值，二階系統(tǒng)有：由圖可知第33頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.二階系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的分布第34頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線⑴系統(tǒng)在s左半平面上有一對(duì)共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)①欠阻尼系統(tǒng)

欠阻尼系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)是正弦衰減振蕩，衰減的快慢與系統(tǒng)極點(diǎn)的負(fù)實(shí)部有關(guān)，距虛軸越遠(yuǎn)，衰減越快；振蕩頻率取決于極點(diǎn)的虛部。阻尼比影響振蕩的程度。注意極點(diǎn)的負(fù)實(shí)部在指數(shù)上，虛部是振蕩頻率。第35頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一般希望二階系統(tǒng)工作在ξ=0.4~0.8的欠阻尼狀態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)工作狀態(tài)有一個(gè)振蕩特性適度而持續(xù)時(shí)間較短的響應(yīng)過(guò)程。稱(chēng)ξ=0.707為最佳阻尼比。決定響應(yīng)過(guò)程的是瞬態(tài)響應(yīng)部分。選擇合適的響應(yīng)過(guò)程實(shí)際上就是選擇合適的瞬態(tài)響應(yīng)，也就是選擇合適的特征參數(shù)ωn與ξ的值。3.二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線⑴第36頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線⑵②無(wú)阻尼系統(tǒng)有一對(duì)共軛虛極點(diǎn)，響應(yīng)是等幅振蕩曲線③臨界阻尼系統(tǒng)④過(guò)阻尼系統(tǒng)兩個(gè)相同的負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn)，兩個(gè)相同的慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)有兩個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn)單調(diào)上升曲線單調(diào)上升但不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)值，響應(yīng)是非振蕩的。兩個(gè)極點(diǎn)中離s平面原點(diǎn)較遠(yuǎn)的極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)分量幅值較小，衰減較快。隨著阻尼比的增大，其中一個(gè)極點(diǎn)將越來(lái)越遠(yuǎn)離s平面原點(diǎn)，其幅值越來(lái)越小，衰減越來(lái)越快；而另一個(gè)極點(diǎn)越來(lái)越靠近原點(diǎn)，其幅值越來(lái)越大，衰減越來(lái)越慢。當(dāng)阻尼比ζ》1時(shí)，式右邊最后一項(xiàng)可以忽略，二階系統(tǒng)可以用靠近原點(diǎn)的那個(gè)極點(diǎn)所表示的一階系統(tǒng)來(lái)近似分析。第37頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的特點(diǎn)分析①響應(yīng)特性與閉環(huán)極點(diǎn)位置有關(guān)

②響應(yīng)的快慢與極點(diǎn)距離虛軸的遠(yuǎn)近有關(guān)

③阻尼比ζ和無(wú)阻尼自然頻率ωn確定了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

閉環(huán)極點(diǎn)具有負(fù)實(shí)部，時(shí)間趨向無(wú)窮大時(shí)，瞬態(tài)響應(yīng)趨于零，系統(tǒng)穩(wěn)定。極點(diǎn)距離虛軸近，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)模式衰減慢；距離越遠(yuǎn)衰減越快。阻尼比ζ確定了系統(tǒng)響應(yīng)振蕩特性—響應(yīng)平穩(wěn)性。ζ越小，響應(yīng)振蕩越劇烈；ζ越大，響應(yīng)越緩慢呆滯。無(wú)阻尼自然頻率ωn確定了系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程時(shí)間的長(zhǎng)短—響應(yīng)快速性。ωn越小，即時(shí)間常數(shù)T越大，響應(yīng)就慢，反之，ωn越大，即時(shí)間常數(shù)T越小，響應(yīng)就越快。響應(yīng)快速性與響應(yīng)平穩(wěn)性是相互矛盾的。共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)：衰減正弦振蕩曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定。負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn)：響應(yīng)是單調(diào)上升曲線，系統(tǒng)穩(wěn)定。共軛虛極點(diǎn)：等幅振蕩曲線，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。

