稳态性能分析
5-5稳定裕度和稳定性能分析
-1
0
1
临界稳定
相角裕度的含义：保持系统稳定的前提下，开环 频率特性允许增加的滞后相角。 幅值裕度的含义：保持系统稳定的前提下，开环 频率特性的幅值允许增加到的倍数。
j 1/h j
-1
ωx
b a
ω =∞
0
γ <0
1
ωc
-1 b 0 a
ωx
ω =∞
1
γ >0
ωc
1/h
ω =0
ω =0
γ >0 稳定系统 h > 1 ω < ω x c
转折频率：0.5 斜率： -40
-20 -40
L(ω)曲线 曲线
L(ω)
[-20] 40db [-40] 20db 0db 0.1 -20db --40db 0.5 1 2
40 (0.5s + 1) G ( s ) H (s ) = 1 s ( 2s + 1)( s + 1) 30
[-20] 10
20
25
30
K=6
Nyquist Diagram 0.5 0 -0.5 Imaginary Axis -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3 0 Amplitude 1.5 2 Step Response
1
0.5
-2
-1
0 Real Axis
1
2
3
0
5
10
15
20
25
30
35
Time (sec)
已知单位反馈系统开环传函如下，绘制闭 环系统的频率特性图：
11.7 G ( s) = s (1 + 0.05s )(1 + 0.1s )
实验二：系统稳定性和稳态性能分析
实验二：系统稳定性和稳态性能分析主要内容：自动控制系统稳定性和稳态性能分析上机实验目的与要求：熟悉 MATLAB 软件对系统稳定性分析的基本命令语句 熟悉 MATLAB 软件对系统误差分析的 Simuink 仿真 通过编程或 Simuink 仿真完成系统稳定性和稳态性能分析一 实验目的1、研究高阶系统的稳定性，验证稳定判据的正确性；2、了解系统增益变化对系统稳定性的影响；3、观察系统结构和稳态误差之间的关系。
二 实验任务1、稳定性分析欲判断系统的稳定性，只要求出系统的闭环极点即可，而系统的闭环极点就是闭环传递函数的分母多项式的根，可以利用MATLAB 中的tf2zp 函数求出系统的零极点，或者利用root 函数求分母多项式的根来确定系统的闭环极点，从而判断系统的稳定性。
（1）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为0.2( 2.5)()(0.5)(0.7)(3)s G s s s s s +=+++，用 MA TLAB 编写程序来判断闭环系统的稳定性，并绘制闭环系统的零极点图。
（2）已知单位负反馈控制系统的开环传递函数为( 2.5)()(0.5)(0.7)(3)k s G s s s s s +=+++，当取k =1，10，100用MA TLAB 编写程序来判断闭环系统的稳定性。
只要将（1）代码中的k 值变为1，10，100，即可得到系统的闭环极点，从而判断系统的稳定性，并讨论系统增益k 变化对系统稳定性的影响。
2、稳态误差分析（1）已知如图所示的控制系统。
其中2(5)()(10)s G s s s +=+，试计算当输入为单位阶跃信号、单位斜坡信号和单位加速度信号时的稳态误差。
从 Simulink 图形库浏览器中拖曳Sum （求和模块）、Pole-Zero （零极点）模块、Scope （示波器）模块到仿真操作画面，连接成仿真框图如右上图所示：（2）若将系统变为I 型系统，5()(10)G s s s =+，在阶跃输入、斜坡输入和加速度信号输入作用下，通过仿真来分析系统的稳态误差。
典型系统动态性能和稳定性分析
典型系统动态性能和稳定性分析系统动态性能和稳定性是指在外部扰动下，系统的响应速度和稳态特性。
这是评估系统质量和优化系统设计的重要指标。
在典型系统设计中，系统通常被建模为一个传递函数，可以用来描述系统的输出响应，其输入是系统输入和一些可能存在的扰动。
