孫炳達(dá)版《自動(dòng)控制原理》第3章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法.ppt
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自動(dòng)控制原理,第三章控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法,3.4高階系統(tǒng)分析,一階、二階系統(tǒng)回顧,一階系統(tǒng)傳遞函數(shù):,一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng):,特征根:,一階、二階系統(tǒng)回顧,二階系統(tǒng)傳遞函數(shù):,單位階躍響應(yīng):,特征根跟阻尼系數(shù)有關(guān):無(wú)阻尼時(shí),,一階、二階系統(tǒng)回顧,單位階躍響應(yīng):,欠阻尼時(shí),特征根,一階、二階系統(tǒng)回顧,單位階躍響應(yīng):,過(guò)阻尼時(shí),特征根,3.4高階系統(tǒng)分析,定義:用高階微分方程描述的系統(tǒng)稱為高階系統(tǒng)。,在控制工程中,大多數(shù)控制系統(tǒng)都是高階系統(tǒng)。從理論上講,高階系統(tǒng)也可以直接由傳遞函數(shù)求出它的時(shí)域響應(yīng),然后按分析方法來(lái)確定系統(tǒng)的瞬態(tài)性能指標(biāo)。但是,高階系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算比較困難。,工程上通常把高階系統(tǒng)適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化成低階系統(tǒng)(采用閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的概念)來(lái)進(jìn)行近似分析。,3.4高階系統(tǒng)分析,1三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),三階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為:,特征方程的根有三個(gè):,3.4高階系統(tǒng)分析,當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí):,同時(shí),,則單位階躍響應(yīng)為:,其中:,3.4高階系統(tǒng)分析,三階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng):,1、包含了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分量(第一項(xiàng))和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分量(第二、第三項(xiàng));2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)由二階振蕩環(huán)節(jié)引起的阻尼振蕩,和由一階慣性環(huán)節(jié)引起的非周期指數(shù)衰減組成;3、三階系統(tǒng)響應(yīng)可視為二階和一階響應(yīng)疊加而成;4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)兩部分的衰減指數(shù)系數(shù)相差β倍,因此系數(shù)β對(duì)響應(yīng)影響很大;5、系統(tǒng)穩(wěn)定。,,,3.4高階系統(tǒng)分析,下圖為三個(gè)特征根在復(fù)平面的分布情況:,其中,p1和p2為共軛復(fù)根(由二階振蕩環(huán)節(jié)決定),p3為實(shí)根(由一階慣性環(huán)節(jié)決定)。,β表示的是實(shí)根與復(fù)根到虛軸距離之比。,由,可知,3.4高階系統(tǒng)分析,1)當(dāng)?=?,系統(tǒng)即為二階系統(tǒng)響應(yīng)曲線;,2)對(duì)于01,即1/T>??n?呈二階系統(tǒng)特性;實(shí)數(shù)極點(diǎn)P3距離虛軸遠(yuǎn);共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)p1、p2距離虛軸近特性主要取決于p1、p2。,?<1,即1/T?n?呈一階系統(tǒng)特性;實(shí)數(shù)極點(diǎn)P3距離虛軸近;共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)p1、p2距離虛軸遠(yuǎn)特性主要取決于p3。,3.4高階系統(tǒng)分析,2高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng),高階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為:,3.4高階系統(tǒng)分析,高階系統(tǒng)的響應(yīng)為:,二階因子引起的阻尼振蕩,一階因子引起的非周期指數(shù)衰減,當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí):,3.4高階系統(tǒng)分析,1)高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)由一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)疊加而成;,高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)表明:,2)如果所有閉環(huán)極點(diǎn)都在s平面的左半平面,則隨著時(shí)間t→∞,c(∞)=a,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的;,3)極點(diǎn)的性質(zhì)決定動(dòng)態(tài)分量的類型;實(shí)數(shù)極點(diǎn)?非周期動(dòng)態(tài)分量;共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)?振蕩衰減動(dòng)態(tài)分量。,3.4高階系統(tǒng)分析,4)離虛軸最近的極點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)分量影響最大,決定了其所對(duì)應(yīng)的暫態(tài)分量衰減的快慢,距離越遠(yuǎn)衰減越快。,3.4高階系統(tǒng)分析,系統(tǒng)零點(diǎn)影響動(dòng)態(tài)分量的相對(duì)強(qiáng)度(各極點(diǎn)處留數(shù)的大小),如果在某一極點(diǎn)附近存在零點(diǎn),則其對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)分量強(qiáng)度將變小。一對(duì)靠得很近的零點(diǎn)和極點(diǎn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)分量可以忽略。,通常如果閉環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn)的距離比其模值小一個(gè)數(shù)量級(jí),則該極點(diǎn)和零點(diǎn)構(gòu)成一對(duì)偶極子,可以對(duì)消。,3閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn),距虛軸最近、實(shí)部的絕對(duì)值為其它極點(diǎn)實(shí)部絕對(duì)值的1/5或更小,且其附近沒(méi)有零點(diǎn)的閉環(huán)極點(diǎn),稱為主導(dǎo)極點(diǎn)(常以共軛復(fù)數(shù)出現(xiàn))。,3.4高階系統(tǒng)分析,如果能夠找到主導(dǎo)極點(diǎn),就可以忽略偶極子和其它遠(yuǎn)離虛軸極點(diǎn)的影響,這時(shí)高階系統(tǒng)可以近似為一階或二階系統(tǒng)進(jìn)行處理。,例求下列高階系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)。,解系統(tǒng)零點(diǎn)為:z1=-1/0.4762;極點(diǎn)為p1=-8;p2=-2;p3,4=-0.50.866i。,3.4高階系統(tǒng)分析,解零極點(diǎn)分布圖如下,因此p2和z1為偶極子,主導(dǎo)極點(diǎn)為p3,4,所以,系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為:,p1,p2,z1,p3,p4,3.4高階系統(tǒng)分析,例某控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為,試求該系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)特性,討論忽略特征根,并由近似的二階特性估算系統(tǒng)的性能指標(biāo)。,的模式項(xiàng)后,響應(yīng)特性與原系統(tǒng)特性的差異,,解系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)為:,3.4高階系統(tǒng)分析,對(duì)C(s)求拉氏反變換,得,忽略特征根,得系統(tǒng)輸出為:,的模式項(xiàng)后,即系統(tǒng)階躍響應(yīng)為:,3.4高階系統(tǒng)分析,由此,得,系統(tǒng)忽略前后的階躍響應(yīng)為:,- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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