阶系统性能改善及稳定性
华南农业大学自动控制实验三典型三阶系统动态性能和稳定性分析
题 目实验三 典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期实验三 典型三阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1．学习和掌握三阶系统动态性能指标的测试方法。
2．观察不同参数下典型三阶系统的阶跃响应曲线。
3. 研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。
二、实验内容观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。
三、实验原理任何一个给定的线性控制系统，都可以分解为若干个典型环节的组合。
将每个典型环节的模拟电路按系统的方框图连接起来，就得到控制系统的模拟电路图。
典型三阶系统的结构图如图25所示：图25 典型三阶系统的结构图其开环传递函数为23()(1)(1)K G s S T s T s =++，其中1234K K KK T =，三阶系统的模拟电路如图26所示：题目实验三典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期图26三阶闭环系统模拟电路图模拟电路的各环节参数代入G(s)中，该电路的开环传递函数为：SSSKSSSKSG++=++=236.005.0)15.0)(11.0()(该电路的闭环传递函数为：KSSSKKSSSKS+++=+++=236.005.0)15.0)(11.0()(φ闭环系统的特征方程为：06.005.0,0)(123=+++⇒=+KSSSSG特征方程标准式：032213=+++aSaSaSa根据特征方程的系数，建立得Routh行列表为：6.005.06.06.0105.012331321131223KSKSKSSaSaaaaaSaaSaaS-⇒-为了保证系统稳定，劳斯表中的第一列的系数的符号都应相同，所以由ROUTH 稳定判据判断，得系统的临界稳定增益K=12。
⎪⎩⎪⎨⎧>>-6.005.06.0KK题目实验三典型三阶系统动态性能和稳定性分析年级专业班级组别姓名（学号）日期即：⎪⎩⎪⎨⎧<⇒>=⇒=Ω>⇒<<系统不稳定系统临界稳定系统稳定41.7KΩR12K41.7KΩR12K7.4112KKR三、实验步骤1、按照实验原理图接线，设计三阶系统的模拟电路2、改变RX的取值，利用上位机软件仿真功能，获取三阶系统各种工况阶跃响应曲线。
典型系统动态性能和稳定分析
实验报告课程名称：实验项目：实验地点：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日典型系统动态性能和稳定性分析一·实验目的1学习和掌握动态性能指标的测试方法。
2研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。
二·实验要求1定性的影响。
2定性的影响。
1 2.1.1和图2.1.2设计U9、U15、U11和U82利34 2.2.1和图2.2.2设计并连接由一个U9、U15、U11、U10和U8连成5并测出其超调量和调节时间。
672、3与5、6参阅“实验一”的实验步骤2实验步骤7“实验一”的实验步骤3这里不再赘述。
1典型二阶系统典型二阶系统的方块结构图如图 2.1.1其开环传递函数为其闭环传递函数为其中取二阶系统的模拟电路如图2.1.2该系统的阶跃响应如图2.1.3Rx接U4单元的220K 电位器改变元件参数Rx 2.1.3a 2.1.3b 2.1.3c分别对应2典型三阶系统的方块结构图如图2.2.1其开环传递函数为其中取三阶系统的模拟电路如图2.2.2所示。
该系统开环传递函数为Rx的单位为K系统特征方程为系统稳定 0<K<12系统临界稳定 K=12系统不稳定 K>12根据K求取Rx。
这里的Rx可利用模拟电路单元的220K Rx即可改变K2而改变K该系统的阶跃响应如图2.2.3 a、2.2.3b 和2.2.3c稳定、临界稳定和稳定的三种情况。
实验数据记录：二阶欠阻尼二阶过阻尼振荡二阶临界阻尼振荡三阶稳定六、实验结果与分析。
第五章_控制系统的稳定性分析
, c2
b1a5 a1b3 b1
, c3
b1a7 a1b4 b1
f1
e1d 2
e1
d1e2
这样可求得n+1行系数
14
这种过程需一直进行到第n行被算完为止，系数 的完整阵列呈现一个倒三角形。
注意：
为简化计算，可用一个正整数去除或乘某一整个 行，并不改变稳定性结论。
15
劳斯稳定判据
劳斯稳定判据是根据所列劳斯表第一列系数符 号的变化，去判别特征方程式根在S平面上的具体 分布，过程如下：
27
5.3.4劳斯-赫尔维茨稳定性判据的应用
判定控制系统的稳定性
[例5-7] 系统的特征方程为：s4 2s3 3s2 4s 5 0 ，判断系统的稳定性。
[解]：排列劳斯阵如下：
s4 1 3 5 s3 2 4 0
因阵第为一，a列i 不0全, (为i 正0，~所4)以，，且系劳统斯
不稳定。
8
0
3
j 2 , j2
S0
16
显然这个系统处于临界稳定状态。
22
5.3.2 劳斯判据的应用
稳定判据只回答特征方程式的根在S平面上的分布 情况，而不能确定根的具体数据。也即也不能保证系 统具备满意的动态性能。换句话说，劳斯判据不能表 明系统特征根在S平面上相对于虚轴的距离。但能判断 是否所有特征根都落在虚轴的左半平面.若用S=Z-1带 入特征方程中,求出的根的实部即为特征根距S=-1垂线 的距离.可判断稳定程度.