传递函数常常是一个复杂的非线性方程，需要使用线性化技术进行分析。
系统动态性能和稳定性可以通过研究系统的极点和零点来评估。
极点是传递函数的根，它们对系统的稳定性和动态响应有很大的影响。
一个系统是稳定的，当且仅当其所有极点的实部都小于零。
如果系统有一个或多个极点实部为正，那么它是不稳定的，并且会发生震荡或失控的行为。
因此，一个良好的系统设计应确保其所有极点都在复平面的左半面。
另一方面，零点是传递函数的根，它们在系统的频率响应和零状态响应中起着重要作用。
零点是传递函数的一个参数，表示在某个频率下传递函数被抵消或消除。
零点分布的位置对于系统的稳定性和响应都有重要的影响。
如果系统有零点，它们会抵消或消除特定频率下的输入信号。
因此，一个良好的系统设计应该尽可能使其零点靠近频率对应的极点，以达到良好的过渡特性和稳态精度。
系统的动态性能和稳定性可以通过研究系统的传递函数和控制策略来优化。
传递函数中的极点和零点分布可以通过调整系统参数或控制器参数来影响。
此外，使用优化方法，如PID控制器优化或系统识别方法，也可以改善系统性能。
这些方法可以帮助设计人员分析和优化系统响应，并提高系统的稳定性和性能。
在实际应用中，为了确保系统响应的快速性和稳定性，设计人员还可以使用高级控制技术，如预测控制、自适应控制和模糊控制。
这些技术可以更精细地控制系统，并通过自适应和智能控制来改善系统性能。
总之，系统的动态性能和稳定性是系统质量的重要指标，设计人员可以通过研究系统的传递函数和控制策略，以及应用高级控制技术来优化系统性能，从而实现快速响应和精确控制。
电力系统中的稳态分析
电力系统中的稳态分析随着现代化的发展，电力系统成为了全球各国的经济和社会发展中不可或缺的组成部分。
无论是家庭用电、交通运输领域的电力需求，还是工业制造的电力供应，都要依靠电力系统的稳定运行。
因此，电力系统的稳态分析是电力工程中关键的问题之一。
电力系统的稳态分析是指在电力系统中进行电力平衡计算及功率流计算，以评估系统的稳定性和电力系统的能力，从而提供关于电力系统运行的定量评估。
稳态分析包括了数学模型的建立、算法的设计和系统仿真的实验，整个过程需要依靠高性能的计算机来实现。
在稳态分析中，电力系统被抽象为电路模型，其中各种电气设备、负荷和变电站等都被建模为电路的不同元素，这些元素之间相互连接形成一个复杂的电路网络。
稳态分析的目标是建立电路网络的数学模型，根据模型计算各个电路元素的电势、电流和功率等参数，进而评估电力系统的功率稳定性、电压稳定性和阻抗等电气特性。
稳态分析的基本数据和参数包括有电气负荷、发电机数据、变压器等电气设备的参数、电缆线路的阻抗及容抗、电力网拓扑结构等。
这些参数通常是通过实验或观测等方式得到的，如发电机的功率曲线、电气设备的技术规格等，都需要在计算稳态分析时纳入其中。
而稳态分析的基本问题则是功率平衡和节点电位平衡等条件的满足。
具体而言，稳态分析中需要计算系统中各个发电机和负荷的功率需求，同时满足电力供应和电力负荷的平衡，即保证电力系统的功率平衡。
此外，也需要保证各个节点的电位平衡，即使得每个节点处的电势相等。
这些条件的满足保证了电力系统中各个节点之间的电压和电能的平衡，从而保证了电力系统的稳定性。
稳态分析的结果不仅仅是电气参数的计算，更为重要的是通过这些计算得到电力系统的稳定性评估，从而确定各个电气设备的额定容量，为电力系统设计、规划和运营提供参考。
如何保证电力系统在运行过程中的稳定性是稳态分析的关键问题之一。
对于电力系统的稳定性评估，则可以通过特性曲线、相角稳定等指标进行评估。
总之，电力系统中的稳态分析是电力工程中至关重要的一个问题。
电力系统的稳态与暂态分析方法
电力系统的稳态与暂态分析方法稳态和暂态是电力系统分析中两个重要的概念。
稳态分析主要用于评估电力系统在正常运行情况下的性能和稳定性，而暂态分析则关注电力系统在发生故障或其他异常情况下的响应和恢复过程。
本文将介绍电力系统中的稳态与暂态分析方法，并探讨其在电力系统规划、运行和故障处理中的应用。
