西北工业大学—自动控制原理9-16

自动控制原理西北工业大学自动化学院自动控制原理教学组自动控制原理本次课程作业(9)3—8,9,10自动控制原理（第9讲）§3线性系统的时域分析与校正§3.1概述§3.2一阶系统的时间响应及动态性能§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.5线性系统的稳定性分析§3.6线性系统的稳态误差§3.7线性系统时域校正自动控制原理（第9讲）§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.3.3欠阻尼二阶系统动态性能指标计算课程回顾§3线性系统的时域分析与校正§3.1概述§3.1.1时域法的作用和特点§3.1.2时域法常用的典型输入信号§3.1.3系统的时域性能指标§3.2一阶系统的时间响应及动态性能§3.2.1一阶系统传递函数标准形式及单位阶跃响应§3.2.2一阶系统动态性能指标计算§3.2.3典型输入下一阶系统的响应§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.3.1二阶系统传递函数标准形式及分类§3.3.2过阻尼二阶系统动态性能指标计算§3.３二阶系统的时间响应及动态性能§3.３.1传递函数标准形式及分类§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.3.2x1（临界阻尼，过阻尼）时系统动态性能指标的计算（2）二阶欠阻尼动态性能.doc§3.3.3典型欠阻尼二阶系统动态性能指标计算§3.3.30x1（欠阻尼，零阻尼）时系统动态性能指标的计算（5）动态性能随系统极点分布变化的规律（2）单位阶跃响应h(t)表达示（1）0x1时系统极点的两种表示方法（3）动态指标计算公式（4）“最佳阻尼比”概念自动控制原理本次课程作业(9)3—8,9,10自动控制原理本次课程作业(9)3—8,9,10,113—14（选做）自动控制原理联系并准备实验二：典型环节模拟实验三：二阶系统特征参数对性能的影响联系地点：实验大楼12楼联系人：杨建华(实验中心主任)本次课程作业(10)预备实验自动控制原理（第10讲）§3线性系统的时域分析与校正§3.1概述§3.2一阶系统的时间响应及动态性能§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.5线性系统的稳定性分析§3.6线性系统的稳态误差§3.7线性系统时域校正课程回顾§3.3.30x1（欠阻尼，零阻尼）时系统动态性能指标的计算（5）动态性能随系统极点分布变化的规律（2）单位阶跃响应h(t)表达示（1）0x1时系统极点的两种表示方法（3）动态指标计算公式（4）“最佳阻尼比”概念自动控制原理（第10讲）§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.3.4改善二阶系统动态性能的措施§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.3.4改善二阶系统动态性能的措施[继续]（1）改善二阶系统动态性能的措施（2）附加开环零点的影响增加阻尼（3）附加闭环零点的影响测速反馈控制改变：特征方程系数→特征根→模态→阶跃响应→性能改变：部分分式系数→模态的加权值→阶跃响应→性能比例+微分控制提前控制§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能mnszsKasasasabsbsbsbsDsMsnjjmiinnnnmmmm1101110111)()()()()(diiiiiiijidititsteAesDssMDMtcsin)()()0()0()(§3.4.1高阶系统单位阶跃响应§3.4.2闭环主导极点§3.4.3估算高阶系统动态指标的零点极点法自动控制原理联系并准备实验二：典型环节模拟实验三：二阶系统特征参数对性能的影响联系地点：实验大楼12楼联系人：杨建华(实验中心主任)本次课程作业(10)预备实验自动控制原理本次课程作业(7)3—15,16,17,18自动控制原理联系并准备实验二：典型环节模拟实验三：二阶系统特征参数对性能的影响联系地点：实验大楼12楼联系人：杨建华(实验中心主任)本次课程作业(10)3—11,123—14（选做）§3.5线性系统的稳定性分析§3.5.1稳定性的概念§3.5.2稳定的充要条件§3.5.3稳定判据0)(limtkt（1）判定稳定的必要条件0)(0111asasasasDnnnn0ia（2）劳斯判据（3）劳斯判据特殊情况的处理（4）劳斯判据的应用系统闭环特征方程的所有根都具有负的实部或所有闭环特征根均位于左半s平面自动控制原理本次课程作业(11)3—15,16,173—18（选做）课程回顾（1）（1）改善二阶系统动态性能的措施（2）附加开环零点的影响增加阻尼（3）附加闭环零点的影响测速反馈控制改变：特征方程系数→特征根→模态→阶跃响应→性能改变：部分分式系数→模态的加权值→阶跃响应→性能比例+微分控制提前控制课程回顾（2）mnszsKasasasabsbsbsbsDsMsnjjmiinnnnmmmm1101110111)()()()()(diiiiiiijidititsteAesDssMDMtcsin)()()0()0()(§3.4.1高阶系统单位阶跃响应§3.4.2闭环主导极点§3.4.3估算高阶系统动态指标的零点极点法自动控制原理（第11讲）§3线性系统的时域分析与校正§3.1概述§3.2一阶系统的时间响应及动态性能§3.3二阶系统的时间响应及动态性能§3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.5线性系统的稳定性分析§3.6线性系统的稳态误差§3.7线性系统时域校正自动控制原理（第11讲）§3.5线性系统的稳定性分析§3.5线性系统的稳定性分析（1）§3.5.1稳定性的概念稳定是控制系统正常工作的首要条件。