《控制工程基础》第三章时域分析.ppt
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- 控制工程基础 控制工程 基础 第三 时域 分析
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1、Page 1LOGOlim()tf t(0)lim()sfsF s0lim()tf t0()lim()sfsF s Page 2LOGOPage 3LOGO 控制系统在外加作用(输入)激励下,控制系统在外加作用(输入)激励下,其输出量随时间变化的函数关系称为系统的其输出量随时间变化的函数关系称为系统的时域响应(时域响应(time response)。由于线性定常系统可用微分方程来描述,由于线性定常系统可用微分方程来描述,所以系统时域响应的数学表达式就是微分方所以系统时域响应的数学表达式就是微分方程的解。任一稳定系统的时域响应都是由瞬程的解。任一稳定系统的时域响应都是由瞬态响应态响应(trans
2、ient response)和稳态响应和稳态响应(steady-state response)两部分组成。两部分组成。Page 4LOGOPage 5LOGO 典型输入信号典型输入信号i0()00atx ttPage 6LOGOi0()00attx ttPage 7LOGO2i0()00attx ttPage 8LOGO0000i0lim0()00tatttx tttt 或Page 9LOGO()()()oiXsG sX s()()oG sXs()1iX s Page 10LOGO000sin)(tttatxiPage 11LOGO3.1节小结节小结Page 12LOGO oi11XsXsTs
3、Page 13LOGO3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应 i()1x tt i1Xss ooii11111111TXsXsXsXsTssTsTsss 1o()11tTx tetPage 14LOGOPage 15LOGO3.2.2一阶系统的单位斜坡响应一阶系统的单位斜坡响应 i()1x ttt i21Xss ooi2i211111TXsXsXsXsTssTTsss 1o()1tTx tt TTetPage 16LOGOPage 17LOGO3.2.3 一阶系统的单位脉冲响应一阶系统的单位脉冲响应 i()x tt i1Xs ooii11111TTXsXsXsXsTss 1o
4、1()1tTx tetTPage 18LOGO 1o1()1tTx tetTPage 19LOGO3.2节小结节小结 oto1o1oddd()dxtxttxtxtt 1ot()1Ttx tt T Tet 1o1()11Ttx tet 11o()1TtTxtetPage 20LOGOn2on22inn()()2XsX ssso22i()1()21XsX sT sTsn1TPage 21LOGO3.3.1二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应 i()1x tt i1Xss 2onoi22inn12XsXsXsXssss222n2nn24412nn Page 22LOGO1.欠阻尼欠阻尼 01
5、2onindnd()()jjXsX sss2dn1 nno2222ndnd1sXssss nnodd2()1cos()sin()11ttx tetettPage 23LOGO n2od21()1sinarctan11tex tttdPage 24LOGO2.临界阻尼临界阻尼12on2in()()XsX ss nnon()11ttx tteet no2nn11XssssPage 25LOGO3.过阻尼过阻尼 12on22innnn()()11XsX sss ooii2n22nnnn222222nnnn111112(1 1)2(1 1)111XsXsXsXsssssss Page 26LOGO 2
6、2nn11o222211()1121 121 1ttx teet Page 27LOGO4.零阻尼零阻尼 02on22in()()XsX ss on()1 cos()1x ttt o22n1sXsssPage 28LOGO5.负阻尼负阻尼 0 oxt t Page 29LOGO1010012on22inn()()2XsX sss二阶系统单位阶跃响应小结二阶系统单位阶跃响应小结Page 30LOGO二阶系统单位阶跃响应小结二阶系统单位阶跃响应小结2dn1Page 31LOGOPage 32LOGO1.上升时间上升时间rtto()x trtrtPage 33LOGO2.峰值时间峰值时间ptto()
