一阶、二阶系统时域和频域仿真
二阶系统的时域分析二阶系统的数学模型
二阶系统的时域分析二阶系统的数学模型二阶系统指的是系统的动态特性可以由一个二阶微分方程描述的系统。
在控制工程中，二阶系统的时域分析主要包括对系统阶跃响应、脉冲响应、频率响应等进行分析。
下面将详细介绍二阶系统的数学模型以及各种时域分析方法。
二阶系统可以由一个二阶微分方程进行描述。
一般而言，二阶系统的数学模型可以写成如下形式：\[a_2\frac{{d^2y(t)}}{{dt^2}} + a_1\frac{{dy(t)}}{{dt}} +a_0y(t) = b_2\frac{{d^2u(t)}}{{dt^2}} + b_1\frac{{du(t)}}{{dt}}+ b_0u(t)\]其中，y(t)为系统的输出，u(t)为系统的输入，a_0、a_1、a_2以及b_0、b_1、b_2分别为系统的系数。
这个方程也可以写成常用的形式：\[\frac{{d^2y(t)}}{{dt^2}} + 2ζω_n\frac{{dy(t)}}{{dt}} +ω_n^2y(t) = K_p\frac{{d^2u(t)}}{{dt^2}} +T_i\frac{{du(t)}}{{dt}} + K_cu(t)\]其中，ζ为阻尼比，ω_n为自然频率，K_p为比例增益，T_i为积分时间常数，K_c为控制器增益。
2.二阶系统的阶跃响应阶跃响应是指系统在接受一个单位阶跃信号作为输入时的响应。
通过对二阶系统的数学模型应用拉普拉斯变换，可以得到系统的传递函数。
对于一个传递函数为G(s)的系统，其阶跃响应可以通过下面的公式得到：\[y(t) = A(1 - e^{-ζω_nt}\cos(ω_d t + ϕ))\]其中，A为阶跃响应的幅度，ω_d为阻尼振荡角频率，ϕ为相位角。
3.二阶系统的脉冲响应脉冲响应是指系统在接受一个单位脉冲信号作为输入时的响应。
与阶跃响应类似，通过对二阶系统的数学模型进行拉普拉斯变换，可以得到系统的传递函数。
对于一个传递函数为G(s)的系统，其脉冲响应可以通过下面的公式得到：\[y(t) = \frac{{A(1 - e^{-ζω_nt}\cos(ω_d t + ϕ))}}{{\sqrt{1-ζ^2}}}\]其中，A为单位脉冲信号的幅度。
优化-二阶系统的MATLAB仿真设计
优化-二阶系统的MATLAB仿真设计随着科技的发展和应用的需求，优化控制在控制系统设计中扮演着越来越重要的角色。
在现代控制理论中，二阶系统是常见的一种模型。
本文将介绍如何利用MATLAB进行二阶系统的仿真设计，并优化其性能。
1. 二阶系统的基本原理二阶系统是指由二阶微分方程描述的动态系统。
它通常包含一个二阶传递函数，形式为：G(s) = K / (s^2 + 2ζωn s + ωn^2)其中，K是增益，ζ是阻尼比，ωn是自然频率。
2. MATLAB仿真设计MATLAB是一种功能强大的工具，可用于系统仿真与优化。
以下是使用MATLAB进行二阶系统仿真设计的基本步骤：2.1. 创建模型首先，我们需要在MATLAB中创建二阶系统的模型。
可以使用`tf`函数或`zpk`函数来定义系统的传递函数。
s = tf('s');G = K / (s^2 + 2*zeta*wn*s + wn^2);2.2. 仿真分析通过对系统进行仿真分析，可以获得系统的时域响应和频域特性。
可以使用`step`函数进行阶跃响应分析，使用`bode`函数进行频率响应分析。
step(G);bode(G);2.3. 控制器设计根据系统的性能要求，设计合适的控制器来优化系统的性能。
可以使用PID控制器等不同类型的控制器来调节系统。
2.4. 优化系统利用MATLAB提供的优化工具，对系统进行参数调节和优化。
可以使用`fmincon`函数等进行系统优化。
2.5. 仿真验证通过对优化后的系统进行仿真验证，评估其性能是否达到预期。
可以再次使用`step`函数或`bode`函数来分析系统。
3. 总结通过MATLAB进行二阶系统的仿真设计，可以帮助工程师优化系统的性能。
本文介绍了MATLAB仿真设计的基本步骤，包括模型创建、仿真分析、控制器设计、系统优化和仿真验证。
希望本文能对相关研究和工作提供一些参考和帮助。
自控理论 4-6频域指标与时域指标的关系
2 −40
ω
作业
4 - A -14、 4 -B - 4 、
K s(Ts + 1)
c(t)
例：已知最小相位系统的开环对数幅频特 性曲线，试求： 性曲线，试求：
L(ω)
(1) 开环传递函数 开环传递函数G(s)； ； (2) 剪切频率 ωc ； (3) 相角裕量 γ(ωc)； (4) r(t)=(1/4)t2 时的 ess 。
6 0
−40 −20 0.5
ωc
令 G ( jω c ) = 1,
解得
ω c = ω n − 2ζ 2 + 4ζ 4 + 1
γ = 180 + ϕ (ω c ) = tg
0 −1
(4 − 30)
(4 − 31)
求γ
2ζω n
ωc
将式(4-30)代入式 代入式(4-31)得 将式 代入式 得
求γ
γ = 180 + ϕ (ω c ) = tg
2.
