第三章 系统的时间响应分析
自动控制原理(3-1)
动态性能指标定义1
hh((tt))
AA
超超调调量量σσ%% ==
AA BB
110000%%
峰峰值值时时间间ttpp BB
上上 升升 时时间间ttrr
调调节节时时间间ttss
tt
动态性能指标定义2 h(t)
调节时间 ts
上升时间tr
t
动态性能指标定义3
h(t)
A
σ%=
A B
100%
B tr tp
一阶系统对典型输入的输出响应
输入信号
输出响应
1(t) 1－e－t/T t≥0
δ(t)
1 et T t 0
T
t
t－T(1－e－t/T) t≥0
1 t2
1 t 2 Tt T 2 (1 et T ) t 0
2
2
由表可见，单位脉冲 响应与单位阶跃响应 的一阶导数、单位斜 坡响应的二阶导数、 单位加速度响应的三 阶导数相等。
自动控制原理
朱亚萍 zhuyp@ 杭州电子科技大学自动化学院
第三章 线性系统的时域分析法
3.1 系统时间响应的性能指标 3.2 一阶系统的暂态响应 3.3 二阶系统的暂态响应 3.4 高阶系统的暂态响应 3.5 线性系统的稳定性分析 3.6 控制系统的稳态误差 3.7 利用MATLAB对控制系统进行时域分析
超调量σ%：指响应的最大偏离量h(tp)与终值 h(∞)的差与终值h(∞)比的百分数，即
% h(tp ) h() 100%
h()
在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升 时间tr、调整时间ts和超调量σ％。 用上升时间tr或峰值时间tp评价系统的响应速度； 用超调量σ％评价系统的阻尼程度；
第三章(1) 时域分析(计算)
Mp超 调 量 允 许 误 差 1 0.9
h() h() h() h()
0
td
0.02 或 0.05
0.5
0.1
tr tp ts
t
图 3-2 表 示 性 能 指 标 td,tr,tp,Mp和 ts 的 单 位 阶 跃 响 应 曲 线
四、典型时间响应
系统响应之间有什么关系?
1、 单位脉冲函数 对单位脉冲输入信号（函数）的响应。
系统对典型试验信号的响应特性，与系统对实际输入信
号的响应特性之间，存在着一定的关系. 所以采用试验 信号来评价系统性能是合理的。
怎样建立系统性能评判依据?
一.典型试验信号
选择典型试验信号的原则 (1) 反映实际情况; (2) 数学形式简单; (3) 实验室容易得到. 典型试验信号: 1、（单位）阶跃函数: 2、（单位）斜坡(速度)函数:
例如，切削机床的自动控制的例子。那么如何来规定衡
量系统性能的输入信号呢?
3.2.1 典型输入信号
在分析和设计控制系统时，对各种控制系统性能得有 评判、比较的依据。 这个依据也许可以通过对这些系统 加上各种输入信号， 比较它们对特定的输入信号的响应 来建立。 许多设计准则就建立在典型试验信号的基础上. 因为
1
1 t e(t ) r (t ) c(t ) Tt T 2 (1 e T )
t 1 c(t ) t 2 Tt T 2 (1 e T ) 2
(t 0)
上式表明，跟踪误差随时间推移而增大，直至无限大。 因此，一阶系统不能实现对加速度输入函数的跟踪。
表3-1一阶系统对典型输入信号的响应
+
r(t)
R
+
信号与系统第三章
设 f (t) 2 a 2, b 1 则有
dy(t) 2 y(t) 2 dt
已知初始值 y(0) 4 求 t 0时系统的响应 y(t)
解：第一步，由方程可知系统的特征方程为 2 0
2 由此可得系统的齐次解为
2
处理教研室
第三章 连续信号与系统的时域分析
教学重点：
1、常微分方程的建立及其解的基本特点； 2、阶跃响应和冲激响应的概念； 3、卷积及其在系统分析中的应用。
2020/6/7
信号
3
处理教研室
应用实例：汽车点火系统
汽车点火系统主要由电源（蓄电池和发电机）、电阻、 点火开关、点火线圈、分压器等组成。
系数 a,b都是常量。系统的阶数就是其数学模型——
微分方程的阶数。
而 n 阶常系数线性微分方程的一般形式为
an
dn y(t) dt n
an1
dn1 y(t) dt n1
L
a1
dy(t) dt
a0
y (t )
bm
dm f (t) dt m
bm1
dm1 f (t) dt m1
L
b1
df (t) dt
b0
即yf’(0+) = yf’(0-) = 0，yf(0+) = yf(0-) = 0
对t>0时，有 yf”(t) + 3yf’(t) + 2yf(t) = 6