第38頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、高階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)

不失一般性，高階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：

當(dāng)輸入為階躍函數(shù)時(shí)，輸出可表示為：

通過(guò)拉氏反變換，輸出響應(yīng)可表示為：第39頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)

當(dāng)某極點(diǎn)（一對(duì)共軛極點(diǎn)）離虛軸很近，其余極點(diǎn)實(shí)部之模大于該極點(diǎn)（該對(duì)共軛極點(diǎn)）實(shí)部模的5倍以上時(shí)，則其他極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間很短，系統(tǒng)輸出響應(yīng)可以近似地視為該極點(diǎn)（該對(duì)共軛極點(diǎn)）所產(chǎn)生，其余極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)可以忽略不計(jì)。該極點(diǎn)（該對(duì)共軛極點(diǎn)）稱(chēng)為系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。據(jù)此，假如閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)附近沒(méi)有閉環(huán)零點(diǎn)時(shí)，可以消去其他遠(yuǎn)極點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的降階。

須注意保持系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)增益不變。第40頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.偶極子

假如某極點(diǎn)與某零點(diǎn)很近，那么由該極點(diǎn)產(chǎn)生的響應(yīng)的將很小，因而該響應(yīng)分量在全部響應(yīng)中所占的“權(quán)重”也必然很小，可以忽略不計(jì)。這對(duì)零點(diǎn)和極點(diǎn)稱(chēng)為偶極子。高階系統(tǒng)降階時(shí)可以同時(shí)取消偶極子，但須注意保持系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)增益不變。第41頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.高階系統(tǒng)降階舉例

已知系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：四個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)為：?jiǎn)蝹€(gè)閉環(huán)零點(diǎn)為：消去偶極子和遠(yuǎn)極點(diǎn)后得到：第42頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、用Matlab求系統(tǒng)響應(yīng)步驟1：?jiǎn)?dòng)Matlab第43頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一步驟2：設(shè)置工作文件路徑第44頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一步驟3：打開(kāi)文件編輯窗口，輸入、編輯文件并存盤(pán)。下圖示例中傳遞函數(shù)為：第45頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一步驟4：運(yùn)行文件，顯示結(jié)果。第46頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第47頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例2降階前后階躍響應(yīng)對(duì)比。第48頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、控制系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)最大超調(diào)量:相對(duì)穩(wěn)定性,響應(yīng)平穩(wěn)性,阻尼程度時(shí)間指標(biāo)：響應(yīng)的快速性。注意：響應(yīng)的平穩(wěn)性與快速性是相互矛盾的。第49頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)概念與定義線性控制系統(tǒng)典型的單位階躍響應(yīng)曲線延遲時(shí)間td：系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需的時(shí)間。上升時(shí)間tr：系統(tǒng)階躍響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。第50頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)概念與定義

峰值時(shí)間tp：響應(yīng)第一次到達(dá)最大峰值所需時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間ts：系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線進(jìn)入并保持在穩(wěn)態(tài)值±Δ%允許誤差范圍內(nèi)的最小時(shí)間?！捆?取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%，根據(jù)系統(tǒng)所完成的任務(wù)而定。調(diào)節(jié)時(shí)間又稱(chēng)調(diào)整時(shí)間、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。

超調(diào)量σ：又稱(chēng)最大超調(diào)量，反映系統(tǒng)響應(yīng)振蕩的劇烈程度。

振蕩次數(shù)N：在調(diào)節(jié)時(shí)間ts內(nèi)，響應(yīng)曲線振蕩的次數(shù)。

在上述指標(biāo)中，調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量反映了對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能最重要的要求：響應(yīng)快速性和相對(duì)穩(wěn)定性。第51頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.欠阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)計(jì)算

只有二階系統(tǒng)可以推導(dǎo)出上述性能指標(biāo)的解析式，其他系統(tǒng)只能從響應(yīng)曲線、仿真結(jié)果中獲取相應(yīng)指標(biāo)數(shù)值。

