一阶系统的特征
发布网友
发布时间：2022-04-30 16:32
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时间：2022-06-27 13:34
2017-02-18
0
月之心
一、一阶系统
用一阶微分方程描述的系统。
二、一阶系统典型的数学模型
三、典型输入响应
1.单位阶跃响应
。
y(t)的特点：
（1）由动态分量和稳态分量两部分组成。
（2）是一单调上升的指数曲线。
（3）当t=t时，y=0.632。
（4）曲线的初始斜率为1/t。
性能分析：
（1）超调量σ% 不存在。
（2）ts=3t或4t。
2.单位斜坡响应
y(t)的特点：
（1）由动态分量和稳态分量两部分组成。
（2）输入与输出之间存在跟踪误差，且误差 值等于系统时间常数“t”。
3.单位抛物线响应
y(t)的特点：
输入与输出之间存在误差为无穷大，这意味着一阶系统是不能跟踪单位抛物线输入信号的。
4.单位脉冲响应
y(t)的特点：
y(∞) 为t→∞ 时的输出值。
对一阶系统典型输入响应的两点说明：
（1）当输入信号为单位抛物线信号时，输出无法跟踪输入。
（2）三种响应之间的关系：系统对输入信号微分（积分）的响应，就等于该输入信号响应的微分（积分）。
四、二阶系统典型的数学模型
例：
对应的系统结构图：
对应的微分方程：
二阶系统典型的数学模型：
开环传递函数
开环传递函数
五、典型二阶系统的单位阶跃响应
在初始条件为0下，输入单位阶跃信号时
特征方程：
特征方程的根：
二阶系统响应特性取决于ξ 和 wn两个参数，在ξ 不变情况下取决于 wn 。
1.过阻尼（ξ >1）的情况
特征根及分布情况：
阶跃响应：
响应曲线：
2.欠阻尼（ξ <1）的情况
特征根及分布情况：
阶跃响应：
响应曲线：
3.临界阻尼 （ξ =1）的情况
特征根及分布情况：
阶跃响应：
响应曲线：
4.无阻尼 （ξ =0）的情况
特征根及分布情况：
阶跃响应：
响应曲线：
结论：
1、不同阻尼比有不同的响应，决定系统的动态性能。
2、实际工程系统只有在 0< ξ< 1才具有现实意义。
六、二阶系统动态特性指标
二阶系统的闭环传递函数为：
对应的单位阶跃响应为：
当阻尼比为 0< ξ< 1时，则系统响应如图
1.上升时间 ：在暂态过程中第一次达到稳态值的时间。
对于二阶系统，假定情况 0< ξ< 1下，暂态响应：
令t=tr 时，则y(tr)=1
经整理得
2.最大超调量σ％ ：暂态过程中被控量的最大数超过稳态值的百分数。
即：
最大超调量发生在第一个周期中时刻 t=ttp ，叫 tp 峰值时间。
在 t=tp 时刻对y(t) 求导，令其等于零。
经整理得
将其代入超调量公式得
3.调节时间 ts ：输出量y(t) 与稳态值y(∞) 之间的偏差达到允许范围（±2%～±5%），并维持在允许范围内所需要的时间。
结论：
若使二阶系统具有满意的性能指标，必须选合适的 ξ，wn 。wn 增大可使t s 下降，可以通过提高开环放大系数k来实现；增大阻尼比，可减小振荡，可通过降低开环放大系数实现。
例 有一位置随动系统，结构图如下图所示，其中k=4。
（1）求该系统的自然振荡角频率和阻尼比；
（2）求该系统的超调量和调节时间；
（3）若要阻尼比等于0.707，应怎样改变系统放大倍数k？
解（1）系统的闭环传递函数为
写成标准形式
可知
（2）超调量和调节时间
（3）要求ξ=0.707 时，
七、提高二阶系统动态性能的方法
1.比例——微分（pd）串联校正
未加校正网络前：
加校正网络后：
校正后的等效阻尼系数：
2.输出量微分负反馈并联校正
未加校正网络前：
加校正网络后：
两种校正方法校正后等效阻尼系数：
由于
可得
由于阻尼系数上升，超调量下降，从而提高了系统的动态性能。
2017-02-19
