第05讲 · 高阶系统怎么"降阶",系统怎么算"稳",误差怎么算
这一讲在整章里的位置(先看地图再进门)
第三章一路走下来,是在回答对一个控制系统的三连问: 1. 快不快(暂态性能:上升时间、超调、调节时间)——前几讲讲一阶、二阶系统时解决了。 2. 稳不稳(稳定性)——这一讲的主菜之一。老师原话:"稳,是压倒一切的重要条件。" 3. 准不准(稳态误差:最后停下来跟目标差多少)——这一讲的另一道主菜。
这一讲干三件事: - 把"快不快"的最后一块补上——高阶系统太复杂算不动,用"主导极点""偶极子"把它降阶成一阶或二阶来近似。 - 讲透"稳不稳"——劳斯判据是核心工具。 - 讲透"准不准"——稳态误差的三种算法。
【难度预告】这一讲信息密度是目前最大的一讲。第一遍看不懂非常正常。三块内容里,劳斯判据的两种特殊情况(某行首元为零、整行全为零)和稳态误差里"系统类型"的概念是历年最爱挖坑、最容易假懂的地方,本讲会重点标注。
第一块:高阶系统降阶——主导极点与偶极子
为什么需要"降阶"
先说清楚痛点。一个高阶系统,时域里对应一个高阶微分方程。它有两个麻烦: 1. 直接求解很困难; 2. 阶数高意味着运动形态(响应分量)很多,一堆指数项、一堆衰减振荡项叠在一起,看不出规律。
但工程上我们发现:这一堆分量里,真正"说了算"的往往只有一两个。抓住那一两个,把系统近似成一阶或二阶——我们已经会算一阶、二阶了——问题就解决了。这就是降阶的动机。
【直觉先行】想象一个音响里同时响着好几个音,有的响半秒就没了,有的能拖十几秒。你要描述"这段声音听起来是什么样",拖得最久的那个音才是主角,那些一闪而过的可以忽略。离虚轴最近的极点 = 衰减最慢、拖得最久的那个音 = 主角。
为什么"离虚轴近"就衰减慢(这是理解一切的根)
回忆前面学的:一个极点 \(s = \sigma\)(实部为 \(\sigma\))对应的响应分量是 \(e^{\sigma t}\)。
- 极点在左半平面,\(\sigma < 0\),\(e^{\sigma t}\) 随时间衰减到零——系统才可能稳定。
- \(\sigma\) 的绝对值 = 这个极点离虚轴的水平距离。\(|\sigma|\) 越大(离虚轴越远),\(e^{\sigma t}\) 衰减越快,一下就没了;\(|\sigma|\) 越小(离虚轴越近),衰减越慢,拖得越久。
复数极点 \(s = -\sigma \pm j\omega\) 对应的是衰减振荡 \(e^{-\sigma t}\cos(\omega t)\),同理,实部离虚轴越近,包络衰减越慢。
所以,当 \(t \to \infty\) 时,远离虚轴的那些分量早就衰减光了,长期行为完全由离虚轴最近的极点决定。这个"最近的极点"就叫主导极点。
主导极点:定义与"5 倍"判据
闭环主导极点:在高阶系统的零极点分布中,若某一个实极点或一对共轭复极点距虚轴很近,而其余所有零极点距虚轴的距离都在它的 5 倍以上(即这个主导极点到虚轴的距离,只有其余零极点到虚轴距离的 \(1/5\) 甚至更小),则称这一个(或一对)极点为闭环主导极点。
降阶怎么做: - 若存在一个实数主导极点 → 把高阶系统近似成一个一阶系统,用这个一阶系统的性能指标代替。 - 若存在一对共轭复数主导极点 → 把高阶系统近似成一个二阶系统(注意:是欠阻尼二阶系统,因为是一对共轭复极点),用二阶系统的暂态性能指标(超调、调节时间那套公式)来近似分析。
【你可能会以为】"离虚轴近"就是"离原点近"或"绝对值最小"。其实不是。 决定衰减快慢的是实部(到虚轴的水平距离 \(|\sigma|\)),不是极点到原点的距离,也不是虚部。一个极点可能虚部很大(离原点远),但实部很小(离虚轴近),它照样是衰减最慢的主导极点。判断主导,永远看实部到虚轴的距离。
