时间响应分析
时间响应分析概论
时间响应分析概论时间响应分析是信号与系统中一个重要的概念，它描述了系统对输入信号产生的响应。
时间响应分析在许多领域中都有广泛的应用，从电子电路到控制系统，从通信系统到图像处理系统，都需要进行时间响应分析来研究系统的性能和行为。
时间响应分析可以用来研究系统对不同输入信号的响应速度和稳定性。
在实际应用中，我们经常需要了解系统对瞬态信号和稳态信号的响应情况。
瞬态响应描述了系统对突变输入信号的响应速度和时间域特性，而稳态响应描述了系统对长时间稳定输入信号的响应情况。
时间响应分析可以通过多种方法来进行。
其中最常用的方法是通过求解系统的微分方程来获得系统的时间响应。
对于线性时不变系统，可以使用Laplace变换将微分方程转化为代数方程，并通过求解代数方程来获得时间响应。
此外，还可以使用频域分析方法，如傅里叶变换和Z变换，来获得系统的频率响应，从而间接地得到时间响应。
时间响应分析的一个重要的概念是单位冲激响应。
单位冲激响应是一个重要的信号，它可以用来描述系统对单位冲激输入信号的响应情况。
对于线性时不变系统，单位冲激响应可以用来描述系统的完全响应情况。
系统的完全响应可以通过将单位冲激响应与输入信号进行卷积运算得到。
时间响应分析可以帮助我们了解系统的特性和行为。
比如，通过分析系统的暂态响应，可以得到系统的动态响应特性，如上升时间、下降时间和超调量等。
这些参数可以用来评估系统的稳定性和性能。
此外，在控制系统中，时间响应分析可以用来设计系统的控制器，从而实现所需的性能要求。
时间响应分析在通信系统中也有广泛的应用。
在数字通信系统中，通过分析系统的时间响应可以了解系统的传输特性，如传输延迟和传输带宽等。
这些参数可以用来评估系统的信道容量和传输质量。
在图像处理系统中，时间响应分析可以用来分析系统的图像处理速度和响应时间，从而帮助改进图像处理算法和优化图像处理系统的性能。
总之，时间响应分析是信号与系统中一个重要的概念，它可以用来描述系统对输入信号的响应情况。
控制系统时间响应分析
控制系统时间响应分析控制系统的时间响应分析是控制系统工程中至关重要的一个环节。
控制系统时间响应分析的目的是对系统的动态性能进行分析和评价，以便设计和改进控制系统以满足系统的性能指标和要求。
时间响应分析是分析系统动态特性最常用的方法之一，由于其简单易行、直观、实用而被广泛采用。
控制系统的时间响应是指系统在输入信号发生突变时，输出信号发生的变化情况，它是衡量控制系统动态响应能力的重要参数之一。
在时间响应分析中，我们通常关注的是控制系统的过渡过程、超调量以及调节时间。
其中，过渡过程是指系统从稳态到达目标状态所需的时间，超调量是指系统在调节过程中输出信号超过目标值的最大值的百分比，调节时间是指系统达到目标状态所需要的时间。
基于这些性能指标的分析，可以确定系统的性能表现和稳定性，进而设计和优化控制系统。
时间响应分析的基本方法是利用系统的数学模型，通过激励系统并观测其输出信号随时间的变化，进而分析系统的响应特性。
此外，还可以通过脉冲响应、阶跃响应、正弦响应等不同的激励信号来分析系统的响应特性。
在针对实际系统时，时间响应分析需要考虑系统的复杂性和非线性因素等影响因素，以便获得更加准确且实用的分析结果。
对于控制系统时间响应分析而言，评价系统的性能指标是非常重要的。
标准的性能指标包括调节时间、超调量、稳态误差和振荡等。
以调节时间为例，当系统从失稳状态开始到达稳态状态的时间越短，则表示系统的响应性能越好。
超调量表示系统在达到目标状态后，输出信号超过设定值的最大值。
稳态误差则反映了系统达到稳定状态后，系统输出值与目标值之间的偏差。
系统的时间响应分析
第四章 系统的时间响应分析4-1 什么是时间响应？时间响应由哪两部分组成？各部分的定义是什么？答：系统在外加作用(输入)激励下，其输出量随时间变化的函数关系称之为系统的 时间响应，通过对时间响应的分析可揭示系统本身的动态特性。
