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控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法--二階系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)

作者: 時(shí)間:2012-03-17 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
MG style="ZOOM: 1" src="/uploadfile/mndz/uploadfile/201203/20120317032945245.jpg" align=absMiddle border=1> 。阻尼自然頻率總是低于無(wú)阻尼自然頻率ωd。ζ值增大時(shí),阻尼自然頻率ωd將減小。如果ζ增加到大于1,系統(tǒng)的響應(yīng)將變成過(guò)阻尼,因而不再產(chǎn)生振蕩。

(2) 臨界阻尼情況(ζ=1)

如果C(s)/R(s)的兩個(gè)極點(diǎn)接近相等,則系統(tǒng)可近似看作臨界阻尼系統(tǒng)。對(duì)于單位階躍輸入量,R(s)=1/s,因而C(s)可表示為

上式的拉普拉氏反變換為:

(3) 過(guò)阻尼情況(ζ>1)

這種情況下,C(s)/R(s)的兩個(gè)極點(diǎn)是兩個(gè)不等的負(fù)實(shí)數(shù)。對(duì)于單位階躍輸入量,R(s)=1/s,因此C(s)可以寫成

其拉普拉斯反變換為

式中 ,而 ,顯然,這時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)c(t)包含著兩個(gè)衰減的指數(shù)項(xiàng)。

當(dāng)ζ遠(yuǎn)大于1時(shí),在兩個(gè)衰減的指數(shù)項(xiàng)中,一個(gè)比另一個(gè)衰減的要快得多,因此衰減得比較快的指數(shù)項(xiàng)(相應(yīng)于較小時(shí)間常數(shù)的指數(shù)項(xiàng)),就可以忽略不計(jì)。也就是說(shuō),如果-s2與j 軸的距離比-s1要近得多(即|s1|>>|s2| ),那么在近似解中,可以忽略-s1,因?yàn)榉匠讨邪瑂1的項(xiàng)比包含s2的項(xiàng)衰減得快的多,所以-s1對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響,比-s2對(duì)系統(tǒng)的影響要小得多,因此忽略-s1是合理的。因此可以將C(s)/R(s)近似地表示為

這一近似函數(shù)形式是根據(jù)下述條件直接得到的,即原來(lái)的函數(shù)C(s)/R(s)與近似函數(shù)的初始值和最終值,兩者是完全相同的。

對(duì)于近似傳遞函數(shù)C(s)/R(s),其單位階躍響應(yīng)可表示為

其時(shí)間響應(yīng)c(t)為

在過(guò)阻尼情況下,的單位階躍響應(yīng)是隨時(shí)間推移而單調(diào)增長(zhǎng),最后在t→∞時(shí)趨于穩(wěn)態(tài)值,所以最大超調(diào)量是零,調(diào)整時(shí)間可以用近似的單位階躍響應(yīng)估算,如借用一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的性質(zhì),可以認(rèn)為響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%所需的調(diào)整時(shí)間

工程上,如果ζ》1.5時(shí),使用上述近似式已有足夠的準(zhǔn)確度了。


3.5.2 的暫態(tài)響應(yīng)指標(biāo)

當(dāng)系統(tǒng)為欠阻尼情況下,即0 ζ1時(shí),階躍響應(yīng)的上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、最大超調(diào)量Mp的計(jì)算公式按式(3-13)可表示如下。

上升時(shí)間tr 令c(t)=1,代入式(3-13)中,即可求得tr。這時(shí)有

所以

(3-14)

由上式可見(jiàn),如欲減小tr,當(dāng)ζ一定時(shí),需增大ωn ,反之,若ωn一定時(shí),則需減小ζ。

峰值時(shí)間tp 出現(xiàn)第一個(gè)峰時(shí),單位階躍響應(yīng)隨時(shí)間的變化率為零。為求tp,可將式(3-13)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),并令其為零。于是得

由此可知:

n=0、1、2、……

到達(dá)第一個(gè)峰值時(shí)應(yīng)有

故得

(3-15)

最大超調(diào)量Mp 最大超調(diào)量發(fā)生在t=tp,因此,令式(3-13)中的t=tp,并將tp值代入,即得以百分比表示的超調(diào)量

(3-16)

調(diào)整時(shí)間ts 對(duì)于欠阻尼二階系統(tǒng),暫態(tài)響應(yīng)可由式(3-13)求得為

曲線 ,是系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的暫態(tài)響應(yīng)曲線的包絡(luò)線,響應(yīng)曲線c(t)總是包含在一對(duì)包絡(luò)線之內(nèi),如圖3-9所示。包絡(luò)線的時(shí)間常數(shù)為1/(ζωn)。這樣,當(dāng)采用5%允許誤差時(shí),有

1+=1.05

由上式得

當(dāng)0 ζ 0.8時(shí),則有

當(dāng)采用2%允許誤差時(shí),則可推導(dǎo)得出


圖3-9 二階系統(tǒng)單位階躍時(shí)間響應(yīng)的包絡(luò)線


3.5.3二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)

當(dāng)輸入信號(hào)r(t)為單位脈沖函數(shù)時(shí),相應(yīng)的拉普拉斯變換為1,即R(s)=1。則二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)C(s)為

這個(gè)方程的拉普拉斯反變換,就是時(shí)域響應(yīng)解c(t),這時(shí)當(dāng)0≤ζ1時(shí),

c(t)=(t≥0)

當(dāng)ζ=1時(shí)



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