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第三章 时域分析法 第三章 时域分析法 第一节 引言 时域分析方法是根据系统的微分方程,采用拉氏变换法直接解出系统的时间响应,再根据时间响应来分析系统的稳定性、准确性和快速性能。用时域分析系统性能具有直接、准确、易于接受的特点,是经典控制理论中进行系统性能分析的一种重要方法。 第三章 时域分析法 第二节 典型输入信号 在时域进行分析时,为了比较不同系统的控制性能,需要规定一些具有典型意义的输入信号,建立分析比较的基础,这些信号称为控制系统的典型输入信号。因为系统对典型输入信号的响应特性,与系统对实际输入信号的响应特性之间存在着一定的关系,所以采用典型输入信号来评价系统的性能是合理的。 第三章 时域分析法 为便于进行理论分析与试验研究,对典型输入信号有如下要求: (1)能够使系统工作在最不利的情况下; (2)形式简单,便于解析分析; (3)在实际中可以实现或近似实现。 工程中经常采用的典型输入信号有单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、谐和函数和单位加速度函数等。 其数学描述与图形如图3-1所示。 第三章 时域分析法 第三节 一阶系统的时域响应 控制系统的时间响应由两部分组成:瞬态响应和稳态响应。瞬态响应是指系统从初始状态到最终状态的响应过程。稳态响应是指当时间t趋于无穷大时,系统的输出状态。 一阶惯性系统是一阶系统的典型代表,其传递函数标准形式是: 第三章 时域分析法 一、一阶系统的单位阶跃响应 单位阶跃输入Xi(t)=1(t),对其进行拉氏变换得,Xi(S)=1/S,则 对上式进行拉氏反变换,得 第三章 时域分析法 得出如下重要结论: (1)一阶系统总是稳定的,无振荡; (2)系统响应由两部分组成,稳态响应1(t)和瞬态响应 组成,瞬态响应随着时间的增加逐渐衰减为0; (3)经过时间T曲线上升到稳态值的0.632高度。反之,用实验方法测出的时间响应曲线到达稳态值的0.632时所用的时间,即是一阶系统的时间常数T; 第三章 时域分析法 重要结论: (4)经过时间3T-4T,响应曲线已达到稳态值的95%-98%,可以认为其调整过程已经完成,故一般取调整时间为(3-4)T ; (5)在t = 0处,响应曲线的切线斜率为1/T ; (6)若通过实测某系统单位阶跃响应yo(t),将[1-yo(t)]标在半对数坐标纸上,如果得出一条直线,则可判定该系统为一阶环节。 第三章 时域分析法 二、一阶系统的单位斜坡响应 一阶系统的单位斜坡响应.doc 当 t 充分大时,系统跟踪单位斜坡输入信号的误差为T。显然,惯性环节的时间常数越小,则该环节的稳态误差越小。 一阶系统的单位斜坡响应是一条由零开始逐渐变为等速变化的曲线,稳态输出与输入同斜率,但滞后一个时间常数,即存在跟踪误差,其数值大小也等于T。 第三章 时域分析法 三、一阶系统的单位脉冲响应一阶系统的单位斜坡响应.doc 一阶系统的典型输入响应特性与时间常数密切相关,时间常数越小、单位脉冲响应的衰减越快,单位阶跃响应的调整时间越小,单位斜坡响应的稳态误差及滞后时间也越小。 例3-1 p79 第三章 时域分析法 第四节 二阶系统的瞬态响应分析 4-1 控制系统的时域指标 控制系统的时域性能指标,是根据系统在单位阶跃函数作用下的时间响应——单位阶跃响应确定的,通常以h(t)表示。 实际应用的控制系统,多数具有阻尼振荡的阶跃响应,如图4-1所示: 一.上升时间tr 响应曲线从零首次上升到稳态值h(∞)所需的时间,称为上升时间。对于响应曲线无振荡的系统,tr是响应曲线从稳态值的10%上升到90 %所需的时间。 延迟时间td:响应曲线第一次到达终值一半所需的时间。 二.峰值时间tp 响应曲线超过稳态值h(∞)达到第一个峰值所需的时间。 三.调节时间ts 在稳态值h(∞)附近取一误差带,通常取 响应曲线开始进入并保持在误差带内所需的最小时间,称为调节时间。 ts越小,说明系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态所需的时间越短。 四.超调
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