s2 1 5 0 由于劳斯阵第一列有两次符号变
2
如果系统不稳定，就会在任何微小的扰动作用下偏离原 来的平衡状态，并随时间的推移而发散。
因此，如何分析系统的稳定性并提出保证系统稳定的措施， 是自动控制理论的基本任务之一。
系统稳定性意义以及稳定性的几种定义
系统稳定性意义以及稳定性的几种定义一、引言：研究系统的稳定性之前，我们首先要对系统的概念有初步的认识。
在数字信号处理的理论中，人们把能加工、变换数字信号的实体称作系统。
由于处理数字信号的系统是在指定的时刻或时序对信号进行加工运算，所以这种系统被看作是离散时间的，也可以用基于时间的语言、表格、公式、波形等四种方法来描述。
从抽象的意义来说，系统和信号都可以看作是序列。
但是，系统是加工信号的机构，这点与信号是不同的。
人们研究系统还要设计系统，利用系统加工信号、服务人类，系统还需要其它方法进一步描述。
描述系统的方法还有符号、单位脉冲响应、差分方程和图形。
电路系统的稳定性是电路系统的一个重要问题，稳定是控制系统提出的基本要求，也保证电路工作的基本条件；不稳定系统不具备调节能力，也不能正常工作，稳定性是系统自身性之一，系统是否稳定与激励信号的情况无关。
对于线性系统来说可以用几点分布来判断，也可以用劳斯稳定性判据分析。
对于非线性系统的分析则比较复杂，劳斯稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据受到一定的局限性。
二、稳定性定义：1、是指系统受到扰动作用偏离平衡状态后，当扰动消失，系统经过自身调节能否以一定的准确度恢复到原平衡状态的性能。
若当扰动消失后，系统能逐渐恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的，否则称系统为不稳定。
稳定性又分为绝对稳定性和相对稳定性。
绝对稳定性。
如果控制系统没有受到任何扰动，同时也没有输入信号的作用，系统的输出量保持在某一状态上，则控制系统处于平衡状态。
（1）如果线性系统在初始条件的作用下，其输出量最终返回它的平衡状态，那么这种系统是稳定的。
（2）如果线性系统的输出量呈现持续不断的等幅振荡过程，则称其为临界稳定。
三阶系统的分析与校正
三阶系统的分析与校正引言：在控制系统中，三阶系统是一种常见且重要的系统。
它具有更高的阶数，因此对于控制系统的性能和稳定性有着更高的要求。
因此，对于三阶系统的分析和校正具有一定的复杂性。
本文将围绕三阶系统的分析和校正展开讨论，并介绍常见的校正方法。
一、三阶系统的基本特点和模型表示三阶系统是一个具有三个自由度的系统，可以用如下的传递函数表示：G(s)=K/(s^3+a*s^2+b*s+c)其中，K为传递函数的增益，a、b、c分别为系统的阻尼、震荡频率和系统自然频率。
二、三阶系统的稳定性分析稳定性是控制系统设计和校正的基本要求。
对于三阶系统的稳定性分析可以采用Bode图和Nyquist图等方法。
1. Bode图分析通过绘制传递函数的幅频响应和相频响应曲线，可以得到系统的幅度余弦曲线和相位余弦曲线。
根据Bode图的特点，可以确定系统的稳定性。
2. Nyquist图分析Nyquist图是对传递函数的极坐标表示。
通过绘制传递函数的Nyquist图，可以分析系统的稳定性。
以上两种方法都可以用来评估系统的稳定性。
如果系统的Bode图和Nyquist图图像均在单位圆内，则系统是稳定的。
三、三阶系统的校正方法校正是为了使控制系统具有所需的性能指标，通过调整系统中的参数和控制器等手段实现。
1.PID控制器的设计PID控制器是最常用的控制器之一，具有简单、稳定、易于实现等特点。
PID控制器由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
通过调整PID控制器中的三个参数，可以实现对三阶系统的控制。
2.根轨迹法根轨迹法是一种经典的校正方法，通过分析系统的根轨迹来设计合适的校正器。
根轨迹是描述系统根位置随参数变化而变化的曲线。
通过调整参数，可以使根轨迹满足设计要求，进而实现对系统的校正。
3.频率响应方法频率响应方法基于传递函数的幅频响应和相频响应特性进行校正。
根据系统的特性，通过调整增益和相位等参数，可以实现对系统的校正。
以上是常见的三阶系统的校正方法，可以根据实际需求选择合适的方法进行校正。
实验二 典型系统动态性能和稳定性分析
实验二典型系统动态性能和稳定性分析一．实验目的1．学习和掌握动态性能指标的测试方法。
2．研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。
二．实验内容1．观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。
2．观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。
三．实验步骤1．熟悉实验装置，利用实验装置上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.1.1和图2.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11和U8连成）。
注意实验接线前必须对运放仔细调零（出厂已调好，无需调节）。
信号输出采用U3单元的O1、信号检测采用U3单元的I1、运放的锁零接U3单元的G1。
2．利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。
