4-2控制系统的时域稳态分析 三性分析:稳定性稳态特性动态特性 对于一个稳定的控制系统而言,稳态误差是反 映其控制精度的一种度量,通常又称为稳态性能 研究表明:稳态误差与系统的结构、输入信号 的形式有很大关系。控制系统设计的任务之一就是 要保证系统在稳定的前提下,尽量地减小仍至消除 稳态误差
1 4－2 控制系统的时域稳态分析 三性分析：稳定性 稳态特性 动态特性 对于一个稳定的控制系统而言，稳态误差是反 映其控制精度的一种度量，通常又称为稳态性能。 研究表明：稳态误差与系统的结构、输入信号 的形式有很大关系。控制系统设计的任务之一就是 要保证系统在稳定的前提下，尽量地减小仍至消除 稳态误差
4.2.1误差的基本概念 误差与稳态误差 1.定义 R(S E(s) C G(s) H (1)误差的两种定义 a.从输出端定义:等于系统输出量的实际值与希望值之 差。这种方法在性能指标提法中经常使用,但在实际系统 中有时无法测量。因此,一般只具有数学意义 b.从输入端定义:等于系统的输入信号与主反馈信号之 差 e(t=r(t)-b(t
2 一、误差与稳态误差 1．定义 ⑴ 误差的两种定义： a. 从输出端定义：等于系统输出量的实际值与希望值之 差。这种方法在性能指标提法中经常使用，但在实际系统 中有时无法测量。因此，一般只具有数学意义。 b. 从输入端定义：等于系统的输入信号与主反馈信号之 差。 4.2.1 误差的基本概念 R s( ) C s( ) G s( ) B s( ) + E s( ) − H s( ) e(t) = r(t) − b(t)
或()=R)-A(S)=R(S)C()H(S)=R(川+G()H 若设 EC d(S)= R(s) 1+G(SH(S) 式中(系统的误差传递函数。得到 E(s)=Φ2(S)R 这种方法定义的误差,在实际系统中是可测量的,故具有 一定的物理意义。以后我们均采用从系统输入端定义的误差 来进行计算和分析。 误差本身是时间的函数,其时域表达式为 e(0)=L[E(s)]=L- e (SR(S]eas(0)+e ( 式中:e()动态分量 cO)稳态分量
3 或 若设 式中 ——系统的误差传递函数。得到 这种方法定义的误差，在实际系统中是可测量的，故具有 一定的物理意义。以后我们均采用从系统输入端定义的误差 来进行计算和分析。 误差本身是时间的函数，其时域表达式为： 式中： ——动态分量， ——稳态分量。 E(s) = R(s) − B(s) = R(s) −C(s)H(s) = R(s)[1+ G(s)H(s)] 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) R s G s H s E s s e + = = (s) e E(s) (s)R(s) = e ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 e t L E s L s R s e t e t = = e = t s + s s − − e (t) ts e (t) ss
(2)稳态误差 稳态误差园:误差信号(的稳态分量(对 对稳定系统而言,随着时间趋于无穷,系统的动 态过程结束,[将趋于零。根据拉氏变换终值定 理,稳定的非单位反馈系统的稳态误差为 R(s) ese= lim e(t)=lim SE(s)=lim s t→)∞ s→0 s→01+G(s)H(S) 由上式可知,控制系统的稳态误差与输入信号的 形式和开环传递函数的结构有关。当输入信号形式 确定后,系统的稳态误差就取决于以开环传递函数 描述的系统结构
4 ⑵ 稳态误差 稳态误差 ：误差信号 的稳态分量 。 对稳定系统而言，随着时间趋于无穷，系统的动 态过程结束， 将趋于零。根据拉氏变换终值定 理，稳定的非单位反馈系统的稳态误差为 由上式可知，控制系统的稳态误差与输入信号的 形式和开环传递函数的结构有关。当输入信号形式 确定后，系统的稳态误差就取决于以开环传递函数 描述的系统结构。 e (t) ss () ss e ss e e (t) ts 1 ( ) ( ) ( ) lim ( ) lim ( ) lim 0 0 G s H s R s e e t sE s s t s s s s + = = = → → →
20 例:一系统的开环传递函数(M (0.5s+1)(0.04s+1) 求:r(=1(t)及时的稳态误差 解 e, R(s= lim s (0.5s+1)(0.04s+1) R(s s→>01+G(s)H(S s→>0(0.5s+1)(0.04s+1)+20 r(t)=1(t)时,R(s)=1/s ssIm~(0.5s+1)(004s+1) 0.05 s→>0(0.5s+1)(0.04s+1)+20s21 r(t)=t时,R(s)=1/s2 S (0.5s+1)(0.04s+1)1 50(0.5+1)(0.04s+1)+20s2
5 例: 一系统的开环传递函数 求：r(t)=1(t)及t时的稳态误差 解: (0.5 1)(0.04 1) 20 ( ) ( ) + + = s s G s H s ( ) (0.5 1)(0.04 1) 20 (0.5 1)(0.04 1) ( ) lim 1 ( ) ( ) 1 lim 0 0 R s s s s s R s s G s H s e s s s s s + + + + + = + = → → 0.05 21 1 1 (0.5 1)(0.04 1) 20 (0.5 1)(0.04 1) lim 0 • = + + + + + = → s s s s s e s s s s r(t) = 1(t) 时, R(s)=1/s r(t) = t 时, R(s)=1/s2 • = + + + + + = → 2 0 1 (0.5 1)(0.04 1) 20 (0.5 1)(0.04 1) lim s s s s s e s s ss