一、稳态分析方法稳态是指电力系统在正常运行情况下，各电压、电流和功率等参数保持在稳定状态的能力。
稳态分析主要涉及电压、功率、功率因数等参数的计算和评估。
常用的稳态分析方法包括潮流计算、负荷流计算、电压稳定性评估等。
1. 潮流计算潮流计算是稳态分析中最基础的方法之一，用于计算电力系统中各节点的电压、电流和功率等参数。
通过潮流计算，可以确定电力系统中各节点的电压稳定程度，评估传输能力和合理分配负载等。
常用的潮流计算方法包括高斯-赛德尔法、牛顿-拉夫逊法等。
2. 负荷流计算负荷流计算是潮流计算的一种特殊形式，用于分析电力系统中负载的分布和负载对系统潮流的影响。
负荷流计算可以帮助确定合理的负载分配方案，提高系统的稳定性和经济性。
3. 电压稳定性评估电压稳定性是一个评估电力系统稳定性的重要指标，特别是在大规模电力系统中。
电压稳定性评估主要通过计算稳态电压变化范围和电压裕度等参数来判断系统的电压稳定性，并采取相应的调整措施。
二、暂态分析方法暂态是指电力系统在出现故障或其他异常情况下，系统中各参数发生瞬时变化并逐渐恢复到正常状态的过程。
暂态分析主要关注电力系统在故障发生后的动态响应和恢复。
常用的暂态分析方法包括短路分析、稳定性分析和电磁暂态分析等。
1. 短路分析短路分析主要用于分析电力系统中发生短路故障时的电流和电压等参数的变化。
通过短路分析，可以确定故障点、故障类型和故障电流等信息，为故障处理和保护设备的选择提供依据。
2. 稳定性分析稳定性分析是评估电力系统在故障发生后是否能够保持稳定运行的一项重要工作。
稳定性分析主要关注系统的动态行为和振荡特性，通过模拟故障后系统的响应来判断系统的稳定性和选择合适的控制策略。
第4章 稳态与瞬态性能分析
49
机电控制理论及应用
出版社
理工分社
4.2.4 改善系统稳态性能的途径 单纯增大开环放大倍数或串入积分环节虽可改善 稳态误差 , 但使系统稳定程度变差 , 不能同时满足稳态 误差小、动态性能好的要求。因此工程上常常采用校 正办法来解决稳态精度与稳定程度的矛盾 , 比如滞后校 正、比例 + 积分 ( PI ) 校正、比例 + 积分 + 微分 ( PID) 校正以及复合校正等。前三种校正方法见第 6 章介绍 , 这里介绍两种复合校正——输入补偿和扰动补偿。
9
机电控制理论及应用
出版社
理工分社
10
机电控制理论及应用
出版社
理工分社
11
机电控制理论及应用
出版社
理工分社
5 ) 超调量 Mp % ——响应曲线第一次超过稳态值 到达峰值时 , 超过部分的幅度与稳态值之比
式中 xo(tp) 表示响应峰值;xo(∞) 表示响应稳态值,图 4.1.4 作了归一化处理,xo(∞) = 1。 6)振荡次数 N—— 响应曲线在过渡过程时间 ts内 的振荡次数,上下各穿越一次稳态区域记为1 次振荡。 单向穿越一次稳态区域记为半次振荡。
出版社
理工分社
系统型号 υ= 1,开环增益 K = 5,按表4.1,输入稳态速 度误差 esv= 2· (1/K) = 0.4。q = 0,μ=1,m = 1,k1= 10, kf=1, 按表4.2,扰动稳态误差esN= - 1· ( - 1/k1kf) = 0.1。 总稳态误差 ess= esv+ esN= 0.4 +0.1 = 0.5。
出版社
理工分社
42
机电控制理论及应用
出版社
理工分社
电力系统中的稳态与暂态分析与控制
电力系统中的稳态与暂态分析与控制一、电力系统中的稳态分析与控制1.1 稳态分析电力系统中的稳态指的是系统中各种电量和状态不随时间变化或随时间变化很缓慢的状态，包括电压、电流、功率因数、电能等。
稳态分析是指在系统达到稳态条件后，对系统进行分析，在保证系统稳态的前提下，分析系统各种参数的变化情况，以评估系统的运行状态和性能。
稳态分析主要包括电压稳态分析、功率稳态分析和电能质量分析等。
电压稳态分析主要研究系统中各节点电压的稳定性，包括电压平衡状况、电压调节、电压波动等；功率稳态分析主要研究系统中功率的平衡状况，包括功率调节、功率平衡、负荷分配等；电能质量分析主要研究系统中电能的质量状况，包括电能损耗、谐波、干扰等。
