3.4.1 具有零点的二阶系统的时域响应
具有零点的二阶系统传递函数为
式中:z=。
以最典型的带零点欠阻尼(即0<ζ<1)二阶系统为例,系统有一对共轭复数极点和一个零点,在单位阶跃输入作用下,系统输出
拉氏反变换可得单位阶跃响应
式中:α=为s平面上零点和极点到虚轴距离之比,如图3-20(a)所示。
系统的阶跃响应曲线既与阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn有关,又与零点或比值α有关。图3-20(b)所示为同一ζ值时不同α值对应的单位阶跃响应曲线。
图3-20 具有零点的二阶系统
(a)零极点分布; (b)单位阶跃响应(ωn=1/s,ζ=0.5)
根据图示曲线和式(35)可得出:
(1)闭环零点只影响过渡过程c(t)中的瞬态分量的初始幅值(t=0时)和相位,而不影响瞬态分量中衰减系数ζωn和阻尼振荡频率ωn。因此系统响应曲线的类型取决于闭环极点,而响应曲线具体形状由闭环极点和闭环零点共同决定。
(2)其他条件不变时,附加零点将使系统阶跃响应的超调量增大,上升时间和峰值时间减小。
(3)s平面上,随着附加的闭环零点从左侧向极点靠近(即α减小),附加零点的影响也越来越明显。当零点距离虚轴很远时,确切地说,当零点和极点至虚轴的距离比很大时,零点的影响可以忽略,这时系统可以用无零点的二阶系统近似代替。例如ζ=0.5时,若α>4则零点可忽略不计。
[例3-12] 设带零点欠阻尼二阶系统的传递函数为,求其阶跃响应时瞬态响应指标与系统参数之间的关系。
[解] 输入单位阶跃
得
由欠阻尼ζ<1,对应有
其中
对c(t)求导数得峰值时间
代入c(t)式得
当允许误差范围Δ=0.05时,有
当允许误差范围Δ=0.02时,有
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