7、x tptPage 34LOGO3.最大超调量最大超调量pMto()x tpMPage 35LOGO4.调整时间调整时间stto()x tstPage 36LOGO5.延迟时间延迟时间dtto()x tdtPage 37LOGO6.振荡次数振荡次数stto()x tstPage 38LOGO时域性能指标的求取时域性能指标的求取1,2ndjs 2dn121arctanPage 39LOGOrtor()1x t n2od21()1sinarctan11tex tttn r2d r2111sinarctan1tet 1.求取上升时间求取上升时间Page 40LOGOn r0te2r2dn111arc
8、tanarccos21t2d r1sinarctan0t2d r1arctantPage 41LOGO od0dxttn pn pdnd pd p22sincos011tteettpt2.求取峰值时间求取峰值时间 n2od21()1sinarctan11tex tttPage 42LOGOn p0tedd pntantantd pp2dn1ttPage 43LOGOn2nn22npop-1-22-1-1-()11-=1-sinarctan-11-=Mx teeepM3.求取最大超调量求取最大超调量Page 44LOGOst4.求取调整时间求取调整时间 n2od21()1sinarctan11t
9、ex tttPage 45LOGOn25%1te2snln0.05ln1tsnnln0.024tsnnln0.053tPage 46LOGOstn当允许有一定超调时,工程上一般选择二当允许有一定超调时,工程上一般选择二阶系统阻尼比阶系统阻尼比在在0.51之间。当之间。当变小时,变小时,愈小,则调整时间愈小,则调整时间 愈长;而当愈长;而当变大时,变大时,愈大,调整时间愈大,调整时间 也愈长。也愈长。Page 47LOGO)10(ssKI(s)z(s)_系统的传递函数为:系统的传递函数为:KssKssKssKsGb10)10(1)10()(2因因为为K=100 2222210010100)(nn
10、nbsssssG5.010n因而因而,。Page 48LOGOstndr24.0105.015.0arccos1arccos22峰值时间峰值时间stndp36.0105.01122调整调整时间时间,设误差控制在设误差控制在0.05之内之内stns6.0105.033超调量为超调量为%4.16%100%100225.015.01eeMpPage 49LOGO依题意:依题意:解之得解之得因而因而 2-1-20%pMe0.456依题意:依题意:p2n11tn223.53/11 0.456rad sPage 50LOGO所以所以(系统进入(系统进入2%的误差范围)的误差范围)2on222inn(1)(
11、1)(1)21(1)hhKXsKs sKK sXssKKsKsss s222n3.5312.5(/)Krads2120.4563.5310.178()12.5nhKsKarccos0.65()rdts442.48()0.4563.53sntsPage 51LOGOPage 52LOGO iooof tkx tDx tMx t 2oi2no2222inn1112M sD skXsFskXskMkDkFsM sD skssssMM21p0.0 0 2 90.0 30.6Me p22nnn2110.61.9 6/tra dsPage 53LOGO ooi200201limlim18.98.9lim0
12、.03sssxsXssF sMsDsksmMsDsksk 8.9297/0.03kN m22n29777.3 kg1.96kMn22 0.6 1.96 77.3181.8/DMNrad sPage 54LOGO3.4.1系统稳定性的基本概念系统稳定性的基本概念1.单摆单摆2.闭环控制系统的稳定性问题闭环控制系统的稳定性问题 定义:若控制系统在任何足够小的初始偏差定义:若控制系统在任何足够小的初始偏差的作用下,其过渡过程随着时间的推移,逐渐衰的作用下,其过渡过程随着时间的推移,逐渐衰减并趋于零,具有恢复原平衡状态的性能,则称减并趋于零,具有恢复原平衡状态的性能,则称该系统为稳定;否则,称该系统为
13、不稳定。该系统为稳定;否则,称该系统为不稳定。系统受扰动后能否系统受扰动后能否恢复原来的状态恢复原来的状态Page 55LOGO3.4.2 系统稳定的充要条件系统稳定的充要条件N(s)到到Xo(s)的传递函数:的传递函数:120111120111mmommnnnnXsGsb sbsbsbN sG s Gs H sa sa sasaPage 56LOGO 10111011mmmmOnnnnb sbsbsbXsa sa sasa设设n(t)为单位脉冲函数,为单位脉冲函数,1N s 222222jjiijijjjjjjde scsssss Page 57LOGO1s2212ss222ssste221