不难求得其齐次解为Cf1e-t + Cf2e-2t，其特解为常数3，
于是有
yf(t)=Cf1e-t + Cf2e-2t + 3
代入初始值求得
《自动控制原理》第三章自动控制系统的时域分析和性能指标
i1 n
]
epjt
j
(spj)
j1
j1
limc(t) 0的充要条件是 p j具有负实部
t
二.劳斯(Routh)稳定判据
闭环特征方程
a nsn a n 1 sn 1 a 1 s a 0 0
必要条件
ai0. ai0
劳斯表
sn s n1 s n2
| | |
a a n
n2
a a n 1
n3
b1 b2
或：系统的全部闭环极点都在复数平面的虚轴上左半部。
m
设闭环的传递函数：
(s)
c(s) R(s)
k (s zi )
i 1 n
(s p j )
P j 称为闭环特征方程的根或极点 j1
n
(s pj ) 0 称为闭环特征方程
j1
若R(s)=1,则C(s)= s m
k (szi)
n
c(t)L1[c(s)]L1[
t 3、峰值时间 p
误差带
4 、最大超调量
%
C C ( )
% max
100 %
C ( )
ts
5 、调节时间
ts
(
0 . 05
0
.
02
)
6、振荡次N数
e e 7、稳态误差 ss
1C()(对单位阶跃) 输入
ss
第三节 一阶系统的动态性能指标
一.一阶系统的瞬态响应
R(s) -
K0 T 0S 1
s5 | 1 3 2
s4 | 1 3 2
s3 | 4 6
s2
|
3 2
2
s1
|
2 3
s0 | 2
自动控制原理课后答案第3章
第3章 控制系统的时域分析【基本要求】1. 掌握时域响应的基本概念，正确理解系统时域响应的五种主要性能指标；2. 掌握一阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其性能指标和结构参数；3. 掌握二阶系统的数学模型和典型时域响应的特点，并能熟练计算其欠阻尼情况下的性能指标和结构参数；4. 掌握稳定性的定义以及线性定常系统稳定的充要条件，熟练应用劳斯判据判定系统稳定性；5. 正确理解稳态误差的定义，并掌握系统稳态误差、扰动稳态误差的计算方法。
微分方程和传递函数是控制系统的常用数学模型，在确定了控制系统的数学模型后，就可以对已知的控制系统进行性能分析，从而得出改进系统性能的方法。
对于线性定常系统，常用的分析方法有时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。
本章研究时域分析方法，包括简单系统的动态性能和稳态性能分析、稳定性分析、稳态误差分析以及高阶系统运动特性的近似分析等。
根轨迹分析法和频域分析法将分别在本书的第四章和第五章进行学习。
这里先引入时域分析法的基本概念。
所谓控制系统时域分析方法，就是给控制系统施加一个特定的输入信号，通过分析控制系统的输出响应对系统的性能进行分析。
由于系统的输出变量一般是时间t 的函数，故称这种响应为时域响应，这种分析方法被称为时域分析法。
当然，不同的方法有不同的特点和适用范围，但比较而言，时域分析法是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。
3.1 系统的时域响应及其性能指标为了对控制系统的性能进行评价，需要首先研究系统在典型输入信号作用下的时域响应过程及其性能指标。
下面先介绍常用的典型输入信号。
3.1.1 典型输入信号由于系统的动态响应既取决于系统本身的结构和参数，又与其输入信号的形式和大小有关，而控制系统的实际输入信号往往是未知的。
为了便于对系统进行分析和设计，同时也为了便于对各种控制系统的性能进行评价和比较，需要假定一些基本的输入函数形式，称之为典型输入信号。
控制工程基础—第3章时间特性分析法
1. 阶跃信号
阶跃信号如图3-2所示，其函数表达式为
当R=1时，叫做单位阶跃 函数，记为1(t)。单位阶 跃函数的拉氏变换为
R( t 0) x( t ) 0( t 0)
1 X ( s ) L 1( t ) s
图3-2 阶跃信号
在t=0处的阶跃信号，相当于一个数值为常值的 信号，在t≥0突然加到系统上。
图3-7 控制系统的性能指标
1.延迟时间td 响应曲线第一次达到稳态值的50%所需的时间， 叫延迟时间。 2.上升时间tr 响应曲线从零时刻首次到达稳态值的时间，即响 应曲线从零上升到稳态值所需的时间。
