控制系统的时域指标
控制系统的时域指标
控制系统的时域指标时域指标是用来描述控制系统在时间上的性能指标，它们反映了控制系统对输入信号的响应和输出信号的稳定性以及动态特性。
常见的时域指标包括超调量、调节时间、稳态误差等。
一、超调量超调量是指控制系统输出信号最大值与稳态值之间的差值，通常用百分比来表示。
超调量的大小直接影响系统的稳定性和动态特性。
当超调量过大时，系统可能会出现震荡或不稳定的现象；而当超调量较小时，系统的响应速度较快且稳定性较好。
超调量的计算公式为：超调量(%) = (峰值值 - 稳态值) / 稳态值 * 100%其中，峰值值是系统输出信号的最大值，稳态值是系统输出信号的稳定值。
二、调节时间调节时间是指控制系统从初始状态到达稳态所需的时间。
它反映了系统的响应速度和稳定性。
调节时间越短，系统的响应速度越快，但可能会牺牲一定的稳定性；调节时间越长，系统的响应速度越慢，但稳定性较好。
调节时间的计算方法有多种，常用的方法是以系统输出信号达到稳态值的时间为准。
一种常见的计算方法是以系统输出信号超过稳态值的5%或10%为界，分别计算系统达到这两个阈值所需的时间，较小的那个时间即为调节时间。
三、稳态误差稳态误差是指控制系统在稳态下输出信号与期望值之间的差异。
稳态误差的大小反映了系统对输入信号的追踪能力和精度。
稳态误差越小，系统的追踪能力和精度越高。
稳态误差的计算方法因系统类型而异。
对于零阶系统，稳态误差等于期望值与稳态值之差；对于一阶系统，稳态误差等于期望值与稳态值之差的一阶导数；对于二阶系统，稳态误差等于期望值与稳态值之差的二阶导数。
除了超调量、调节时间和稳态误差，还有其他一些常见的时域指标，如上升时间、峰值时间等。
这些指标都可以从不同的角度反映控制系统的性能和特性。
时域指标在控制系统设计、调试和优化中起着重要的作用。
通过对时域指标的分析和计算，可以评估控制系统的性能，并对系统进行调整和改进。
同时，时域指标还可以用来比较不同控制方案的优劣，选择最合适的控制策略。
自动控制原理课件之第三章 (一) 时域性能指标,时域分析 (5)
故 20lg ( j) 3(dB)
b
系统带宽频率与带宽
一阶和二阶系统，带宽和系统参数具有解析关系。
自动控制原理教案
一阶系统的带宽: 一阶系统: 因为
1 (s) Ts 1
， 按带宽定义
1 1 T 2b
2
( j 0) 1
20lg ( jb ) 20lg
解 因为该系统为I型系统，单位速度输入下的稳态误差为 查表
1 K 9 K
60
0.62 % e
/ 1 2
7.5%
K 2 1 n , 2n n 2 K 11.6 T T 3.5 ts 0.506
n
自动控制原理教案
G ( j ) G ( j ) 1 G ( j ) A( )
1 2
[1 A2 ( ) 2 A( ) cos ( )] 1 1 [ cos ( )]2 sin 2 ( ) A( )
一般情况下，在M (ω)的极大值附近， γ(ω) 变化较小，且使M (ω)为极值的谐振频率ωr常位于ωc附近，即有
( j 0) 1 ， 按带宽定义
b 2 2 b 2 (1 2 ) 4 2 2 2 n n
b n (1 2 2 ) (1 2 2 )2 1
1 2
二阶系统的带宽和自然频率成正比。与阻尼比成反比。
自动控制原理教案
带宽指标意义
根据一阶系统和二阶系统上升时间和过渡过程时间与参数的 关系，可以推论:系统的单位阶跃响应的速度和带宽成正比。 对于任意阶次的控制系统，这一关系仍然成立。 当系统的带宽扩大λ 倍，系统的响应速度则加快λ 倍。 对于输入端信号，带宽大，则跟踪控制信号的能力强；而在另一 方面， 抑制输入端高频干扰的能力则弱，因此系统带宽的选择在设计中应折 衷考虑，不能一味求大。
《自动控制原理》第三章自动控制系统的时域分析和性能指标
i1 n
]
epjt
j
(spj)
j1
j1
limc(t) 0的充要条件是 p j具有负实部
t
二.劳斯(Routh)稳定判据
闭环特征方程
a nsn a n 1 sn 1 a 1 s a 0 0
必要条件
ai0. ai0
劳斯表
sn s n1 s n2
| | |
a a n
n2
a a n 1
n3
b1 b2
或：系统的全部闭环极点都在复数平面的虚轴上左半部。
m
设闭环的传递函数：
(s)
c(s) R(s)
k (s zi )
i 1 n
(s p j )
P j 称为闭环特征方程的根或极点 j1
n
(s pj ) 0 称为闭环特征方程
j1
若R(s)=1,则C(s)= s m
k (szi)
n
c(t)L1[c(s)]L1[
t 3、峰值时间 p
误差带
4 、最大超调量
%
C C ( )
% max
100 %
C ( )
ts
5 、调节时间
ts
(
0 . 05
0
.