【难点·为什么必须"欠阻尼"】一对共轭复极点 \(-\sigma \pm j\omega\) 天然对应欠阻尼二阶系统(\(0 < \zeta < 1\))。如果是实极点那就不是振荡,不能套二阶那套超调公式。所以"一对复主导极点→欠阻尼二阶近似","欠阻尼"三个字不是废话,是套用二阶超调、调节时间公式的前提条件(考点分析里明确点了:二阶那四个指标公式能用有两个前提——阶跃输入 + 欠阻尼)。
偶极子:定义与"一个数量级"判据
偶极子:由一个极点和一个零点构成的一对,二者彼此距离非常近——近到什么程度?它们之间的距离,比它们到其余零极点的距离至少小一个数量级(约 10 倍)。
作用:偶极子里一个零点在传递函数分子、一个极点在分母,二者几乎相互抵消。所以拿到一个高阶传递函数,若发现存在远离虚轴的偶极子,它对系统响应的影响可以忽略——这又是一种降阶手段。
【你可能会以为】偶极子和主导极点是一回事,都是"离得近"。其实两者的"近"指的是不同的东西: - 主导极点的"近",是这一两个极点离虚轴近(和其余极点比,靠虚轴最近)——它是要留下的主角。 - 偶极子的"近",是一个零点和一个极点彼此挨得近(零极点自身间距 << 到别的零极点的距离)——它俩是要一起划掉的(零极点对消)。 一个讲"谁留下当主角",一个讲"谁互相抵消可删掉"。别混。
【难点·偶极子为什么要"远离虚轴"才能忽略】老师特别强调"如果这一对偶极子是远离虚轴的"才可忽略。原因:若偶极子离虚轴很近(甚至比主导极点还近),它对应的分量衰减慢、影响大,此时零极点虽近似对消但残余影响不能随便丢。远离虚轴时,本身衰减就快,加上零极点对消,才可安全忽略。这个前提考试爱省略,要记牢。
第二块:稳定性分析(3.4)
稳定的物理定义
【直觉先行】圆锥体立在桌上:底面朝下轻轻一碰会晃回来——稳定;尖朝下一碰就倒,回不来——不稳定。稳定性讲的是:扰动消失后,系统能不能自己回到平衡态。
严谨定义(据 PPT 3.4):线性系统在初始条件为零时加一个理想脉冲 \(\delta(t)\),若脉冲响应满足 $\(\lim_{t \to \infty} g(t) = 0\)$ 即输出增量收敛回原平衡工作点,则系统稳定。换句话说:\(t \to \infty\) 时暂态分量 \(\to 0\)、进入稳态,就叫稳定。
【关键性质,考点分析明确点名】线性系统的稳定性只取决于系统自身的固有特征(结构、参数),与输入信号无关,也与系统零点无关,只取决于闭环特征根(闭环极点)。 这条是"自控前后连贯性"的核心——记死。
充要条件 vs 必要条件(最容易背混的一对)
充要条件(稳定的判定标准):系统全部闭环特征根都位于 s 左半平面(都有负实部)。 - 为什么充分:左半平面的根,实部为负,响应要么单调衰减、要么衰减振荡,\(t\to\infty\) 全趋于零,输出收敛到某个确定常数 → 稳定。 - 这是从上一块"极点实部决定衰减"直接推出来的,不是新东西。
必要条件(稳定的前提,但不保证稳定):特征方程各项系数必须全部存在且同号(通常写成全大于零,\(a_0 > 0\))。 - 为什么:从根与系数关系看,若某系数不为正(缺项或异号),则特征根中一定存在正实根、或一对具有正实部的共轭复根 → 只要出现一个,系统就不稳定。
【难点·必要 ≠ 充要】这是本讲头号易错点。 - 必要条件:系数全正只是"有资格稳定",不代表一定稳定。系数全正的系统仍可能不稳定(三阶及以上)。 - 正确用法:拿到特征方程,先扫一眼系数。若有缺项或异号 → 直接判不稳定,连劳斯表都不用列。若系数全正 → 还不能下结论,得继续用劳斯判据。 - 老师原话:"先不要着急用劳斯判据,先观察系数是不是全为正。全为正才有可能稳定。" 这是省力技巧,也是坑:全正只是"有可能"。