3．改变该二阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统动态性能的影响。
4．利用实验装置上的模拟电路单元，参考本实验附录中的图2.2.1和图2.2.2，设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路（如用U9、U15、U11、U10和U8连成）。
5．利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性，并测出其超调量和调节时间。
6．改变该三阶系统模拟电路的参数，观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。
7．分析实验结果，完成实验报告。
软件界面上的操作步骤如下：①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择I1、I2路A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信号发生端口.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。
②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验装置电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。
③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。
自动控制原理二阶系统动态指标
自动控制原理二阶系统动态指标在自动控制原理中，二阶系统的动态特性对整个控制系统的性能至关重要。
以下是对二阶系统动态指标的详细阐述，主要包含稳定性、快速性、准确性、鲁棒性、抗干扰性、调节时间、超调量、阻尼比和频率响应等方面。
一、系统的稳定性稳定性是评估控制系统性能的重要指标。
对于二阶系统，稳定性通常通过观察系统的极点位置来判断。
如果系统的极点位于复平面的左半部分，则系统是稳定的。
此外，系统的稳定性还与阻尼比有关，阻尼比在0到1之间时，系统是稳定的。
二、系统的快速性快速性表示系统响应速度的快慢。
在二阶系统中，快速性通常通过极点的位置来决定。
极点越接近虚轴，系统的响应速度越快。
但需要注意的是，过快的响应速度可能导致系统超调量增大，因此需要综合考虑快速性和稳定性。
三、系统的准确性准确性表示系统输出与期望输出的接近程度。
对于二阶系统，可以通过调整系统的极点和零点位置来提高准确性。
一般来说，增加阻尼比可以提高准确性。
四、系统的鲁棒性鲁棒性表示系统在参数变化或干扰下保持稳定的能力。
对于二阶系统，鲁棒性可以通过调整系统的极点和零点位置来改善。
一般来说，使极点和零点距离越远，系统的鲁棒性越好。
五、系统的抗干扰性抗干扰性表示系统抵抗外部干扰的能力。
对于二阶系统，可以通过增加阻尼比来提高抗干扰性。
阻尼比增大时，系统对外部干扰的抑制能力增强。
六、系统的调节时间调节时间表示系统从受到干扰到恢复稳态所需的时间。
对于二阶系统，调节时间与阻尼比和系统增益有关。
适当增加阻尼比和系统增益可以缩短调节时间。
七、系统的超调量超调量表示系统响应超过稳态值的最大偏差量。
对于二阶系统，超调量与阻尼比有关。
阻尼比越小，超调量越大。
为了减小超调量，可以适当增加阻尼比。
八、系统的阻尼比阻尼比是衡量系统阻尼程度的参数，其值介于0和1之间。
适当的阻尼比可以保证系统具有良好的稳定性和快速性。
对于二阶系统，阻尼比与调节时间和超调量密切相关。
根据实际需求选择合适的阻尼比是关键。
自控原理三阶系统的稳定性和瞬态响应
自控原理三阶系统的稳定性和瞬态响应三阶系统是一种具有三个输入和三个输出的控制系统。
在控制系统中，稳定性和瞬态响应是重要的性能指标，它们决定了系统的性能和鲁棒性。
稳定性是指一个系统在有限时间内能否回到平衡状态的性质。
在三阶系统中，判断稳定性可以使用极点的位置来分析。
极点是系统传递函数中分母的根，通过求解传递函数的特征方程可以得到极点的位置。
对于三阶系统，特征方程一般可以表示为：s^3 + as^2 + bs + c = 0其中，s是频率，a、b、c是特定的常数。
根据分析稳定性的方法，当特征方程的所有根的实部小于零时，系统是稳定的。
如果所有的实根都是负数，那么系统是渐进稳定的，即随着时间的推移，系统会逐渐趋于平衡状态。
如果存在一些根的实部大于零，但是其共轭复根的实部都小于零，那么系统是亚稳定的，即系统可能会出现一些振荡，但最终会回到平衡状态。
另一方面，瞬态响应是指系统在接收到输入信号后，经过一段时间后达到稳定状态的过程。
在三阶系统中，可以通过分析系统的阶跃响应来研究瞬态响应。
阶跃响应是指在输入信号发生跃变时输出信号的响应。
在三阶系统中，瞬态响应的性质可以通过观察系统的超调量、峰值时间和上升时间等指标来判断。
超调量指的是系统输出信号超过稳定状态的最大幅度，峰值时间是信号达到峰值的时间，上升时间是响应时间从10%上升到90%所需的时间。
对于三阶系统，瞬态响应可能存在多个峰值，这取决于系统的极点的位置。
在极点为纯虚数的情况下，系统会出现振荡，峰值时间和上升时间会增加。
而当极点存在实数部分时，系统响应会趋于稳定状态，瞬态响应的性能指标会随着实数部分的增加而改变。
总之，稳定性和瞬态响应是评估三阶系统性能的重要指标。
稳定性通过分析特征方程的根来判断，瞬态响应可以通过阶跃响应的性质来研究。
根据这些指标，我们可以对三阶系统的性能进行分析和改进，以满足实际控制需求。
二阶系统的阶跃响应与线性系统的稳定性和稳态误差分析.