02
)
6、振荡次N数
e e 7、稳态误差 ss
1C()(对单位阶跃) 输入
ss
第三节 一阶系统的动态性能指标
一.一阶系统的瞬态响应
R(s) -
K0 T 0S 1
s5 | 1 3 2
s4 | 1 3 2
s3 | 4 6
s2
|
3 2
2
s1
|
2 3
s0 | 2
自动控制原理时域指标
自动控制原理时域指标自动控制原理是研究如何设计和优化自动控制系统的学科。
在自动控制系统设计中，需要对系统在时域上的行为进行分析和评估。
时域是指系统随时间变化的过程，在自动控制中通常关注系统的稳定性、动态响应和误差性能等指标。
自动控制系统的时域指标主要包括系统的稳定性、阶跃响应、过渡过程、超调量和稳态误差等。
首先，系统的稳定性是指系统在输入信号与外部干扰的作用下，输出信号是否趋向于稳定的状态。
稳定性是一个基本的要求，对于开环控制系统来说，需要系统的传递函数的所有极点的实部都小于0；对于闭环控制系统来说，需要系统的传递函数的所有极点的实部都小于零，且没有极点位于虚轴上。
其次，阶跃响应是指系统对于单位阶跃输入信号的响应。
通过分析系统的阶跃响应，可以得到系统的动态性能指标，如上升时间、峰值时间、峰值过冲和调节时间等。
上升时间是指系统从初始状态到达稳态所需的时间；峰值时间是指系统输出达到峰值的时间；峰值过冲是指系统输出超过稳态值的最大幅度；调节时间是指系统从初始状态到达稳态的时间。
过渡过程是指系统由一个状态转移到另一个状态的过程，可以通过系统的阶跃响应曲线来观察。
过渡过程中，一般通过衡量系统的快速性、稳定性和平稳性来评估系统的性能。
超调量是指系统在过渡过程中，输出信号超过稳态值的最大幅度。
超调量的大小反映了系统的稳定性和响应速度之间的平衡关系。
稳态误差是指系统在稳态下，输出信号与期望信号的差值。
稳态误差用于评估系统对不同输入信号的跟踪能力和稳定性。
在实际的自动控制系统设计中，需要根据具体的应用要求，对不同的时域指标进行权衡和优化。
通过选择合适的控制器参数和调节算法，可以提高系统的稳定性、动态响应和误差性能。
同时，通过对系统的时域指标进行分析和优化，可以满足不同控制任务的要求，提高自动控制系统的性能和效果。
二阶系统的性能指标
●二阶系统的性能指标控制系统的时域性能指标控制系统的性能指标是评价系统动态品质的定量指标，是定量分析的基础。
系统的时域性能指标通常通过系统的单位阶跃响应进行定义。
常见的性能指标有：上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts、最大超调量Mp、振荡次数N、稳态误差e ss。
✓上升时间tr (rise time)响应曲线从零时刻出发首次到达稳态值所需时间。
对无超调(过阻尼)系统，上升时间一般定义为响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。
✓峰值时间tp (peak time)响应曲线从零上升到第一个峰值所需时间。
调整时间ts (settling time)响应曲线到达并保持在允许误差范围（稳态值的2%或5%）内所需的时间。
❑评价系统稳定性的性能指标❑最大超调量Mp (maximum overshoot)响应曲线的最大峰值与稳态值之差。
通常用百分数表示：✓振荡次数N在调整时间ts内系统响应曲线的振荡次数实测时，可按响应曲线穿越稳态值次数的一半计数。
评价系统准确性的性能指标✓稳态误差e ss系统进入稳态后期望值与实际值之差。
▪二阶系统的动态性能由ωn和ξ决定。
增加ξ可以降低振荡，减小超调量Mp 和振荡次数N ，但系统快速性降低，tr、tp增加；ξ一定，ωn越大，系统响应快速性越好，tr、tp、ts越小。
▪通常根据允许的最大超调量来确定ξ。
ξ一般选择在0.4~0.8之间，然后再调整ωn以获得合适的瞬态响应时间。
系统的误差分析和计算误差定义：理想输出与实际输出的差。
误差组成与分析在过渡过程中，瞬态误差是误差的主要部分，但它随时间逐渐衰减，稳态误差逐渐成为误差的主要部分。
误差产生的原因：内因：系统本身的结构。
外因：系统输入量及其导数的连续变化。
控制工程(自动控制)第十八课 频率特性与时域指标
闭环频率特性主要性能指标
带宽频率ω 带宽频率ωb:当闭环幅频特性下降到频率为零时的分 贝值以下3分贝时,对应的频率称为带宽频率ω 贝值以下3分贝时,对应的频率称为带宽频率ωb . 频率范围(0,ωb)称为系统的带宽. 频率范围( 称为系统的带宽.
