控制系統動態特性的時域測試

控制系統的動態特性是指系統在動態過程(過渡過程)中輸出量對于輸入量的時間函數關系。由于大多數控制系統是以時間作為獨立變量的，因此系統的動態特性往往用時域響應來描述。一般而言，只要在階躍信號輸入下系統的時域響應能符合設計要求，則在其它任何信號輸入下，系統的動態性能指標能滿足要求。實驗獲得階躍響應的方法很多。其中最簡單的一種就是直接給于系統一個階躍輸入量，并同時用測試儀器(慢掃描示波器、光線示波器或函數記錄儀等)測量其輸出量。假如測得實際系統的階躍響應如圖1-2-1所示，

則系統的動態性能可用該圖中所示的性能指標來表征(圖中取初始條件為零)

一、上升時間t_r:對于過阻尼系統它是響應從終值的10％上升到90％所需要的時間，圖1-2-1表示欠阻尼系統。

二、峰值時間t_p:當響應曲線到達第一個峰值所需的時間。

三、超調量σ_p％:響應曲線超過階躍輸入的最大偏離量。通常表示為階躍響應終值的百分數，即 。

四、調整時間t_s:響應曲線衰減到并停留在終值的某一規定的誤差帶(2％或5％)內所需的時間。

五、振蕩次數N:在調整時間內，響應曲線穿越其終值C(∞)次數的一半。

在分析和設計控制系統時，上述性能指標不是全部都要采用的。應根據系統的使用條件和實際情況，只對其中幾個認為重要的性能指標提出要求。
對線性系統可用時域法研究控制系統的動態特性。先對系統加入一個輸入信號后，測定系統的輸出響應，然后根據此響應曲線，求出系統的數學方程。所加的輸入信號一般為階躍信號，由于時域法能比較直觀地反映系統的動態特性，無需中間轉換，實驗原理也最簡單，因此這是一種基本的測定系統動態特性的方法，這種測試方法的原理圖如圖1-2-2所示。

測試時要注意以下情況：
1．階躍信號幅值的大小選擇應適當考慮。過大會使系統動態特性的非線性因素增大，使線性系統變成非線性系統；過小也會使系統信噪比降低并且輸出響應曲線不可能清楚顯示或記錄下來。
2．在階躍信號施加前，應使系統保持相當長的穩定運行。在相同的階躍幅值輸入下，檢驗被測的正向和反向階躍響應曲線，如果兩者波形和幅值基本一樣，即表明系統確為線性；否則須按非線性系統處理。
3．恰當選擇示波器或函數記錄儀的"掃描時間"旋鈕，使階躍響應曲
線的波形完整、清楚地顯示或記錄下來。