延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都是系統(tǒng)無(wú)阻尼自然頻率和阻尼比的函數(shù)，當(dāng)阻尼比給定時(shí)，系統(tǒng)自然頻率越高，這些時(shí)間指標(biāo)越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快。

超調(diào)量?jī)H僅是阻尼比的函數(shù)。進(jìn)一步思考的問(wèn)題：①綜合性能指標(biāo)；②高階系統(tǒng)的降階處理；③速度反饋的作用；④傳遞函數(shù)零點(diǎn)的影響；⑤系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的微分（積分）的響應(yīng)，等于系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的微分（積分）。第52頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆自然響應(yīng)模式的概念⑴若輸出函數(shù)中不含有多重極點(diǎn)，可展成部分分式:

取拉氏反變換，得到零狀態(tài)響應(yīng):

零狀態(tài)響應(yīng)的模式由系統(tǒng)G(s)和輸入R(s)的極點(diǎn)共同確定。式中，等號(hào)右邊的第一項(xiàng)和式是系統(tǒng)的自然響應(yīng)，其變化規(guī)律只取決于系統(tǒng)函數(shù)G(s)的極點(diǎn)在S平面的位置，體現(xiàn)了系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，與激勵(lì)函數(shù)的形式無(wú)關(guān)，其中的每一項(xiàng)稱(chēng)為自然響應(yīng)模式，亦稱(chēng)為主振型、主模態(tài)；第二項(xiàng)和式是系統(tǒng)的強(qiáng)迫響應(yīng)，其變化規(guī)律只取決于輸入激勵(lì)R(s)的極點(diǎn)在S平面的位置。但是待定系數(shù)Ck（留數(shù)）與G(s）和R(s）的零點(diǎn)、極點(diǎn)分布都有關(guān)系。第53頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆自然響應(yīng)模式的概念⑵單重實(shí)數(shù)極點(diǎn)p單重共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)α±jβ

r重實(shí)數(shù)極點(diǎn)pr重共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)α±jβ

第54頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆自然響應(yīng)模式的概念⑶

當(dāng)G(s)的極點(diǎn)與R(s)的零點(diǎn)或G(s)的零點(diǎn)和R(s)的極點(diǎn)相消時(shí)，就會(huì)使G(s)的極點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的自然響應(yīng)模式或R(s)的極點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)迫響應(yīng)模式消失。若將系統(tǒng)的初始狀態(tài)看成系統(tǒng)的另一種輸人激勵(lì)，一般它相當(dāng)于脈沖信號(hào)，可以證明零輸入響應(yīng)(自然響應(yīng))的模式由D(s)＝0的根確定，它的幅度和相位則與初始狀態(tài)有關(guān)。這里D(s)=0稱(chēng)為系統(tǒng)的特征方程，其根稱(chēng)為特征根或系統(tǒng)的固有頻率?？梢哉f(shuō)零輸入響應(yīng)的模式由系統(tǒng)的固有頻率確定。如果G(s)沒(méi)有零、極點(diǎn)相消，則特征方程D(s)=0的根也就是G(s)的極點(diǎn)，則零輸入響應(yīng)的模式由G(s)的極點(diǎn)確定。但是，當(dāng)G(s)有零極點(diǎn)相消時(shí)，系統(tǒng)的某些固有頻率在G(s)的極點(diǎn)中將不再出現(xiàn)，這時(shí)零輸入響應(yīng)的模式不再由G(s)的極點(diǎn)確定，但G(s)的零極點(diǎn)是否相消，并不影響零狀態(tài)響應(yīng)的模式。這一現(xiàn)象說(shuō)明，系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)一般只用于研究系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。第55頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆學(xué)習(xí)中應(yīng)思考的問(wèn)題