ω > ωb
20 lg Φ ( jω ) < 20 lg Φ ( j 0) 3
πζ / 1ζ 2
ζ =
1 1 1 2 Mr 2
π
2 M r M r 1 2 M r + M r 1
σ% = e
× 100%
ts =
3.5
ζωn
( = 0.05, 0 < ζ < 0.9)
因此,若知道频域指标中的任两个, 因此,若知道频域指标中的任两个,就可解算 从而求出时域指标.反之, 出ζ和ωn,从而求出时域指标.反之,给出时域指 标的任两个,就可确定闭环频域指标. 标的任两个,就可确定闭环频域指标.
高阶系统
1 Mr = ( 35 ° ≤ γ ≤ 90 ° ) sin γ σ = 0 . 16 + 0 . 4 ( M r 1) (1 ≤ M ts = kπ ≤ 1 .8 )
r
ωc
(1 ≤ M
r
k = 2 + 1 . 5 ( M r 1) + 2 . 5 ( M r 1) 2
≤ 1 .8 )
2 b 2 2 n
1 = 20 lg 2
ω jα ( ω ) Φ ( jw) = = M (ω )e 2 2 ( jω ) + 2ζω n ( jω ) + ωn
2 n
M (ω ) =
1
ωb2 2 ωb 2 [1 2 ] + [2ζ ] ωn ωn
控制系统时域分析
控制系统时域分析控制系统是指由各种元件和装置组成的，用于控制、调节和稳定各种过程的系统。
在控制系统的设计和分析中，时域分析是一种常用的方法。
时域分析可以通过考察系统输出信号在时间上的变化来评估系统的性能和稳定性。
本文将介绍控制系统的时域分析方法及其在工程实践中的应用。
1. 时域分析的基本概念时域分析是指通过观察系统输入和输出信号在时间轴上的波形变化，来分析控制系统的性能和特性。
在时域分析中，常用的指标包括系统的响应时间、稳态误差、超调量、振荡频率等。
2. 系统的单位阶跃响应单位阶跃响应是指将系统输入信号设置为单位阶跃函数，观察系统输出信号的变化。
单位阶跃响应可以反映系统的动态特性，包括系统的稳态响应和暂态响应。
通过观察单位阶跃响应的波形，可以评估系统的超调量、上升时间、峰值时间等性能指标。
3. 系统的单位脉冲响应单位脉冲响应是指将系统输入信号设置为单位脉冲函数，观察系统输出信号的变化。
单位脉冲响应可以用来确定系统的传递函数和冲激响应。
通过观察单位脉冲响应的波形，可以计算系统的阶跃响应和频率响应等特性。
4. 系统的稳态误差分析稳态误差是指系统输出信号与期望输出信号之间的偏差。
稳态误差分析是用来评估系统在稳态下的性能。
根据系统的稳态误差特性，可以对系统进行进一步的补偿和优化。
通常，稳态误差可以通过单位阶跃响应和传递函数来计算。
5. 系统的波形分析波形分析是指通过观察系统输入和输出信号的波形，来分析系统的性能和特性。
波形分析可以帮助工程师判断系统是否存在超调、振荡和阻尼等问题，从而进行相应的调整和改进。
6. 控制系统的频域分析虽然时域分析是评估控制系统性能的常用方法，但有时候需要使用频域分析来更全面地了解系统的特性。
频域分析可以通过考察系统的频率响应函数来评估系统的稳定性和抗干扰性能。
常见的频域分析方法包括傅里叶变换、拉普拉斯变换和频率响应曲线等。
总结：时域分析是控制系统设计和分析中重要的工具之一。
通过观察系统输入和输出信号在时间上的变化，可以评估系统的性能和稳定性。
控制系统的时域性能指标
的稳态误差 来评价。
ess
自动控制原理
1.1 暂态性能指标
暂态性能指标定义如下
图1-1 描述性能指标 t r ，t d ，t p ，M p和 ts 的单位阶跃响应曲线
(1)延迟时间td ：曲线第一次达到终值一半 所需的时间。
(2)上升时间 tr ：响应曲线从终值10％上 升到90％所需的时间；对于欠阻尼系统
可定义为响应从零第一次上升到终值所 需的时间。
（单位）斜坡函数：r(t) t , t 0