二阶系统的阶跃响应一：实验目的1． 学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法2． 研究二阶系统的两个重要的参数对阶跃瞬态响应指标的影响 二：实验设备带有自动控制仿真软件matlab 软件的计算机 三：实验原理典型二阶系统的结构图如图所示。
不难求得其闭环传递函数为2222)()()(n n n B s s R s Y s G ωζωω++==其特征根方程为222n n s ωζω++=0 方程的特征根: 222nn s ωζω++=0))(()1)(1(2121=--=++s s s s T s T s 式中,ζ称为阻尼比;n ω称为无阻尼自然振荡角频率(一般为固有的)。
当ζ为不同值时，所对应的单位阶跃响应有不同的形式。
四：实验内容研究特征参量ζ和n ω对二阶系统性能的影响标准二阶系统的闭环传递函数为：2222)()(nn n s s s R s C ωζωω++=二阶系统的单位阶跃响应在不同的特征参量下有不同的响应曲线。
我们研究ζ对二阶系统性能的影响，设定无阻尼自然振荡频率)/(1s rad n =ω，考虑3种不同的ζ值：ζ=0.2,0.4,1，利用MATLAB 对每一种ζ求取单位阶跃响应曲线，分析参数ζ对系统的影响。
五：仿真程序和结果图1、二阶系统阶跃响应曲线 程序 for j=1:1:3kais=[0.2,0.4,1]; w=[1/0.47,1/1,1/1.47]; subplot(3,1,j) hold on for i=1:3 num=w(j)^2;den=[1,2*kais(i)*w(j),w(j)^2]step(num,den);grid on end hold off end 结果图σ%n ω0.2 0.4 11/0.47 1/1 1/1.47ζζ2、变换ζ和ω的值：nfor j=1:1:3kais=[0.2,0.4,1];w=[1/0.47,1/1,1/1.47];subplot(3,1,j)hold onfor i=1:3num=w(i)^2;den=[1,2*kais(j)*w(i),w(i)^2]step(num,den);grid onendhold offend3、增加一组ζ值：for j=1:1:3kais=[0,0.2,0.4,1];w=[1/0.47,1/1,1/1.47];subplot(3,1,j)hold onfor i=1:4num=w(j)^2;den=[1,2*kais(i)*w(j),w(j)^2]step(num,den);grid onendhold offend结果图：分析： σ%n ω0.2 0.4 11/0.47 1/1 1/1.47六：结论与收获 结论： （1） 当0=ζ时，输出响应为等幅振荡。
实验二 二阶系统的动态特性与稳定性分析.
自动控制原理实验报告实验名称：二阶系统的动态特性与稳定性分析班级：姓名：学号：实验二 二阶系统的动态特性与稳定性分析一、实验目的1、 掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标的测试技术过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态2、 分析二阶系统特征参量（ξω，n ）对系统动态性能的影响；3、 分析系统参数变化对系统稳定性的影响，加深理解“线性系统稳定性至于其结构和参数有关，与外作用无关”的性质；4、 了解掌握典型三阶系统的稳定状态、临界稳定、不稳定状态；5、 学习二阶控制系统及其阶跃响应的Matlab 仿真和simulink 实现方法。
二、实验内容1、 构成各二阶控制系统模拟电路，计算传递函数，明确各参数物理意义。
2、 用Matlab 和simulink 仿真，分析其阶跃响应动态性能，得出性能指标。
3、 搭建典型二阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型二阶系统动态性能和稳定性的影响；4、 搭建典型三阶系统，观测各个参数下的阶跃响应曲线，并记录阶跃响应曲线的超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts ，研究其参数变化对典型三阶系统动态性能和稳定性的影响；5、 将软件仿真结果与模拟电路观测的结果做比较。
三、实验步骤1、 二阶系统的模拟电路实现原理 将二阶系统：ωωξω22)(22nn s G s s n++=可分解为一个比例环节，一个惯性环节和一个积分环节ωωξω)()()()(2C C C C s C C 22262154232154232154215426316320nn s s s s s G s s s C R R R R R R R R R R R R C R R R R R R R R R U U n i ++=++=++== 2、 研究特征参量ξ对二阶系统性能的影响将二阶系统固有频率5.12n =ω保持不变，测试阻尼系数ξ不同时系统的特性，搭建模拟电路，改变电阻R6可改变ξ的值当R6=50K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.8 当R6=100K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.4 当R6=200K 时，二阶系统阻尼系数ξ=0.2（1）用Matlab 软件仿真实现二阶系统的阶跃响应，计算超调量%σ、峰值时间tp 以及调节时间ts 。
自动控制原理稳定性知识点总结
自动控制原理稳定性知识点总结自动控制原理是控制工程学科中的重要基础理论，涉及到系统的稳定性是其中的核心概念。
稳定性是指系统在一定条件下具有趋向于平衡或稳定状态的特性。
本文将对自动控制原理中的稳定性知识点进行总结。
一、稳定性的概念与分类稳定性是评判系统质量的重要指标，可以分为三类：稳定、渐进稳定和不稳定。
1. 稳定：当系统受到外界扰动时，系统的输出能够趋于有限值，并且不会产生持续的振荡。
