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。
《机械控制工程基础》课程教学大纲
《机械控制工程基础》课程教学大纲一、课程基本信息1．课程编号:MACH4008012．课程体系/类别：专业类/专业核心课3．学时/学分：56学时/3学分4．先修课程:高等数学、积分变换、理论力学、电工电子技术、机械设计基础、大学计算机基础、高级程序设计5．适用专业:机械大类专业(包括机械工程、车辆工程、测控技术与仪器、能源与动力工程和工业工程）二、课程目标及学生应达到的能力《机械控制工程基础》是西安交通大学机械类专业的一门专业核心课程，主要授课内容是运用现代数学知识、自动控制理论和信息技术来分析、设计典型机电控制系统。
旨在培养学生运用科学方法和工具来解决机械工程基本问题的系统分析设计能力、综合创新能力。
本课程的主要任务是通过课堂教学、计算机仿真实训、实验教学等教学方式,使学生掌握实现机械系统自动控制的基本理论；学会典型机电系统的数学建模、运行性能分析和系统设计、校正与补偿等基本知识和基本技能;具有基本的机电控制系统分析设计能力，以及对复杂机械系统的控制问题进行分析、求解和论证的能力，并了解机械控制领域的新理论和新技术,支撑毕业要求中的相应指标点。
课程目标及能力要求具体如下：课程目标1。
掌握机械控制系统的基本概念和组成原理,具备自动控制原理与系统的基础概念；掌握典型机电传动单元与系统的数学建模方法；掌握机电系统的时域和频域分析设计校正方法。
（毕业要求中的第1)课程目标2。
培养学生对机械控制工程中复杂问题的分析能力，能够对复杂机械控制系统进行分析、设计，并能够采用相关软件进行模拟仿真,能够构建实验控制系统进行分析研究，具有研究和解决机械控制工程问题的能力。
（毕业要求中的第2、4）课程目标3.初步了解机械系统常用的控制方法，以及现代控制和智能控制的原理，了解机械控制理论的现状与发展趋势.培养学生运用机械控制工程领域新技术新方法对复杂机械工程中的系统控制问题进行理论分析、实验研究的能力.(毕业要求中的第4）三、课程教学内容与学时分配）四、课程教学方法(一)课堂讲授（40学时）1．采用启发式教学，通过结合具体如机器人控制系统、机床运动控制系统、液压伺服控制系统等实例教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己想学到的知识。
阶电路和二阶电路的时域分析.outpu
全响应是零输入响应和零状态响应的叠加。在响应过程中，电压或电流既包含瞬态分量（ 由初始状态引起），也包含稳态分量（由外部激励引起）。
分析方法
通过求解电路的一阶微分方程，可以得到全响应的数学表达式。根据初始条件、激励源的 形式和电路参数，可以确定响应的具体形式。同时，可以利用叠加原理将全响应分解为零 输入响应和零状态响应两部分进行分析。
冲激响应
01
定义
冲激响应是指电路在冲激信号作用下的响应。冲激信号是 一种在某一时刻瞬间出现并立即消失的信号，具有极短的 持续时间和极大的幅度。
02 03
性质
冲激响应具有瞬态性质，表现为电路在冲激信号作用下的 瞬间反应。冲激响应的幅度和持续时间取决于电路的结构 和参数。
分析方法
对于一阶电路和二阶电路，可以通过求解电路微分方程得 到冲激响应的解析表达式。同时，也可以利用电路仿真软 件进行数值分析。在实际应用中，常常利用卷积定理将冲 激响应与输入信号进行卷积运算，从而得到电路的零状态 响应。
两者之间的关系
联系
阶跃响应和冲激响应都是描述电路在 特定信号作用下的时域行为。它们都 可以通过求解电路微分方程得到，并 且可以利用电路仿真软件进行数值分 析。
区别
阶跃响应描述的是电路在阶跃信号作 用下的响应，而冲激响应描述的是电 路在冲激信号作用下的响应。阶跃信 号是一种持续存在的信号，而冲激信 号是一种瞬间出现的信号。因此，阶 跃响应和冲激响应在时域上具有不同 的特性。
探索新的数学工具和分析方法， 提高时域分析的精度和效率。
结合实际应用需求，研究电路的时域 响应特性和稳定性问题，为电路设计 提供更加全面和深入的理论指导。
THANKS
感谢您的观看
有广泛的适用性。
自动控制原理一阶系统时域分析
1
c(t) 1 et/T
T
T
初始斜率为 1T 2 0.368/T
0.135/T 0.05/T 0.018/T
0
T 2T 3T 4T
t
单位脉冲响应曲线
2020/6/17
三、一阶系统单位斜坡响应
r(t) t
R(s)
1 s2
C (s) (s)R(s) 1 1TT s2(Ts1) s2 s s1
T
c (t) L 1 [C (s) ]t T T t/e T
c(t) 初始斜率为1/T 1 0.865 0.95 0.982 0.632 h(t)=1-e-t/T
2020/6/17
0
T 2T 3T 4T
t
单位阶跃响应曲线
性能指标： （1）延迟时间：td=0.69T （2） 上升时间：tr=2.20T
td
c(td)1e T 0.5
t1
c (t1 ) 1 e T 0 .1
（3）调节时间：ts=3T (△=0.05)
t2
c(t2 ) 1 e T 0 .9
ts
c(ts)1eT 0.95
tr t2 t1
（4）稳态误差ess:
e s s r ( ) c ( ) 1 1 0
时间常数T反映系统的快速性
2020/6/17
例3.1 某一阶系统如图,(1) 当Kh=0.1时求调节时间ts, (2) 若要求ts= 求反馈系数 Kh .