对于过阻尼系统（>1）,理论上到达稳态值时间需 要无穷大，通常采用响应曲线从稳态值的10%上升 到稳态值的90%所需的时间；
( t 0) ( t 0)
例3-1 已知某一单位反馈系统的开环传递函数为
20 G( s ) 0.21s 1
试求系统的单位阶跃响应。 解：首先求出系统的闭环传递函数
Y ( s) G( s) 20 0.95 X ( s ) 1 G ( s ) 0.21s 21 0.01s 1
R
图3-6 正弦信号
三、瞬态响应的性能指标
用以衡量系统瞬态响应的几项参数，称 为性能指标。一般以输入端加入单位阶 跃函数时的输出响应加以规定。 线性系统的性能指标取决于系统本身的 特性而与输入信号的大小无关。同一个 线性系统对不同幅值阶跃输入的瞬态响 应的区别，仅在于幅值成比例地变化， 响应时间完全相同，因此，对以单位阶 跃输入瞬态响应形式给出的性能指标具 有普遍意义。
y( t p ) y( ) y( )
100%
其中，y(∞)代表阶跃响应的终值，即稳态值。 最大超调量Mp的数值，直接说明了系统的相对稳 定性。
自动控制原理-第3章
响应曲线如图3-2所示。图中
为输出的稳态值。
第三章 线性系统的时域分析 法
图 3-2 动态性能指标
第三章 线性系统的时域分析 法
动态性能指标通常有以下几种:
延迟时间td: 指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: 若阶跃响应不超过稳态值, 上升时间指响应曲线从 稳态值的10%上升到90%所需的时间; 对于有振荡的系统, 上升时 间定义为响应从零第一次上升到稳态值所需的时间。上升时间越 短, 响应速度越快。
可由下式确定: (3.8)
振荡次数N: 在0≤t≤ts内, 阶跃响应曲线穿越稳态值c(∞)次 一半称为振荡次数。
上述动态性能指标中, 常用的指标有tr、ts和σp。上升时间tr 价系统的响应速度; σp评价系统的运行平稳性或阻尼程度; ts是同
时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。 应当指出, 除简单的一 、二阶系统外, 要精确给出这些指标的解析表达式是很困难的。
中可以看出, 随着阻尼比ζ的减小, 阶跃响应的振荡程度加剧。 ζ =0时是等幅振荡, ζ≥1时是无振荡的单调上升曲线, 其中临界阻尼 对应的过渡过程时间最短。 在欠阻尼的状态下, 当0.4＜ζ＜0.8时过
渡过程时间比临界阻尼时更短, 而且振荡也不严重。 因此在 控制工程中, 除了那些不允许产生超调和振荡的情况外, 通常都希
第三章 线性系统的时域分析法 4. 脉冲函数 脉冲函数(见图3-1(d))的时域表达式为
(3.4)
式中,h称为脉冲宽度, 脉冲的面积为1。若对脉冲的宽度取趋于 零的极限, 则有
(3.5) 及
(3.6)
称此函数为理想脉冲函数, 又称δ函数(见图3-1(e))。
第三章 线性系统的时域分析 法
第三章线性系统的时域分析法
第三章线性系统的时域分析法第三章线性系统的时域分析法3.1 知识框架3.2 重难点控制系统的性能的评价分为动态性能指标和稳态性能指标，在确定系统的数学模型后，便可以⽤⼏种不同的⽅法去分析控制系统给的动态性能和稳态性能，在经典控制理论中，经常使⽤时域分析法、根轨迹分析法或频域分析法来分析线性控制系统的性能。
所谓时域分析法，是指控制系统在⼀定的输⼊信号作⽤下，根据系统输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。
时域分析法是⼀种直接在时间域中对系统进⾏分析的⽅法，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。
由于控制系统的传递函数和微分⽅程之间具有确定的关系，因此在系统初始条件为零时，常常利⽤传递函数来研究控制系统的特性。
3.2.1 典型输⼊信号名称时域表达式复域表达式单位阶跃函数 1(),0t t ≥ 1s 单位斜坡函数 ,0t t ≥21s 单位加速度函数 21,02t t ≥ 31s 单位脉冲函数 (),0t t δ≥1 正弦函数sin A t ω22A ωω1) ⼆阶系统的时域分析；动态响应指标的求取；由动态响应指标确定⼀、⼆阶系统模型参数 2) 系统型别，开环放⼤增益，静态误差增益，根轨迹增益 3) 主导极点、附加闭环零、极点的概念，⾼阶系统简化为⼆阶系统 4) 劳斯稳定性判据；稳态误差5) 系统参数变化对系统稳定性、动态性能、稳定性的影响3.2.2 系统的时域性能指标(1) ⼀般认为，阶跃输⼊对系统来说是最严峻的⼯作状态。
