第三章一阶系统的时间响应
一阶系统的时间响应
给一阶系统输入单位阶跃信号，根据一阶系统的传递函数，计算其拉氏反变换，求 出微分方程的解c(t)，即为一阶系统的单位阶跃响应。其实质就是根据已知条件（单 位阶跃信号），利用传递函数和拉氏反变换，求出输出信号c(t)。
因为输入信号是单位阶跃信号，所以 Rs 1
s
又因为
Gs
Cs RS
e
t T
，t
0
显然，
d
ct
t
1
e
t T
dt
cI t
dcI t
dt
1 T
e
t T
c t
即单位阶跃响应是单位斜坡响 应的导数，单位脉冲响应是单 位阶跃响应的导数。
3.2.5 线性定常系统时间响应的性质 （2）
由此可得出以下结论（线性定常系统重要特征）：
Ts 1 s2
s2
s
s
1 T
查拉氏变换对照表得一阶系统的单位斜坡响应为
ct
t
T
Te
t T
，t
0
一阶系统的单位斜坡响应曲线
如图所示，该响应系统存在误差信号
e(t)，误差信号
et
rt ct
t
t
T
Te
t T
T
1
e
t T
当t→∞时，e
在t=0时，响应曲线的切线斜率为1/T。 时间常数决定于系统参数，与输入
信号无关。
3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应
因为输入信号是单位斜坡函数，所以
Rs
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。
第3章_时域瞬态响应分析_3.2一阶系统的瞬态响应
(t ≥ 0)
1 斜率 − 2 T
1 0.368 T
1 − t /T xo (t ) = e T
T
一阶系统三种典型输入信号及响应关系： 一阶系统三种典型输入信号及响应关系：
xi (t ) = t
输 入
xt (t ) = t − T + Te x1 (t ) = 1 − e 1 1 −T t xδ (t ) = e T
x0(t) 1
1/T
xo(t)=1-e-t/T
86.5%
0
63.2%
95.0%
98.2%
T
2T
3T
4T
t
特点 一阶惯性系统总是稳定的，无振荡。 （1）一阶惯性系统总是稳定的，无振荡。 曲线上升到0.632的高度 。 反过来 ， 的高度。 （ 2 ） 经过时间 T ， 曲线上升到 的高度 反过来， 如果用实验的方法测出响应曲线达到0.632的时间 ， 的时间， 如果用实验的方法测出响应曲线达到 的时间 即是惯性环节的时间常数。 即是惯性环节的时间常数。 经过时间3 响应曲线达稳定值的95 95％ （3）经过时间 3T～ 4T，响应曲线达稳定值的95％～ 98％ 可以认为其调整过程已经完成， 98 ％ ， 可以认为其调整过程已经完成 ， 故一般取调 整时间( 整时间(3～4)T。 响应曲线的切线斜率为1/T。 （4）在t＝0处，响应曲线的切线斜率为 。
注意： 该性质只适用于线性定常系统， 注意 ： 该性质只适用于线性定常系统 ， 不适用于 线性时变系统和非线性系统。 线性时变系统和非线性系统。
1 T T = 2− + s s s+ 1 T
单位斜坡响应为 x0 (t ) = t − T + Te
一阶系统的时间响应
δ (t ) =
+∞ −∞
0(t ≠ 0) ∞(t = 0)
∫ δ (t)dt =1
单位斜坡函数的定义为
d[I (t )] =0 = δ (t ) dt
即单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数。 即单位脉冲函数是单位阶跃函数的导数。
t −T
，此时e(t)=T。 。 →0 此时
所以可得以下结论： 所以可得以下结论：
足够大时， 当t足够大时，一阶系统跟踪单位斜坡信 足够大时 号输入的稳态误差为时间常数T； 号输入的稳态误差为时间常数 ；时间 常数T越小，该环节的稳态误差越小。 常数 越小，该环节的稳态误差越小。 越小
3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应
3.2 一阶系统的时间响应
一阶系统的数学模型 一阶系统的单位阶跃响应 一阶系统的单位斜坡响应 一阶系统的单位脉冲响应 线性定常系统时间响应的性质
