
所有的控制系统除了要求系统具有稳定性和满意的静态特性外,还要求系统具有满意的快速性和满意的动态品质,即系统的动态特性(暂态响应)满足要求。为研究系统的动态响应特性,通常在系统输入端加入单位阶跃信号,通过研究系统的输出响应来得到系统的过渡特性。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,就可获得在采样时刻的输出值y(kT)。将y(kT)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ts),如图48所示。
图48 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
(419)
式中zi与pj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
(420)
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,以及由实极点和复极点所引起的暂态响应。
下面,分别讨论实极点和复极点对系统动态性能的影响。
1 闭环实极点对系统动态性能的影响
若系统具有 个互异的单实根 ,则 可以展开为
相应的输出序列为
(421)
由式(421)可以看出,系统的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49所示。
图49 实极点位置和动态响应之间的关系
由图4-7可看出:
(1) 如果 ,对应的暂态响应分量 单调发散。
(2) 如果 ,它对应的暂态响应 是等幅的。
(3) 如果 ,它对应的暂态响应 单调衰减。
(4) 如果 ,它对应的暂态响应 是正负交替的衰减振荡(周期为2T)。
(5) 如果 ,它对应的暂态响应 是正负交替的等幅振荡(周期为2T)。
(6) 如果 ,它对应的暂态响应 是正负交替的发散振荡(周期为2T)。
2 闭环复数极点对系统动态性能的影响
若系统只具有一对共轭复数极点 ,则
该共轭复数极点对引起的输出响应序列为
(422)
由于特征方程是实系数,故 必定是共轭的。
设 ,代入式(422)有
(423)
根据式(423)可以看出:
(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,对应的暂态响应是等幅振荡。
(3)复极点在z平面单位圆内,对应的暂态响应是振荡衰减的。
复数极点引起的输出响应如图410所示。
图410 复极点位置和动态响应之间的关系
综上所述,对离散系统的极点分布作如下讨论:
(1) 闭环极点最好分布在z平面单位圆的右半部,理想的是分布在靠近原点的地方,由于这时|zj|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)极点越接近z平面的单位圆,瞬态响应衰减越慢。参照连续系统主导极点的概念,假如有一对极点最靠近单位圆,而其它极点均在原点附近,离这一对极点相当远,则系统输出响应过程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。
例46 求例42的阶跃响应。
解: 在采样周期T=1s时,因为闭环脉冲函数为
故对应离散系统阶跃响应程序为
num=[0368 0264];
den=[1 –1 0632];
dstep(num,den,50)
图411中,(a)图为T=1s和T=01s时系统的阶跃响应,其中超调大的为T=1s时的阶跃响应,(b)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(超调变大,调节时间加长),当采样周期较小时(如T=01s),离散系统的性能与连续系统一样。
(a)T=1s和T=01s时系统的阶跃响应 (b) 对应连续系统的阶跃响应
图411 例46阶跃响应曲线仿真图
网页未响应原因有以下几种:
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