（单位）加速度函数：r(t)
1 2
t
（ 2 t
0）
ห้องสมุดไป่ตู้
（单位）脉冲函数：r(t) (t（) t 0）
正弦函数： r(t) Asint, t 0
在典型输入信号作用下，控制系统的输出 时间响应由暂态响应和稳态响应构成。
从初始状态转移到终止状态的响应称为暂 态响应或动态响应，又称为过渡过程。
自动控制原理
控制系统的时域性能指标
为了便于对系统进行分析、设计和比较， 根据系统通常遇到的输入信号形式，对其 数学描述进行理想化的一些基本输入函数， 称为典型输入信号。
控制系统中常用的输入信号有：单位阶 跃信号、单位斜坡（速度）信号、单位加 速度（抛物线）信号、单位脉冲信号和正 弦信号。
（单位）阶跃函数：r(t) 1(t) （t 0）
以上各性能指标中，上升时间 和峰值t时r 间 描述系统起 始阶段的快t p慢；最大超调量
和振荡M次p 数N反映系统的平稳性；调节时间 表示系统过 渡过程的持ts 续时间，总体上反映系统的快速性。
1.2 稳态性能指标
稳态误差：在稳态条件下，系统输出响应的期望值与实 际值之差就称为稳态误差。
控制系统时域及频域性能指标的联系
控制系统时域与频域性能指标的联系经典控制理论中,系统分析与校正方法一般有时域法、复域法、频域法.时域响应法是一种直接法，它以传递函数为系统的数学模型,以拉氏变换为数学工具，直接可以求出变量的解析解.这种方法虽然直观，分析时域性能十分有用，但是方法的应用需要两个前提,一是必须已知控制系统的闭环传递函数,另外系统的阶次不能很高。
如果系统的开环传递函数未知，或者系统的阶次较高,就需采用频域分析法。
频域分析法不仅是一种通过开环传递函数研究系统闭环传递函数性能的分析方法,而且当系统的数学模型未知时，还可以通过实验的方法建立。
此外，大量丰富的图形方法使得频域分析法分析高阶系统时，分析的复杂性并不随阶次的增加而显著增加。
在进行控制系统分析时，可以根据实际情况，针对不同数学模型选用最简洁、最合适的方法,从而使用相应的分析方法，达到预期的实验目的.系统的时域性能指标与频域性能指标有着很大的关系，研究其内在联系在工程中有着很大的意义.一、系统的时域性能指标延迟时间t d阶跃响应第一次达到终值h （∞）的50％所需的时间上升时间t r阶跃响应从终值的10%上升到终值的90%所需的时间;对有振荡的系统，也可定义为从0到第一次达到终值所需的时间峰值时间tp阶跃响应越过终值h （∞)达到第一个峰值所需的时间调节时间ts阶跃响应到达并保持在终值h （∞)的±5％误差带内所需的最短时间超调量%σ 峰值h(tp）超出终值h(∞）的百分比，即%σ=()()()∞∞-h h h t p ⨯100%二、系统频率特性的性能指标采用频域方法进行线性控制系统设计时,时域内采用的诸如超调量,调整时间等描述系统性能的指标不能直接使用，需要在频域内定义频域性能指标。
1、零频振幅比M （0)：即ω为0时闭环幅频特性值。
它反映了系统 的稳态精度， M(0）越接近于1，系统的精度越高.M(0）≠1时，表明系统有稳态误差。
2、谐振峰值Mr ：为幅频特性曲线的A （ω）的最大值.一般说来，Mr 的大小表明闭环控制系统相对稳定性的好坏。
控制系统的时域分析
16
φ(S)的极点
c(t) 的暂态分量
S 单实极点 S m重实极点 S j 共轭复极点
ke t (k1 k2t kmt m1)e t
ke t sin( t )
S j m重共轭复极点
e t k1 sin( t 1) k2t sin( t 2 ) kmtm1 sin( t m )
C (S)R (S) (s)
c ( t ) L 1 C ( S ) L 1 R ( S ) ( S )
✓c(t)的形式与C(S)的极点相对应;
✓输入信号R(S)的极点决定c(t)的稳态分量,响应形式
与输入信号相同或相似；
