二阶系统的阶跃响应
二阶系统的阶跃响应(PPT课件)
三、二阶系统的其他输入响应
即，输入变为原来的积分时，输出也变为原来的积分。
结论
一、单位脉冲信号是单位阶跃信号的一阶导数，所以系 统的单位脉冲响应也为单位阶跃响应的一阶导数。 二、单位斜坡信号和单位加速度信号是单位阶跃信号的 一重二重积分，所以系统的单位斜坡响应好单位加速 度响应也为单位阶跃响应的一重积分和二重积分。
一、二阶系统的阶跃响应
当 1系统有两个正实根 单位阶跃响应为
e
( 2 1 )n t
h(t ) 1
2 2 1( 2 1)
e
( 2 1 )n t
2 2 1( 2 1)
式中看出，指数因子具有正幂指数，因此系统的动 态过程为发散的形式
解之得 td 似描述
1 0.6 0.2 2
n
欠阻尼下用 t d
1 0.7
n
近
二、二阶系统的动态过程分析
2、上升时间tr的计算 1 t c ( t ) 1 e sin( d t ) 中，令 c(t d ) 1 在 2
n
1
，得
1 1 2
2 n 1 1 n 1 C ( s) R( s)G ( s) 2 2 s ( s n ) s ( s n ) s n
c(t ) 1 e
n t
(1 nt )
相应的阶跃响应 非周期地 趋向于稳态输出，此时系统为 临界阻尼情况。
一、二阶系统的阶跃响应
二、二阶系统的动态过程分析
要求：能熟记以上动态性能指标在欠阻尼下的求取公式， 及求取方法（便于非欠阻尼下的计算） 例：设系统结构图如下，若要求系统具有性能指标 t p 1s ，试确定系统参数K和τ，并计算单 % 20% ， 位阶跃响应的特征量， t ， 和 t。 t d s r
二阶系统的阶跃响应
阶跃响应函数为：
C(s)
1 s
s2
n2 2ns
n2
n2 s(s n)2
1 s
s
1 n
(s
n n )2
c(t) 1 ent (1 nt)
C(t)
2
1
0
nt
0 2 4 6 8 10 12
10
33..33.2 典二型阶二阶系系统统的的单位阶阶跃跃响响应 应
输入阶跃信号和阶跃响应之间的误差 ：
e(t) r(t) y(t) 1 y(t) ent (1 nt)，t 0
开环传递函数为: 闭环传递函数为:
G(s)
s2
2 n
2
ns
(s)
G(s) 1 G(s)
s2
2 n
2 ns
n2
(s) 称为典型二阶系统的传递函数， 称为阻尼系数，n 称为 无阻尼振荡频率或自然频率。这两个参数称为二阶系统特征参
数。
2
3.3 二阶系统的阶跃响应
特征方程为：
s2
2
ns
2 n
0
特征根为： s1,2 n n 2 1
⒋当 1 时，极点为： s1,2 n n 2 1
即特征方程为
两阶系统的瞬态响应
s2
2
n
s
2 n
[s n (
2 1)][s n (
2 1)]
C(s)
2 n
R(s) [s n ( 2 1)][s n ( 2 1)]
C(s)
2 n
1
[s n ( 2 1)][s n ( 2 1)] s
Step Response 1
0.9
0.8 0.7 0.6
Amplitude
二阶系统的阶跃响应实验报告
二阶系统的阶跃响应实验报告实验报告：二阶系统的阶跃响应实验目的：本次实验的目的是研究二阶系统的阶跃响应，并对实验结果进行分析与讨论，以理解二阶系统在控制工程领域中的应用。
实验原理：二阶系统是指具有二阶特性的系统，即在系统受到激励信号后，系统的响应随时间的变化呈现出一定的规律。
在此实验中，我们将研究二阶系统的阶跃响应，其中阶跃信号指输入信号由零值跳变到一个恒定的值（或者说幅度无限大），通常用单位阶跃函数u(t)表示，即u(t)=1（t≥0），而二阶系统响应的公式可表示为：y(t) = K(1- e^(-ξωnt)cos(ωdt+φ))其中，K为系统的增益，ξ为阻尼比，ωn为自然频率，ωd为阻尼振荡频率，φ为相位角。
实验步骤：1. 确定实验装置的参数，并将之记录下来，包括：二阶系统的增益K、阻尼比ξ、自然频率ωn，以及阶跃信号的幅值u0等。
2. 将二阶系统的输入信号设置为阶跃信号u(t)，并将输出信号y(t)记录下来，同时进行数据采集和记录。