分析、判定系统的稳定性，并提出确保系统稳定的条件是自动控制理论的基本任务之一。定义：如果在扰动作用下系统偏离了原来的平衡状态，当扰动消失后，系统能够以足够的准确度恢复到原来的平衡状态，则系统是稳定的；否则，系统不稳定。§3.5线性系统的稳定性分析（2）§3.5.2稳定的充要条件系统稳定的充要条件：系统所有闭环特征根均具有负的实部，或所有闭环特征根均位于左半s平面。0)(limtkt根据系统稳定的定义，若,则系统是稳定的。)()()()()()()()()(2121nnmmsssazszszsbsDsMsniiinnsAsAsAsAssC12211)()(nititnttinieAeAeAeAtk1212)(0lim)(lim1nitittieAtkni,,2,1必要性：0i充分性：0ini,,2,10)(1nittiieAtk§3.5线性系统的稳定性分析（3）§3.5.3稳定判据0)(0111asasasasDnnnn(1)必要条件)0(na0ia1,,2,1,0ni说明：0128296)(2345ssssssD)3)(2)(1()(ssssD)3)(23(2sss611623sssssss2)2)(1(22s232ss)3)(23(2ssssss23236932ss611623sss08964)(245sssssD010275)(234sssssD例1不稳定不稳定可能稳定§3.5线性系统的稳定性分析（4）0)(012211asasasasasDnnnnnn(2)劳斯（Routh）判据0321sssssnnnn劳斯表642nnnnaaaa7531nnnnaaaa4321bbbb4321cccc劳斯表第一列元素均大于零时系统稳定，否则系统不稳定且第一列元素符号改变的次数就是特征方程中正实部根的个数0a13211nnnnnaaaaab15412nnnnnaaaaab17613nnnnnaaaaab121311bbaabcnn131512bbaabcnn141713bbaabcnn§3.5线性系统的稳定性分析（5）s4s3s2s1s0解.列劳斯表171052劳斯表第一列元素变号2次，有2个正根，系统不稳定。3318453353352751050110533184533105253310331841051033184101033184例2：D(s)=s4+5s3+7s2+2s+10=0§3.5线性系统的稳定性分析（6）s3s2s1s0解.列劳斯表1-3e2劳斯表第一列元素变号2次，有2个正根，系统不稳定。2ee230例3：D(s)=s3-3s+2=0判定在右半平面的极点数。(3)劳斯判据特殊情况处理202某行第一列元素为0，而该行元素不全为0时:将此0改为e，继续运算。§3.5线性系统的稳定性分析（7）解.列劳斯表1123532025s5s4s3s2s1s03163803163201233803253535250002552s10出现全零行时：用上一行元素组成辅助方程，将其对S求导一次，用新方程的系数代替全零行系数，之后继续运算。250列辅助方程：例4D(s)=s5+3s4+12s3+20s2+35s+25=00102552ssdsdD(s)=(s±j5)(s+1)(s+1±j2)=0出现全零行时，系统可能出现一对共轭虚根；或一对符号相反的实根；或两对实部符号相异、虚部相同的复根。§3.5线性系统的稳定性分析（8）解.列劳斯表10-120-2s5s4s3s2s1s0000-216/e00224s8-20列辅助方程：例5D(s)=s5+2s4-s-2=0082234ssdsde第一列元素变号一次，有一个正根，系统不稳定=(s+2)(s+1)(s-1)(s+j5)(s-j5)§3.5线性系统的稳定性分析（9）(4)劳斯判据的应用例6某单位反馈系统的开环零、极点分布如图所示，判定系统能否稳定，若能稳定，试确定相应开环增益K的范围。解依题意有223)1(9131)(ssKssKsG01969193)(22KsKssKssD01069KK132K系统闭环稳定与开环稳定之间没有直接关系§3.5线性系统的稳定性分析（10）例7系统结构图如右，(1)确定使系统稳定的参数(K,x的范围;(2)当x2时，确定使全部极点均位于s=-1之左的K值范围。解.(1))10020()(2sssKsGax100aKK010010020)(23KssssDx0123ssss1001K10020x0201002000xxKK1000K0xx20K§3.5线性系统的稳定性分析（11）(2)当x2时，确定使全部极点均位于s=-1之左的K值范围。0100100220)(23KssssD0123ssss2316110037K037100912K61100K61.0K12.9K当x2时，进行平移变换：1ss1ss0)61100(233723Ksss0100)1(100)1(40)1()(23KssssD§3.5线性系统的稳定性分析（12）问题讨论：(1)系统的稳定性是其自身的属性，与输入类型，形式无关。(2)闭环稳定与否，只取决于闭环极点，与闭环零点无关。nnnmsCsCsCssszszszsKs22112121)())(()())((*)(tntetneCCeCtk2121)(闭环零点影响系数C