✓传递函数φ(S)的极点决定c(t) 的暂态分量，稳定的系
统，暂态分量→0。
S0
g1
例:设某系统的特征方程：
D(S) S 4 3S3 3S 2 2S 2 0
列Routh表:
S4
1
3
2
S3
3
S2
3312 7 33
S1 7 2 3 6 4
77
S0
2
2
32 10 2 3
该行同乘以 3 符号改变一次 符号再变一次
◆ 控制系统时域分析要解决的问题: 1.系统从加上输入信号到接近稳态时的响应过程。 (动态响应)
2.t→∞时系统的输出情况;（稳态响应）
◆ 线性定常系统的时域响应 根据系统的微分方程（或传递函数）,以拉氏变换为 数学工具，对给定输入信号求系统的时间响应。再 通过响应评价系统的性能。
1
主要内容
§3－1 典型输入信号和时域性能指标
b3
b1a3 a1b2 b1
c1
b1a5 a1b3 b1
c2
自动控制原理
28
3.3 二阶系统的阶跃响应
输出量的时间函数：
xc (t ) 1 ent (1 nt ), t 0
xc (t ) L1 X c ( s) 1 e 1
nபைடு நூலகம்t
( s a)2 2 sa at L e cos t ( s a)2 2
sin d t cos d t 2 1
2
自动控制原理
第3章 自动控制系统的时域分析
第3章 自动控制系统的时域分析
系统的分析方法
时域、频域
时域分析的目的
不必准确地把微分方程解出来，而是 从微分方程判断出系统运动的主要特征— —从工程角度分析系统运动规律。
2
控制系统的性能指标
在典型信号作用下，控制系统的时间响应是由动态 过程和稳态过程两部分组成。所以控制系统的性能 指标，通常由动态性能和稳态性能两部分组成。 1.动态过程和动态性能 动态过程（过渡过程、暂态过程）：在典型输入 信号作用下，系统从初态到终态的响应过程。
8
3.1 自动控制系统的时域指标
（2）斜坡函数
0，t 0 xr (t ) At，t 0
A=1时称为单位斜坡函数
1 X r ( s) 2 s
单位斜坡信号的拉氏变换
等速度函数
9
3.1 自动控制系统的时域指标
（3）抛物线函数
0，t 0 xr (t ) 2 At ，t 0
特征根的性质取决于阻尼比 的大小；二阶系统的时间 响应取决于 和 n 两个参数，按以下情况来研究二阶系 统的时间响应。
1 1
0 1
0
0
朱玉华自动控制原理第3章 时域分析3-1,2,3
1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
s4 3s3 s2 3s 1 0 s3 3 3
试判别该系统的稳定性。 s2 0 1
当 0时,3 3 0,
s1 3 3 0
s0
1
有2个特征根在s平面第右3章边控. 制系系统统的是时域不分析稳定的
10 0 0
(2) 劳斯表中某一行的元素全为零。
——这时系统在s平面上存在一些大小相等符号相反的
61
s0 6
劳斯表中第一列元素大于零，所以该系统是稳定的。 这时，系统所有的特征根均处于s平面的左半平面。
第3章 控制系统的时域分析
课程回顾(1)
1、 稳态性能指标 2、 动态性能指标
ess
lim[r(t)
t
cr (t)]
(1)延迟时间td (2)上升时间tr
(3)峰值时间tp
(4)调整时间ts
负可化为全为正） （2）劳斯表中第一列所有元素均大于零。
第3章 控制系统的时域分析
例3-1 已知三阶系统特征方程为 a0s3 a1s2 a2s a3 0
试写出系统稳定的充要条件
解：列写劳斯表 s3
a0
a2
0
s2
a1
a3
0
s1 a1a2 a0a3 0
a1
s0
a3
0
故得出三阶系统稳定的充要条件为：
0
9
s0 5
s1 32
0
s0 5
所得结论不变
第3章 控制系统的时域分析
2、劳斯稳定判据的特殊情况
(1) 劳斯表中某一行的第一个元素（系数）为零，而该 行其它元不为零。