2. 渐进稳定：当系统受到外界扰动时，系统的输出能够趋于有限值，但可能会产生一定的振荡，最终趋于稳定。
3. 不稳定：当系统受到外界扰动时，系统的输出会无限增长或无限振荡，无法趋于稳定状态。
二、线性系统的稳定性判断线性系统的稳定性判断可以通过系统传递函数的极点位置来进行分析。
系统的稳定性与极点的位置有关。
1. 极点位置与稳定性- 极点位于左半平面（实部小于零）时，系统是稳定的。
- 极点位于右半平面（实部大于零）时，系统是不稳定的。
- 极点位于虚轴上时，系统可能是渐进稳定的。
2. 稳定性判据通常情况下，可以通过判断系统传递函数的极点来判断系统的稳定性。
对于一阶系统（一般形式为G(s) = K/(Ts+1)），如果零极点的实部都小于零，则系统是稳定的；对于高阶系统，需要通过判断极点位置是否在左半平面中来进行稳定性分析。
三、稳定性分析的常见方法1. Bode图法Bode图是一种用来表示系统频率响应的图表。
通过绘制系统传递函数的幅频特性和相频特性图，可以直观地分析系统的稳定性。
在Bode 图上，对于稳定系统，幅频特性曲线在低频和高频均趋于0dB，相频特性曲线在各频率下都为负值。
2. Nyquist判据Nyquist判据是通过分析系统的频率响应和复平面上的极点分布来进行稳定性判定的方法。
通过绘制Nyquist曲线，可以判断系统的稳定性。
如果曲线不经过-1点且围绕该点的圈数为0，则系统是稳定的。
3. 根轨迹法根轨迹法是通过分析传递函数的极点随控制参数变化的轨迹来判断系统的稳定性。
实验三三阶系统的阶跃响应及稳定性分析实验
实验三 三阶系统的阶跃响应及稳定性分析实验一、 实验目的1、 熟悉三阶模拟系统的组成。
2、 研究三阶系统的阶跃响应，并观测其开环增益K 对三阶系统的动态性能的影响。
3、 学习掌握动态性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。
二、 实验内容观察典型三阶系统的阶跃响应，测出系统的超调量和调节时间，并研究其参数变化对系统动态性能及稳定性的影响。
三、 实验仪器1、 ZY17A u toC12BB 自动控制原理实验箱。
2、 双踪低频慢扫描示波器。
3、 数字万用表。
四、 实验原理典型三阶系统的方块结构图如图3.1所示：其开环传递函数为()()()1121++=S T S T S K S G ，其中021T K K K =。
取三阶系统的模拟电路如图3.2所示。
该系统开环传递函数为()()()()15.011.0++=S S S K S H S G,其中x R K 500=,Rx 的单位为K Ω.系统特征方程为K s s s 20201223+++，根据劳斯判据得到：系统稳定 0<K<12系统临时稳定 K=12系统不稳定 K>12根据K 可求取Rx ，改变Rx 即可实现三种典型的实验。
该系统的阶跃响应图如所示，图3.3.1，图3.3.2和图3.3.3分别对应于系统处于稳定，临界稳定和不稳定的三种情况。
五、 实验步骤1、 利用实验仪器，按照实验原理设计并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路。
此实验可使用运放单元（一）、（二）、（三）、（五）、（六）及元器件单元中的电容和可调电阻。
（1） 同时按下电源单元中的按键开关S 001,S002,再按下S003，调节可调电位器W001,使T006（-12V -----+12V ）输出电压为+1V ，形成单位阶跃信号电路，然后将S001,S002再次按下关闭电源。
三阶系统的分析与校正
三阶系统的分析与校正引言三阶系统是一种常见的动态系统模型，广泛应用于控制系统、电路和信号处理等领域。
在三阶系统的分析和校正过程中，我们需要了解系统的特性、稳定性和动态响应，并结合校正方法进行系统优化。
一、三阶系统特性分析三阶系统由三个一阶子系统相连而成，其传递函数一般表示为：G(s)=(K*(s+z1)*(s+z2))/((s+p1)*(s+p2)*(s+p3))1. 特性根（Characteristic Roots）：三阶系统共有三个特性根，分别对应传递函数中的(s + p1)、(s + p2)和(s + p3)项。
特性根的位置和实部决定了系统的稳定性和动态响应，虚部决定了系统的振荡频率。
2. 分布根（Distribution Roots）：分布根是系统传递函数分子项(s + z1)和(s + z2)的根，它们决定了系统的增益和阻尼比。
增益越大，系统对输入的变化越敏感；阻尼比越小，系统越容易产生振荡。
3. 极点（Poles）和零点（Zeros）：系统传递函数的极点和零点是系统特性的重要指标，极点的位置和数量决定了系统的阻尼性能和稳定性，零点的位置和数量决定了系统的频率响应和相位特性。
二、三阶系统的稳定性分析判断三阶系统的稳定性可以通过判别系统的特性根的实部是否小于零，即特性根是否在左半平面。
1.极点分布：特性根的位置通过求解传递函数分母的特征方程来确定。
将特征方程中的系数代入矩阵当中，可以使用特征值计算软件来求解特征方程，得到特性根的位置和数量。
如果所有特性根的实部小于零，则系统是稳定的。
2.极点分布与稳定性的关系：三阶系统特性根的位置与稳定性之间存在一一对应的关系，通过特性根的位置可以判断系统的稳定性。
具体关系如下：-全部特性根的实部小于零：系统是稳定的。
-有一个特性根的实部大于零：系统是不稳定的。
-有两个特性根的实部大于零：系统是振荡的。
-有两个特性根的实部小于零，另一个特性根的实部等于零：系统是边界稳定的。
第六次课 二阶系统性能改善及稳定性分析
2ζ
ωn
结论：二阶系统跟踪单位速度响应， 结论：二阶系统跟踪单位速度响应，其稳 2ζ 态误差为
ess =
ωn
单位速度响应
（1）无阻尼单位速度响应
c (t) = 1 −
ω
ω
1
n
sin
ω
n
t
（2）欠阻尼单位速度响应
c (t) = t − 2ζ
ω
+
1
n
n
1 − ζ
2
e
n
− ζω
n
t
sin(
ω
d
t + 2 β )