r(t)
25 s( s + 6)
c(t)
ωn2 =25 得 ζ =0.6 ωn=5
2ζ = 59.2 0
γ = tg
−1
− 2ζ 2 + 4ζ 4 + 1
ω c = ω n − 2ζ 2 + 4ζ 4 + 1 = 3.58
3.
Mr =
1 2ζ 1 − ζ
2
= 1.04
ω r = ω n 1 − 2ζ 2 = 2.65
结论
8 t sω c = tgγ
(4 − 36)
( 2) ω c与ζ、ω n 都有关,当ζ 一定，ω c ↑→ ω n ↑→ t s ↓ 一定，
实验二-典型环节的时域分析和频域分析
一、 实验名称：典型环节的时域分析和频域分析二、实验目的：(1) 理解、掌握matlab 模拟典型环节的根本方法，包括：比例环节、积分环节、一阶微分环节、惯性环节和振荡环节等。
(2) 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线和频域响应曲线 (3) 理解参数变化对动态特性的影响三、 实验要求：(1) 一人一机，独立完成实验内容 。
(2) 根据实验结果完成实验报告，并用A4纸打印后上交。
四、 时间：2022年11月21日 五、 地点：信自楼234实验报告：一、比例环节的时域分析和频域分析 比例环节的传递函数：()G s k(1) 当k=1:3:10时，绘制系统的阶跃响应曲线，分析ｋ值的影响情况。
程序：for k=1:3:10;num=k;den=1;G=tf(num,den);figure(1);step(G); hold on; %翻开第1个图形窗口，绘制系统的阶跃响应曲线 endfigure(1); legend('k=1','k=4','k=7','k=10'); 曲线：结果分析：时域响应的结果就是把输入信号放大k 倍。
如图，输入信号为幅值为1的阶跃信号，因此，输出是幅值为k 的阶跃信号。
程序：for k=1:3:10;num=k;den=1;G=tf(num,den);figure(1);bode(G);hold on; %翻开第1个图形窗口，绘制系统的阶跃响应曲线 endfigure(1); legend('k=1','k=4','k=7','k=10');曲线：结果分析：比例环节对幅频有影响，输出信号的幅值为输入信号的20*lgk倍。
比例环节对相位没有影响，如图显示，相位特性为一条0度的程度线。
二、积分环节的时域分析和频域分析积分环节的传递函数：1 ()G ss=(1) 当k=1:3:10时，绘制系统()kG ss=的阶跃响应曲线，分析曲线特点。
信号与系统的时域和频域特性
信号与系统的时域和频域特性6. 信号与系统的时域和频域特性⽬录6.1 傅⾥叶变换的模和相位表⽰连续时间傅⾥叶变换X(jω)的模-相表⽰为X(jω)=|X(jω)|e j∡X(jω)6.2 线性时不变系统频率响应的模和相位表⽰Y(jω)=H(jω)X(jω)所以|Y(jω)|=|H(jω)||X(jω)|∡Y(jω)=∡H(jω)+∡X(jω)所以|H(jω)|⼀般称为系统的增益(gain)，∡H(jω)⼀般称为系统的时移(phase shift)。
6.2.1 线性与⾮线性相位具有整数斜率的线性相位的系统所产⽣的输出就是输⼊的简单移位。
如果输⼊信号受到的是⼀个ω的⾮线性函数的相移，那么在输⼊中各不同频率的复指数分量都将以某种⽅式移位，从⽽在它们的相对相位上发⽣变化。
6.2.2 群时延如果系统对所有的频率分量都有相同的相位延时，那么信号经过该系统后，波形形状将之前完全相同，只是有⼀定的延时，但如果不同频率分量有不同的相位延时，那么信号经过该系统后将产⽣形变。
群时延(group delay)代表的就是某个频率及其周边频率的差异程度。
τ(ω)=−ddω{∡H(jω)}6.2.3 对数模和相位图通过取对数的⽅式可以将两个模的相乘转换为两个对数模的相加。
在⼀个对数标尺上展现傅⾥叶变换的模可以在⼀个较宽的动态范围内将细节显⽰出来。
⼀般所采⽤的对数标尺的单位：分贝。
采⽤20log10为单位的称为分贝(decibels)，20dB就对应于10倍的增益，6dB就近似对应于2倍增益。
20log10|H(jω)|和∡H(jω)对于log10(ω)的图称为伯德图(Bode)。
6.3 理想频率选择性滤波器的时域特性6.4 ⾮理想滤波器的时域和频域特性讨论由于理想滤波器物理上是不可实现的，所以在滤波器的通带和阻带之间允许存在⼀个过渡带。
由于理想低通滤波器的阶跃响应问题，在连续时间和离散时间的两种情况下，在跳变点附近呈现过冲和振荡的现象。
第六章信号与系统的时域和频域特性
H ( j) t0