3.2.1 一阶系统的数学模型（1） 一阶系统的数学模型（ ）
定义
能用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。 能用一阶微分方程描述的系统称为一阶系统。 系统传递函数中分母多项式中s的最高幂数为 的系统称为一阶系统 系统传递函数中分母多项式中 的最高幂数为1的系统称为一阶系统。 的最高幂数为 的系统称为一阶系统。 一阶系统的典型形式是惯性环节。 一阶系统的典型形式是惯性环节。
查拉氏变换对照表得一阶系统的单位斜坡响应为
(t c(t) = t −T +Te ，≥ 0)
t −T
一阶系统的单位斜坡响应曲线
如图所示， 如图所示，该响应系统存在误差信号 e(t)，误差信号 ，
(自动控制原理)3一阶系统的时间响应及动态性能
06
结论
一阶系统的时间响应及动态性能总结
一阶系统的时间响应特性
一阶系统在输入信号的作用下，其输出量随时间变化的过程。通过分析一阶系统的传递函数，可以得出其时间响应的 特性，包括上升时间、峰值时间、调节时间和超调量等。
一阶系统的动态性能分析
动态性能是一阶系统对输入信号的响应能力，包括系统的稳定性、快速性和准确性等。通过分析一阶系统的开环和闭 环频率特性，可以得出其动态性能的特性，如相位裕度和幅值裕度等。
3
在实际应用中，可以通过实验或理论分析来获取 一阶系统的数学模型。
一阶系统的分类
01
根据时间常数T的大小，一阶系统可以分为快系统和 慢系统。
02
时间常数T较小的一阶系统称为快系统，其动态响应 速度较快。
03
时间常数T较大的一阶系统称为慢系统，其动态响应 速度较慢。
03
一阶系统的时间响应分析
时间响应的定义与计算
实例二：一阶系统的单位脉冲响应模拟
总结词：时间常数
详细描述：与单位阶跃响应类似，一阶系统的单位脉冲响应的时间常数也是系统的重要参数，它决定 了系统衰减到零所需的时间。时间常数越小，系统衰减到零所需的时间越短。
实例三：一阶系统的动态性能优化实例
总结词
PID控制器
详细描述
为了优化一阶系统的动态性能，可以采用PID控制器。PID控制器能够根据系统 的输入和输出信号调整系统的参数，从而改善系统的性能指标，如超调量、调 节时间和稳态误差等。
详细描述：由于一阶系统的单位阶跃响应具有快速跟踪 的特点，因此系统在稳态时不会产生静差，输出能够精 确地跟踪输入信号。
详细描述：一阶系统的单位阶跃响应的时间常数是系统 的重要参数，它决定了系统达到稳态值所需的时间。时 间常数越小，系统达到稳态值所需的时间越短。
机械工程控制基础_第三章
将初始条件带入（2）（3）可解得：
F 1 C1 ，C2 y(0) n k 1-(/n )2
y(0)
整理：
自由响应（通解）
y(t ) y(0) sin nt y(0) cos nt
积 分 关 系
3.3 一阶系统的时间响应分析
一阶系统：凡其动态过程可用一阶微分方程来表示的 控制系统称为一阶系统。 一般形式为：
Ty(t ) y(t ) u (t )
1 G(s) Ts 1
T 称为一阶系统的时间常数。
3.3.1 一阶系统的单位脉冲响应
输入为单位脉冲函数时，系统输出称为单位脉冲响应。
i 1 i 1
零输入响应
零状态响应
注意：
1)系统的阶次n和si取决于系统的固有特性，与系统的初态 无关；
y(t ) L1[G(s) X (s)] 所求得的输出是系统的零状态 2）由
响应，因在定义系统的传递函数时，已指明系统的初态为 零，故取决于系统的初态的零输入为0；
3)对于线性定常系统，若 (t )引起的输出为 (t )，则x ' (t )引起 x y 的输出为y ' (t )
Y ( s ) G ( s )U ( S ) 1 1 1 1 Ts Ts 1 T 1 T T 2 2 2 2 2 Ts 1 s s (Ts 1) s (Ts 1) s s (Ts 1) s s s 1 T
y(t ) L [Y (s)] t T Te
δ函数的重要性质
结论：系统在单位脉冲函数作用下，其响应函数等于 传递函数的拉氏逆变换
第三章系统的时间响应分析机械工程控制基础教案