綜合性能指標(biāo)高階系統(tǒng)的降階處理速度反饋的作用傳遞函數(shù)零點(diǎn)的影響系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的微分（積分）的響應(yīng)，等于系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)的微分（積分）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)系統(tǒng)的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性即系統(tǒng)性能瞬態(tài)性能指標(biāo)響應(yīng)的快速性響應(yīng)的平穩(wěn)性無(wú)阻尼自然振動(dòng)頻率ωn系統(tǒng)阻尼比ζ第56頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.4線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性的概念穩(wěn)定性的物理意義系統(tǒng)穩(wěn)定的必要充分條件穩(wěn)定性判據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析第57頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一穩(wěn)定性概念與物理意義⒈系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定舉例

穩(wěn)定不穩(wěn)定c點(diǎn)穩(wěn)定，a、e點(diǎn)不穩(wěn)定

當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾后，顯然它的平衡狀態(tài)被破壞，但它仍能恢復(fù)到原有平衡狀態(tài)下繼續(xù)工作，系統(tǒng)的這種性能，通常稱(chēng)為穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是系統(tǒng)的一個(gè)動(dòng)態(tài)屬性。穩(wěn)定是系統(tǒng)能夠工作的首要條件！第58頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、穩(wěn)定性概念與物理意義

系統(tǒng)處于偏離平衡位置的初始狀態(tài)，且不存在輸入作用，若在初始狀態(tài)的影響下，系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)隨著時(shí)間的推移，逐漸衰減并趨向于零，即回到平衡狀態(tài)，則稱(chēng)該系統(tǒng)是穩(wěn)定的；反之，若在初始狀態(tài)影響下,系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)隨時(shí)間的推移發(fā)散(即偏離平衡位置來(lái)越遠(yuǎn))，則稱(chēng)該系統(tǒng)不穩(wěn)定?！∑罘€(wěn)定⒉穩(wěn)定性定義穩(wěn)定性概念

系統(tǒng)的由初始狀態(tài)所引起的時(shí)間響應(yīng)隨著時(shí)間的推移，逐漸衰減并趨向于零，即回到平衡位置的性質(zhì)。

系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后，隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)能恢復(fù)到原有平衡工作點(diǎn)的性質(zhì)。數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)：系統(tǒng)齊次微分方程的解是收斂的?！蠓秶€(wěn)定第59頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一※穩(wěn)定性的物理意義

響應(yīng)是有界的；系統(tǒng)能夠消耗初始狀態(tài)提供給系統(tǒng)的能量。

系統(tǒng)的初始狀態(tài)就是系統(tǒng)的蓄能狀態(tài)，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性就是研究系統(tǒng)零輸入響應(yīng)的情況。如果零輸入響應(yīng)逐漸衰減并趨向于零，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，即系統(tǒng)能夠消耗系統(tǒng)初始蓄存的能量?；蛘哒f(shuō)，系統(tǒng)的響應(yīng)是能量有界的。（BIBO穩(wěn)定）⒊穩(wěn)定性的物理意義第60頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一☆穩(wěn)定程度——相對(duì)穩(wěn)定性⒋穩(wěn)定程度——相對(duì)穩(wěn)定性

系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)逐漸衰減并趨于零，則系統(tǒng)穩(wěn)定；如果系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)是發(fā)散的，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。而如果系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)趨于某一恒定值或成為等幅振蕩，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定的邊緣，即處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)，臨界穩(wěn)定狀態(tài)一般是不能工作的。而且即使沒(méi)有超出臨界穩(wěn)定狀態(tài)，只要與臨界穩(wěn)定狀態(tài)接近到某一程度，系統(tǒng)在實(shí)際工作中就可能變成不穩(wěn)定。

因此，對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，只知道系統(tǒng)穩(wěn)定還是不穩(wěn)定是不夠的，還要了解系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，即系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定性?xún)?chǔ)備。系統(tǒng)離開(kāi)臨界穩(wěn)定狀態(tài)的程度，反映了系統(tǒng)穩(wěn)定的程度，稱(chēng)為相對(duì)穩(wěn)定性。

