自动控制 控制系统的时域分析.ppt

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自动控制 控制系统的时域分析

3.6 控制系统的误差分析 二、稳态误差的计算 4. 稳态误差的计算步骤 判断系统稳定性; 求误差传递函数; 用终值定理求稳态误差; 例3-8 系统结构图如图所示,将开环增益和积分环节分布在回路的不同位置,讨论它们分别对控制输入r(t)=t2/2和干扰n(t)=At作用下所产生的稳态误差的作用,并求系统的稳态误差。 R(s) N(s) C(s) _ + ε(s) + + 解:(1)判断系统稳定性 系统闭环传递函数: 特征多项式: 由劳斯判据可知,当K1K2K30,且T0时系统稳定。 (2)求输入r(t)作用下的稳态误差 R(s)作用下系统的误差传递函数: R(s)作用下系统的稳态误差: R(s)作用下系统的稳态偏差: 结论:开环增益和积分环节在回路的任何位置,对于减小或消除r(t)作用下的稳态误差(稳态偏差)均有效。 例3-8 R(s) N(s) C(s) _ + ε(s) + + 解:(3)求干扰输入n(t)作用下的稳态误差 N(s)作用下系统的误差传递函数: N(s)作用下系统的稳态误差: N(s)作用下系统的稳态偏差: 结论: 分布在前向通道主反馈口到干扰作用点之间的开环增益和积分环节对减小或消除n(t)作用下的稳态误差(稳态偏差)有效; 开环增益分布在主反馈通路上,对减小n(t)作用下的稳态误差有作用,而对于减小稳态偏差无效。 (4)求总的稳态误差和稳态偏差 开环传递函数 式中:ν——开环传递函数中纯积分环节的个数,称为系统型别或系统误差阶数。 按开环传递函数中纯积分环节个数,可将系统分为: 0型系统: ν=0 Ⅰ型系统: ν=1 Ⅱ型系统: ν =2 ν越高,系统的稳态精度越高,但系统的稳定性越差。一般采用0型、Ⅰ型、Ⅱ型系统。 3.6 控制系统的误差分析 三、静态误差系数法——给定输入作用下的稳态误差计算方法 R(s) ε(s) C(s) _ + 1. 系统型别(系统误差阶数) 2. 典型输入情况下的给定稳态误差分析 单位阶跃输入下的稳态位置误差为: 静态位置误差系数: 结论:0型系统在阶跃信号输入下有一定的稳态误差, Ⅰ型以上系统在阶跃信号输入下稳态误差为零。 三、静态误差系数法 (1)单位阶跃信号输入下的稳态误差和静态位置误差系数 3.6 控制系统的误差分析 (2) 单位斜坡信号输入下的稳态误差和静态速度误差系数 单位斜坡信号输入下的稳态位置误差为: 静态速度误差系数: 三、静态误差系数法 ——不能跟踪斜坡信号 ——能跟踪斜坡信号,但有一定的稳态位置误差 ——能准确跟踪斜坡信号 结论:0型系统在斜坡信号输入下稳态误差为∞ ; Ⅰ型系统在单位斜坡信号输入下稳态误差为1/K;Ⅱ 型以上系统在斜坡信号输入作用下稳态误差为零。 2. 典型输入情况下的给定稳态误差分析 (3)单位加速度信号输入下的稳态误差和静态加速度误差系数 单位加速度信号输入下的稳态位置误差为: 静态加速度误差系数: 三、静态误差系数法 2. 典型输入情况下的给定稳态误差分析 ——能跟踪加速度信号,但有一定的稳态位置误差。 ——不能跟踪单位加速度信号 结论:0型、Ⅰ型系统在加速度信号输入下稳态误差为∞ ; Ⅱ 型系统在单位加速度信号输入下的稳态误差为1/K。 3.6 控制系统的误差分析 三、静态误差系数法 3. 任意输入情况下的给定稳态误差分析 结论:线性系统在任意输入作用下的稳态误差为:该输入信号用泰勒级数展开所得的典型信号单独作用下的稳态误差之和。 泰勒级数 例3-9 系统结构图如图所示。已知输入r(t)=2t+4t2,确定系统稳定的条件并求稳态误差。 ε(s) R(s) C(s) _ + 解:(1)判断系统稳定性 系统闭环传递函数为: 特征方程: 列劳斯表确定系统稳定的条件: 根据劳斯判据可知系统稳定的条件为: a0,aT1,K10 (2)计算系统稳态误差 系统开环传递函数为: 系统为Ⅱ型系统,开环增益:K=K1/a, 当r1(t)=2t时系统的稳态误差为: 当r2(t)=4t2=8×0.5×t2时系统的稳态误差为: 输入r(t)=2t+4t2时系统稳态误差为: 3.6 控制系统的误差分析 四、动态误差系数 动态位置误差系数 误差象函数: 误差象函数的拉氏反变换,即误差随时间变化的函数: 动态速度误差系数 动态加速度误差系数 系统的误差传递函数: 在s=0的邻域展开成泰勒级数 记: 注:大部分自动控制书籍中关于动态误差系数的定义。 单位加速度信号 单位斜坡信号 输入 系统1的稳态误差 系统2的稳态误差 单位阶跃信号 例3-10 已知两个单位反馈系统的开环传递函数,试分析其稳态误差和动态误差。 解:(1)静态误差系数和稳态误差计算 注意:两系统的静态误差系数和稳态误差完全相同,看不出两系统控

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