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计算机控制系统的动态特性

2016-10-23 09:26:01 |人围观 | 评论:

  如果已知线性离散系统在阶跃输入下输出的z变换Y(z),那么,对Y(z)进行z的反变换,就可获得动态响应y*(t)。将y*(t)连成光滑曲线,就可得到系统的动态性能指标(即超调量σ%与过渡过程时间t s),如图1所示。

       图1 线性离散系统的单位阶跃响应
  一般,采样系统的闭环脉冲传递函数可以写成如下形式
       (1)
  式中z i与p j分别表示闭环零点和极点。
  当单位阶跃信号输入时,系统的输出为
       (2)
  对上式取逆z变换,得采样系统的输出响应,其中包含稳态响应,及由实极点和复极点所引起的暂态响应。
1.闭环实极点对系统动态性能的影响
  系统的实极点均在z平面的实轴上,每一个实极点对应一个暂态响应分量。由于实极点的位置不同,因而对系统动态性能的影响也不同,如图4.9所示。
  (1)极点在单位圆外的正实轴上,例如p 1>1,对应的暂态响应分量y 1(kT)单调发散。
  (2)极点在单位圆与正实轴的交点,例如p 2=1,它对应的暂态响应y 2(kT)是等幅的。
  (3)极点在单位圆内的正实轴上,例如0

3<1,它对应的暂态响应y 3(kT)单调衰减。
  (4)极点在单位圆内的负实轴上,例如-1

4<0,它对应的暂态响应y 4(kT)是正负交替的衰减振荡(周期为2T)。
  (5)极点在单位圆与负实轴的交点,例如p 5=-1,它对应的暂态响应y 5(kT)是正负交替的等幅振荡(周期为2T)。
  (6)极点在单位圆外的负实轴上,例如p 6<-1,它对应的暂态响应y 6(kT)是正负交替的发散振荡(周期为2T)。

          图2 实极点位置和动态响应之间的关系
 2.闭环复极点对系统动态性能的影响
  图2可以说明系统动态性能。
  (1)复极点在z平面单位圆外,对应的暂态响应是振荡发散的。
  (2)复极点在z平面单位圆上,故对应的暂态响应是等幅振荡。
  (3)复极点在z平面单位圆内,故对应的暂态响应是振荡衰减的。
  综上所述,对离散系统的极点分布作如下讨论:
  ① 为使离散系统具有满意的瞬态特性,其闭环极点应尽量避免分布在z平面单位圆的左半部,尤其不要靠近负实轴。闭环极点最好分布在z平面单位圆的右半部,尤为理想的是分布在靠近原点的地方,由于这时|z j|值较小,所以相应的瞬态过程较快,即离散系统对输入具有快速响应的性能。
  ② 通过分析可知,极点越接近z平面的单位圆,瞬态响应衰减越慢。假如有一对极点最靠近单位圆,而其他零极点均在原点附近,离这一对极点相当远,则系统响应主要由这一对极点决定,所以这一对极点称为主导极点对。这时,可忽略原点附近极点相对应的瞬态分量,而考虑主导极点引起的瞬态分量。

         图3 闭环复极点位置和系统动态响应之间的关系
〖例1〗求例的阶跃响应。
  解: 因为闭环脉冲函数为
  故对应离散系统阶跃响应程序为
                MATLAB Program
                num=[0.368 0.264];
                den=[1 1 0.632];
                dstep(num,den,50)
  右图为对应连续系统的阶跃响应。由两图可以看出当采样周期较大时(如T=1s),离散系统性能变差,此时应该采用专门的设计方法来设计。当采样周期较小时(如T=0.1s),离散系统的性能与连续系统一样。

             (a)                    (b)
  图2 阶跃响应曲线仿真图





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