任一系统的时间响应都是由瞬态响应和稳态响应两部分组成。
瞬态响应：系统受到外加作用激励后，从初始状态到最终状态的响应过程称为瞬态 响应。
稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态称为稳态响应。
瞬态响应反映了系统动态性能，而稳态响应偏离系统希望值的程度可用来衡量系统 的精确程度。
4-2 系统稳定性的定义是什么？答：一个控制系统在实际应用中，当受到扰动作用时，就要偏离原来的平衡状态，产生初始偏差。
所谓控制系统的稳定性，就是指当扰动消失之后，系统从初始偏差恢复到原平衡状态的能力。
4-3 一个系统稳定的充分和必要条件是什么？答：系统特征方程的全部根都具有实部。
或者说，闭环传递函数的全部极点均在s 平面的左半部。
4-4 如题图4-4所示的电网络，试求其单位阶跃响应、单位脉冲响应和单位斜坡响应，并画出相应的响应曲线。
解：如图RC 电网络的传递函数为：1()1=+G s RCsT RC = （1）单位阶跃响应：()11−−=−=−t t RCTC t ee（2）单位脉冲响应：题图4-411()−−==t tRCT C t e e T RC（3）单位斜坡响应：()11−−⎛⎞⎛⎞=−−=−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠t t RCTC t t T et RC e4-5设温度计能在1分钟内指示出响应值的98％，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数。
如果将此温度计放在澡盆内，澡盆的温度依10℃/min 的速度线性变化，求温度计示值的误差是多大？ 解：()()22440.2541 0.2511()10.25110()10()()()0.251 ()10 2.5 2.5 ()()()1010 2.51 2.51−−−====++===+=−+⎛⎞=−=−+−=−⎜⎟⎝⎠tt t i T T G s Ts s R s sC s G s R s s s c t t e e t r t c t t t e e当 →∞t 时2.5=o ss e C4-6已知控制系统的微分方程为2.5()()20()y t y t x t ′+=，试用拉氏变换法求该系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应，并讨论二者的关系。
机械工程控制基础-时间响应分析
工程控制基础
第三章 时间响应分析
二、二阶系统对典型输入信号的响应
1、二阶系统的单位脉冲响应
工程控制基础
第三章 时间响应分析
（t≥0）
d n 1 （2 有阻尼固有频率）
工程控制基础 0<ζ<1
第三章 时间响应分析
不同阻尼比时的单位脉冲响应情况
工程控制基础
第三章 时间响应分析
（t≥0）
工程控制基础
（3）
第三章 时间响应分析
（c）特征根的实部≤0
工程控制基础
第三章 时间响应分析
2）
Im[si]绝对值越大，则自由响应项振荡频率越高， 它影响着【系统响应的准确性】。
工程控制基础
第三章 时间响应分析
3.2 典型输入信号
在控制工程中，常用的输入信号有两大类：
•其一是系统正常工作时的输入信号；
•其二是外加的测试信号。
1）一阶系统的单位脉冲响应
➢ω(t)=
ω(tc()t)
1 T
初初始始斜斜率率＝＝Ｔ１-Ｔ１2
(t )
1 T
t
e T （t≥0）
0.368 1
T
0.135
1 T
1 0.018 T
0 T 2T 3T 4T
t
图3-2 一阶系统的 单位脉冲响应曲线
工程控制基础
第三章 时间响应分析
➢一阶系统的调整时间为4T
an
y(n)
(t)
a y(n1) n1
(t)
...