3. 根据数据得出实验结果，并利用软件对实验数据进行处理和分析，包括波形比较、响应曲线分析和幅值与相位移测量等。
实验结果：在此次实验中，我们得到了如下的实验参数：增益K = 1.5V阻尼比ξ = 0.1自然频率ωn = 2π x 10Hz阶跃信号幅值u0 = 2V根据实验数据，我们得到了如下的响应曲线：图1 二阶系统的阶跃响应曲线通过对响应曲线的分析和处理，我们发现：1. 二阶系统的阶跃响应具有一定的超调和振荡特性，表明系统的稳定性较差，需要进行进一步的优化和调整。
2. 阻尼比ξ的大小与系统的响应有着密切的关系，通常应根据系统的具体情况进行合理的选择和调整，以达到最佳的控制效果。
3. 自然频率ωn的大小与系统的响应速度有关，通常应根据实际控制要求进行选择和调整，以达到最佳的控制效果。
结论：本次实验研究了二阶系统的阶跃响应，并对实验结果进行分析和讨论。
通过对实验数据的处理和比较，我们发现阻尼比ξ和自然频率ωn是影响系统响应特性的关键因素，应根据实际控制要求进行合理的选择和调整。
自动控制原理实验二阶系统的阶跃响应
自动控制原理实验二阶系统的阶跃响应一、实验目的通过实验观察和分析阶跃响应曲线，了解二阶系统的动态特性，掌握用MATLAB仿真二阶系统阶跃响应曲线的绘制方法，提高对二阶系统动态性能指标的计算与分析能力。
二、实验原理1.二阶系统的传递函数形式为：G(s)=K/[(s+a)(s+b)]其中，K为系统增益，a、b为系统的两个特征根。
特征根的实部决定了系统的稳定性，实部小于零时系统稳定。
2.阶跃响应的拉氏变换表达式为：Y(s)=G(s)/s3.阶跃响应的逆拉氏变换表达式为：y(t)=L^-1{Y(s)}其中，L^-1表示拉氏逆变换。
三、实验内容1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定，并记录实际的参数数值。
2.使用MATLAB绘制二阶系统的阶跃响应曲线，并与实际曲线进行对比分析。
四、实验步骤1.搭建二阶系统，调整增益和特征根，使系统稳定。
根据实验要求，选择适当的数字电路元件组合，如电容、电感、电阻等，在实际电路中搭建二阶系统。
2.连接模拟输入信号。
在搭建的二阶系统的输入端接入一个阶跃信号发生器。
3.连接模拟输出信号。
在搭建的二阶系统的输出端接入一个示波器，用于实时观察系统的输出信号。
4.调整增益和特征根。
通过适当调整二阶系统的增益和特征根，使系统达到稳定状态。
记录实际调整参数的数值。
5.使用MATLAB进行仿真绘制。
根据实际搭建的二阶系统参数，利用MATLAB软件进行仿真，绘制出二阶系统的阶跃响应曲线。
6.对比分析实际曲线与仿真曲线。
通过对比分析实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性。
五、实验结果与分析1.实际曲线的绘制结果。
根据实际参数的输入，记录实际曲线的绘制结果，并描述其特点。
2.仿真曲线的绘制结果。
利用MATLAB软件进行仿真，绘制出仿真曲线，并与实际曲线进行对比分析。
3.实际曲线与仿真曲线的对比分析。
通过对比实际曲线与仿真曲线的差异，分析二阶系统的动态特性，并讨论影响因素。
六、实验讨论与结论1.实验过程中遇到的问题。
二阶系统的阶跃响应实验报告
二阶系统的阶跃响应实验报告实验名称：二阶系统的阶跃响应实验报告实验目的：1. 了解二阶系统的阶跃响应特性，掌握二阶系统的调节方法。
2. 学习使用计算机实验仿真软件，分析控制系统的特性和设计计算机系统的参数。
3. 进一步了解数字控制的基本原理和实现方法。
实验原理：二阶系统指的是包含两个振动元件的控制系统，例如质量弹簧阻尼系统、旋转系统等。
通过向系统输入一个单位阶跃信号，可以使系统达到稳态。
在达到稳态后，可以观察到系统的响应特性，例如响应时间、超调量等。
二阶系统的阶跃响应有三种情况，分别为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼。
欠阻尼的二阶系统的响应曲线会出现振荡，超调量较大；临界阻尼的二阶系统响应曲线的超调量最小，但响应时间较长；过阻尼的二阶系统响应曲线是退化的，没有振荡。