上式表明： 当系统的相位特性仅仅是附加一个线性相移 t 0 ， 则系统对信号的作用，只是信号在时间上平移了 t 0 ,在频域 里发生了相移。 上述改变并没有丢失信号所携带的任何信息，只是 发生时间上的延迟，因而在工程应用中是允许的，通常 认为信号没有失真。
8
2.系统相位为非线性相位
s(t ) h(t ) * u(t ) h d
t
24
见P318,Fig6.14
理想的低通滤波器的单位冲击响应的主瓣是从 c 延伸到 ，所以阶跃响应就在这个时间间隔内受到
最显著的变化。也就是说阶跃响应的所谓上升时间是 反比于相关滤波器的带宽；
c
在阶跃响应的跃变部分，会有超过其最后稳态的超量， 并且出现称之为振铃的振荡现象。产生这一结果的重
率成正比，也即系统的相位特性是一条通过原点的直线。 时延的概念可以推广到包括非线性相位特性的系统中。 对于传输系统，其相移特性可以用“群时延”（或称 为“群延时”）来描述。 定义群时延为：
d H j d
12
由于一个非线性相位系统，在 0 窄带范围内 可近似为相位的变化为线性的，即
模特性改变 相位特性改变
系统相移
7
二、 线性与非线性相位
1. 系统相位为线性相位
若连续时间LTI系统： 则 Y ( j )
X j e
y(t ) x(t t0 )
时移系统
输入信号相移 随频率线性变化； 斜率为时移值。
jX j jt0
e
H ( j) e jt0 ,
28
理想滤波器特性
1.通带绝对平坦，衰减为零
非理想滤波器特性
基于MATLAB自动控制系统时域频域分析与仿真
基于MATLAB自动控制系统时域频域分析与仿真MATLAB是一款强大的数学软件，也是自动控制系统设计的常用工具。
它不仅可以进行时域分析和频域分析，还可以进行相关仿真实验。
本文将详细介绍MATLAB如何进行自动控制系统的时域和频域分析，以及如何进行仿真实验。
一、时域分析时域分析是指对系统的输入信号和输出信号进行时域上的观察和分析，以了解系统的动态特性和稳定性。
MATLAB提供了一系列的时域分析工具，如时域响应分析、稳态分析和步骤响应分析等。
1.时域响应分析通过时域响应分析，可以观察系统对于不同的输入信号的响应情况。
在MATLAB中，可以使用`lsim`函数进行系统的时域仿真。
具体步骤如下：- 利用`tf`函数或`ss`函数创建系统模型。
-定义输入信号。
- 使用`lsim`函数进行时域仿真，并绘制系统输出信号。
例如，假设我们有一个二阶传递函数模型，并且输入信号为一个单位阶跃函数，可以通过以下代码进行时域仿真：```num = [1];den = [1, 1, 1];sys = tf(num, den);t=0:0.1:10;u = ones(size(t));[y, t, x] = lsim(sys, u, t);plot(t, y)```上述代码中，`num`和`den`分别表示系统的分子和分母多项式系数，`sys`表示系统模型，`t`表示时间序列，`u`表示输入信号，`y`表示输出信号。
通过绘制输出信号与时间的关系，可以观察到系统的响应情况。
2.稳态分析稳态分析用于研究系统在稳态下的性能指标，如稳态误差和稳态标准差。
在MATLAB中，可以使用`step`函数进行稳态分析。
具体步骤如下：- 利用`tf`函数或`ss`函数创建系统模型。
- 使用`step`函数进行稳态分析，并绘制系统的阶跃响应曲线。
例如，假设我们有一个一阶传递函数模型，可以通过以下代码进行稳态分析：```num = [1];den = [1, 1];sys = tf(num, den);step(sys)```通过绘制系统的阶跃响应曲线，我们可以观察到系统的稳态特性。
二阶系统的时域分析二阶系统的数学模型
二阶系统的时域分析二阶系统的数学模型二阶系统是指由两个一阶系统级联或并联组成的动态系统。
它的数学模型可以表示为如下形式：$$s^2Y(s) + 2ξω_nsY(s) + ω_n^2Y(s) = X(s)$$其中，$s$是复频域变量，$Y(s)$和$X(s)$分别是系统的输出和输入拉普拉斯变换形式；$ξ$是阻尼比，$ω_n$是自然频率。
为了进行时域分析，我们需要将模型转换为时域表示。
我们可以通过拉普拉斯逆变换对模型进行求解。
首先，我们可以将拉普拉斯变换模型转换为分母为二次方程的形式：$$s^2 + 2ξω_ns + ω_n^2 = 0$$这是一个特征方程，也称为二阶系统的特征方程。
根据特征方程的解，我们可以获得系统的阻尼比和自然频率。
特别地，当阻尼比$ξ$小于1时，系统被称为欠阻尼；当阻尼比$ξ$等于1时，系统被称为临界阻尼；当阻尼比$ξ$大于1时，系统被称为过阻尼。