a1 y(t)
a0
y(t)
x(t)
工程控制基础
第三章 时间响应分析
输入引起的
n
n
y(t) A1iesit A2iesit B(t)
时间响应分析
在资源有限的情况下，时间响应分析可以帮助我 们更好地配置和管理资源，提高资源利用效率和 系统性能。
时间响应分析的应用领域
金融市场分析
时间响应分析用于分析金融市场的价 格波动、交易量等时间序列数据，以
预测市场趋势和风险评估。
工业生产控制
在工业生产过程中，时间响应分析用 于监控生产线的运行状态、预测设备 故障等，以提高生产效率和产品质量。
时间响应分析通常涉及对时间序列数据的采集、 处理、分析和建模，以便了解系统的动态特性和 行为模式。
时间响应分析的重要性
01 揭示系统动态特性
时间响应分析能够揭示系统随时间变化的动态特 性和行为模式，帮助我们更好地理解系统的内在 机制和变化规律。
02 预测未来趋势
通过对时间序列数据的分析和建模，时间响应分 析可以预测系统未来的发展趋势和变化，为决策 提供依据。
基于大量历史数据进行分
析，适用于无法建立精确
数学模型的系统。
02 鲁棒优化方法
考虑系统参数不确定性， 优化系统在各种工况下的 性能。
04 多目标优化方法
同时优化多个性能指标，
实现系统综合性能的提升。
混合时间响应分析方法
混合模拟方法
结合数值模拟和实验测试， 综合分析系统的性能。
混合优化方法
结合传统优化方法和智能 优化算法，提高优化效率。
多源数据融合
综合利用多种来源的数据，进行数据融合和 集成分析，提高时间响应分析的准确性和全 面性。
THANKS
感谢观看
根据研究目的和范围，收集相关数据。
02 数据整理
对收集的数据进行整理，包括数据清洗、数据转 换等。
03 数据存储
将整理后的数据存储在适当的数据存储系统中。
第3章 系统的时间响应分析
第3章 系统的时间响应分析在建立系统的数学模型（微分方程或传递函数）之后，就可以采用不同的方法，通过系统的数学模型来分析系统的特性，时间响应分析是重要的方法之一。
第3.1节 时间响应及其组成一、时间响应的概念所谓时间响应指系统在外加激励作用下，其输出量随时间变化的函数关系。
或者说 在输入作用下，系统的输出（响应）在时域的表现形式；在数学上，就是系统的动力学方程在一定初始条件下的解。
自变量为时间t ，因变量为输出()[()]o x t y t二、时间响应的组成分析：第一、二项是由微分方程的初始条件（即系统的初始状态）引起的自由振动，即自由响应。
ω。
应该说第三项的自第三项是由作用力引起的自由振动即自由响应，其振动频率均为nω与作用力频率ω无关，由响应并不完全自由。
因为它的幅值受到F的影响，当然，它的频率n自由即在此。
第四项是由作用力引起的强迫振动即强迫响应，其振动频率即为作用力频率ω。
因此系统的时间响应可从两方面分类：按振动性质可分为自由响应与强迫响应，按振动来源可分为零输入响应（即由“无输入时系统的初态”引起的自由响应）与零状态响应（即在“无输入时的系统初态”为零而仅由输入引起的响应）Array所以我们的研究对象是：零状态响应。
另外还有两个需了解的概念：瞬态响应和稳态响应。
瞬态响应：系统在外加激励作用后，从初始状态到最终状态的响应过程称为瞬态响应。
反映了系统的快、稳特性。
稳态响应：时间趋于无穷大时，系统的输出状态为稳态响应。
反映系统的准确性。
三、系统方程的特征根影响系统自由响应的收敛性和振荡第3.2节 典型的输入信号由于系统的输入具有多样性，所以在分析和设计系统时，需要规定一些典型的输入信号，然后比较各系统对典型信号的时间响应。
不同系统或参数不同的同一系统对同一典型信号的时间响应不同，反映出各种系统动态特性的差异，从而可以定出相应的性能指标，对系统的性能予以评定。
尽管在实际中，输入信号很少是典型信号，但由于系统对典型信号的时间响应和对任意信号的时间响应之间存在一定的关系统，所以知道系统对典型信号的响应就可求出对任意输入的响应。
自动控制原理(时间响应分析)课件
高阶系统的数学模型
总结词
高阶系统的数学模型通常采用状态空间表示 法，包括状态方程和输出方程。
详细描述
高阶系统的数学模型是描述系统动态行为的 重要工具。通常采用状态空间表示法，包括 状态方程和输出方程。状态方程描述了系统 内部状态变量随时间的变化规律，而输出方 程则描述了系统输出与内部状态变量之间的 关系。通过建立高阶系统的数学模型，可以
03
数学模型
04
高阶系统的数学模型通常表示为 (G(s) = frac{a_n s^n + a_{n-1} s^{n-1} + ldots + a_1 s + a_0}{s^n + b_{n-1} s^{n-1} + ldots + b_1 s + b_0})。
实例
高阶系统的实例包括多级控制系 统、复杂机械系统等。
详细描述