——计算下一行第一个元素时将出现无穷大，以至劳斯 表的计算无法进行。
控制系统的时域分析
L-1
1 s3
其中：A
-
[
T +T2 s2 s
1 s3( Ts
- T3 Ts + 1
1 ) s3 ]s=0
1
1 2
t2
- Tt + T 2 - T 2e -t/T
d
1
B ds [ s3(Ts 1 )
s3
]s=0
T
s1,2,3 0
C
1 {
( 3 1 )
d 31 ds 31
[
1 s3( Ts 1 )
=- 1 T
s(Ts
+
1)
(Ts
+
1)
p2
=
-
1 T
=
1
= -T
红河学院自动化系
T
自动控制原理
单位阶跃
慣性
拉氏反变换：
c(t) = L-1 C(s)
=
L-1
1 s
-
s
1 + 1/T
=
1
-
-t
eT
一阶系统没有超调，
c(t)
系统的动态性能指标为 调节时间:
ts = 3T (±5%)
单位阶跃响应曲线
一、时域分析法及其特点
时域分析法——控制系统在一定输入作用下，根 据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬 态过程性能和稳态误差。 特点：
(1) 直接在时间域中对系统进行分析校正，直观、 准确； (2) 可以提供系统时间响应的全部信息； (3) 基于求解系统输出的解析解，比较烦琐。
红河学院自动化系
自动控制原理
二、常用的典型输入信号
红河学院自动化系
自动控制原理 三、线性系统时域性能指标 总要求
控制系统的时域指标
02
研究全局性能优化的时域指标，以提升系统整体性能。
参数自适应调整
03
研究自适应调整参数的方法，以减少参数选择对评价结果的影
响。
THANKS
感谢观看
评估和选择。
02
控制系统时域指标的种类
阶跃响应指标
阶跃响应时间
指系统在阶跃信号输入下，达到 稳定状态所需的时间。
阶跃响应超调量
指系统在阶跃信号输入下，达到 稳定状态时，输出超过稳态值的 最大偏差量。
斜坡响应指标
斜坡响应时间
指系统在斜坡信号输入下，达到稳态 值所需的时间。
斜坡响应线性度
指系统在斜坡信号输入下，输出与输 入之间的线性度。
仿真分析法
总结词
利用数学模型和仿真软件模拟控制系统的动态行为，并计算时域指标。
详细描述
仿真分析法通过建立控制系统的数学模型，并利用仿真软件（如MATLAB/Simulink）模拟系统的动态行 为。通过设定不同的输入信号，观察系统的输出响应，并计算相应的时域指标。这种方法不需要实际硬件 设备，具有较高的灵活性和可重复性。
稳定性是控制系统的重要性能指标之一，而时域指标可以用于评估系统的 稳定性。
系统的稳定性可以通过时域指标如峰值时间、衰减比和调节时间等来衡量。
这些时域指标与系统的极点位置和稳定性密切相关，可以用于判断系统是 否稳定以及稳定性程度。
与鲁棒性指标的关系
鲁棒性是指系统在存在不确定性 或扰动的情况下仍能保持其性能
改进系统结构
根据性能评估结果，对系 统结构进行优化，提高整 体性能。
动态特性改善
通过优化设计，改善系统 的动态特性，提高响应速 用时域指标检测系统的 异常表现，识别潜在的故 障。
第三章 控制系统的时域分析—1引言及一阶系统时域分析
稳定性指标（收敛、发散）
稳定是控制系统能够工作的首要条件，只有动态过程收 敛 (响应衰减)，研究动态性能与稳态性能才有意义。
收敛是指系统从一个状态运动到另一个状态，在其动态响应过 程中，振荡逐渐减弱并稳定在某一状态。反之则称为发散。
T
量衰减为零。在整个工作时间内，系统的响应都
不会超过其稳态值。由于该响应曲线具有非振荡
特征，故也称为非周期响应。
1 斜率 1
T 0.632
C(t) 0.95
T
3T
图中响应曲线的初始斜率（t=0时）为 1/T。如果系统保 持初始响应的变化速度不变，则当t=T时，输出量就能达 到稳态值。实际上，响应曲线的斜率是不断下降的，经
