控制系统的误差分析解析ppt课件

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1、第第7 7章章 控制系统的误差分析控制系统的误差分析7.1 误差的概念7.2 系统的类型7.3 静态误差7.4 动态误差 7.5 工程实例中的误差分析实例2024/7/261第第7 7章章 控制系统的误差分析控制系统的误差分析 对于一个实际的控制系统，由于系统的结构、输入作用的类型(给定量或扰动量)、输入函数的形式(阶跃、斜坡或加速度)不同，控制系统的稳态输出不可能在任何情况下都与输入量一致或相当，也不可能在任何形式的扰动作用下都能准确地恢复到原平衡位置。这类由于系统结构、输入作用形式和类型所产生的稳态误差称为原理性稳态误差原理性稳态误差。 此外，控制系统中不可避免地存在摩擦、间隙、不灵敏区等

2、非线性因素，都会造成附加的稳态误差。这类由于非线性因素所引起的系统稳态误差称为附附加加稳稳态态误误差差或结结构构性性稳稳态态误差误差。 控制系统的性能是由动态性能和稳态性能两部分组成，稳态性能用系统的稳态误差表示，它是系统控制精度的度量，一个符合工程要求的系统，其稳态误差必须控制在允许的范围内。 稳态误差表征了系统的精度及抗干扰能力。同时需要指出，稳态误差表征了系统的精度及抗干扰能力。同时需要指出，只有稳定的系统才存在稳态误差。只有稳定的系统才存在稳态误差。 2024/7/262第第7 7章章 控制系统的误差分析控制系统的误差分析 控制系统的性能是由动态性能和稳态性能两部分组成，系统的误差可以

3、分为动态误差和稳态误差。动态误差是指误差随时间变化的过程值，而稳态误差是指误差的终值。 瞬态响应的性能指标可以评价系统的快速性和稳定性，系统的准确性指标需用误差来衡量。 控制系统的准确性（或称精度）是对控制系统的基本要求之一，系统的精度是用系统的误差来度量的。 稳态性能用系统的稳态误差表示，它是系统控制精度的度量，一个符合工程要求的系统，其稳态误差必须控制在允许的范围内。2024/7/2637.1 7.1 误差的概念误差的概念 （1 1）误差）误差系统的误差指被控对象的希望输出信号 与实际输出信号 之差。 图图7.1 7.1 闭环控制系统误差信号方框图闭环控制系统误差信号方框图由图可见，希望输

4、出信号与输入信号之间关系如下： 则，误差信号为： 单位反馈情况下： （7.1） 2024/7/2647.1 7.1 误差的概念误差的概念 （2 2）偏差信号）偏差信号 控制系统的偏差信号 被定义为控制系统的输入信号 与控制系统的主反馈信号 之差，能够直接或间接地反映系统的希望输出值与实际输出值之差，而且在实际工程系统中便于测量。 图图7.1 7.1 闭环控制系统误差信号方框图闭环控制系统误差信号方框图控制系统的主反馈通道的传递函数实际输出信号为：（7.2） 2024/7/2657.1 7.1 误差的概念误差的概念 （3 3）误差信号）误差信号控制系统的误差信号 被定义为控制系统的希望输出信号

5、与控制系统的实际输出信号 之差。图图7.1 7.1 闭环控制系统误差信号方框图闭环控制系统误差信号方框图（7.3） 2024/7/2667.1 7.1 误差的概念误差的概念 （4 4）希望输出信号的确定）希望输出信号的确定 当控制系统的偏差信号 时，该控制系统无控制作用，此时的实际输出信号 就是希望输出信号 。 当控制系统有偏差信号，实际输出信号与希望输出信号不同时：即：将带入，得：单位负反馈系统：（7.4） 2024/7/2677.1 7.1 误差的概念误差的概念 （5 5）偏差信号与误差信号的关系）偏差信号与误差信号的关系 当将式（7.4）代入（7.3），并考虑式（7.2）得： 这是偏差信

6、号与误差信号之间的关系式。单位负反馈系统：（7.5） 2024/7/2687.2 7.2 系统的类型系统的类型 一般系一般系统的开的开环传递函数函数G(s)H(s)可以写成如下形式可以写成如下形式，无，无积分分环节，称，称为0型系型系统；，有一个，有一个积分分环节，称，称为I型系型系统；，有两个，有两个积分分环节，称，称为II型系型系统。依此。依此类推。推。(4-9-11) 系统的开系统的开环增益环增益系统中含有的积分系统中含有的积分环节的个数，称为环节的个数，称为系统的型次系统的型次 当 时，使系统稳定是相当困难的。因此除航天控制系统外， 型及型以上的系统几乎不用。2024/7/2697.2