根据不同的阻尼比，我们可以对系统的时域响应进行分类：1.欠阻尼情况下，系统的时域响应会产生振荡。
振荡的频率为阻尼比与自然频率的乘积。
2.临界阻尼情况下，系统的时域响应会趋于稳定，但不会产生振荡。
3.过阻尼情况下，系统的时域响应会趋于稳定，没有振荡，并且速度较快。
在实际应用中，我们经常需要对二阶系统的时域响应进行分析和设计。
常见的时域响应指标包括步响应、阶跃响应和频率响应。
这些响应可以通过对特征方程进行求解来获得。
对于步响应，我们可以通过求解特征方程的根来获得系统的过渡时间、最大超调量和静态误差等信息。
通过调整控制器和系统参数，我们可以改变这些指标，以满足系统设计的要求。
对于阶跃响应，我们可以通过求解特征方程的根来获得系统的上升时间、峰值时间和调节时间等信息。
同样，通过调整控制器和系统参数，我们可以改变这些指标，以满足系统设计的要求。
对于频率响应，我们可以通过将特征方程转换为复频域变量来获得系统的频率响应函数。
频率响应函数可以帮助我们分析系统在不同频率下的增益和相位变化。
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西安交通大学基于MATLAB/Simulink 的一阶、二阶系统的时域和频域仿真——以单位阶跃信号为输入信号日期：2013年4月一阶系统时域和频域仿真1、建立一阶系统典型数学模型 ()11G s Ts =+2、建立simulink 仿真方框图1T.s+1Transfer FcnStepScope① 时间常数T=1时，一阶系统时域响应为1234567891000.51一阶系统时域相应（T=1）Matlab 程序：%一阶系统仿真编程 num=[1]; den=[1 1];bode(num,den); grid on ;gtext('低频段频率-20dB/dec');运行程序，有时间常数T=1时，一阶系统的频域响应为10-210-110101102-90-45一阶系统频域响应P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)-40-30-20-100低频段斜率-20dB/decSystem: sysFrequency (rad/s): 1.01Magni t ude (dB): -3.07M a g n i t u d e (d B )② 时间常数T=3时，一阶系统单位阶跃时域响应1234567891000.51一阶系统单位阶跃响应（T=3）Matlab 程序：%一阶系统仿真编程 num=[1]; den=[3 1];bode(num,den);grid on ;gtext('低频段频率-20dB/dec');运行程序，有时间常数T=3时，一阶系统的频域响应为10-210-110101-90-45P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)-30-20-100低频段频率-20dB/decSystem: sysFrequency (rad/s): 0.334Magni t ude (dB): -3.03M a g n i t u d e (d B )3、分析以上一阶系统在不同时间常数下的单位阶跃响应，可以看出时间常数越小，系统响应越快；而且一阶系统的转角频率为1/T ，在转角频率以上时，幅频特性曲线以-20dB/dec 下降，而相频特性以0°和90°为渐近线。
二阶系统时域和频域仿真1、建立二阶系统典型数学模型()2222nn n G s s s ωζωω=++2、建立simulink 仿真方框图w^2s +2*k*ws+w^22Transfer FcnStepScope这里的k 表示阻尼比ζ，w 表示n ω；、0,2n ζω==时典型二阶系统单位阶跃时域响应为1234567891012典型二阶系统单位阶跃响应（ζ=0,οmmiga n =2）Matlab 程序：clear num=[4];den=[1 0 4];bode(num,den); grid on由程序运行可得 频域响应为-50050100150M a g n i t u d e (d B )10-110101-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)、0.3,2n ζω==时典型二阶系统单位阶跃时域响应为123456789100.20.40.60.811.2Matlab 程序:clear num=[4];den=[1 1.2 