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1、 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析3.3 二阶系统的时域分析开环传递函数为：sssGnn2)(22闭环传递函数为：2222)(1)()(nnnsssGsGs)2(2nnss)(sR)(sC-是最常见的一种系统，很多高阶系统可简化为二阶系统。(s)称为典型二阶系统的传递函数，称为阻尼系数，n称为无阻尼振荡圆频率或自然频率。3.3.1 3.3.1 典型二阶系统的瞬态响应 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析注意：当不同时，（极点）有不同的形式，其阶跃响应的形式也不同。它的阶跃响应有振荡和非振荡两种情况。特征方程为：0222nnss122,1nns特征根为：当输入
2、为单位阶跃函数时ssR1)(,1)()(sssC1)()(1ssLtc 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析极点为：一对不等的实根122,1nns即特征方程为)1)(1(22122TsTsssnn1 1、1)1(121nT)1(122nT式中其单位阶跃响应为)1(1)1(111)1)(1(1)(2212112121TsTTTTsTTTsssTsTsC 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析212121211)(TtTteTTTeTTTtc 1 称为过阻尼系统，系统的阶跃响应为非振荡过程。)1(1)(tetcntn2222)(1121)(nnnnnnsssssssC
3、阶跃响应为：极点为：一对相等的实根ns2,1称为临界阻尼系统，系统的阶跃响应为非振荡过程。2 2、=1 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析22222222222122121)(nnnnnnnnnnnnssssssssssssssC阶跃响应为：0,)1sin(1)1cos(1)(222tttetcnntn极点为：一对实部为负的共轭复根22,11nnjs3 3、0 10,)11sin(11)(2122ttgtetcntn 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析极点的负实部 决定了指数衰减的快慢；虚部 是振荡频率，称为阻尼振荡频率。21ndn称为欠阻尼系统，系统的阶跃
4、响应为衰减振荡过程。222221)()(nnnssssssC0,cos1)(tttcn极点为：特征方程有一对共轭的虚根njs 此时输出将以频率n做等幅振荡，称为零(无)阻尼系统，所以，n称为无阻尼自然振荡频率。4 4、=0 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析 上述四种情况分别称为二阶无阻尼、欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统。其阻尼系数、特征根、极点分布和单位阶跃响应如下表所示：阻尼系数特征根极点位置单位阶跃响应一对共轭虚根等幅周期振荡一对共轭复根衰减振荡一对负实重根单调上升两个互异负实根单调上升njs2,1欠阻尼,1o22,11nnjs临界阻尼，1)(2,1重根ns过阻尼，112
5、2,1nns无阻尼,0 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析 随着的增加，c(t)将从无衰减的周期运动变为有衰减的正弦运动，当 1时c(t)呈现单调上升运动(无振荡)。可见反映实际系统的阻尼情况，故称为阻尼系数。02468101200.20.40.60.811.21.41.61.82ntC(t)自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析3.3.2 3.3.2 典型二阶系统的性能指标典型二阶系统的性能指标21tgrdt1、衰减振荡瞬态过程(0 1，极点为：122,1nns52113.32.4TTts)1(121nT)1(122nT式中即特征方程为)1)(1(22122T
6、sTsssnn 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析 当=1时，系统也具有单调非振荡的瞬间过程，是单调非振荡的临界状态。在非振荡过程中，它的ts最小。当 1时，c(t)中包含极点 的衰减项的系数小，所以由极点s2引起的指数项衰减的很快，因此，在瞬态过程中可以忽略s2的影响，把二阶系统近似为一阶系统。122nns 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析q 阻尼系数是二阶系统的一个重要参数，用它可以间接地判断一个二阶系统的瞬态品质。在 1的情况下瞬态特性为单调变化曲线，无超调和振荡，但ts长。当 0时，输出量作等幅振荡或发散振荡，系统不能稳定工作。小结q 通常，都希望