过T时间后，输出量c(t)从0上升到稳态值的63.2%。经过 3T-4T时， c(t)将分别达到稳态值的95%-98%。可见，时 间常数T反应了系统的响应速度，T越小，输出响应上升 越快，响应过程的快速性也越好。
c(t) 1 exp( t ) T
由上式可知，只有当t趋于无穷大时，响应的瞬 态过程才能结束，在实际应用中，常以输出量达到 稳态值的95%或98%的时间作为系统的响应时间 （即调节时间），这时输出量与稳态值之间的偏差 为5%或2%。
t
c(t)
c(t) 1 e T
ess
lim
t
e(t)
0
1
1 T
0.632
动态性能指标：
63.2% 86.5% 95% 98.2% 99.3%
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控制系统时域和频域性能指标的联系
控制系统时域和频域性能指标的联系首先，稳态误差与系统的频率响应特性有直接的关系。
稳态误差是指系统在稳态下的输出与期望输出之间的差异。
对于一个给定的输入信号，系统的稳态误差取决于系统的静态增益以及输入信号的频率。
频域分析可以帮助我们理解系统的静态增益以及系统对不同频率信号的响应。
在频域中，系统的增益可以用频率响应函数（Bode图）表示。
通过分析频率响应函数，可以了解系统在不同频率上对输入信号的衰减或放大程度，进而得出稳态误差的大小。
其次，超调量、上升时间和调整时间与系统的带宽有关。
超调量是指系统在达到稳态之前超过期望值的最大幅度，上升时间是指系统从初始状态到达稳态的时间，调整时间是指系统在超调量和上升时间基础上调整到稳态的时间。
这些性能指标反映了系统的动态响应特性。
在频域中，带宽可以用系统的频率响应曲线上的3dB截止频率表示。
带宽越大，系统对输入信号的高频成分的放大程度越高，超调量越小，上升时间和调整时间也越短。
另外，增益裕度和相位裕度与系统的稳定性有关。
增益裕度是指系统在保持稳定性的前提下，可以承受的最大增益变化。
相位裕度是指系统在保持稳定性的前提下，可以承受的最大相位变化。
在频域中，增益裕度和相位裕度可以通过系统的频率响应曲线来确定。
如果增益裕度或相位裕度较小，则可能导致系统的不稳定性。
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控制系统的时域指标
控制系统的时域指标是用于描述控制系统性能的指标，包括稳态误差、过渡过程和动态性能等。
1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳定状态下与期望输出之间的差异。
常用的稳态误差指标包括静态误差和稳态偏差。
- 静态误差：当输入信号为常数时，输出信号与期望输出之间的差异。
常用的静态误差指标包括零误差、常数误差和百分比误差等。
- 稳态偏差：当输入信号为非常数时，输出信号与期望输出之间的差异。
常用的稳态偏差指标包括稳态偏差、超调量和调整时间等。
2. 过渡过程：过渡过程是指系统从稳态到另一个稳态过程中的动态响应过程。
常用的过渡过程指标包括上升时间、峰值时间、峰值幅值和调整时间等。
- 上升时间：系统从稳态到达期望输出的时间。
- 峰值时间：系统响应过程中达到峰值的时间。
- 峰值幅值：系统响应过程中达到的最大幅值。
- 调整时间：系统从稳态到达期望输出并在一定范围内稳定的时间。
3. 动态性能：动态性能是指系统对输入信号的响应速度和稳定性。
常用的动态性能指标包括过渡过程的时间常数、系统阻尼比和系统超调量等。
- 时间常数：系统响应曲线趋于稳定的时间。
- 系统阻尼比：描述系统过渡过程中振荡的特性，用于衡量系统的稳定性。
- 系统超调量：系统过渡过程中输出信号与期望输出之间的最大差异。
这些时域指标可以用来评估和改进控制系统的性能，帮助工程师优化控制系统的设计和参数设置。