第三章系统的时间响应分析机械⼯程控制基础教案Chp.3时间响应分析基本要求(1) 了解系统时间响应的组成；初步掌握系统特征根的实部和虚部对系统⾃由响应项的影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系。
(2 ) 了解控制系统时间响应分析中的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，存在微分关系的输⼊，其输出也存在微分关系的基本结论。
(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) 了解主导极点的定义及作⽤；(6) 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。
(7) 了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。
重点与难点重点(1) 系统稳定性与特征根实部的关系。
(2) 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。
(3) 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振荡情况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。
(4) 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。
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振荡情况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。
建⽴数学模型后进⼀步分析、计算和研究控制系统所具有的各种性能。
控制系统的时域分析_一二阶时间响应讲述
控制系统的时域分析_一二阶时间响应讲述时域分析是控制系统理论中的重要内容，主要用于分析系统的时间响应。
在时域分析中，我们会关注系统的输入和输出之间的关系，并研究系统在时间上的性能指标和特征。
本文将重点讲述一阶和二阶系统的时间响应。
一、一阶系统的时间响应一阶系统是指系统的传递函数中只有一个一阶多项式的系统，其传递函数形式为：G(s)=K/(Ts+1)其中，K是系统的增益，T是系统的时间常数。
一阶系统的单位阶跃响应是常用的时间响应之一，通过对系统施加一个单位阶跃输入，可以得到系统的响应曲线。
单位阶跃输入可以表示为：u(t)=1由于一阶系统的传递函数是一个一阶多项式，因此它的拉普拉斯变换可以通过部分分式展开得到：G(s)=K/(Ts+1)=A/(s+1/T)通过进行拉普拉斯逆变换，可以得到系统的单位阶跃响应函数y(t)：y(t) = K(1 - exp(-t/T))其中，exp(-t/T)为底数为e的指数函数，表示系统的响应曲线在t时刻的衰减程度。
从单位阶跃响应函数可以看出，一阶系统的时间常数T决定了系统的响应速度和衰减程度。
时间常数越小，系统的响应越快速，衰减程度也越快。
二、二阶系统的时间响应二阶系统是指系统的传递函数中有一个二阶多项式的系统，通常可以表示为：G(s) = K / (s^2 + 2ξω_ns+ω_n^2)其中，K是系统的增益，ξ是系统的阻尼比，ω_n是系统的自然频率。
二阶系统的时间常数和质量阻尼比是描述系统性能的重要参数。
时间常数决定了系统响应的速度，质量阻尼比则影响了系统的稳定性和衰减程度。
对于二阶系统的单位阶跃响应，可以通过拉普拉斯逆变换得到响应函数y(t)：y(t) = K*(1 - (1-ξ^2)^0.5 * exp(-ξω_nt) * cos((1-ξ^2)^0.5 * ω_nt + φ))其中，φ为相位角，由初始条件和变量确定。
从单位阶跃响应函数可以看出，二阶系统的阻尼比ξ决定了系统的过阻尼、临界阻尼和欠阻尼的响应形式。
- 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)。
(t 0)
显然，xou (t)瞬态项为 et /T，稳态项为1 t 0时，xou (t) 0.