劳斯判据(核心工具)
核心结论(据 PPT 3.4):不用解方程,只需特征方程系数,构造劳斯表(劳斯阵列):
当且仅当劳斯表第一列各元素全部严格为正时,系统稳定。 若第一列出现小于零的数(或零),系统不稳定;且第一列符号改变的次数 = 特征方程正实部根的个数(即位于 s 右半平面的根数)。
劳斯表怎么排(特征方程 \(a_0 s^n + a_1 s^{n-1} + \cdots + a_n = 0\)):
| 行 | 元素 |
|---|---|
| \(s^n\) | \(a_0\quad a_2\quad a_4\quad \cdots\) |
| \(s^{n-1}\) | \(a_1\quad a_3\quad a_5\quad \cdots\) |
| \(s^{n-2}\) | \(b_1\quad b_2\quad \cdots\) |
| \(s^{n-3}\) | \(c_1\quad c_2\quad \cdots\) |
| \(\vdots\) | |
| \(s^0\) |
- 第一行:从特征方程最高次系数开始,隔一项取一个(\(a_0, a_2, a_4,\dots\))。
- 第二行:从第二项开始,隔一项取一个(\(a_1, a_3, a_5,\dots\))。
- 后续行由上两行按公式算(\(b_1 = \dfrac{a_1 a_2 - a_0 a_3}{a_1}\) 这类交叉相减除以左上元素),一直算到相邻两行各自只剩一个元素为止,全表共 \(n+1\) 行。
【为什么劳斯判据有用(据 PPT 3.4 幻灯片21-23)】它不用求根就能判稳;还能反过来求参数范围——比如开环增益 \(K\) 取多大系统才稳定(把 \(K\) 留在表里,令第一列各元素 \(>0\) 解出 \(K\) 的范围)。考点分析明确:"劳斯判据除了判稳,还常考确定使系统稳定的参数取值范围。"
特殊情况一:某行第一个元素为 0(其余不全为 0)
【难点·先认清这不是"技巧题"而是"已经不稳定"】老师强调:"首列出现零,首先要明确——此时系统已经不稳定了。" 用小正数 \(\varepsilon\) 替代那个 0 继续往下算,不是为了救活它,是为了判断它到底几个右半平面根、不稳定得多严重。 - 做法(法1):用任意小正数 \(\varepsilon\) 取代 0,继续算表,最后令 \(\varepsilon \to 0^+\) 看第一列符号变化次数。 - 做法(法2,据 PPT):用 \((s+a)\)(\(a\) 为任意正数)乘特征方程两端,得到新特征方程再列表。
特殊情况二:某一行元素全为 0
【难点·全零行意味着什么】这是本讲第二个大坑。全零行说明特征方程里存在一些绝对值相同、符号相异的根——比如一对大小相等符号相反的实根(\(\pm a\))、或一对共轭纯虚根(\(\pm j\omega\),落在虚轴上)、或对称于实轴的两对共轭复根。这些根让系统临界或不稳定。
处理步骤(据 PPT 3.4 幻灯片17-18、20): 1. 用全零行的上一行系数构造辅助多项式 \(F(s)\)(它一定是偶次的)。 2. 对 \(F(s)\) 求导 \(\dfrac{dF(s)}{ds}\)。 3. 用求导后多项式的系数取代全零行,继续算表。 4. 解辅助方程 \(F(s)=0\) 可直接得到那些"大小相等、位置对称"的根。
老师给的例子(转录里那段"\(n-1\) 倍的 \(a_{n-1}\) 乘 \(s^{n-2}\)…")就是在念这个求导过程——把 \(F(s) = a_{n-1}s^{...}+\dots\) 逐项求导,导数各项系数正好填回全零行。
