第三章 控制系统的时域分析法  

 

3.1 二阶系统的瞬态响应及性能指标

 

瞬态响应是指系统的输出从输入信号r(t)作用时刻起,到稳定状态为止,随时间变化的过程。分析系统的瞬态响应,可以了解系统的稳态性能(稳定性)和过渡过程的性能。分析系统的瞬态响应,有以下方法:
1. 直接求解法
2. 间接评价法
3. 计算机仿真法

本小节首先讨论典型输入信号、性能指标等内容,然后讨论一阶、二阶系统的瞬态响应,最后讨论如何处理高阶系统的瞬态响应问题。

一、典型输入信号

(一)阶跃信号

阶跃信号的表达式为:

当A=1时,则称为单位阶跃信号,常用1(t)表示,如图3-1所示。

(二)斜坡信号

斜坡信号在t =0时为零,并随时间线性增加,所以也叫速度信号。它等于阶跃信号对时间的积分,而它对时间的导数就是阶跃信号。斜坡信号的表达式为:

(三)抛物线信号

抛物线信号也叫加速度信号,它可以通过对斜坡信号的积分而得。抛物线信号的表达式为:

当A =1时,则称为单位抛物线信号,如图3-3所示

(四)脉冲信号

单位脉冲信号的表达式为:

其图形如图3-4所示。是一宽度为ε ,高度为1/ε 的矩形脉冲,当ε 趋于零时就得理想的单位脉冲信号(亦称δ(t) 函数)。

(五)正弦信号

正弦信号的表达式为 :

其中A为幅值,ψ =2π/T为角频率。

二、系统的性能指标

系统的瞬态性能通常以系统在初始条件为零的情况下,对单位阶跃输入信号的响应特性来衡量,如图3-6所示。这时瞬态响应的性能指标有:

1.最大超调量σp——响应曲线偏离稳态值的最大值,常以百分比表示,即
最大百分比超调量

最大超调量说明系统的相对稳定性。

2.延滞时间td——响应曲线到达稳态值50%所需的时间,称为延滞时间。

3. 上升时间tr——它有几种定义:
 (1) 响应曲线从稳态值的10%到90%所需时间;
 (2) 响应曲线从稳态值的5%到95%所需时间;
 (3) 响应曲线从零开始至第一次到达稳态值所需的时间。

一般对有振荡的系统常用“(3)”,对无振荡的系统常用“(1)”。

4. 峰值时间tp——响应曲线到达第一个峰值所需的时间,定义为峰值时间。

5. 调节时间ts——响应曲线从零开始到进入稳态值的95%--105%(或98%--102%)误差带时所需要的时间,定义为调节时间。

对于恒值控制系统,它的主要任务是维持恒值输出,扰动输入为主要输入,所以常以系统对单位扰动输入信号时的响应特性来衡量瞬态性能。这时参考输入不变、输出的希望值不变,响应曲线围绕原来工作状态上下波动,如图3-7所示。