xou
(t)
1 T
et /T
xou (t) t0
1 et /T T
t 0
1 T
一阶系统的单位函数响 应函数是一个递增的指 数函数。
一阶系统的时间常数不同，其单位阶跃响应曲线上 升的速度不同，时间常数越大，上升越慢（惯性越 大），反之，依然。
w(t) n2t exp(nt) (t 0) 4)当 1,系统为过阻尼系统时，
w(t) 2
n {exp[( 2 1
2 1)nt]
exp[( 2 1)nt]} (t 0)
当取不同值时，二阶欠阻尼系统的单位脉冲响应曲线
是减幅的正弦振荡曲线, 且愈小，衰减愈慢，振荡频率
愈大，故二阶欠阻尼系统又称为二阶振荡系统，其幅
第3节 一阶系统的时间响应
一、一阶系统 可用一阶微分方程表示的系统，称为一阶系统。其微分方程的 一般形式为
Txo (t) xo (t) xi (t) G(s) Xo(s) 1
Xi(s) Ts 1
其中，T称为一阶系统的时间常数，是一阶系统的特征参数。
二、一阶系统的单位脉冲响应 w(t)
当系统的输入信号是理想的脉冲函数时，系统的输出称为系统 的单位脉冲响应函数（或单位脉冲响应）。
超调量 %
• （Maximum Overshoot）： 指响应的最大偏 离量h(tp)于终值 之差的百分比， 即
tr 或 t p 评价系统的响应速度；
% h(t p ) h() 100 %
ts 同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。
h()
% 评价系统的阻尼程度。
延迟时间 t d ：
• （Delay Time） 响应曲线第一次 达到稳态值的一 半所需的时间。
上升时间 tr :
• （Rise Time）响 应曲线从稳态值 的10%上升到 90%，所需的时 间。上升时间越 短，响应速度越
快
峰值时间 t p（Peak Time）：响应曲线达到
过调量的第一个峰值所需要的时间。
微
微
分
一阶系统对典型输入信号的响应
分
输入信号 输入信号
时域
频域
输出响应
传递函数
(t)
1(t) t
1 t2 2
1
1
t
eT
(t 0)
T
1
t
S
1e T t 0
1
t
S2
t T Te T t 0
1
1
1
t2
Tt
T
2 (1
t
eT
)
t0
TS 1
S3
2
等价关系：系统对输入信号导数的响应，就等于系统对该输 入信号响应的导数；
因为系统的输入xi (t) u(t)
Xi (s) 1/ s
X
ou
(s)
G(s).X
i
(s)
G(s).
1 s
xou
(t )
L1[ X
o
(s)]
L1[G ( s). 1 ] s
L1[ 1 . 1] Ts 1 s
L1[1 1 ] s s 1 T
所以，
xou (t) 1 et /T
(t 0)
xou (t) 1 et /T
三、动态性能指标
调节时间 ts ：
（Settling Time）
h(t)
Mp超 调 量
1 h() 0.9 h()
t.02或 0.05
0.1 h()
td
0 tr
t
tp
ts
图 3-2表 示 性 能 指 标 td,tr,tp,Mp和 ts的 单 位 阶 跃 响 应 曲 线
响应曲线达到并永远 保持在一个允许 误差范围内，所 需的最短时间。 用稳态值的百分 数（通常取5%或 2%）作，
系统对输入信号积分的响应，就等于系统对该输入信号响应 的积分；积分常数由零初始条件确定。
第4节 二阶系统的时间响应
一、二阶系统
可用二阶微分方程表示的系统，称为二阶系统。其微分方程的
一般形式为
xo(t
)
2
n
xo
(t
)
2
n
xo
(t
)
2 n
xi
(t
)
G(s)
X o (s) X i (s)
s2
2 n
2n
s
2 n
式中，n称为二阶系统的无阻尼固有频率；
称为系统的阻尼比。
n,是二阶系统的特征参数，表明了
二阶系统与外界无关的特性。
系统的特征方程为
s2
2 n s
2 n
0
两个特征根是
s1,2 n n 2 1 随着阻尼比取值的不同，二阶系统的特征根不同
（即系统极点分布情况不同）。
对于二阶系统,根据其阻尼比的大小可以分为 无阻尼系统:当阻尼比为零时.(存在振荡) 欠阻尼系统:当阻尼比大于零而小于1时.(存在振荡) 临界阻尼系统:阻尼比等于1时; 过阻尼系统:阻尼比大于1时; 负阻尼的情况可有出现:如自激振荡等.
因为系统的输入xi (t) (t)
Xi (s) 1 W (s) X o (s) G(s).X i (s) G(s) w(t) L1[W (s)] L1[G(s)] L1[ 1 ]
Ts 1 所以，
w(t) 1 et /T T
(t 0)
显然，w(t )只有瞬态项，稳态项为0
t 0时，w(t) 1 . T
二、二阶系统的单位脉冲响应 w(t)
当系统的输入信号是理想的脉冲函数时，系统的输出称为系统 的单位脉冲响应函数（或单位脉冲响应）。
1)当0 1,系统为欠阻尼系统时，
w(t)
n 1 2
exp(nt) sin(dt)
(t 0)
2)当 0,系统为无阻尼系统时，
w(t) n sin(nt) (t 0) 3)当 1,系统为临界阻尼系统时，
d
值衰减的快慢取决于 n .