PPT 完整例子:\(s^6+2s^5+8s^4+12s^3+20s^2+16s+16=0\),算到 \(s^3\) 行全为 0,用上一行 \(s^4\) 构造 \(F(s)=2s^4+12s^2+16\),求导 \(\dfrac{dF}{ds}=8s^3+24s\),用 \(8,\,24\) 填回 \(s^3\) 行继续。最终 \(F(s)=2(s^2+2)(s^2+4)=0\) 解出 \(s=\pm j\sqrt2,\ \pm j2\)——两对纯虚根,系统处于临界(不)稳定状态。
胡尔维茨判据(了解,与劳斯等价)
据 PPT 3.4:用特征方程各项系数构造胡尔维茨行列式,其主行列式及各阶顺序主子式全部为正时系统稳定。老师明确说:它和劳斯判据没有本质区别,掌握好劳斯即可,胡尔维茨不必多花时间。(此处不展开细则,属"了解即可",非本讲重点。)
两个必记的简化结论(据 PPT 3.4 幻灯片19)
考试直接能用、省去列表的口袋结论: - 一、二阶系统稳定的充要条件:特征方程各项系数全为正。(二阶不用列劳斯表,系数全正即稳定。) - 三阶系统稳定的充要条件:各项系数全为正 且 中间两项系数之积 > 首尾两项系数之积,即 \(a_1 a_2 > a_0 a_3\)。
【你可能会以为】"系数全正对所有阶数都等于稳定。" 只对一、二阶成立。 三阶要多一个 \(a_1a_2 > a_0a_3\);四阶及以上就得老老实实列劳斯表。别把二阶的便利乱推广。
第三块:稳态误差(3.5)
误差是什么,两种定义
稳态误差衡量系统准不准:暂态分量衰减掉后,稳态响应的期望值与实际值之差。它反映系统跟踪输入、抑制扰动的能力。误差不可避免(摩擦、死区、零位输出等非线性因素,加上输入形式不同)。
两种误差定义(据 PPT 3.5,务必分清): - 从输入端定义 \(E(s) = R(s) - H(s)C(s)\):输入信号与主反馈信号之差。大多可测量,有物理意义。 - 从输出端定义 \(E(s) = C_{期望}(s) - C(s)\):输出期望值减实际值。通常不可测,只有数学意义。
关键联系:对单位负反馈系统(\(H(s)=1\)),反馈信号 \(B(s)=C(s)\),此时输出的期望值就是输入 \(R(s)\),两种定义完全一致。
【难点·审题!误差是哪一端】老师反复强调:"做题一定要审题——误差是以哪种方式给你的、要算的是哪一端的误差。尤其带前馈校正的复合控制系统更要注意。" 考点分析也点名:"给定误差和扰动误差的概念很容易混淆,建议弄得很清楚。" 非单位反馈时两种定义不一样,套错公式全盘皆错。
误差传递函数与叠加
误差传递函数(据 PPT 3.5,单位反馈情形): $\(\Phi_e(s) = \frac{E(s)}{R(s)} = \frac{1}{1+H(s)G(s)} \quad\xrightarrow{H(s)=1}\quad \frac{1}{1+G(s)}\)$ 于是 \(E(s) = \Phi_e(s)R(s) = \dfrac{R(s)}{1+G(s)}\)。
给定 + 扰动叠加:当输入信号 \(R(s)\) 和扰动信号 \(N(s)\) 同时作用,系统总误差 = 二者单独作用产生的误差之和(线性系统叠加原理): $\(E(s) = \underbrace{\Phi_{er}(s)R(s)}_{\text{给定引起}} + \underbrace{\Phi_{en}(s)N(s)}_{\text{扰动引起}}\)$ 其中 \(\Phi_{er}\)、\(\Phi_{en}\) 分别是给定、扰动作用下的误差传递函数。
