线性反馈控制系统分析

控制系统动态品质分析

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控制系统动态品质分析

控制系统动态品质分析

时域分析法

时域分析法

控制系统的动态品质分析是在系统稳定的条件下确定系统的各项动态性能指标以衡量系统性能的好坏。确定系统动态性能指标可以采用时域分析法和频域分析法。时域法是根据系统的单位阶跃响应函数来求取动态性能指标其中包括利用数字计算机进行仿真分析。频率法是根据系统的闭环或开环频率特性间接求取系统的动态性能指标

(1)一阶系统的单位阶跃响应函数及性能指标计算

设一阶系统的闭环传递函数为

式中 T——系统的时间常数

单位阶跃响应函数如图1所示

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1 一阶系统单位阶跃响应曲线

图中响应函数c(t)

(2)二阶系统的单位阶跃响应函数及性能指标计算

设二阶系统的闭环传递函数为

式中 ωn——系统无阻尼自然角频率

ζ——系统阻尼比

其单位阶跃响应函数如图2所示

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2 二阶系统单位阶跃响应曲线

图中响应函数c(t)

欠阻尼(0ζ1)情况下系统动态性能指标的计算式为

式中Δ为允许误差范围通常Δ±(0.02~0.05)。若0ζ0.8忽略

(3)三阶系统的单位阶跃响应函数

设三阶系统的闭环传递函数为

其单位阶跃响应函数如图3所示

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3 三阶系统单位阶跃响应曲线

图中响应函数c(t)

(4)高阶系统的单位阶跃响应函数

设高阶系统的闭环传递函数为

若系统的特征方程N(s)0具有n个不相重的根si则单位阶跃响应函数为

若系统的特征方程的根中包含重根和共轭复根则可参阅拉氏反变换中有关论述

高阶系统若闭环极点中某一实数极点或某一对共轭极点其距虚轴的距离与其他极点距虚轴距离之比小于或等于1/5且在该极点附近不存在闭环零点这类极点称为系统的主导极点。具有一对共轭极点为主导极点的高阶系统可以近似为二阶系统其性能指标可以按二阶系统的方法进行计算。此时高阶系统的单位阶跃响应函数c(t)

s1s2——系统的一对共轭主导极点

频率分析法

频率分析法

频率分析法是根据系统的频率特性来确定闭环系统过渡过程的品质指标。工程设计中主要是运用开环和闭环对数频率特性来评价系统的瞬态响应特征。当利用开环对数频率特性时主要利用开环频域指标如穿越频率ωc、相位裕量γ和增益裕量Kg等来评价系统当利用闭环对数频率特性时主要利用闭环频域指标如谐振频率ωr、截止频率ωb和谐振峰值Mr等来评估系统。这些指标与闭环系统瞬态响应的关系对二阶系统来讲是可以准确计算的但对高阶来讲由于二者的关系比较复杂通常是近似估算或按经验公式估算

(1)二阶系统频域性能指标与时域性能指标之间的关系

设二阶系统的闭环传递函数为

系统开环频域指标与时域指标的关系为

频域指标与时域指标的换算关系如图1所示

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1 系统开环频域指标与时域指标的换算关系

系统闭环频域指标与时域指标的关系

频域指标与时域指标的换算关系如图2所示

利用上述公式或关系曲线来确定闭环系统的过渡过程的品质时可按以下步骤来进行:

根据开环波德图或闭环波德图确定频域指标穿越频率ωc、相位裕量γ或谐振峰值Mr、截止频率ωb和谐振频率ωr

根据γMr求取系统的阻尼比ζ

根据γMr求取系统瞬态响应的超调量σp

由阻尼比ζωc/ωnωr/ωnωb/ωn求取系统的无阻尼自然角频率ωn

根据公式或关系曲线求取系统调整时间ts

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2 系统闭环频域指标与时域指标的换算关系

(2)高阶系统频域指标与时域指标的关系

若高阶系统具有一对共轭复数闭环主导极点则可以近似为二阶系统系统的频域指标和时域性能指标的关系同二阶系统

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3 高阶系统频域指标和时域指标的关系

一般高阶系统可按以下经验公式来估算:

式中 ωc——开环对数幅频特性的穿越频率(亦称增益交界频率)

Mr——闭环频率特性的谐振峰值

当系统的谐振频率ωr和穿越频率ωc相差较小时系统的谐振峰值Mr和相位裕量γ之间有以下的近似关系

指标的关系如图3所示

控制系统波德图的绘制

控制系统波德图的绘制

波德图可以用人工绘制其近似图形绘制方法简单若人工绘制精确的波德图就很烦琐。利用计算机绘制波德图既快速又精确同时可以打印出波德图中的主要参数。如开环波德图中的相位裕量γ、增益裕量Kg、穿越频率ωc闭环波德图中的截止频率ωb等。利用计算机绘制波德图也便于系统的校正

例如一控制系统如图1所示可以绘出其开环波德图及闭环波德图如图2所示还可以打印出该系统的穿越频率ωc8.3rad/s、相位裕量γ27.、增益裕量Kg7dB、截止频率ωb13.7rad/s

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控制系统的方块图

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系统波德图