第2章 【本章概要】
数学模型的建立为分析系统的行为和特性提供了条件。对系统进行分析的目的在于揭示系统在外部输入信号作用下各个变量的运动规律和系统的基本特性,以及改善系统特性使之满足工程要求的基本途径。
分析系统的方法可分为三类:时域法、复域法和频域法。
时域分析法是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法,具有直观、准确的优点,可以提供系统时间响应的全部信息。
本章分别基于输入-输出数学模型和内部描述法(状态空间表达式)分析系统的时域响应并建立二者之间的联系;重点介绍一阶和二阶系统时间响应的分析和计算;讨论系统参数对性能指标的影响,分析改进二阶系统性能的措施;介绍用劳斯稳定性判据分析系统稳定性的方法,以及计算稳态误差的方法。
【学习目标】
熟悉系统阶跃响应性能指标
明确典型系统阶跃响应的特点及其动态性能与系统参数、零极点分布的关系
明确稳定性概念及系统稳定的充要条件,熟练掌握老斯判据及其应用
明确误差和稳态误差的定义,明确利用终值定理计算稳态误差的限制条件
熟练掌握用终值定理求稳态误差的方法
明确影响稳态误差的因素
【重点和难点】
重点:典型系统性能指标,稳定性分析,稳态误差求取
难点:系统参数对系统性能的影响,基于输入输出模型与基于状态空间模型的时间响应关系
【基本内容】
控制系统的典型输入信号
线性定常系统的时域响应及暂态响应的性能指标
一阶系统的暂态响应
二阶系统的暂态响应:暂态响应与极点之间的关系,暂态响应性能指标公式及计算,应用举例
高阶系统的暂态响应:闭环主导极点、偶极子的概念
线性系统的稳定性:稳定的概念,线性系统稳定的充要条件,Routh—Hurwitz稳定判据(代数判据)及应用
控制系统的稳态性能分析:稳态误差定义、求取,减小稳态误差的基本方法
【关键术语】
时域(time domain):一种数学域,与频域相区别,用时间t和时间响应来描述系统。
一阶系统(first order system):控制系统的运动方程为一阶微分方程,称为一阶系统。
二阶系统(second order system):控制系统的运动方程为二阶微分方程,称为二阶系统。
单位阶跃响应(unit step response):系统在零状态条件下,在单位阶跃信号作用下的响应称单位阶跃响应。
阻尼比ζ(damping ratio):与二阶系统的特征根在S平面上的位置密切相关,不同阻尼比对应系统不同的运动规律。
性能指标(performance index):系统性能的定量度量。
上升时间(rise time)tr:响应从终值10%上升到终值90%所需时间;对有振荡系统亦可定义为响应从零第一次上升到终值所需时间。上升时间是响应速度的度量。
峰值时间(peak time)tp:响应超过其终值到达第一个峰值所需时间。
调节时间(response time)ts:响应到达并保持在终值内所需时间超调量(percent overshoot)σ%:响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比。稳定性(stability):稳定性只由结构、参数决定,与初始条件及外作用无关。系统工作在平衡状态,受到扰动偏离了平衡状态,扰动消失之后,系统又恢复到平衡状态,称系统是稳定的。稳定是系统正常工作的先决条件。
劳斯判据(Routh stability criterion):判断系统的闭环稳定性的一种代数判据。
稳态误差(steady state error):态误差是指稳态响应的希望值与实际值之差,它是衡量系统最终控制精度的重要性能指标。 |