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时域分析法:基于单位阶跃输入分析4种二阶系统

时域分析法:基于单位阶跃输入分析4种二阶系统
📅 发布时间:2026/7/17 21:35:30

目录

一、利用复平面图记忆求根结果

(1)根结果改写

(2)根在复平面的勾股定理

二、欠阻尼时域函数及动态性能分析

(1)时域函数与图形

(2)4种动态性能求解

三、零阻尼分析

四、过阻尼与临界阻尼分析

(1)直接套用标准时域函数的问题

(2)利用一阶惯性系统进行等价转化,简化分析

(3)单位阶跃响应的时域函数


一、利用复平面图记忆求根结果

(1)根结果改写

在上一篇文章中,我们对二阶系统的传递函数(也就是单位冲激的响应函数)进行了分析,最终得到结论:振荡、衰减性只与根的分布情况相关,但是此时我们只是数学形式上得到了根λ1、λ2的表达形式,并不方便记忆,于是这里我们给出复平面图,加上记忆口诀,辅助快速记忆。

(2)根在复平面的勾股定理

二、欠阻尼时域函数及动态性能分析

(1)时域函数与图形

这里有一点值得关注一下:

这里有一点值得关注一下: 在固定自然频率Wn的标准二阶系统(包含欠阻尼、临界、过阻尼全部工况)中,阻尼比=0.707时的调节时间最短,是收敛进入稳态最快的工况;同时它的超调量仅约 4.3%,振荡幅度很小,兼顾快速性与平稳性,因此成为工程中的黄金阻尼比。

(2)4种动态性能求解

下面展示了这几种二阶动态性能的求解过程,但我们不可能记得住这么多式子。所以建议大家在遇到此类问题时,直接从时域函数出发,对时域函数求零点、一阶导零点等等即可很轻易的解出结果。

上升时间 tr

峰值时间 tp

超调量 σ

调节时间 ts

三、零阻尼分析

零阻尼可以十分方便的套用前面得到的时域函数C(t),毕竟这个时域公式是通用的,只不过后续分析过阻尼和临界阻尼的时候不太方便,会进行改写。而这里可以看到得到了非常简单的函数形式。

从这张图可以看出来:

在零阻尼到欠阻尼区间范围内,零阻尼是无限振荡的曲线,而只要有一点点阻尼就会使得最终进入稳态,且阻尼越大,超调量越小。

四、过阻尼与临界阻尼分析

(1)直接套用标准时域函数的问题

(2)利用一阶惯性系统进行等价转化,简化分析

有了这样的理解后,我们在分析阻尼比≥1的临界阻尼和过阻尼时,就可以纯粹的当做两个一阶惯性系统去做,而一阶惯性系统中我们曾分析过:

T代表时间常数(尽管在二阶系统中没有直时间常数的直接定义,但这里为了形式上的统一,强行抽离出一个无物理意义的时间常数),T越大意味着响应越慢;而且从一阶响应曲线可看出:响应函数是全程单调的,无振荡。

(3)单位阶跃响应的时域函数

关于这里的时域函数不需要像欠阻尼中那个通式一样需要记忆,在过阻尼和临界阻尼这里我们只需要记住相应曲线的形状即可。

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