7、 7.2 系统的类型系统的类型 稳态误差的大小与开环传递函数的时间常数i (i=1,2,m), Tj (j=1,2,n-)均无关。 由式(7.8)知，与系统稳态误差有关的因素有：系统的开环增益K ，系统类型及输入信号Xi(s)等。 2024/7/26107.2 7.2 系统的类型系统的类型 当0系统的开环传递函数可以表示为：（7.7）当系统的开环传递函数可以表示为：（7.8）当系统的开环传递函数可以表示为：（7.9）2024/7/26117.2 7.2 系统的类型系统的类型 稳态误差的大小与开环传递函数的时间常数i (i=1,2,m), Tj (j=1,2,n-)均无关。 由式可见，给定作用下

8、的稳态误差与与积分环节的个数有关（系统类型）；系统的开环增益K；以及输入信号等有关。 由式（7.7）-式（7.9）可见，系统的开环传递函数可以写成下列形式：注意：系统的类型与系统的阶次是两个不同的概念。为型系统，而系统是三阶系统。 例如，2024/7/26127.3 7.3 静态误差静态误差 稳态误差是误差信号的稳态分量，即：（7.10） 根据拉氏变换的终值定理得稳态误差：图7.1所示的系统误差：单位反馈系统的稳态误差为： （7.10） 图图7.1 7.1 系统误差信号方框图系统误差信号方框图2024/7/26137.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算

9、 系统对单位阶跃输入的稳态误差称为静态位置误差 （1 1）单位阶跃信号输入）单位阶跃信号输入式中： 称为静态位置误差系数； q当输入为 时（单位阶跃函数）系统的静态位置误差为： 2024/7/26147.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （1 1）单位阶跃信号输入）单位阶跃信号输入静态位置误差为： 静态位置误差为： 2024/7/2615 在单位阶跃作用下， 的系统为有差系统，此时开环增益K越大稳态误差越小； 的系统为无差系统。 的大小反映了系统在阶跃输入下的稳态精度。 越大， 越小。所以说 反映了系统跟踪阶跃输入的能力。7.3.1 7.3.1 静态

10、误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （1 1）单位阶跃信号输入）单位阶跃信号输入 0 型系统对于阶跃输入具有稳态误差，只要开环系数足够大，该稳态误差可以足够小。 过高的开环放大系数会使系统变得不稳定。 如果要求控制系统对阶跃输入没有稳态误差，则系统必须是 I 型或高于 I 型的系统。 2024/7/26167.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 系统对单位斜坡输入的稳态误差称为静态速度误差 （2 2）单位斜坡信号输入）单位斜坡信号输入q 当输入为 时（单位斜坡函数）式中： 称为速度误差系数。 系统的静态位置误差为： 2024/7/26

11、177.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （2 2）单位斜坡信号输入）单位斜坡信号输入静态速度误差： 静态速度误差： 2024/7/26187.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （2 2）单位斜坡信号输入）单位斜坡信号输入静态速度误差： 的大小反映了系统在斜坡输入下的稳态精度。 越大， 越小。所以说 反映了系统跟踪斜坡输入的能力。 根据 计算的稳态误差是系统在跟踪速度阶跃输入时位置上的误差。2024/7/26197.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 系统对等加速度

12、输入引起的稳态误差称为静态加速度误差 （3 3）单位加速度信号输入）单位加速度信号输入q 当输入为 时（单位加速度函数）式中： 称为加速度误差系数。 系统的静态位置误差为： 2024/7/26207.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （3 3）单位加速度信号输入）单位加速度信号输入静态加速度误差： 静态加速度误差： 2024/7/26217.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （3 3）单位加速度信号输入）单位加速度信号输入静态加速度误差： 静态加速度误差： 2024/7/26227.3.1 7.3.1 静态

13、误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 （3 3）单位加速度信号输入）单位加速度信号输入 的大小反映了系统在抛物线输入下的稳态精度。 越大， 越小。所以说 反映了系统跟踪抛物线输入的能力。 根据 计算的稳态误差是系统在跟踪加速度阶跃输入时位置上的误差。2024/7/26237.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 当系统的输入信号由位置、速度和加速度分量组成时，即小结：给定作用下的稳态误差与外作用有关。对同一系统加入不同的输入，稳态误差不同。与时间常数形式的开环增益有关；对有差系统，K，稳态误差，但同时系统的稳定性和动态特性变差。与积分环节