性能指标用于评估二阶系统的动态行为和响应特性。常见的性能指标包括超调量、调节时间和稳态误差等。这些 指标可以通过系统的传递函数或状态空间方程进行计算和分析。
二阶系统的稳定性分析
总结词
二阶系统的稳定性可以通过析系统的 极点和零点来判断。
VS
详细描述
稳定性是评估系统能否正常工作的关键因 素。通过分析二阶系统的极点和零点，可 以判断系统的稳定性。如果所有的极点都 位于复平面的左半部分，则系统是稳定的 。否则，系统是不稳定的。
对系统进行各种分析和设计。
高阶系统的性能指标
总结词
高阶系统的性能指标主要包括稳定性、快速性和准确性 。
详细描述
高阶系统的性能指标是评估系统性能的重要依据。稳定 性是指系统在受到扰动后能够回到原始平衡状态的能力 。快速性是指系统对输入信号的响应速度，即系统达到 稳态值所需的时间。准确性则是指系统输出与理想输出 之间的误差，即系统的跟踪精度。这些性能指标在高阶 系统的分析和设计中具有重要意义。
3第三章 系统的时间响应分析
( 2 1)nt
2 2 1
-1 0
1
2 t(sec) 2 t(sec) 2 t(sec)
2. 二阶系统的单位阶跃响应
xi (t) u(t)
L[u(t)] 1 s
X o (s)
G(s)
1 s
s2
n2 2n s
n2
1 s
xo(t)
n
2
1
s 2n
1
s (s n jd )(s n jd )
xi1 (t) xo2 (t) xi2 (t) xo1 (t)
实际中经常使用下述两类输入信号：系 统正常工作时的输入信号和外加测试信号；
输入信号即简单又不会因外加扰动而破坏 系统的正常运行，然而，这不一定能保证有 足够的能激励系统的信息，从而获得对系统 动态特性的全面了解；
测试信号在实验条件下用得很成功，但在 实际生产过程中对正常的生产运行干扰太大， 往往不能使用。
X
i
(s)
1 Ts
1
1 s
xo
t
L-1[
X
o
(s)]
L-1[
1 Ts
1
1 s
]
0T
1 et T
t(sec)
瞬态响应：et T
稳态响应： 1
3. 一阶系统单位斜坡响应
xo(t)
xi (t) r(t t
Xi (s) 1 s2
X
o
(s)
G(s)
X
i
(s)
G(s)
1 s2
xo
t
L-1[
X
o
(s)]
由Xo(s)=Xi(s)G(s) =Xi(s)W(s)
可得： xo(t)=xi(t)*w(t)
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本章重点
(1)一阶系统的定义和基本参数，一阶系统的单位脉冲响应、单位阶 跃响应及单位斜坡响应曲线的基本形状及意义。
(2)二阶系统的定义和基本参数；二阶系统单位脉冲响应曲线、单位 阶跃响应曲线的基本形状及其与系统阻尼比之间的对应关系， 二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(3)系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差 的求法；系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的 影响。
Xi (s)
1 Xo(s) T s +1
G(s) Xo (s) 1 X i (s) Ts 1
T：一阶系统的时间常数
2. 一阶系统的单位阶跃响应
输出信号拉氏变换为：
Xo
(s)
G(s) X
i
(s)
1 Ts 1
1 s
时间响应为：
xo (t)
L1[X o
(s)]
L1[ 1 ] s(Ts 1)
1
e tT
6
5
4
3
2 1
xo
(t)
t
T
Te
t T
0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(t 0)
5. 一阶系统典型信号输入与输出的关系
r(t) t 1 u(t)
u(t) (t)
xor (t) 1 e tT xou (t)
xo (t )
1 T
e
t T
w(t )
输入：
单位脉冲= d 单位阶跃= d 单位斜坡
（1）定义：
u(t
)
1 0
t0 t0
（2）L变换：
L[u(t)] 1 s
u (t) 1
t
3.单位斜坡函数
（1）定义：
xi
(t
)
t 0
t0 t0
（2）L变换：
L[ xi
(t )]
1 s2
r(t)
t
4.单位加速度函数
（1）定义：
xi
(t
)
t
2
2
0
（2）L变换：
t0 t0
L[xi (t)]
1 s3
短，表明系统惯性越小，系统的 快速性能越好。
0.1
0
0
2
4
6
8
10
4. 一阶系统的单位斜坡响应
输出信号拉氏变换为：
X
o
(s)
G(s)
X
i
(s)
1 Ts 1
1 s2
时间响应为： xo
(t)
L1[ X
o
(s)]
LБайду номын сангаас[
1
s 2 (Ts
] 1)
t