2020/6/17
T
T
t
c(t)1eT c(0)0 ,c( )1
c& (t) 1eTt T
c& (0)1 T
2020/6/17
t
c(t)1eT c(0)0 ,c( )1
电路第7章一阶二阶电路
目录
• 一阶电路 • 二阶电路 • 一阶二阶电路的应用 • 一阶二阶电路的实验
01
一阶电路
一阶电路的定义
总结词
一阶电路是指包含一个动态元件的电 路。
详细描述
一阶电路通常由一个电感或电容等动 态元件与电阻、电压源或电流源等其 他元件组成。这种电路中只有一个动 态元件，因此被称为一阶电路。
详细描述
在时域分析中，我们通过建立和求解一阶微分方程来分析一阶电路的行为。频域分析则是将电路转换 为频域，通过分析频率响应来了解电路的性能。这两种方法各有优缺点，适用于不同类型的问题和场 景。
02
二阶电路
二阶电路的定义
总结词
二阶电路是指包含两个动态元件的线性电路。
详细描述
在电路理论中，二阶电路是由两个动态元件组成的线性电路。动态元件是指其电压或电流随时间变化的元件，如 电感器和电容器。线性是指电路中的元件关系满足线性关系，即输出与输入成正比。
二阶电路的特性
总结词
二阶电路具有振荡和过阻尼两种特性。
详细描述
二阶电路的特性主要取决于其阻尼比。当阻 尼比大于1时，电路呈现过阻尼特性，系统 将逐渐稳定；当阻尼比小于1时，电路呈现 振荡特性，系统将产生周期性振荡。此外， 二阶电路还具有能量存储和转换的特性，能
够实现电能与其他形式能量的转换。
二阶电路的分析方法
频谱分析
一阶二阶电路可以用于频谱分析， 将信号分解成不同频率的成分， 以便进一步处理。
调制解调
一阶二阶电路可以用于调制解调， 将信号从一种形式转换为另一种 形式，以便传输或处理。
04
一阶二阶电路的实验
一阶电路的实验
实验目的
通过实验了解一阶电路的响应特性，掌握一阶电路的时 域分析方法。
二阶系统的时域分析
二阶系统的时域分析二阶系统是指系统的传递函数为二次多项式的系统。
在控制工程中，常常会遇到这样一类系统，例如惯性系统、机械系统等。
对于这些二阶系统，我们不仅可以通过频域分析来研究其特性，还可以通过时域分析来了解其动态特性。
在进行二阶系统的时域分析时，可分为稳态分析和暂态分析两个方面。
稳态分析主要关注系统的稳定性、稳定偏差以及稳态响应等问题。
稳定性是指系统在输入信号恒定时是否能够收敛到一些有限的值。
对于二阶系统来说，稳定性分为两种情况：一是欠阻尼情况下的稳定性，二是过阻尼情况下的稳定性。
在欠阻尼情况下，系统的特征根是共轭复根，且位于单位圆内。
此时，系统的稳定性与初始条件无关，即系统总是能够收敛到稳态。
而且系统的稳态响应的振幅会发生一定的振荡，并随着时间逐渐减小。
该振荡的周期与系统的倍率有关，即与特征根的幅值有关。
在过阻尼情况下，系统的特征根是两个实根，分别对应着减震时间常数的倒数，且位于负实轴上。
此时，系统的稳态响应不会有振荡的情况发生，而是指数衰减的趋势。
稳态响应的衰减速率与特征根的位置有关，即与特征根的实部大小有关。
对于稳态偏差问题，我们可以通过查表法或直接计算法来求解。
稳态偏差是指系统在输入信号恒定时的输出值与预期值之间的差距。
通过分析系统的传递函数，我们可以得到系统的静态增益，从而计算出稳态偏差。
在暂态分析中，我们主要关注系统的动态响应，即系统在输入信号改变时的响应情况。
对于二阶系统来说，主要有两种典型的暂态响应情况：一是阻尼振荡响应，二是临界阻尼响应。
阻尼振荡响应是指系统在欠阻尼情况下的响应。
在这种情况下，系统会产生一定幅值的振荡，振荡的周期与系统的阻尼比有关，即与特征根的实部大小有关。
临界阻尼响应是指系统在特征根位于负实轴上时的响应。
此时，系统的响应既没有振荡也没有超调现象，而是以较快的速度趋近于稳态响应。
在实际工程中，我们可以通过使用MATLAB等软件工具来进行二阶系统的时域分析。
通过绘制系统的单位阶跃响应曲线、脉冲响应曲线以及动态响应曲线，并结合特征根分析法，可以对系统的动态特性进行深入研究。
自动控制原理控制系统的数学模型
自动控制原理控制系统的数学模型自动控制原理是现代控制工程学的基础，在控制系统的设计中起着至关重要的作用。
控制系统的数学模型是指通过数学方法对控制系统进行建模和描述，以便分析和设计控制系统的性能和稳定性。
控制系统的数学模型可以分为时域模型和频域模型两种形式。
一、时域模型时域模型是描述控制系统在时间域上动态行为的数学表达式。
时域模型是基于系统的差分方程或微分方程的。
1.线性时不变系统的时域模型对于线性时不变系统，可以通过系统的微分方程或差分方程来建立时域模型。
常见的时域模型包括：-一阶系统的时域模型：y(t)=K*(1-e^(-t/T))*u(t)-二阶系统的时域模型：y(t)=K*(1-e^(-t/T))*(1+t/Td)*u(t)2.非线性系统的时域模型对于非线性系统，时域模型可以通过系统的状态空间方程来建立。
常见的非线性系统时域模型包括：- Van der Pol方程： d^2x/dt^2 - μ(1 - x^2) * dx/dt + x = 0 - Lorenz方程：dx/dt = σ * (y - x), dy/dt = rx - y - xz, dz/dt = xy - βz二、频域模型频域模型是描述控制系统在频域上动态行为的数学表达式。
频域模型是基于系统的传递函数或频率响应函数的。
1.传递函数模型传递函数是系统的输入和输出之间的关系，是频域模型的核心。
传递函数可以通过系统的拉普拉斯变换或Z变换得到。
常见的传递函数模型包括：-一阶系统的传递函数模型：G(s)=K/(T*s+1)-二阶系统的传递函数模型：G(s)=K/(T^2*s^2+2ξ*T*s+1)2.频率响应模型频率响应函数是系统在不同频率下的输出和输入之间的关系。
频率响应函数可以通过系统的传递函数模型进行计算。
常见的频率响应模型包括：-幅频特性：描述系统在不同频率下的增益变化-相频特性：描述系统在不同频率下的相位变化控制系统的数学模型是对系统动态行为的数学描述，通过对控制系统进行数学建模和分析，可以有效地设计和优化控制系统，提高系统的性能和稳定性。
第三章 控制系统的时域分析—1引言及一阶系统时域分析
稳定性指标（收敛、发散）
稳定是控制系统能够工作的首要条件，只有动态过程收 敛 (响应衰减)，研究动态性能与稳态性能才有意义。
收敛是指系统从一个状态运动到另一个状态，在其动态响应过 程中，振荡逐渐减弱并稳定在某一状态。反之则称为发散。
T
量衰减为零。在整个工作时间内，系统的响应都
不会超过其稳态值。由于该响应曲线具有非振荡
特征，故也称为非周期响应。
1 斜率 1
T 0.632
C(t) 0.95
T
3T
图中响应曲线的初始斜率（t=0时）为 1/T。如果系统保 持初始响应的变化速度不变，则当t=T时，输出量就能达 到稳态值。实际上，响应曲线的斜率是不断下降的，经
过T时间后，输出量c(t)从0上升到稳态值的63.2%。经过 3T-4T时， c(t)将分别达到稳态值的95%-98%。可见，时 间常数T反应了系统的响应速度，T越小，输出响应上升 越快，响应过程的快速性也越好。
c(t) 1 exp( t ) T
由上式可知，只有当t趋于无穷大时，响应的瞬 态过程才能结束，在实际应用中，常以输出量达到 稳态值的95%或98%的时间作为系统的响应时间 （即调节时间），这时输出量与稳态值之间的偏差 为5%或2%。
t
c(t)
c(t) 1 e T
ess
lim
t
e(t)
0
1
1 T
0.632
动态性能指标：
63.2% 86.5% 95% 98.2% 99.3%
td 0.69T tr 2.20T
t
在Matlab中进行模拟系统建模与仿真
在Matlab中进行模拟系统建模与仿真简介MATLAB（Matrix laboratory）是一种高级计算环境和编程语言，广泛用于工程、科学和数学领域的数据分析、可视化和算法开发。
在MATLAB中，我们可以使用各种工具箱和功能来进行系统建模和仿真。
本文将介绍一些MATLAB中进行模拟系统建模与仿真的方法和技巧，以帮助读者更好地理解和应用这个强大的工具。
一、系统建模1. 确定系统的输入和输出在进行系统建模之前，首先要明确系统的输入和输出。
系统的输入是指进入系统的外部信号或变量，而系统的输出是指系统产生的响应或结果。
了解系统的输入和输出有助于我们理解系统的工作原理并进行模型构建。
2. 建立传递函数模型传递函数模型是系统建模中常用的一种数学模型。
它通过输入和输出之间的关系来描述系统的动态行为。
在MATLAB中，我们可以使用tf函数来建立传递函数模型。
例如，假设有一个二阶系统，可以通过以下代码建立其传递函数模型：```matlabnum = [1];den = [1, 1, 1];sys = tf(num, den);```3. 建立状态空间模型状态空间模型是描述系统动态行为的另一种常用模型。
它通过系统的状态变量和输入之间的关系来表示系统的行为。
在MATLAB中，我们可以使用ss函数来建立状态空间模型。
例如，假设有一个二阶系统，可以通过以下代码建立其状态空间模型：```matlabA = [0, 1; -1, -1];B = [0; 1];C = [1, 0];D = 0;sys = ss(A, B, C, D);```二、系统仿真1. 时域仿真时域仿真是通过对系统输入信号进行时间积分来模拟系统的行为。
在MATLAB中，我们可以使用sim函数来进行时域仿真。
例如，假设有一个输入信号u和一个系统sys，可以通过以下代码进行时域仿真：```matlabt = 0:0.01:10; % 时间范围u = sin(t); % 输入信号[y, t] = sim(sys, t, u); % 仿真结果```2. 频域仿真频域仿真是通过对系统输入信号进行傅里叶变换，并与系统的传递函数进行频域计算来模拟系统的行为。
自动控制原理 第二十一章 频率特性和时域性能指标的关系
Ts 1
L( )
3dB
c
1 T
b log
频域性能指标：
由频b 宽的c 定T1义知：A(我b们) 知1道2 一A(0阶) 惯 0性.70环7 ,节20的log调A整(时bt)s间是33Td：(B, 5)
则频宽越大，调整时间越小。
二阶系统：
开环频率特性为：Gk ( j
第七节 频率特性和时域性能指标的 关系
主要内容
通过频率特性曲线获得稳态性能指标 频率域性能指标 频率域特性指标与时域瞬态指标的关系
一、稳态性能指标分析：
如果通过频率特性曲线能确定系统的无差度阶数 （即积分
环节的个数）和开环放大系数k的话，则可求得系统的稳态误差。 （见第三章第六节 稳态误差分析）
数定义为幅值稳定裕度。所对应的频率 称为相角穿越频率。
即
L
hA2(01 lgg)，A(满 足)。
(
) 180 。实际中常用对数幅值稳定裕度
相角稳定裕度 系统开环频率特性的幅值为1时，系统开环频率特性的相角
与180 之和定义为相角稳定裕度，所对应的频率 称为系统截 止频率或幅值穿越频率。即 180 ( ) ， 满足 A( ) 1
闭环频率特性为：( j)
)
(
n2
(
j)((
j ) 2
n2
2
n
(
j)2 2 n ( j) n
j ))
2 A(
)e
j
(
)
频域性能指标主要有相位稳定裕度（开环指标）和频宽、谐振
峰值（闭环指标）。
幅频特性为：A()
n2
(n2 2 )2 (2 n )2
由带宽的定义知当 A()
1 A(0) 2
一阶和二阶系统的动态特性参数 - 机电一体化
一阶和二阶系统的动态特性参数 - 机电一体化检测系统的时域动态性能指标一般都是用阶跃输入时检测系统的输出响应，即过渡过程曲线上的特性参数来表示。
1．一阶系统的时域动态特性参数一阶测量系统时域动态特性参数主要是时间常数及与之相关的输出响应时间。
（1）时间常数时间常数是一阶系统的最重要的动态性能指标，一阶测量系统为阶跃输入时，其输出量上升到稳态值的63.2％所需的时间，就为时问常数。
一阶测量系统为阶跃输入时响应曲线的初始斜率为1／。
（2）响应时间当系统阶跃输入的幅值为A时，对一阶测量系统传递函数式（1-54）进行拉氏反变换，得一阶测量系统的对阶跃输入的输出响应表达式为（1）其输出响应曲线如图1所示。
从式（1）和图1，可知一阶测量系统响应Y（t）随时间t增加而增大，当t=∞时趋于最终稳态值，即y（∞）=kA。
理论上，在阶跃输入后的任何具体时刻都不能得到系统的最终稳态值，即总是y （t∞）<ka。
因而工程上通常把tr=4（这时有一阶测量系统的输出y （4τ）≈ y （∞）×98.2％=0．982kA）当作一阶测量系统对阶跃输入的输出响应时间。
一阶检测系统的时间常数越小，其系统输出的响应就越快。
顺便指出，在某些实际工程应用中根据具体测量和试验需要，也有把tr=5或tr=3作为一阶测量系统对阶跃输入输出响应时间的情况。
</ka。
因而工程上通常把t图1 一阶测量系统对阶跃输入的响应2．二阶系统的时域动态特性参数和性能指标对二阶测量系统，当输入信号x（t）为幅值等于A的阶跃信号时，通过对二阶测量系统传递函数式进行拉氏反变换，可得常见二阶测量系统（通常有01，称为欠阻尼）的对阶跃输入的输出响应表达式上式右边括号外的系数与一阶测量系统阶跃输入时的响应相同，其全部输出由二项叠加而成。
其中一项为不随时间变化的稳态响应KA，另一项为幅值随时间变化的阻尼衰减振荡（暂态响应）。
暂态响应的振荡角频率wd称为系统有阻尼自然振荡角频率。
二阶系统频域指标与动态时域指标之间的对应关系
一、概述在控制系统工程中，频域指标和时域指标是评价系统性能的重要标准。
二阶系统是一类简单且常见的动态系统，其频域指标和时域指标之间存在一定的对应关系。
本文将探讨二阶系统频域指标与动态时域指标之间的对应关系，以及在实际工程中的应用。
二、二阶系统概述1. 二阶系统的数学描述二阶系统是指具有两个传递函数零点和两个传递函数极点的动态系统。
其数学模型可以用如下的传递函数形式表示：$$ G(s) = \frac{K}{s^2 + 2ζω_ns + ω_n^2} $$其中，K为系统的增益，ζ为阻尼比，ω_n为自然频率。
2. 二阶系统的特性二阶系统在频域和时域上有着特定的性能指标，包括频域指标如增益裕度、相位裕度、共振峰值等，以及时域指标如上升时间、峰值时间、定时时间等。
三、频域指标与动态时域指标的对应关系1. 增益裕度与峰值时间的关系在频域分析中，增益裕度是指系统在开环增益相对于临界增益时的增益范围。
而峰值时间是指系统的输出响应中出现的最大过渡过程时间。
二者之间存在如下的关系：$$MG = \frac{1}{\sqrt{1 - ζ^2}}$$$$Tp = \frac{π}{ω_n\sqrt{1 - ζ^2}}$$其中，MG为增益裕度，Tp为峰值时间。
2. 相位裕度与上升时间的关系相位裕度是指系统在开环相位相对于-180°时的相位范围。
上升时间是指系统输出响应从初始稳态值上升到峰值的时间。
二者之间的关系可以表示为：$$PM = \frac{1}{2ζ\sqrt{1 - ζ^2}}$$$$Tr = \frac{π}{ω_n\sqrt{1 - ζ^2}}$$其中，PM为相位裕度，Tr为上升时间。
3. 共振峰值与峰值时间的关系共振峰值描述了系统在共振频率处的增益倍数。
而峰值时间则是描述了系统输出响应中的最大过渡过程时间。
二者的关系如下：$$M_p = \frac{1}{2ζ\sqrt{1 - ζ^2}}$$$$Tp = \frac{π}{ω_n\sqrt{1 - ζ^2}}$$其中，M_p为共振峰值，Tp为峰值时间。
- 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)。
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。