14、的个数有关。积分环节的个数，稳态误差，但同时系统的稳定性和动态特性变差。所以型及型以上的系统几乎不用。 由此可见对稳态误差的要求往往与系统的稳定性和动态特性的要求是矛盾的。当时，有组合输入时的稳态误差2024/7/26247.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 表7-1 单位反馈控制系统在不同输入信号作用下的稳态误差 阶跃输入斜坡输入抛物线输入KpKvKa位置误差速度误差加速度误差0系统型别静态误差系数pssKAe+=1vssKBe=assKCe=2024/7/26257.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 典

15、型一阶系统的稳态误差-2024/7/26267.3.1 7.3.1 静态误差系数和静态误差的计算静态误差系数和静态误差的计算 典型二阶系统的稳态误差-2024/7/26277.3.2 7.3.2 干扰输入作用下的静态误差干扰输入作用下的静态误差 称为扰动误差。 -+ 通常，给定输入作用产生的误差为系统的给定误差，扰动作用产生的误差为扰动误差。 当时，产生的则2024/7/26287.3.2 7.3.2 干扰输入作用下的静态误差干扰输入作用下的静态误差 可见， 不仅与 有关，还与 和 有关（扰动点到偏差之间的那部分通道传递函数）。 式中：扰动输入作用下的稳态误差当系统的开环传递函数可表示为202

16、4/7/26297.3.2 7.3.2 干扰输入作用下的静态误差干扰输入作用下的静态误差 上式中 为开环传递函数所具有的积分环节个数。上节内容则，两式的结果为：2024/7/26307.3.3 7.3.3 复合控制系统的误差分析复合控制系统的误差分析 若系统同时受到输入信号和干扰信号的作用，则由叠加原理，系统总的稳态误差等于参考输入和干扰输入分别作用时的稳态误差之和。当系统存在扰动时，系统的总误差为式中：为系统输入 所引起的误差；为系统扰动所引起的误差。2024/7/26317.3.3 7.3.3 复合控制系统的误差分析复合控制系统的误差分析 根据叠加原理可求得系统的输出为 上式记为：式中，

17、是输出信号 对输入信号 的传递函数 是输出信号 对干扰信号 的传递函数 2024/7/26327.3.3 7.3.3 复合控制系统的误差分析复合控制系统的误差分析 上式记为：式中， 是误差信号 对输入信号 的传递函数 计算，得误差 是误差信号 对干扰信号 的传递函数 2024/7/26337.3.3 7.3.3 复合控制系统的误差分析复合控制系统的误差分析 稳态误差稳态误差 系统的稳态误差不仅与系统的开环传递函数有关，而且也与输入信号的形式和大小有关。2024/7/26347.3 7.3 静态误差静态误差 q 为了减少给定误差，可以增加前向通道上的积分环节个数或增大系统的开环放大系数。q 为了

18、减小扰动误差，可以增加偏差点到扰动作用点之间积分环节个数或放大系数。q 放大系数不能任意放大，积分环节也不能太多（一般2个），否则系统将会不稳定。结论：2024/7/26357.4 7.4 动态误差动态误差 前面讨论的误差系数都称为静态误差系数。它们分别针对输入为阶跃函数、斜坡函数和加速度函数而言的。其特点是对于一个给定系统只有一个系数为有限值，其它系数不是零就是无穷大。因而，通过静态误差系数求得的稳态误差或是零，或是有限非零值，或是无穷大，而不反映误差与时间的关系。 动态误差系数法，研究输入信号几乎为任意时间函数时的系统稳态误差与时间的关系，因此动态误差系数又称广义误差系数。现只考虑给定作用

19、与偏差之间的误差传递函数2024/7/26367.4 7.4 动态误差动态误差 考虑到t时的情况，也就是s0的情况。将误差传递函数在 s =0 的邻域内展开成泰勒级数：式中：2024/7/26377.4 7.4 动态误差动态误差 于是，误差函数为： 这个级数的收敛域是s =0的邻域，相当于t时的情况。求拉氏反变换，可得t时误差函数的表达式：2024/7/26387.4 7.4 动态误差动态误差 可见，t时的误差函数的表达式与输入函数及其各阶导数有关。仿照静态误差系数的定义,可定义动态误差系数如下：k0 动态位置误差系数k1 动态速度误差系数k2 动态加速度误差系数 应当指出，这里所谓“动态”两