3-6 线性系统的稳态误差计算
误差与稳态误差： 误差与稳态误差： 输入端定义： 输入端定义：
E( s) = R( s) − C( s) ⋅ H ( s)
R(s )
E (s )
G (s )
C (s )
H (s )
输出端定义： 输出端定义：
E ( s ) = R′( s ) − C ( s ) = E ( s ) H ( s )
ess = lim[r (t ) − c(t )] =
t →∞
2ζ
ωn
2、临界阻尼情况（ζ =1）： 、临界阻尼情况（ ）：
1 c(t ) = t − + (1 + ωn t ) ωn ωn 2 2ζ ess = lim[r(t ) − c(t )] = t →∞ ωn 2 2e
− ωn t
3、过阻尼情况（ ζ >1）： 、过阻尼情况（ ）：
例： s + s + 3s + 3s + 2 = 0 4 1 3 2 s 3 s 1 3 2 s 0ε 2
4.系统的稳定性分析
Chapter4动态系统的稳定性分析稳定性描述当系统遭受外界扰动偏离原来的平衡状态，在扰动消失后系统自身能否恢复到原来平衡状态的一种性能。
例如在倒立摆装置中，当摆杆受扰动而偏离垂直位置后，系统仍能使摆杆回到垂直位置，并能始终保持在垂直位置附近，这是系统稳定的基本含义。
一个不稳定系统是不能正常工作的，如何判别系统的稳定性以及如何改善系统的稳定性是系统分析与设计的首要问题。
系统的稳定性 是系统本身所固有的特性，与外部控制)(t u 无关。
所以讨论稳定性时一般只考虑0)(=t u 的自由系统。
4.1 平衡点与Lyapunov 稳定性考虑n 阶自由系统： )),(()(t t x f t x= 状态向量：T n t x t x t x ))(...)(()(1=，向量：T n t t x f t t x f t t x f ))),((...)),((()),((1=对)),(()(t t x f t x= ，若存在某一状态点e x ，使得对所有的t ，)(t x 都不随时间变化，定义e x 为系统的平衡状态（平衡点） 0),(≡=t x f xe （4-1） 一个系统不一定存在平衡点，但有时又可以有多个平衡点。
平衡点大多数在状态空间的原点0=e x 。
若平衡点不在原点，而是状态空间的孤立点，则可以通过坐标变换将平衡点移到原点。
经典控制理论：用传递函数描述线性定常系统，主要用特征函数0)(=s D 的极点分布、Routh （劳斯）判据、Hurwitz （胡尔维茨）判据、Nyquist （奈奎斯特）判据等来判别系统的稳定性。
现代控制理论：用状态空间描述MIMO 线性时变系统或非线性时变系统。
1) 根据系数矩阵A 的特征值即0)()()()()det(==-s f s f s f s f A sI O C O C O C CO 系统极点的分布来判别系统的稳定性。
0)(=s f CO 求出的是“既能控又能观”的极点，它也可以由传递函数求出；0)(=s f O C 求出的是“能控不能观”、0)(=s f O C 求出的是“不能控能观”、0)(=s f O C 求出的是“既不能控又不能观”部分的极点，他们由于“零极点相消”不能反映在传递函数中，因而也不能由传递函数求出；对线性定常系统，根据平衡点定义0)()(==t Ax t x，当0det ≠A ，则只有0=e x 一个平衡点。
如何优化物联网系统的性能和稳定性(七)
物联网系统是一个由物体、感知器、网络和数据处理器组成的网络系统，它能够实现物体之间的互联互通。
在现代社会中，物联网系统已经广泛应用于智能家居、智能城市、工业自动化等领域。
然而，由于物联网系统涉及的设备和技术繁多，其性能和稳定性一直是人们关注的焦点。
因此，如何优化物联网系统的性能和稳定性成为一个迫切需要解决的问题。
首先，要优化物联网系统的性能，需要从硬件设备和网络方面入手。
物联网系统中的传感器、执行器、数据处理器等硬件设备需要具备高性能和高稳定性，才能保证系统的正常运行。
因此，在选择硬件设备时，应该选择质量可靠、性能优越的产品，尽量避免使用劣质设备。
另外，物联网系统的网络也是至关重要的一环，稳定的网络可以保证设备之间的通信畅通，从而提高系统的性能。
可以采用网络优化技术，如负载均衡、带宽控制等手段，来提高网络的稳定性和吞吐量，从而优化物联网系统的性能。
其次，在优化物联网系统的性能过程中，数据的处理和管理也是至关重要的。
物联网系统产生的海量数据需要进行高效的处理和管理，以便为用户提供准确、及时的信息。
在数据处理方面，可以采用分布式计算、大数据分析等技术，对数据进行快速处理和分析，提高数据的利用率和价值。
在数据管理方面，可以采用数据库集群、数据备份等手段，确保数据的安全性和可用性，从而优化物联网系统的性能。
另外，优化物联网系统的稳定性也是至关重要的。
物联网系统中涉及的设备繁多，设备之间的故障可能会对系统的稳定性造成影响。
因此，在优化物联网系统的稳定性时，需要重点关注设备的监控和维护。
可以采用设备远程监控技术，实时监控设备的运行状态和健康状况，及时发现并处理设备故障，提高系统的稳定性。
另外，设备维护也是提高系统稳定性的重要手段，定期对设备进行检修和保养，延长设备的使用寿命，降低系统的故障率。
除此之外，物联网系统的安全性也是影响系统稳定性的重要因素。
在优化物联网系统的稳定性时，需要重点关注系统的安全性。
可以采用安全防护技术，如防火墙、入侵检测系统等手段，保护系统免受恶意攻击和病毒侵害，提高系统的稳定性。
第三章(2)性能改善、稳定性详述
C(s)
图3-18 控制系统的方块图
只要令
Kd
2 n
就可以实现系统在稳态时, 无误差地跟踪单位斜坡输入。
eSS
lim
S 0
SE(s)
lim
S 0
S S
2n Kdn2 2 2nS n2
2 n
Kd
例题:设一随动系统如图所示，要求系统的超调量为0.2，峰值
时间 t p ，1S 求①求增益K和速度反馈系数 。
将式（3-47）用部分分式展开，得
C(s)
A0 S
q Aj j1 S Pj
r k 1
Bk
(S