1.2 稳态控制稳态控制是指通过控制系统电气参数，使得系统达到稳态时所期望的特定状态。
稳态控制主要包括电压控制、功率控制和负荷控制等。
其中，电压控制主要是通过控制发电机励磁电流、调节变压器的输出电压等方式，使得各节点电压达到期望值；功率控制主要通过控制发电机输出功率、调节变压器的输出功率等方式，使得系统功率平衡；负荷控制主要通过调节负荷的分配、合理运行机组等方式，使得负荷达到平衡状态。
二、电力系统中的暂态分析与控制2.1 暂态分析电力系统中的暂态指的是系统中各种电量和状态在时间尺度上有较大变化的状态，包括电压暂态、电流暂态等。
暂态分析是指在系统发生暂态情况时，对系统进行分析，以评估系统的暂态稳定性和安全性。
暂态分析主要包括受电设备暂态分析、发电机暂态分析、输电线路暂态分析等。
其中，受电设备暂态分析主要研究受电设备在电气故障时的暂态响应，包括电压暂降、电流过载等；发电机暂态分析主要研究发电机在电气故障时的暂态响应，包括转子振荡、电势梯度等；输电线路暂态分析主要研究输电线路在电气故障时的暂态响应，包括过电压、过电流等。
2.2 暂态控制暂态控制是指通过控制系统的电气参数，使得系统在发生暂态情况时能够迅速恢复到稳态，并确保系统的安全性。
自动控制原理课件：线性系统的稳定性和稳态特性分析
上述系统在干扰作用消失后，能够恢复到 原始的平衡状态，或者说系统的零输入响应具 有收敛性质，则系统为稳定的。
由此可得到线性系统稳定的充分必要条件: 系统特征方程的所有根（系统的所有闭环极点），均位于复数s平面的左半部．
系统给定误差传递函数为
Er (s) R(s)
1 1 G(s)
1
1 K (0.5s 1)
s(s 1)(3s 1)
Er
(s)
s(s
s(s 1)(3s 1) 1)(3s 1) K (0.5s
1)
R(s)
esr
lim
s0
sEr
(s)
lim s
s0
s(s 1)(3s 1)
1
s(s 1)(3s 1) K(0.5s 1) s
3.3 劳斯稳定判据 线性系统稳定与否，取决于特征根的实部是否均为负值（复数s平面
的左半部）．但是求解高阶系统的特征方程是相当困难的．而劳斯判据，
避免解特征方程，只需对特征方程的系数进行代数运算，就可以判断系统
的稳定性，因此这种数据又称为代数稳定判据．
１．劳斯判据 将系统的特征方程写成如下标准形式
下面要讨论系统跟踪输入信号的精确度或抑制干扰信号的能 力．
这里讨论的稳态误差仅限于由系统结构、参数及输入信号的不 同而导致的稳态误差，不包含由于具体元件的灵敏性、温湿度影响所 带来的误差问题。
控制系统的输入包含给定输入和扰动量， 对应的控制系统的稳态误差也分为两类：
给定稳态误差
扰动稳态误差
Er (s) R(s) B(s) R(s) Er (s)Gc (s)Go (s)H(s)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
零？ 4．闭环主导极点、偶极子定义？
2
实验原理
LNPU
1. 二阶系统的瞬态响应
用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形
式的闭环传递函数为
C(S) R(S)
S2
n2 2 nS
n2
闭环特征方程：
S 2 2 n n2 0
其解
S1,2 n n 2 1
针对不同的 值，特征根会出现下列三种情况：
(7)
G(s)
0.009 s 1 (0.01s 1)(0.01s2 0.08s 1)
LNPU
六、实验报告要求 1. 画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传
递函数，表明电路中的各参数； 2. 根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和