描述稳态的系统在单位阶跃函数作⽤下，动态过程随时间t 的变化情况的指标，称为动态性能指标。
为了便于分析和⽐较，假定系统在单位阶跃输⼊信号作⽤前处于静⽌状态，⽽且输出量及其各阶倒数均等于零。
对⼤多数控制系统来说，这种假设是符合实际情况的。
如图：延迟时间d t ：响应曲线第⼀次到达其终值⼀般所需的时间上升时间r t ：指响应从终值10%上升到终值90%所需时间；对于有振荡的系统，亦可定义为响应从第⼀次上升到终值所需的时间。
机械控制工程基础第三章 复习题及答案
题目：时间响应由 和 两部分组成。
分析与提示：时间响应由瞬态响应和稳态响应两部分组成。
答案：瞬态响应、稳态响应题目：系统的输出量从初始状态到稳定状态的响应过程，称为 。
分析与提示：瞬态响应，指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。
答案：瞬态响应题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动性质可分为 与 。
分析与提示：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。
答案：自由响应、强迫响应题目：系统的时间响应可从两方面分类，按振动来源可分为 与 。
分析与提示：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(即仅由输入引起的响应)。
答案：零输入响应、零状态响应题目：系统微分方程的特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为 。
分析与提示：初始条件及输入信号产生的时间响应就是微分方程的全解。
包含通解和特解两个部分。
通解完全由初始条件引起的，它是一个瞬态过程，工程上称为自然响应 (如机械振动中的自由振动)。
特解只由输入决定，特解就是系统由输入引起的输出(响应)，工程上称为强迫响应 (如机械振动中的强迫振动)。
答案：强迫响应题目：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加 的形式有关。
分析与提示：系统的瞬态响应不仅取决于系统本身的特性，还与外加输入信号的形式有关。
答案：输入信号题目：单位阶跃信号⎩⎨⎧<>=000t t t u1)(的拉氏变换为【 】A 、s 1 B 、21sC 、1D 、s 分析与提示：熟练掌握典型信号的拉氏变换。
B 为单位斜坡信号的拉氏变换，C 为单位冲击信号的拉是变换。
答案：A题目：选取输入信号应当考虑以下几个方面，输入信号应当具有 ，能够反映系统工作的大部分实际情况。
分析与提示：选取输入信号应当考虑以下几个方面，输入信号应当具有典型性，能够反映系统工作的大部分实际情况。
自动控制原理第三章一二阶系统的暂态响应解析
典型二阶系 统标准形式
闭环传函： 开环传函：
2 n Wk (s) （ s s 2n）
重要
：阻尼比
n ：自然频率(无阻尼振荡频率)
第三章 自动控制系统的时域分析
2018年10月21日
2.典型二阶系统的单位阶跃响应
2 2 s 2 s 特征方程： n n s p1 s p2 0
得 T=0.1（s），取5%误差带 得调节时间 ts = 3T = 0.3 (s)
2018年10月21日
第三章 自动控制系统的时域分析
（2）求满足ts (5%) 0.1（s）的反馈系数值。
假设反馈系数 Kt(Kt>0)，那么同样可由结构图写出闭 环传递函数
100 1/ Kt K s WB ( s) 100 0.01 1 Kt s 1 Ts 1 s Kt
第三章 自动控制系统的时域分析
A ， 0 t ( 0) xr (t ) 0， t 0，t ( 0)
当A=1时，称为单位脉冲函数（t）
1 X r ( s) L[lim ] 1
0
脉冲信号或实际脉冲信号
2018年10月21日
当输入信号突然跳变时，输出量还处在原有的平衡状态，这 样就出现了偏差，这个偏差控制输出量达到新的平衡，这就是 一个调节过程。
Ｘr(t)
1
Ｘc(t)
1 2
实际 理想的 调节过程
1
0
2018年10月21日
t
0
t
第三章 自动控制系统的时域分析
Ｘc(t)
1
实际
2
1
理想的 调节过程
0 整个调节过程分为两个阶段: