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1、3.5控制系统的稳态误差3.5控制系统的稳态误差描述控制系统的微分方程_+ .,. + _+tcXir1d yd ydyg +1+ + Qi I- Qa# = bm护护一】成(3.73)式(3.73 )是一个高阶微分方程，方程的解可以表示为讥= 27血十皿贰口仙虫十0詁 +血)丿(3.74)式中，前两项是方程的通解，而乳力是方程的一个特解。随时间的增大，方程的通解逐渐减小，方程的解 y(t)越来越接近特解財&)。当tTg时，方程的通 解趋于零讥00)= t/ (co这时系统进入了稳定状态。特解是由输入量确定的，反映了控制的目标和要 求。系统进入稳态后，能否达到预期的控制目的，能否满足必要的控制
2、精度，要 解决这个问题，就必须对系统的稳态特性进行分析。 稳态特性的性能指标就是稳 态误差。3.5.1 稳态误差控制系统的误差可以表示为呛)二皿)-W)(3.75)式中厶二是被控制变量的期望值，y(t)是被控制变量的实际值，即控制系统的 输出。稳定的控制系统，在输入变量的作用下，动态过程结束后，进入稳定状态的误差, 称为稳态误差eSfl= $沏 eft)* Go(j)图3.23单位反馈和非单位反馈系统(a)单位反馈系统；(b)非单位反馈系统在控制工程中，常用控制系统的偏差信号来表示误差。对图3.23 (a)所示的单位反馈系统，误差与偏差的含义是相同的，即(3.76)啲=r(t) - y(i)式
3、中r(t)为系统的给定值，也就是输出y(t)的期望值。单位反馈系统的稳态误 差为：盼=呛)火)T T g(3.77)对图3.23(b)所示的非单位反馈系统，因为反馈变量f(t)并不与输出变量y(t)完全相同，所以给定值与反馈变量之差，即偏差并不是(3.75 )式意义上的误差。 但如果反馈环节H(s)不含有积分环节，在，时，由于暂态项的消失，反馈量凡8)与输出量讥8)之间就只差一个比例系数我们认为反馈量可以代表输出 量，于是，定义非单位反馈系统的误差为:_； |(3.78)式中r(t)是非单位反馈系统的给定值，f(t)是反馈信号。根据图3.23( b)非单 位反馈系统各环节间信号的关系，可得如果
4、把单位反馈系统看成是一般反馈系统的特殊情况，则（3.79 ）式就被定义为控制系统误差的拉普拉斯变换表达式。根据拉普拉斯变换的终值定理得Um 1恥)tO 1+Gg吩)(3.80)式（3.80）表明，控制系统的稳态误差不仅仅是由系统本身的特性决定的，还与 输入函数有关。同一个系统在输入信号不同时，可能有不同的稳态误差。也就是 说控制系统对不同的输入信号，控制精度是不同的。3.5.2 积分环节对稳态误差的影响式（3.80 ）中的开环传递函数可以表示为(3.81)式中K表示系统的开环放大系数。N表示开环传递函数所包含的积分环节数。在 分析控制系统的稳态误差时，我们根据系统开环传递函数所含的积分环节数来
5、对 系统进行分类。若N=0,即控制系统开环传递函数不含积分环节， 称为0型系统 若N=l,则称为I型系统。N= II ,称为U型系统。现在，我们来讨论不同类型的 控制系统在典型输入信号作用下的稳态误差。1.单位阶跃函数输入下的稳态误差单位阶跃函数输入下系统的稳态误差为0 1十恥皿）$lim占t 0(3.82)如果我们定义KP=唐皿Gg（sH5 -sO（3.83）式中订称为位置误差系数，则单位阶跃输入下系统的稳态误差为对于0型系统11十玛k n （邛十1）G治）刊）=n（血十1）s = 1KP=【沏 G)H(s) = K j 0稳态误差为(3.84)(3.85)(3.86)(3.87)式（3.8
6、7）说明，0型系统在单位阶跃输入下是有稳态误差的。所以我们称 0型 系统对单位阶跃输入是有差系统。可以通过增大开环放大系数 K使稳态误差减 小，但不能消除，因为系统本身的特性决定了稳态误差不可能完全消除。对于I型或U型系统：系统的开环传递函数为k n (邛+i)恥归=n 1n e 十 i)k n (牛+1)g 如 or / H (d + i)节。可以看出，积分环节具有消除稳态误差的作用2.单位斜坡函数输入的稳态误差单位斜坡函数输入下控制系统的稳态误差为(3.89)(3.90)(3.91)系统必须含有积分环s = 1(3.94)0 1十仇耳/=tsm $ 十 0 卩 + Gb(j)jf(jj定义
7、(3.93)K= !初心的 j 0则系统的稳态误差为式中，称为速度误差系数对于0型系统稳态误差为1(3.95)&3 00对于I型系统mk n +i)Kv = 沏 j . iI。介叶“3 口(邛 +1)d = 1稳态误差为=K(3.96)(3.97)式中K为系统的开环放大系数 对于U型系统K H d + l)Ke =曲 33 k QJ S3 2/ n g + 1)i = 1(3.98)稳态误差为0SS -=T 0(3.99)在单位斜坡函数输入下，0型系统的稳态误差为无穷大。这说明 0型系统不能跟 踪斜坡函数。I型系统虽然可以跟踪单位斜坡输入函数，但存在稳态误差，即I型系统对斜坡输入是有差的。若要
8、在单位斜坡函数作用下达到无稳态误差的控制 精度，系统开环传递函数必须含有二个以上的积分环节。3.单位抛物线函数输入下的稳态误差单位抛物线输入函数作用下系统的稳态误差为0 1+鸟耳J(3.定义(3.101)则有(3.102)式中称为加速度误差函数对0型系统1KM矿h.I。对表3.2典型输入信号作用卜系统的稳态误差系统类型误差系数输入r(t)=1输入r(t)=t1 2 输入 r(t)= 2XKpKyKa111x 1+ K riSK v*L+K 笛0型K001丄4 K11I型1K001 r1U型1k001ri型系统xa = o(3.104)对U型系统0S3 =K, = K1K(3.105)K为系统的
9、开环放大系数。在抛物线函数输入下，0型、I型系统都不能使用。U型系统则是有差的。若要消除稳态误差，必须选择川 型以上的系统。但系统中积分环节太多，动态特性 就会变坏，甚至使系统变得不稳定。工程上很少应用U型以上的系统。表3.2给出了典型输入函数作用下各型系统的稳态误差。从以上讨论中可以得出结论：积分环节具有消除稳态误差的作用。 这就是许多控 制系统中引入积分环节的原因。误差系数二:上卡是利用拉普拉斯变换终值定理得出的，它只是时间趋于无穷大时的值，因此是静态误差系数，它们并不反映误差随时间变化的情况。3.5.3 扰动作用下的稳态误差以上我们讨论了控制系统对给定值信号的稳态误差。在控制系统受到扰动
10、时，即 使给定值不变，也会产生稳态误差。系统的元件受环境影响、老化、磨损等会使 系统特性发生变化，也可以产生稳态误差。系统在扰动作用下的稳态误差大小反 映了系统抗干扰的能力。图3.24是一个控制系统的结构图。我们现在来讨论这个系统在扰动 d（t）作用下 的稳态误差。按叠加原理，我们假定 R（s）=O,系统中只有扰动输入。系统在扰动 作用下的输出为唤）=1十恥）酬円误差为利用拉普拉斯变换的终值定理得咯1+囂;仁严）(3.106)3.106 ）只适用图只要将二者叠加就值得说明的是，扰动稳态误差与干扰的作用点有关。所以式（3.24所示的系统。若要求系统在给定值输入和扰动输入同时作用下的稳态误差， 可以了。系统在扰动作用下的稳态误差也是系统的一项重要稳态特性指标。 例6 单位反馈系统前向通道的传递函数为10求系统在输入信号“心一 i工作用下的稳态误差。解 可以根据叠加原理分别求 7： - U的稳态误差本系统为I型系统，：=3为阶跃函数，二、一亠。因此有兀(t)为斜坡函数，稳态速度误差系数K*二10,由此得到2 2= K：IO=0-2仝为抛物线函数，稳态加速度误差系数,因此系统的稳态误差为e 勇=备+ e器 2 + e 覽? 1 jo