k nk ) Ck nk S 2 2 k nk S
1k2
(3 48)
q
r
r
C(t) A0
Ajepjt
Bk eknkt sinnk 1 k 2 t
C eknkt k
cosnk
1k2t
Amplitude
Step Response 1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
Time (sec)
Linear Simulation Results 10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
比例－微分控制 结构简单、成本低 抗干扰能力弱 开环增益不变 较差
测速反馈控制 结构复杂、成本高 抗干扰能力强 开环增益降低 较好
例题 如图所示的系统，单位阶跃响应如图所示的，求K和T。
R(s)
- 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)。
例1 系统结构图如图所示。
求开环增益K 分别为10，，时系统的动态性能指标。
计算过程及结果列表K计算 10开环 传递 函数 )1(10)(1+=s s s G)1(5.0)(2+=s s s G )1(09.0)(3+=s s s G 闭环 传递 函数1010)(21++=Φs s s5.05.0)(22++=Φs s s09.009.0)(23++=Φs s s特征参数⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧︒===⨯===81arccos 158.016.32116.310ξβξωn ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧︒===⨯===45arccos 707.0707.021707.05.0ξβξωn ⎪⎩⎪⎨⎧=⨯===67.13.0213.009.0ξωn 特征根12.35.02,1j ±-=λ5.05.02,1j ±-=λ⎩⎨⎧-=-=9.01.021λλ⎩⎨⎧==11.11021T T 动态 性能 指标22100001.01160.43.5 3.570.5p ns n t et ξπξπξωσξω--⎧==⎪-⎪⎪==⎨⎪⎪===⎪⎩⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=====-=--75.35238.610010022n s np t et ξωσωξπξξπ ()12211100931,0s s pT T t t T T t λλσ⎧==⎪=⋅=⎨⎪=∞=⎩调整参数可以在一定程度上改善系统性能，但改善程度有限§3.3.4 改善二阶系统动态性能的措施（1） 测速反馈 —— 增加阻尼 （2） 比例+微分 —— 提前控制例 2 在如图所示系统中分别采用测速反馈和比例+微分控制，其中10K =，216.0=t K 。
分别写出各系统的开环传递函数、闭环传递函数，计算动态性能指标（σ％，s t ）并进行对比分析。
原系统、测速反馈和比例+分控制方式下系统性能的计算及比较原系统 测速反馈比例 + 微分系统 结构图开环 传递函数 )1(10)(+=s s s G a)1()1(10)(++=s s s K s G t b)1()1(10)(++=s s s K s G t c闭环 传递函数 210()10a s s s Φ=++ 10)101(10)(2+++=Φs K s s t b 10)101()1(10)(2++++=Φs K s s K s tt c 系统参数ξ1100.216210+⨯=1100.216210+⨯=n ω10 3.16= 10 3.16=10 3.16=开环零点 — 极点 0，-１ 0，-１ 0，-１闭环零点 — — 110.216t z K --===极点 ± ± ± 动态 性能p t0σ％ ％ ％ s t7零点极点法 （ P75 表3-7 ）9.074.273.014.3=-=-=D t p θπ1 1.580.90004.121.44.63p t E e e F σσ--⨯===258.163.41.474.216.3ln 3ln 31=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛+=σF E D A t sp t Dπ-θ= ，%100%1p t e F E σσ-= 13ln s A E D F t ⎛⎫⎛⎫+ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭=σ改善系统性能的机理：测速反馈——增加阻尼比例+微分——提前控制[仿真计算]附加开环零点对系统性能的影响附加闭环零/极点对系统性能的影响§ 高阶系统的阶跃响应及动态性能§3.4.1 高阶系统单位阶跃响应mn s z s K a s a s a s a b s b s b s b s D s M s nj jm i i n n n n m m m m ≥--=++++++++==Φ∏∏==----1101110111)()()()()(λΛΛ∏∏==--=⋅Φ=n j j mi i s s z s K ss s C 11)()(1)()(λ∑==-'+⋅=n j js s s D s s M s D M j11)()(1)0()0(λλ∑==⋅'+=n j ts k je s D s s M D M t c 1)()()0()0()(λλ()∑∑±-=--=-=++⋅'+=dii i i i i ij i di t i t s t e A e s D s s M D M ωσλσαλααϕωsin )()()0()0(§3.4.2 闭环主导极点主导极点：距离虚轴最近而且附近又没有闭环零点的闭环极点§3.4.3 估算高阶系统动态性能指标的零点极点法（1） ⇒Φ)(s 闭环零极点图；（2） 略去非主导零极点和不非常靠近虚轴的“偶极子”，保留主导极点； （3） 按P75表3-7相应公式估算系统动态性能。