在实验中，我们使用计算机模拟二阶系统，并通过输入一个单位阶跃信号，观察系统的响应特性。
具体操作步骤如下：1. 在仿真软件中建立一个二阶系统，可以让仿真软件自动生成一个简单的二阶系统。
2. 将系统设置为单位阶跃信号输入，运行仿真，观察系统的响应特性。
3. 记录系统的超调量、响应时间以及稳态误差等参数。
4. 在仿真软件中改变系统的参数，例如增加阻尼系数，观察系统的响应变化。
实验器材：1. 计算机2. 仿真软件实验步骤：1. 打开计算机，并运行仿真软件。
2. 在仿真软件中建立一个二阶系统，并设置其为单位阶跃信号输入。
3. 运行仿真，并记录系统的响应特性，包括超调量、响应时间以及稳态误差等参数。
4. 在仿真软件中改变系统的参数，例如增加阻尼系数，观察系统的响应变化，并记录变化后的参数。
5. 分析实验结果，并总结出二阶系统的阶跃响应特性。
实验结果：在实验中，我们使用了仿真软件模拟了一个简单的二阶系统，并进行了阶跃响应实验。
通过实验，我们观察到了系统的响应特性，并记录了系统的超调量、响应时间以及稳态误差等参数。
我们对比了欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况下的响应特性，发现欠阻尼时会出现较大的超调量，临界阻尼时超调量最小，但响应时间较长，过阻尼时响应曲线是退化的，没有振荡。
二阶系统的阶跃响应
2019/8/28
第三章线性系统的时域分析
14
二阶系统的欠阻尼响应曲线
xc (t) xc (t)
2019/8/28
第三章线性系统的时域分析
15
2..无阻尼： 0
WB (s)
Xc (s) Xr (s)
n2 s2 n2
单位阶跃输入时，R(s) 1 ，输出的拉氏变换为： s
n
n 2
s
1
n
求其拉氏反变换，得：
xc t 1 1 nt ent
此时二阶系统的单位阶跃响应为单调上升曲线。
2019/8/28
第三章线性系统的时域分析
18
输出的变化率为:
二阶系统的临界阻尼 单位阶跃响应曲线存 在拐点
dxc (t) dt
n2tent
Step Response
1
近似计算值 （绿色）： 0.9
xc t 1 e0.27t
0.8 0.7
0.6
Amplitude
p1 0.27
0.5 0.4
p2 3.73
0.3
0.2
一般来说，当s1与虚 0.1
轴的距离为s2与虚轴的距离
的五倍以上时即可用一阶
0 0
5
10
1 二阶系统的阻尼比，无量纲
2 Tm KK
引入参数n
KK , 称作二阶系统的自然振荡角频率 Tm
或无阻尼振荡频率，单位为rad / s, 则得：
WK
n2 s(s 2n )
WB (s)
Xc (s) Xr (s)
s2
n2 2ns n2
二阶阶跃响应动态性能指标求取
二阶阶跃响应动态性能指标求取二阶系统是控制系统中常见的一种模型，其阶跃响应动态性能指标是评估系统的性能好坏的重要指标。
本文将从二阶系统的阶跃响应的定义、特点和性能指标的求取方法等方面进行阐述。
首先，二阶系统的阶跃响应是指系统在输入为单位阶跃信号时的响应。
假设二阶系统的传递函数为：G(s)=K/(s^2+2ξω_ns+ω_n^2)其中，K为增益，ξ为阻尼比，ω_n为自然频率。
二阶系统的阶跃响应具有以下特点：1.超调量：超调量是指阶跃响应中峰值与系统最终稳定值之间的差值，用百分数表示。
超调量越小，表示系统对阶跃输入的响应越快速、平稳。
2.响应时间：响应时间是指系统从单位阶跃响应开始到稳定的时间。
响应时间越短，表示系统对阶跃输入的响应越迅速。
3.调整时间：调整时间是指系统从初始状态到达超调量指定范围内的时间，一般取超调量为5%。
调整时间越短，表示系统对阶跃输入的响应越快速、平稳。
4.峰值时间：峰值时间是指系统对阶跃输入的响应达到其最大值的时间。
5.匀稳态误差：系统在稳态下的输出与输入的差值，反映系统的控制准确性。
若单位阶跃输入的稳态输出为1，则对于系统的阶跃响应不应有静态误差。
有了以上的定义和特点之后，下面将介绍二阶系统阶跃响应动态性能指标的求取方法。
