自动控制原理
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3.4 系统特性变化的稳态误差分析

控制系统或由于长时间的运行,或由于环境变化都会引发元器件、设备的老化、磨损或摩擦等静态特性的变化。这些变化将影响输出响应,从而引起稳态误差。

3.4.1 系统静特性变化对输出响应的影响

假设系统输入给定,一般地,系统的输出稳态值满足

显然,当G(0)与H(0)定义的静特性变化时,yss也会发生变化,即

式中,ΔG(0)和ΔH(0)分别是G(0)和H(0)的静态变化量。于是,稳态输出变化是

从而有

G(0)H(0)≫1时,上式改写成

由此,反馈环节的静特性变化将引起同大小的输出稳态响应变化。同时,G(0)H(0)较大时,ΔG(0)对输出稳态误差的影响不大。

3.4.2 一般系统变化对输出响应的影响

所谓一般系统变化,是指系统内部参数的变化而不一定特指静特性的变化。下面按开环与闭环两种情况分别进行分析。

1)开环情况下,有

Ys)=GsRs

当由于某种原因Gs)变成了Gs)+ΔGs),则由上式可得

Y′s)=[Gs)+ΔGs)]Rs)=Ys)+ΔYs

于是,系统参数变化所引起的变化为

2)闭环情况下,系统如图3-8所示。

显然,在图3-8的系统中,有

图3-8 闭环系统中的一般参数变化

系统特性变化后,有

由此可知

将式(3-16)与式(3-15)相比较,可知闭环系统一般参数变化引起的输出变化ΔYbs)只有开环系统的相同变化引起的输出变化ΔYs)的1/[1+GsHs)]。

3.4.3 灵敏度定义与分析

系统传递函数特性变化引起的响应特性变化也常用灵敏度刻画。具体地,设系统的开环传递函数为Gs),闭环传递函数为GBs),则灵敏度定义为

当ΔGBs)和ΔGs)的变化极小时,式(3-17)可写成

式中,表示GBs)相对于Gs)的灵敏度。

考虑图3-8的闭环反馈系统,引入式(3-18),则有

而开环系统灵敏度

由此可见,由于Gs)的变化,闭环系统对该变化的灵敏度,只是开环系统对同样变化的灵敏度的1/[1+GsHs)]。形象地说,开环时由Gs)变化引起1V电压变化的话,对闭环系统只出现1/[1+GsHs)]V的电压变化。若GsHs)≫1,这种变化是极小的。