表3-7 动态性能指标估算公式表系统名称闭环零、极点分布图性能指标估算公式振荡二阶系统Dtpπ=，%100%1p teσσ-=1ln3σ⎪⎭⎫⎝⎛+=DAtsDtpθπ-=，%100%1p teFEσσ-=1ln3σ⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛+=FEDAts振荡型三阶系统Dtpα=，21⎪⎭⎫⎝⎛-=BAc，DCBAc⋅=2%100%11⎪⎭⎫⎝⎛+=--ppctt eceBCσσ时%ln312≠+=σσcts时%ln31=+=σCctsDtpα=，⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛-=FCBAc121，FEDCBAc⋅⋅=2% 100%11⎪⎭⎫⎝⎛+⋅=--ppctt eceFEBCσσ时），0%(ln3112≠>+=σσσCcts时），（0%ln311=<+=σσCCcts非振荡型三阶系统)(1ln1ln332113121σσσσσσσσ≠≠⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=st)1.1,(1ln1ln1ln31321131211时σσσσσσσσσσ>≠≠⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎭⎫⎝⎛--=FFts——————结束——————关于开环传递函数的写法问题1(1)(1)()[1]11(1)1t t t K KK s s s s G s KK s KK s s KK s s s ++===++++++12()(1)t Ks s KK s KΦ=+++2(1)()(1)(1)(1)t t K K s KG s K s s s s s +=+=++2(1)()(1)(1)(1)1(1)t t KK s s s K K s s s K K s s s +Φ==++++++ 2(1)t Ks KK s K =+++问题讨论：1．开环增益会影响系统的动态性能指标吗？2．闭环增益会影响系统的动态性能指标吗？3．系统的动态性能指标与闭环极点有关，与闭环零点也有关吗？——————结束——————4．测速反馈改善系统性能的机理——增加阻尼比例+微分改善系统性能的机理——提前控制两种方法的比较5．附加开环零点的作用6．附加闭环零（极）点的作用2-15 试绘制图2-36所示信号流图对应的系统结构图。
解.§ 线性系统的稳定性分析§3.5.1 稳定性的概念§3.5.2稳定的充要条件0)(lim =∞→t k t)()()()()()()()()(2121n n m m s s s a z s z s z s b s D s M s λλλ------==ΦΛΛ∑=-=-++-+-=Φ=ni ii n n s A s A s A s A s s C 12211)()(λλλλΛ∑==++=ni ti tn tti n i e A eA eA eA t k 1212)(λλλλΛ0lim )(lim 1∑=∞→∞→==ni ti t t i eA t k λ0lim =∞→tt i e λ n i ,,2,1Λ= 系统稳定的充要条件：系统闭环特征方程的所有根都具有负的实部，或所有闭环特征根均位于左半s 平面。
§3.5.3 稳定判据0)(0111=++++=--a s a s a s a s D n n n n Λ 0>n a（1）判定稳定的必要条件0>i a 1,,2,1,0-=n i Λ08964)(245=++++=s s s s s D 010275)(234=-----=s s s s s D（2）劳斯判据例3 系统特征方程，判定系统是否稳定。
010275)(234=++++=s s s s s D ，解 列劳斯表（3）劳斯判据特殊情况的处理例4 系统特征方程023)(3=+-=s s s D ，判定系统稳定性。
解 列劳斯表4s 1 7 10 3s 5 2 02s33/5 101s-184/33 有2个正实部根0s10例5 已知系统特征方程，判定系统是否稳定性。
025*******)(2345=+++++=s s s s s s D ，解 列劳斯表（4）劳斯判据的应用例6 某单位反馈系统的开环零、极点分布如图所示，判定系统能否稳定，若可以稳定，确定相应的开环增益范围。
解 依题意有()()()223)1(9131)(--=--=s s K s s K s G3s1 -32s0 ←ε2第一列元素若出现0，用ε代替1s (-3ε-2)/ε 有2个正实部根s25s 1 12 354s3 20 253s316 1 380 5 02s5 1 25 5 01s0 2 0 0 出现全0行时，构造辅助方程05)(2=+=s s F 02)(=='s s F0s25不存在右半s 平面的极点()()()()01969193)(22=-+-+=-+-=K s K s s K s s D⎩⎨⎧>->-01069K K132<<K 。
系统闭环稳定与开环稳定之间没有直接关系 例7 系统结构图如图所示，（1）确定使系统稳定的开环增益K 与阻尼比ξ的取值范围，画出相应区域； （2）当2=ξ时，确定使系统极点全部落在直线1-=s 左边的K 值范围。
解．（1） )10020()(2++=s s s K s G aξ100a K K =010010020)(23=+++=K s s s s D ξ列劳斯表3s1 1002sξ20K 1000>→ξ1sξξ20)1002000(K -0 K >→ξ20 0sK 1000>→K（2）令 1-=s s )K s s s s D 100)1(100)1(20)1()(23+-+-+-=))))ξ代入2=ξ，整理得)61100(2337)(23-+++=K s s s s D ))))3s 1 232s3761100-K1s 37)100612337(K -+⨯ 0 12.9<→K0s61100-K61.0>→K所以有 12.961.0<<K 。