首先，根据传递函数可求得系统的特征方程：s^2+2ξω_ns+ω_n^2=0然后，通过特征方程可以求得系统的根：s_1=-ξω_n+ω_n√(ξ^2-1)s_2=-ξω_n-ω_n√(ξ^2-1)根据系统根的位置可以对系统的动态性能进行评估。
1.超调量的计算：超调量的计算公式为：MP=e^(-πξ/√(1-ξ^2))其中，MP为超调量，ξ为阻尼比。
2.响应时间的计算：响应时间的计算公式为：t_r=π/ω_d其中，t_r为响应时间，ω_d为峰值时的角频率，可通过特征方程得到：ω_d=ω_n√(1-ξ^2)3.调整时间的计算：调整时间的计算公式为：t_s=4/(ξω_n)其中，t_s为调整时间。
二阶系统的阶跃响应
一、二阶系统的阶跃响应
当 1系统有两个正实根 单位阶跃响应为
e
( 2 1 )n t
h(t ) 1
2 2 1( 2 1)
e
( 2 1 )n t
2 2 1( 2 1)
式中看出，指数因子具有正幂指数，因此系统的动 态过程为发散的形式
二阶系统的阶跃响应
经过实验知，
过阻尼和临界阻尼响应曲线中，临界阻尼响应速度最 快；
欠阻尼响应曲线中，阻尼比越小，超调量越大，上升 时间越小，通常取阻尼比在0.4-0.8之间，此时超调量 合适，调节时间短； 若系统有相同的阻尼比，而振荡频率不同，则振荡特 性相同，但响应速度不同，振荡频率大的，响应速度 快.
二、二阶系统的动态过程分析
控制工程中，一般选取适度的阻尼比，较快的响应速 度和较短的调节时间。 1、延迟时间td的计算 1 c ( t ) 1 e sin( t ) 中，令 c(t ) 0.5 ，得 在 d 1
n t 2 d
n t d
1
ln
2 sin( 1 2 nt d arcsin ) 1 2
一、二阶系统的阶跃响应
上式中
T1 T2
1
n ( 2 1)
1
n ( 2 1)
由此可见 阻尼比的值决定了系统的阻尼程度。
一、二阶系统的阶跃响应
具体讨论 欠阻尼情况下的阶跃响应 当 0 1 系统有一对具有负实部的共轭复数根
s1, 2 n jn 1
一、二阶系统的阶跃响应
当
系统有一对纯虚根 0 s1, 2 jn
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控制系统的时域性能指标
一阶系统的单位阶跃响应
二阶系统的阶跃响应
典型二阶系统方框图，其闭环传递函数为：
s
Cs Rs
K v / s(Tm s 1)
Kv
1 K v / s(Tm s 1) Tm s2 s K v
2 n
s2 2 n s
2 n
式中
K v-- 开环增益；
ω n--无阻尼自然频率或固有频率，
Kv
n
；
Tm
ζ --阻尼比，
4. 无阻尼 (ζ ＝ 0)
其时域响应为 在这种情况下，系统的响应为等幅
Cs
2
n
s(s2
2 n
)
c t 1 cos nt
(不衰减 )振荡，
5
图 ζ＝ 0 时特征根的分布
图 ζ＝ 0 时二阶系统的阶跃响应
5. 负阻尼（ ζ＜ 0）
当 ζ ＜0 时，特征根将位于复平面的虚轴之右，其时域响应中的
e 的指数将是正的时间
函数，因而 e nt 为发散的，系统是不稳定的。
显然， ζ ≤ 0 时的二阶系统都是不稳定的，
而在 ζ ≥ 1 时，系统动态响应的速度又太慢，
所以对二阶系统而言， 欠阻尼情况是最有实际意义的。 下面讨论这种情况下的二阶系统的动
态性能指标。
欠阻ห้องสมุดไป่ตู้二阶系统的动态性能指标
1. 上升时间 tr
上升时间 tr 是指瞬态响应第一次到达稳态值所需的时间。
Ts 1 s s Ts 1
1 t
c(t) 1 e T
或写成
c(t) css ctt
式中， css=1，代表稳态分量； ctt
1 t
e T 代表暂态分量。当时间
t 趋于无穷，暂态分
量衰减为零。 显然， 一阶系统的单位阶跃响应曲线是一条由零开始， 按指数规律上升并最终
趋于 1 的曲线，如图所示。响应曲线具有非振荡特征，故又称为非周期响应。
也可定义为从 0 到第一次达到终值所需的时间。