14、sin11tet22211sin1arctan1tetPage 58LOGO 2 sin1ijjtoiitjjjjjxtf eg et 如果系统稳定,应有如果系统稳定,应有 0otxt0,0ijj 即即Page 59LOGO10sss,的根:222222221,20224412ssssj 的根:0,0ijj Page 60LOGO为系统闭环特征方程式的根的实部为系统闭环特征方程式的根的实部,控制系统稳定的充分必要条件是:控制系统稳定的充分必要条件是:闭环特征方程式的根全部具有负实部闭环特征方程式的根全部具有负实部 系统特征根即闭环系统特征根即闭环极点,故也可以说充要极点,故也可以说充要条件为:
15、条件为:极点全部在极点全部在ss平面平面的左半面的左半面Page 61LOGO为系统的特征根为系统的特征根12,ns ss基于基于方程式的根与系数的关系方程式的根与系数的关系 3.4.3 劳斯判据劳斯判据111000001200nnnnnaaaasssaaaassssss10110nnnna sa sasa设系统特征方程为设系统特征方程为Page 62LOGO02461135721234312342121101nnnnsaaaasaaaasbbbbsccccsuusvsw充要条件:充要条件:如果如果“劳斯阵列劳斯阵列”中第一列所有项均为正,则系统稳定。中第一列所有项均为正,则系统稳定。劳斯阵列
16、:劳斯阵列:Page 63LOGO120311140521160731a aa abaa aa abaa aa aba131 211151 321171 4311 21 211baabcbbaabcbbaabcbcbbcdc实部为正的特征根数实部为正的特征根数劳斯阵列中第一列的系数符号改变的次数。劳斯阵列中第一列的系数符号改变的次数。Page 64LOGO例例:设控制系统的特征方程式为设控制系统的特征方程式为 试应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性。试应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性。0516178234ssssPage 65LOGO431751618ss劳斯阵列第一列中劳斯阵列第一列中系数符号全
17、为正,系数符号全为正,所以控制系统稳定。所以控制系统稳定。解:解:0516178234ssss2515s05s1403s排劳斯阵列排劳斯阵列Page 66LOGO例2 设控制系统的特征方程式为 试应用劳斯稳定判据判断系统的稳定性。43210133241332sssss03432234ssss解:由方程系数可知已满足稳定的必要条件。解:由方程系数可知已满足稳定的必要条件。排劳排劳斯阵列斯阵列第一列系数改变符号第一列系数改变符号2次,次,闭环系统的根中有闭环系统的根中有2个实部个实部为正,为正,控制系统不稳定。控制系统不稳定。Page 67LOGO二阶系统特征式为二阶系统特征式为 ,劳斯,劳斯表为
18、表为2012a sa sa2210120aasssaa故故二阶系统稳定的充要条件二阶系统稳定的充要条件是是0120,0,0aaa对于特征方程阶次低(对于特征方程阶次低(n3n3)的系统,劳)的系统,劳斯判据可简化:斯判据可简化:Page 68LOGO三阶系统特征式为三阶系统特征式为 ,劳斯表劳斯表:320123a sa sa sa32201120313031aaa aa aasasassa01231203,0,a aaaaaaa故故三阶系统稳定的充要条件三阶系统稳定的充要条件是是Page 69LOGO 例例 设某反馈控制系统如下图所示,试计算使设某反馈控制系统如下图所示,试计算使系统稳定的系统
19、稳定的K值范围。值范围。12oiXsKXss ssK解:系统闭环传递函数为解:系统闭环传递函数为Page 70LOGO3212320s ssKsssK02 31KK 特征方程为特征方程为根据根据三阶系统稳定的充要条件三阶系统稳定的充要条件,可知使系统稳定须满足可知使系统稳定须满足故使系统稳定的故使系统稳定的K值范围为值范围为06KPage 71LOGO10221ss例例:设控制系统的闭环特征方程式为设控制系统的闭环特征方程式为用劳斯判据判断稳定性。用劳斯判据判断稳定性。4322210ssss 劳斯阵列表劳斯阵列表4311122ss符号改变符号改变2次,次,2个正实根。个正实根。20()1sPa
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