【难点·扰动误差传递函数分母同、分子不同】据 PPT 3.5 幻灯片48-50:给定和扰动的误差传函分母相同(都是 \(1+G_1G_2\),即闭环特征多项式),但分子不同(因为扰动 \(N\) 的作用点在系统中间,不在输入端)。所以"对给定误差为零"不代表"对同形式扰动误差也为零"。这正是考点分析说的"给定误差、扰动误差极易混淆"的根源——它俩走的通道不一样。
三种算稳态误差的方法
老师总结了三条途径,都建立在系统已判稳的前提下(不稳定谈稳态误差没意义)。
方法一:终值定理法(据 PPT 3.5 幻灯片31-32)
先求出误差表达式 \(E(s)\),再用拉氏终值定理取 \(t\to\infty\) 的值: $\(e_{ss} = \lim_{t\to\infty} e(t) = \lim_{s\to 0} sE(s) = \lim_{s\to 0}\frac{sR(s)}{1+H(s)G(s)}\)$
【难点·终值定理的使用前提】老师专门强调:"要用终值定理,必须先明确一个问题——误差在时间域里必须处处解析,否则终值定理没法用。" PPT 写法:"\(sE(s)\) 的极点均须位于 s 左半平面(含原点)。" 若 \(sE(s)\) 有极点在右半平面或虚轴上(如输入是 \(\sin\omega t\),误差不收敛),终值定理给出的是错误答案。这个前提考试爱设陷阱。局限:只给 \(t\to\infty\) 的终值,不反映误差随时间变化规律;高阶系统极点难求也不便用。
方法二:静态误差系数法(据 PPT 3.5 幻灯片33-43)
先定义三个静态误差系数(都在 \(s\to 0\) 取极限): $\(K_p = \lim_{s\to 0}G(s)H(s) \quad(\text{静态位置误差系数})\)$ $\(K_v = \lim_{s\to 0}sG(s)H(s) \quad(\text{静态速度误差系数})\)$ $\(K_a = \lim_{s\to 0}s^2 G(s)H(s) \quad(\text{静态加速度误差系数})\)$
若输入是三种典型信号(或其线性组合:阶跃 + 斜坡 + 抛物线),稳态误差直接查: - 阶跃输入下:\(e_{ss} = \dfrac{1}{1+K_p}\) - 斜坡输入下:\(e_{ss} = \dfrac{1}{K_v}\) - 抛物线(加速度)输入下:\(e_{ss} = \dfrac{1}{K_a}\)
【你可能会以为】"位置误差系数就只管位置、速度系数只管速度,各管各的。" 其实三个系数和三种输入是一一对应的"钥匙-锁"关系:算阶跃误差只用 \(K_p\),算斜坡只用 \(K_v\),算抛物线只用 \(K_a\)。输入若是三者叠加,就把对应项各算一遍再相加(叠加原理)。局限(PPT 明确):只适用于这三种给定信号、只能求 \(t\to\infty\) 的终值。
方法三:系统类型 + 开环增益判断(这是把方法二的规律看穿)
把开环传递函数写成开环增益 × 典型环节的标准(时间常数/尾1)形式: $\(G(s)H(s) = \frac{K\prod(\tau_i s+1)}{s^{\gamma}\prod(T_j s+1)}\)$
其中分母里 \(s^{\gamma}\) 表示含 \(\gamma\) 个积分环节。这个 \(\gamma\) 就叫系统的类型(型别): - \(\gamma=0\):0 型系统 - \(\gamma=1\):Ⅰ 型系统 - \(\gamma=2\):Ⅱ 型系统
结论:稳态误差的大小取决于三样东西——输入信号、系统类型 \(\gamma\)(积分环节个数)、开环增益 \(K\)。系统类型越高、开环增益越大,稳态误差越小(越准)。