时间常数T对系统的动态性能的影响。 七、实验思考题 1. 如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后
1） 0 1 （欠阻尼）， S1,2 n jn 1 2
此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2-1的(a)所示
。它的数学表达式为：
C( t ) 1
1
1
2
e nt Sin( d t
)
d n 1 2
tg 1 1 2
二阶系统的方框图
二阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）
实验步骤
LNPU
（1）模拟仿真
选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路
1. 值n 一定时，图2-3中取C=1uF，R=100K(此时 n 10 )，
Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况 下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同 值时的实验曲线。
(2) G(s) 1 (0.67 s 1)
(3) G(s)
0.59s 1
(0.67 s 1)(0.01s2 0.08s 1)
(4)
G(s)
(0.01s 2
1 0.08s 1)
(5)
G(s)
1 (0.01s 1)(0.01s2
0.08s 1)
1 (6) G(s) (0.001s 1)(0.01s2 0.08s 1)
（2）数字仿真
G(S)H(S)
K
S(0.1S 1)(0.5S 1)
1．已知单位反馈系统的开环传函为
系统稳定
0<K<12
系统临界稳定
K=12
系统不稳定
K>12
实验步骤
LNPU
2．系统的闭环传函如下所示，画出零极点在S平面的分布图，画响应 曲线，求动态性能指标。
1 (1) G(s) (0.67 s 1)(0.01s2 0.08s 1)
实验步骤
LNPU
2. 值一定时，图2-4中取R=100K，RX=200K(此时 =0.25)。系统输入一
单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同
值时的实验曲线。
n
2.1若取C=10uF时，
2.2若取C=0.1uF（将U7、U9电路单元改为U10、U13）时，n 100
1.1当可调电位器RX=200K时， =0.25，系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右；
1.2若可调电位器RX=100K时， =0.5，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右；
=11，.3系若统可处调于电临位界器阻RX尼=5状1K态时；，
1.4若可调电位器RX=10K时，
=5，系统处于过阻尼状态。
实验目的
LNPU
1. 通过实验了解参数(阻尼比)、(阻尼自 然频率)的变化对二阶系统动态性能的影 响；
2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。
3．了解主导极点的概念
1
实验设备
LNPU
THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验 平台
PC机一台(含“THBDC-1”软件)、USB数据 采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、 USB接口线
3
实验原理
2） 1
S1,2调上升的指数曲线
3） 1 （过阻尼）
S1,2 n n 2 1
LNPU
0 1
1
1
二阶系统的动态响应曲线
实验原理
LNPU
2. 二阶系统的典型结构 典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如图所示