2.系统扰动作用下的稳态误差 系统经常处于各种扰动作用下。如:负载力矩的 变化,电源电压和频率的波动,环境温度的变化等 因此系统在扰动作用下的稳态误差数值,反映了系 统的抗干扰能力。 D(S) R(S) E(S C(s) G(s) B(s) H(S) 得到系统的输出拉氏变换表达式为 C(s)=D(S)+E(S)G(S)=D(S)+G(s[R()-H(sC(s] C(s) D(S) G(s) R(S 1+G(SH(S) 1+G(SH(S)
6 2. 系统扰动作用下的稳态误差 系统经常处于各种扰动作用下。如：负载力矩的 变化，电源电压和频率的波动，环境温度的变化等。 因此系统在扰动作用下的稳态误差数值，反映了系 统的抗干扰能力。 得到系统的输出拉氏变换表达式为 R s( ) C s( ) D s( ) E s( ) B s( ) − G s( ) H s( ) + + + C(s) = D(s) + E(s)G(s) = D(s) +G(s)R(s) − H(s)C(s) R(s) 1 G(s)H(s) G(s) 1 G(s)H(s) D(s) C(s) + + + =
R(S)=0时:C D(S) D(S) 1+G(S)H(s) E(S)=-H(SC(S) R(S E(s G(s) D(S) B(s 1+G(s)H(S) H(s 稳态时,误差取其绝对值 Iim SE(S)=m H(S) SD(S S→ S-0 1+G(S)H(S) 若扰动为单位阶跃信号,即D)=1时, H(0 1+G(OH(0)G(0) (G(0)H(0)> 式中:G()=imG(s)
7 R(s)＝0 时： E(s) = -H(s)C(s) 稳态时，误差取其绝对值 若扰动为单位阶跃信号，即 时 ， 式中： 1 G(s)H(s) D(s) C(s) + = D(s) 1 G(s)H(s) H(s) + − = sD(s) 1 G(s)H(s) H(s) e lim sE(s) lim s 0 s 0 s s + = = → → s 1 D(s) = G(0) 1 1 G(0)H(0) H(0) ess + = （G(0)H(0) 1） (0) lim ( ) 0 G G s s→ = R s( ) C s( ) D s( ) E s( ) B s( ) − G s( ) H s( ) + + +
分析可知: 扰动作用点前的系统前向通道传 递系数越大,由扰动引起的稳态误 差就越小 所以,为了降低由扰动引起的稳 态误差,我们可以增大扰动作用 前的前向通道传递系数或者在扰动 作用点以前引入积分环节,但这样 不利于系统的稳定性
8 分析可知: 扰动作用点前的系统前向通道传 递系数越大，由扰动引起的稳态误 差就越小。 所以，为了降低由扰动引起的稳 态误差，我们可以增大扰动作用点 前的前向通道传递系数或者在扰动 作用点以前引入积分环节，但这样 不利于系统的稳定性
4.2.2稳态误差系数与稳态误差 不同信号作用下的稳态误差计算问题 (1)单位阶跃信号作用下的稳态误差 e =lim Se(s)=lim s 1+G(S)H(s)s1+ mg(S)h( 定义:K=mG(SH(--为系统的稳态位置误差系数。 对于0型系统 K(1+71s)1+z2s)…(1+mS) K s→>0 (1+Ts)(1+72s)…(1+Tn 对于型及型以上系统 K(1+1s)(1+z2s)…(1+ns) K=lim 0s0s(1+Ts(1+T2s)…(1+TnNs)
9 4.2.2 稳态误差系数与稳态误差 一 、 不同信号作用下的稳态误差计算问题 （1）单位阶跃信号作用下的稳态误差 定义： ----为系统的稳态位置误差系数。 对于0型系统: 对于I型及I型以上系统: G s H s s e sE s s s s s s 1 1 ( ) ( ) 1 lim ( ) lim 0 0 + = = → → 1 lim ( ) ( ) 1 0 G s H s s→ + = lim ( ) ( ) 0 K G s H s s p → = K T s T s T s K s s s K n m s p = + + + + + + = → (1 )(1 ) (1 ) (1 )(1 ) (1 ) lim 1 2 1 2 0 = + + + + + + = − → (1 )(1 ) (1 ) (1 )(1 ) (1 ) lim 1 2 1 2 0 s T s T s T s K s s s K n N N m s p (N = 0) (N 1)
于是,稳态误差可表示为: K=K N=O 1+K K=∞N≥1 P 0型系统对阶跃信号的稳态 误差为一定值,圆大小基本上与 开环放大系数区成反比,区越 大,园越小,但总有误差,除非 K为无穷大。所以0型系统又 称为有差系统。为了降低稳态误 差l,在稳定条件允许的前提 下,可增大开环放大系数风
10 于是，稳态误差可表示为： 0型系统对阶跃信号的稳态 误差为一定值， 大小基本上与 开环放大系数 成反比， 越 大， 越小，但总有误差，除非 为无穷大。所以0型系统又 称为有差系统。为了降低稳态误 差 ，在稳定条件允许的前提 下，可增大开环放大系数 。 = = = = + 0 1 0 1 1 K N K K N e K p p s s p K ss e ss e K ss e K r t( ) t ss e c t( ) 0 K