第61頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二線性系統(tǒng)穩(wěn)定的必要充分條件

系統(tǒng)的全部特征根都必須具有負(fù)實(shí)部；反之，若特征根中只要有一個(gè)具有正實(shí)部，則系統(tǒng)必不穩(wěn)定。也可以表述為：系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)的全部極點(diǎn)均位于[s]平面的左半開(kāi)平面，則系統(tǒng)穩(wěn)定,反之，只要有一個(gè)極點(diǎn)位于[s]平面的右半平面，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。

注意：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程右端各項(xiàng)系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒(méi)有影響，這相當(dāng)于系統(tǒng)傳遞函數(shù)的各零點(diǎn)對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有影響，因?yàn)檫@些系數(shù)僅反映系統(tǒng)與外界作用的關(guān)系，與系統(tǒng)穩(wěn)定與否無(wú)關(guān)。線性系統(tǒng)是否穩(wěn)定，完全取決于系統(tǒng)的特征根，即取決于系統(tǒng)本身的固有特性。第62頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三穩(wěn)定性時(shí)域判據(jù)——Routh判據(jù)

線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是其特征根均具有負(fù)實(shí)部。因此，要判別某系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只要解得系統(tǒng)特征根即可。但實(shí)際控制系統(tǒng)的特征方程往往是高階的，求解困難。如果不去直接求解特征方程，就能判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，那么在工程上就有現(xiàn)實(shí)意義。為此形成了一系列穩(wěn)定性判據(jù)，其中最重要的是(1884年)勞斯(Routh)判據(jù)。勞斯判據(jù)是基于方程式的根和系數(shù)的關(guān)系建立起來(lái)的，它是判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的充分必要條件。第63頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.應(yīng)用勞斯判據(jù)的步驟下面以六階系統(tǒng)為例說(shuō)明勞斯判據(jù)的用法。步驟判據(jù)⒈列寫(xiě)閉環(huán)系統(tǒng)特征方程（特征多項(xiàng)式）⒉列出勞斯表⒊考查勞斯表第一列元素的符號(hào)，進(jìn)行判別。符號(hào)相同則系統(tǒng)穩(wěn)定，符號(hào)不同則系統(tǒng)不穩(wěn)定；符號(hào)改變的次數(shù)是正實(shí)部根的數(shù)目。第64頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.勞斯判據(jù)應(yīng)用舉例⒉列出勞斯表，勞斯表將有n+1行；此例有7行。⒈已知六階系統(tǒng)的特征方程為第65頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一◎勞斯表的排列與計(jì)算第66頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一◎勞斯判據(jù)的用法

⒊判據(jù)：當(dāng)勞斯表中第一列的全部元素具有相同的符號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的特征根全部位于s平面的左半部，而其符號(hào)改變次數(shù)恰恰就是具有正實(shí)部或位于s平面右半部的根的個(gè)數(shù)。

4.勞斯判據(jù)的其它應(yīng)用計(jì)算使系統(tǒng)穩(wěn)定的某個(gè)參數(shù)的取值范圍。估計(jì)系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。確定自激震蕩頻率。

5.兩種特殊情況的處理第一列出現(xiàn)零元素——用任意小的正數(shù)替代；出現(xiàn)全行元素都為零——用該行構(gòu)造輔助方程。第67頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例1

Considerthestabilityofasystemhavingthecharacteristicequationof

Thecharacteristicequationhastworootswithpositiverealparts.Hence,thesystemisunstable.

ThecompleteRoutharrayis第68頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例2Ifafeedbackcontrolsystemhasopenlooptransferfunctionas

FindoutthevalueofKtoenabletheclosed-loopsystemtobestable.closed-loopcharacteristicequation

Routh'sarraySothatthevalueofKisas第69頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例3

FormtheRoutharray,

replacethezerobyanepsilon,ε,andcompletethearray.