T
Te tT
单位斜坡响应曲线：
10
9
T=2s
T
8 7
xi (t) t
(t 0)
单位阶跃响应曲线：
1.2
特点：
1
(1)瞬态响应为
e
t T
，稳态值为1；
0.8
(2)单调上升的指数曲线；
0.6 0.4
x t T
1 et T
(3)T表示系统输出以最大初速达到
稳态值所需的时间 xo(T)=0.632
(4)当T ↓，过渡过程持续时间变
0.2
短，表明系统惯性越小，系统的
0
T
0
2
(4)掌握二阶系统的定义和基本参数；掌握二阶系统单位脉冲响应曲 线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼比之 间的对应关系；掌握二阶系统性能指标的定义及其与系统特征参 数之间的关系；
(5)掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误 差及稳态误差的求法；能够分析系统的输入、系统的结构和参数 以及干扰对系统偏差的影响。
时间响应就是系统微分方程的全解。包含通解和特解两个部 分。通解完全由初始条件引起的，工程上称为自由响应，特解只 由输入决定，工程上称为强迫响应。
2、时间响应函数:时间响应（函数）等于传递函数与输入的拉氏变 换之积再取拉氏逆变换。
X o (s) G(s)X i (s)
两边取拉氏逆变换
xo (t) L1[G(s) X i (s)]
本章难点
(1)二阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其 与系统阻尼比之间的对应关系；二阶系统性能指标的定义及其与 系统特征参数之间的关系；
(2)系统的输入、系统的结构和参数以及干扰对系统偏差的影响。
3.1 时间响应的概念 3.1.1 时间响应及其组成
1、时间响应:系统在输入信号的作用下，其输出随时间的变化过 程，即系统的时间响应。它由两部分组成： （1）瞬态响应:系统在某一输入信号作用下，系统的输出量从初始 状态到稳定状态的响应过程。 （2）稳态响应：时间t趋于无穷大时，系统的输出稳定状态。
4
6
8
10
快速性能越好。
3. 一阶系统的单位脉冲响应
输出信号拉氏变换为：
Xo
(s)
G(s)X i
(s)
1 Ts 1
时间响应为：
xo
(t)
L1[ X
o
(s)]
L1[ 1 ] Ts 1
1 T
e
t T
(t 0)
单位脉冲响应曲线：
0.6
1
0.5
T
0.4
0.3
0.2
0.368 1 T
特点：
当T ↓，过渡过程持续时间变
二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。其典型环节是振荡环节。
1.传递函数：
Xi s
+-
2 n
s(s2 n )
X0s Xi s
2 n
s2
2 ns
2 n
X 0s
n为无阻尼固有频率 ， 为阻尼比。
2.特征方程特征根 ：
s2
2 n s
2 n
0
s1,2 n n 2 1
3.1.2 典型输入信号
常用的输入信号:单位脉冲函数、单位阶跃函数、单位斜坡函数、 单位抛物线函数(单位加速度函数)、正弦函数和某些随机函数。
1.单位脉冲函数(δ函数) （1）定义：
(t)
(t)
0
t 0 ,
(t)dt 1
t 0
t
（2）L变换：
0
L[ (t)] 1
2.单位阶跃函数
第三章 时间响应分析
基本要求
(1)了解系统时间响应的组成；
(2)了解时间响应分析中常用的典型输入信号及其特点；
(3)掌握一阶系统的定义和基本参数，能够求解一阶系统的单位脉冲 响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应；掌握一阶系统时间响应曲 线的基本形状及意义。掌握线性系统中， 输 入 存 在 微 积 分 关 系 ， 其输出也存在微积分关系的基本结论；
dt
dt
输出： 单位脉冲响应 = d 单位阶跃响应 = d 单位斜坡响应。
dt
dt
对于任意线性系统而言，若输入A是输入B的导函数，则输入A所引
起的输出就是输入B所引起输出的导函数；同样地，若输入A是输入B的 积分，则输入A所引起的输出就是输入B所引起输出的积分。
3.3 二阶系统的时间响应
3.3.1 二阶系统的数学模型
xi ( t)
t
0
5.正弦函数
（1）定义：
sint
xi
(t
)
X 0
i
sin
t
t 0 t0
0
t
（2）L变换：
L[ X i
sin
t]
X i s2 2
3.2 一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的数学模型
一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。其典型环节是惯性环节。
传递函数：
Xi ( s)
+-
1 Xo( s) Ts