峰值时间 t p 阶跃响应越过稳态值 h( ) 达到第一个峰值所需的时间。 调节时间 ts 阶跃响到达并保持在终值 h( ) 5 ％误差带内所需的最短时间； 有时也用 终值的 2 ％误差带来定义调节时间。 超调量 ％ 峰值 h(t p ) 超出终值 h( ) 的百分比，即
第 3 章 辅导
控制系统典型的输入信号
1. 阶跃函数
阶跃函数的定义是
xr ( t)
0, t 0 A, t 0
式中 A 为常数。 A 等于 1 的阶跃函数称为单位阶跃函数，如图所示。它表示为
单位阶跃函数的拉氏变换为
xr(t) ＝ l(t) ，或 xr(t)=u(t)
X r(s)=L[1(t)]=1/s 在 t＝ 0 处的阶跃信号，相当于一个不变的信号突然加到系统上；对于恒值系统，相当
对控制系统的一般要求归纳为稳、准、快。工程上为了定量评价系统性能好坏，必须给 出控制系统的性能指标的准确定义和定量计算方法。
1 动态性能指标
动态性能指标通常有如下几项：
延迟时间 td 阶跃响应第一次达到终值 h( ) 的 50％所需的时间。 上升时间 tr 阶跃响应从终值的 10％上升到终值的 90％所需的时间； 对有振荡的系统，
4. 脉冲函数
这种函数的定义是
A , 0 t ( 0)
xr (t) 0, t 0, t ( 0)
式中 A 为常数， ε为趋于零的正数。脉冲函数的拉氏变换是
A
Xr (s) L lim
A
0
当 A ＝ 1，ε → 0 时，称为单位脉冲函数 δ (t) ，如图 所示。单位脉冲函数的面积等于 l，
即
2
(t )dt 1
于给定值突然变化或者突然变化的扰动量； 对于随动系统， 相当于加一突变的给定位置信号。
2. 斜坡函数
这种函数的定义是
xr (t)
0, t 0 At, t 0
式中 A 为常数。该函数的拉氏变换是 X r(s)=L[At]=A/s 2
这种函数相当于随动系统中加入一按恒速变化的位置信号，
称为单位斜坡函数，如图所示。
1
。
2 nTm
二阶系统的闭环特征方程为
其特征根为
s2 +2ζ ω ns+ω 2n=0
4
s1,2
21 n
1. 临界阻尼 (ζ=1)
其时域响应为
上式包含一个衰减指数项。
c t 1 e nt (1 nt)
c(t) 为一无超调的单调上升曲线，如图
3-8b 所示。
(a)
(b)
(c)
ζ≥ 1 时二阶系统的特征根的分布与单位阶跃响应
该恒速度为 A 。当 A ＝ l 时，
1
3. 抛物线函数
如图 所示，这种函数的定义是
xr (t )
0, t 0 At2, t 0
式中 A 为常数。这种函数相当于随动系统中加入一按照恒加速变化的位置信号，该恒
加速度为 A 。抛物线函数的拉氏变换是
2
3
X r(s)=L[At ]=2A/s
当 A ＝ 1/2 时，称为单位抛物线函数，即 X r(s)=1/s3。
tr
由此式可见，阻尼比 ζ越小，上升时间 t r 越小，反之则 t r 越大。
d
n1
2
tr 则越小； ζ 越大则 t r 越大。固有频率 ω n 越大，
2. 过阻尼 (ζ ＞ 1)
具有两个不同负实根 [ s1 , s2 (
2 1) n ] 的惯性环节单位阶跃响应拉氏变换
式。其时域响应必然包含二个衰减的指数项，其动态过程呈现非周期性，没有超调和振荡。
图为其特征根分布图。
3. 欠阻尼（ 0<ζ ＜1）
图 3-9 0<ζ ＜ 1 时二阶系统特征根的分布
图 3-10 欠阻尼时二阶系统的单位阶跃响应
％ h(t p ) h( ) 100％ h( )
在上述动态性能指标中， 工程上最常用的是调节时间
述“匀”）以及峰值时间 t p 。
ts （描述 “快”），超调量
％（描
2 稳态性能指标
稳态误差是时间趋于无穷时系统实际输出与理想输出之间的误差，
是系统控制精度或抗
干扰能力的一种度量。稳态误差有不同定义，通常在典型输入下进行测定或计算。
3
一阶系统的阶跃响应
一. 一阶系统的数学模型
由一阶微分方程描述的系统，称为一阶系统。一些控制元部件及简单系统如 发电机、空气加热器、液面控制系统等都是一阶系统。
因为单位阶跃函数的拉氏变换为 R(s)=1/s，故输出的拉氏变换式为
RC 网络、
C (s)
取 C(s)的拉氏反变换得
1 11 T (s) R( s)