Ifεischosenpositive,thesystemisunstableandhastwopolesintherighthalf-plane.Ifεischosennegative,theresultisexactlythesameasthatforapositivechoiceforε.

Thus,thesystemisunstable.第70頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例4

Determinethenumberofrighthalf-planepolesintheclosed-looptransferfunction,ifitscharacteristicequationis

Westopatthefourthrow,sincetheentirerowconsistsofzeros.Wehavetousethefollowing

procedure.

Returntotherowimmediatelyabovetherowofzerosandformanauxiliarypolynomial,usingtheentriesinthatrowascoefficients.第71頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例4(續(xù)）

DifferentiatethepolynomialwithrespecttosandobtainUsethecoefficientsoftheequationtoreplacetherowofzeros.ThustheentireRoutharraybecomes:

Allelementsinthe1stcolumnarepositive,hencethesystemisstable.？第72頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例4(續(xù)）Whenarowofzerosoccurs,thereexistsanevenoroddpolynomialdivisoroftheoriginalpolynomial.Thecoefficientsofthisdivisorpolynomialaregivenbythepreviousnonzorerowofthearray.ForthisExamplepolynomial,thedivisorisDividingtheoriginalpolynomialbythisevendivisorgives第73頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例4(續(xù)）Evenlydividingimplysthatthedivisorpolynomialisafactoroftheoriginalpolynomial.Hencetherootsofthedivisorpolynomialalsoaretherootsoftheoriginalpolynomial.Therootsare:Whichindicatesthatthedivisorrepresentstwoconjugatepairsofimaginaryaxisroots,andacturelythesystemiscriticallystable.Bythemean,theoscillationfrequenciescanbedetermined.第74頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.5控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析控制系統(tǒng)的控制精度用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表征，穩(wěn)態(tài)誤差越小控制精度越高。穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的誤差分為原理性誤差和結(jié)構(gòu)性誤差：與系統(tǒng)型號(hào)、輸入信號(hào)性質(zhì)有關(guān)的誤差稱(chēng)為原理性誤差，而因制造、間隙、死區(qū)等造成的誤差是結(jié)構(gòu)性誤差。這里僅僅討論原理性誤差。

誤差與偏差的定義、關(guān)系決定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的因素穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算方法第75頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一誤差與偏差的概念與關(guān)系偏差：在輸入端定義的誤差，它是輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之差，亦稱(chēng)偏差。既可計(jì)算，也可量測(cè)。誤差：在輸出端定義的誤差，它是期望輸出與實(shí)際輸出之差。只能計(jì)算，不能量測(cè)。當(dāng)偏差為零時(shí)，系統(tǒng)的輸出定義為系統(tǒng)的期望輸出誤差與偏差的關(guān)系G(s)H(s)R(s)E(s)C(s)B(s)+－1/H(s)E’(s)Cd(s)+－第76頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二瞬態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差

第77頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三主令輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算

穩(wěn)態(tài)誤差的終值與系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)(即系統(tǒng)結(jié)構(gòu))和輸入信號(hào)的性質(zhì)有關(guān)?、庇媒K值定理計(jì)算結(jié)論設(shè)一單位反饋控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

試分別求出系統(tǒng)在單位階躍、速度、加速度輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。⒈單位階躍輸入時(shí)：⒉單位速度輸入時(shí)：⒊單位加速度輸入時(shí)：穩(wěn)態(tài)誤差為∞。結(jié)論：0型系統(tǒng)不能跟蹤速度和加速度信號(hào)。第78頁(yè)，共84頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⒉用靜態(tài)誤差系數(shù)計(jì)算階躍信號(hào)輸入引入位置誤差系數(shù)0型系統(tǒng)kp=K0，Ⅰ型以上系統(tǒng)kp=∞

引入速度誤差系數(shù)0型系統(tǒng)kv=∞，Ⅰ型系統(tǒng)kv=K0，Ⅱ型系統(tǒng)kp=0斜坡信號(hào)輸入加