20、字的含义是指这种方法可以完整描述系统稳态误差ess(t)随时间变化的规律，而不是指误差信号中的瞬态分量ets(t)随时间变化的情况，即不应包含的误差信号中随时间趋于零的分量。此外上面给出的误差级数仅在t时成立，因此如果输入信号r(t)中包含有随时间趋于零的分量，则这些分量不应包含在稳态误差级数表达式中的输入函数及其各阶导数之内。2024/7/26397.4 7.4 动态误差动态误差 动态误差系数的另一种求法 将误差传递函数写成s有理分式形式，利用长除法得到各动态误差系数。当v=0时2024/7/26407.4 7.4 动态误差动态误差 当v=1时当v=2时2024/7/26417.4 7.4

21、动态误差动态误差 例7.1 设某单位反馈控制系统的开环传递函数求输入 xi(t)=a0+a1t+a2t2 时的动态误差。系统的误差传递函数为即 解：已知系统为I型系统。依据表7-1，系统的静态误差系数为：2024/7/26427.4 7.4 动态误差动态误差 因为因为 故动态误差为： 借助于计算机仿真，可以求得e(t)的波形和数值，即可以准确地求出动态误差。则动态误差系数2024/7/26437.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 例7.2 某单位反馈的电液反馈伺服系统，其开环传递函数为：解：该系统的静态误差系数为：所以该系统对三种典型输入的稳态误差分别为：位置误差：

22、速度误差：加速度误差： 试分别求出该系统对单位阶跃、等速、等加速输入时的稳态误差。2024/7/26447.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 例7.3 系统结构图如图所示。当 时，求系统的稳态误差 ；若要求稳态误差为零，如何改变系统结构。该系统对给定输入而言属于型系统。所以当给定输入为单位阶跃函数时的稳态误差但该系统对于扰动输入为单位阶跃函数时的稳态误差 并不等于零。根据前面的分析知，稳态误差与G1中的增益和积分环节的个数有关。此时因G1无积分环节，所以：-+则： 解：2024/7/26457.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 若想使稳态

23、误差为零，则要求G1中有积分环节，令此时-+ 由于此时系统的稳定性遭到破坏，成为结构不稳定系统 ，直接加一个积分环节是不可行的。若要使系统稳定，还必须在原G1中引入比例+微分环节。-+当K10，K20， 0时系统稳定2024/7/26467.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 由此可见当用 时，才能在保证稳定的前提下使系统在阶跃扰动作用下的稳态误差为零。这个环节称为比例+积分环节或比例+积分控制器(PI控制器)。 这个环节称为比例+积分+微分环节或比例+积分+微分控制器（PID控制器）。 所谓比例+积分(PI)或比例+积分+微分 (PID)控制器的作用就是在保证闭环系

24、统稳定及动态特性的前提下提高系统的控制精度。2024/7/26477.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 例例7.47.4 已知两个系统如图所示，当参考输入为时，试分别求出两个系统的稳态误差。(b)型系统(a)型系统解：解：(1)判别系统的稳定性： (a)系统特征方程为系统稳定系统稳定(b)系统特征方程为系统稳定系统稳定2024/7/26487.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 (2)系统(a)为型系统，其 不能紧跟 中的分量 ， 所以 系统（b)为型系统，其 所以 (3)应用终值定理(a)(a)型系统型系统(a)(a)2024/7/264

25、97.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 (b)(b)(b)(b)型系统型系统单位反馈系统的稳态误差为：2024/7/26507.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 例例7.57.5 一单位反馈系统如图7.15所示，输入信号 求系统的稳态误差。解解：1.1.系统的开环传递函数系统的开环传递函数图图7.15 7.15 控制系统方框图控制系统方框图系统为型系统。开环增益 2.2.计算系统的稳态偏差计算系统的稳态偏差。（1）当参考输入为 即速度函数输入时系统的稳态偏差为 2024/7/26517.5 7.5 工程实例中的误差分析实例工程实例中的误差分析实例 （2）当参考输入为 加速度函数输入时， 系统的稳态偏差为 （3）当参考输入为 根据叠加原理，系统的稳态偏差为3.3.计算系统的稳态误差计算系统的稳态误差因为系统为单位反馈系统，即所以，稳态误差与稳态偏差相等2024/7/2652第第7 7章章 控制系统的误差分析控制系统的误差分析2024/7/2653