4]; bode(num,den); grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');频率响应为-80-60-40-20020M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/dec10-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)、0.7,2n ζω==时典型二阶系统单位阶跃时域响应为1234567891000.51Matlab 程序：clear num=[4];den=[1 2.8 4];bode(num,den); grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');频域响应为-80-60-40-20020M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/decBode Di a gramFrequency (rad/s)10-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )④、1,2n ζω==时典型二阶系统单位阶跃时域响应为123456789100.51clear num=[4];den=[1 4 4]; bode(num,den); grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');运行程序得频域特性-80-60-40-200M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/dec10-210-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode DiagramFrequency (rad/s)⑤、当ζ=0时，系统处于临界阻尼状态，时域曲线做正弦震荡，当0<ζ<1时，系统处于欠阻尼状态，系统的瞬态响应是振幅随时间按指数函数规律衰减的周期函数，当ζ>=1时，系统处于过阻尼状态，系统瞬态响应不会出现震荡，随着时间按指数规律衰减。
也可以看出谐振峰值随着ζ的增大而减小。
则系统稳定性增加，响应速度减慢。
在高频时，幅频特性按-40dB/dec 衰减，相频特性都以0°和180°为渐近线。
⑥、当0.7,1n ζω==时典型二阶系统单位阶跃时域响应为123456789100.20.40.60.811.2Matlab 程序：clear num=[1];den=[1 1.4 1]; bode(num,den);grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');运行程序有，此时的频率响应⑦、当0.7,5n ζω== 时典型二阶系统单位阶跃时域响应为1234567891000.20.40.60.811.21.4Matlab 程序-80-60-40-20020M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/dec10-210-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)clearnum=[25];den=[1 7 25]; bode(num,den); grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');运行程序有，此时的频率响应为-60-40-20020M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/dec10-110101102-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode D i a gramFrequency (rad/s )⑧、当0.7,10n ζω== 时典型二阶系统单位阶跃时域响应为123456789100.51Matlab 程序clearnum=[100];den=[1 14 100]; bode(num,den); grid on ;gtext(' 高频段斜率-40dB/dec');运行程序有，此时的频率响应为-80-60-40-20020M a g n i t u d e (d B )高频段斜率-40dB/dec10-110101102103-180-135-90-450P h a s e (d e g )Bode Di a gramFrequency (rad/s)分析以上数据，可以看出，当n ω增大是，系统响应速度明显提高，但超调量不变，由此可以看出超调量与n ω无关，而且截止频率也会相应随着n ω的增大而增大。