【难点·"类型"绝不等于"阶次"】这是稳态误差部分头号坑,老师专门拎出来讲。 - 阶次(order):系统特征方程的最高次数,看分母整体的次数。 - 类型(type)\(\gamma\):分母里积分环节 \(s\) 的个数,只数原点处的极点。 - 举例(老师原话):一个分母含 \(s^0\)(没有积分环节)但整体是二阶的系统,它是0 型的二阶系统——类型是 0,阶次是 2,两个数不一样。判类型只数 \(s^\gamma\) 的 \(\gamma\),别把总阶数当类型。
三种输入 × 三种类型的稳态误差对照(据 PPT 3.5 幻灯片43,\(R_0/v_0/a_0\) 为输入幅值):
| 类型\输入 | 阶跃 \(R_0\) | 斜坡 \(v_0 t\) | 抛物线 \(\tfrac12 a_0 t^2\) |
|---|---|---|---|
| 0 型 | \(\dfrac{R_0}{1+K}\) | \(\infty\) | \(\infty\) |
| Ⅰ 型 | \(0\) | \(\dfrac{v_0}{K}\) | \(\infty\) |
| Ⅱ 型 | \(0\) | \(0\) | \(\dfrac{a_0}{K}\) |
读法:类型每高一级,就能"无差"跟踪高一档的输入。0 型跟不上斜坡(误差 \(\infty\));Ⅰ 型能跟上斜坡但留一个位置误差 \(v_0/K\);Ⅱ 型才能无差跟斜坡。而 \(\infty\) 意味着系统根本跟不住那种输入、误差发散。
本讲结尾:第三章的考试出题点(据考点分析)
老师收尾时归纳第三章三大必考方向,考点分析材料印证: 1. 稳定性分析:用劳斯判据判稳,或反求使系统稳定的参数范围。 2. 稳态误差计算:用静态误差系数法或其他方法求,尤其给定误差 vs 扰动误差、静态误差系数、特征方程这些小知识点。考点分析原话:"稳态误差特别喜欢考…现在会和结构图一块考、和性能指标一块考,考得多会涉及两个大题。" 3. 暂态性能指标计算:重点是欠阻尼二阶系统的四个指标;也常反向出题——给响应曲线上的关键点,反求系统构成。
考点分析还明确:劳斯判据爱考两种题型——(1) 判断根的分布(实部为负/为零/为正各几个),(2) 判断在 \(s=\) 某数左右侧各有几个特征根(\(s=s_1-a\) 代换后再判)。下一讲将用典型例题实战这些考点。
(本讲不含具体例题演算,例题在下一讲,属老师明确安排,非遗漏。)
这一讲的骨架(真正要带走的)
- 降阶三件套:主导极点(离虚轴近、留下当主角,5 倍判据,一个实极点→一阶、一对复极点→欠阻尼二阶);偶极子(零极点自身挨得近、一起划掉,一个数量级判据,须远离虚轴才可忽略)。判"主导"永远看实部到虚轴的距离。
- 稳定性:充要条件 = 全部闭环极点在左半平面;必要条件 = 系数全正同号(只"有资格",非充分)。劳斯判据 = 第一列全正才稳,符号改变次数 = 右半平面根数。两种特殊情况(首元为零用 \(\varepsilon\);整行为零用上一行辅助多项式求导)都意味着已不稳定/临界。一、二阶系数全正即稳;三阶还要 \(a_1a_2>a_0a_3\)。
- 稳态误差:先判稳。两种误差定义(输入端/输出端),单位反馈时一致。给定 + 扰动误差叠加,分母同分子不同。三种算法:终值定理(须 \(sE(s)\) 极点在左半平面)、静态误差系数(\(K_p/K_v/K_a\) 配阶跃/斜坡/抛物线)、系统类型 \(\gamma\) + 开环增益 \(K\)。类型 ≠ 阶次。
自测(戳穿假懂版)
- 某高阶系统闭环极点有:\(-0.5\pm j8\)、\(-3\)、\(-12\)。哪个(些)是主导极点?为什么?如果要降阶,近似成几阶、什么阻尼状态?