7、控制系统有较快的响应时间，即希望系统的阻尼系数在01之间。而不希望处于过阻尼情况，因为调节时间过长。但对于一些特殊的系统不希望出现超调系统（如液位控制）和大惯性系统（如加热装置），则可以处于过阻尼情况。自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析q 在欠阻尼(0 1)情况下工作时，若过小，则超调量大，振荡次数多，调节时间长，瞬态控制品质差。q 注意到 ，只与有关，所以一般先根据来选择。%100%21eq 越大，ts（由超调量确定后）nnnst),3(4或q 为了限制超调量，并使ts较短，一般取0.40.8，则超调量在25%1.5%之间。最佳阻尼常数=0.707，超调量=4.3%自控 原
8、理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析例：求系统的特征参数，n 并分析与性能指标的关系：)(sR)1(TssK)(sC2222221)(nnnssTKsTsTKKsTsKs解：闭环传递函数为：KTTKTTKnnn21122 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析K时，N,%,T时，)24(,%,TtNnsn瞬态性能指标和系统参数之间的关系（假设0 1）快速性好，振荡加剧 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析例：试分析：1）单位阶跃输入时，该系统能否正常工作？2）若要求=0.707，系统应作如何改进？10s10)s(R)s(C2s1)s(Rt10cos1)t(
9、c=0 无阻尼，等幅不衰减振荡 工作不正常)(sR210s)(sC解：自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析R(s)C(s)-2s10-s10s10s10)s(R)s(C2707.010n102n)s(444.0102n 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析3.3.3 3.3.3 改善二阶系统响应特性的措施改善二阶系统响应特性的措施t1t2t3t4)(te)(tc)(tc)(te二阶系统超调产生原因（1）0,t1正向修正作用太大，特别在靠近t1点时。（2）t1,t2反向修正作用不足。减小二阶系统超调的思路（1）0,t1减小正向修正作用。附加与原误差信号相反的信号。
10、（2）t1,t2加大反向修正作用。附加与原误差信号同向的信号。（3）t2,t3减小反向修正作用。附加与原误差信号相反的信号。（4）t3,t4加大正向修正作用。附加与原误差信号同向的信号。自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析 为了改善系统性能而改变系统的结构、参数或附加具有一定功能的环节的方法称为对系统进行校正。附加环节称为校正环节。速度反馈和速度顺馈是较常用的校正方法。误差的比例+微分控制：以误差信号e(t)与误差信号的微分信号e(t)的和产生控制作用。简称PI控制。又称微分顺馈 输出量的微分负反馈控制：将输出量的速度信号c(t)采用负反馈形式反馈到输入端并与误差信号e(t)比
11、较，构成一个内反馈回路。又称速度反馈。自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析1、输出量的微分负反馈控制（速度反馈）)2(2nnsss-)(sR)(sC222222)2()2()1(1)2()(nnnnnnnnssssssss)2(2nnsss1-)(sR)(sC与典型二阶系统的标准形式比较（1）不改变无阻尼振荡频率nnt2（2）等效阻尼系数为由于 ，即等效阻尼系数加大，将使超调量%和调节时间ts变小。t 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析)2(2nnsss+-)(sR)(sC2、误差的比例+微分控制)2(2nnsss1-)(sR)(sC2222)2()1()(nnnnssss与标准形式比较nd2（2）等效阻尼系数为 由于 ，即等效阻尼系数加大，将使超调量%和调节时间ts变小。d（1）不改变无阻尼振荡频率n 自控 原理 网络与信息工程系第三章 控制系统时域分析3、比例+微分控制与速度反馈控制的关系)2(2nnsss1-)(sR)(sC)2(2nnsss1-)(sR)(sCs1 误差的比例+微分控制相当于分别对输入信号和反馈信号进行比例+微分。其中对反馈信号进行比例+微分相当于速度反馈。所以误差的比例+微分控制相当于输出的速度反馈构成的闭环系统再串联比例+微分环节。因此可以将其分别讨论。