1/n称为时间衰减常数，记为 .
三、二阶系统的单位阶跃响应 当系统的输入信号是理想的阶跃函数时，系统的输出称为系统 的单位阶跃响应函数（或单位阶跃响应）。
1)当0 1,系统为欠阻尼系统时，
xou (t) 1
1
1 2
exp(nt) sin(dt
tg 1
1 2
)
2)当 0,系统为无阻尼系统时，
换言之,单位脉冲响应函数同样反映了系统的动态特性, 因此,常常将系统的单位脉冲响应函数也称为系统的数 学模型.不过,相对于传递函数或微分方程,它不能直接 反映系统的结构(如阶次等)和参数,故称为系统的非参 数化数学模型.而将微分方程和传递函数等反映系统的 结构和参数这样一类数学模型称为参数化的数学模型.
xou (t) 1 cos(nt) (t 0) 3)当 1,系统为临界阻尼系统时，
xou (t) 1 (1 nt).exp(nt) (t 0) 4)当 1,系统为过阻尼系统时，
xou (t) 1 2
n
exp[(
{
2 1)nt ]
2 1 ( 2 1)n
exp[(
2 1)nt}
过渡过程时间（调整时间）： •一阶系统的单位脉冲响应曲线从初值衰减到初值的2%或初值的 5%所经历的时间。 •当⊿取2%时，一阶系统过渡过程时间约为4T。
一阶系统的时间常 数不同，其调整时 间不同，时间常数 越大，过渡过程越 长（惯性越大）， 反之，依然。
⊿一般为2%或5%
三、一阶系统的单位阶跃响应 当系统的输入信号是理想的阶跃函数时，系统的输出称为系统 的单位阶跃响应函数（或单位阶跃响应）。
⊿一般为2%或5%，称为容许误差
四、系统传递函数与单位脉冲响应函数之间的关系
当系统的输入为xi (t) (t)
Xi(s) 1 W (s) Xo(s) G(s) • Xi(s) G(s) w(t) L1[W (s)] L1[G(s)] 单位脉冲响应函数是系统传递函数的Laplace逆变换； 系统传递函数是单位脉冲响应函数的Laplace变换。 因此，系统的单位脉冲响应函数与系统传递函数 构成一个Laplace变换对。
w(t) t0
1 T2
et /T
t 0
1 T2
一阶系统的单位脉冲响应 函数是一个递减的指数函 数。
一阶系统的时间常数不 同，其单位脉冲响应曲 线衰减的速度不同，时 间常数越大，衰减越慢 （惯性越大），反之， 依然。
一阶系统过渡过程： •一阶系统的单位脉冲响应曲线从初值衰减到初值的2%或初值的 5%所经历的过程。
(t 0)
( 2 1)n
当取不同值时，二阶欠阻尼系统的单位脉冲响应曲线 是减幅的正弦振荡曲线, 且愈小，衰减愈慢，振荡频率 d愈大.
三、动态性能指标
h(t)
Mp超 调 量
1 h() 0.9 h()
td
0.5 h()
允许误差 0.02或 0.05
0.1 h()
td
0 tr
t
tp
ts
图 3-2表 示 性 能 指 标 td,tr,tp,Mp和 ts的 单 位 阶 跃 响 应 曲 线
一阶系统过渡过程： •一阶系统的单位阶跃响应曲线从初值上升到稳态值的98%或 稳态值的95%所经历的过程。
过渡过程时间（调整时间）： •一阶系统的单位响应曲线从初值上升到稳态值的98%或稳态 值的95%所经历的时间。 •当⊿取2%时，一阶系统过渡过程时间约为4T。
一阶系统的时间常 数不同，其调整时 间不同，时间常数 越大，过渡过程越 长（惯性越大）， 反之，依然。
应用这个结论,在实验建模时,我们只要测到系统的单位脉冲 响函数,然后,对其进行Laplace变换就可以求得系统的传递 函数.这对于所有的线性定常系统都适用.