-
要点:主导极点是 \(-0.5\pm j8\)(实部 \(|-0.5|=0.5\) 离虚轴最近;其余极点实部 3、12 都在其 5 倍以上)。近似成欠阻尼二阶(因为是一对共轭复极点)。答错说明你去比了极点到原点的距离或虚部大小——记住只比实部到虚轴的距离。
-
特征方程 \(s^3 + 2s^2 + 5 = 0\),不列劳斯表能否判稳?\(s^3+3s^2+3s+9=0\) 呢?
-
要点:第一个缺 \(s^1\) 项(系数不同号/有缺项),违反必要条件,直接判不稳定。第二个系数全正,是三阶,还要验 \(a_1a_2>a_0a_3\):\(3\times3=9\),\(1\times9=9\),\(9>9\) 不成立(相等),处于临界,不稳定。答"系数全正就稳定"说明你把二阶结论乱推广到三阶。
-
一个 0 型系统,开环增益 \(K=9\),输入 \(r(t)=1\)(单位阶跃)。稳态误差是多少?若把输入换成 \(r(t)=t\)(斜坡)呢?
-
要点:阶跃下 \(e_{ss}=\dfrac{1}{1+K_p}\),0 型 \(K_p=K=9\),\(e_{ss}=1/10=0.1\)。斜坡下 0 型 \(K_v=0\),\(e_{ss}=1/K_v=\infty\)——0 型系统跟不住斜坡。答错常卡在把 \(K_p\) 当成 \(K_v\)、或没意识到 0 型对斜坡误差发散。
-
某单位反馈系统对阶跃输入稳态误差为 0。有人说"那它对同样是阶跃形式的扰动误差也一定为 0"。对吗?
-
要点:不对。 给定误差传函和扰动误差传函分母相同但分子不同(扰动作用点在系统中间),对给定误差为零不保证对扰动误差为零。卡在这里说明还没分清给定误差 vs 扰动误差两条不同通道。
-
用终值定理算某系统对 \(r(t)=\sin 2t\) 的稳态误差,直接代 \(\lim_{s\to0}sE(s)\) 得 0,对吗?
- 要点:不能这么用。 正弦输入下 \(sE(s)\) 有极点在虚轴(\(s=\pm j2\)),不满足"极点全在左半平面"的前提,终值定理失效,算出的 0 是假的。答"对"说明忘了终值定理的适用条件。
知识地图
- 向前串:本讲全建立在前面的地基上——极点实部 \(\sigma\) 决定响应分量 \(e^{\sigma t}\) 的衰减快慢(第3章前几讲),是主导极点、稳定性充要条件、终值定理适用条件的共同根;传递函数、结构图(第2章)是写误差传递函数、辨识系统类型的前提;拉氏变换的终值定理(第2章)直接拿来算 \(e_{ss}\)。
- 横向串:同一章内三块闭环相扣——降阶(主导极点)服务于"快",劳斯判据服务于"稳",稳态误差服务于"准";而"稳"是"准"的前提(先判稳再谈误差)。四种系统语言(微分方程↔传递函数↔结构图↔信号流图)在这里都用到:写特征方程用传函分母,算误差传函用结构图。
- 向后串:
- "稳定 = 极点全在左半平面"这条主线,第4章根轨迹用图解法看极点随参数怎么在 s 平面移动(会不会越过虚轴进右半平面);第5章频域用奈奎斯特判据从频率角度判同一件事。稳定是贯穿全书的主线。
- 主导极点/欠阻尼二阶近似,是第4、5章把高阶系统性能"折算"成二阶指标的基础。
- 稳态误差在第5章(据 Bode 图求稳态误差)、第8章离散系统(离散稳态误差,和连续这块结合考)都会再用。考点分析明确稳态误差"在离散那块也考"。
- 减小稳态误差的措施(增大开环增益 \(K\)、提高型别 \(\gamma\)、复合控制/前馈补偿)直接引向第6章校正。