標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的Matlab代碼示例分析

當(dāng)我們已知一個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)時(shí)候，我們通常有兩種方法來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第一種是時(shí)域分析方法，可以觀察閉環(huán)傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)；第二種是頻域分析法，可以觀察閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)。頻域分析方法中，伯德圖一般被廣泛使用。這兩種分析方法都可以借助Matlab工具得到直觀的曲線，非常有助于我們對(duì)問題的分析。

Note1：時(shí)域分析時(shí)，除了常用的階躍信號(hào)作為輸入激勵(lì)外，還常使用脈沖信號(hào)和斜坡信號(hào)作為激勵(lì)。Note2：頻域分析法，我們既可以選擇環(huán)路增益的伯德圖，也可以選擇閉環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖。

以一個(gè)非常有代表性的標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)為例，可以通過Matlab研究該系統(tǒng)的特性。其閉環(huán)傳遞函數(shù)如下（公號(hào)不支持公式編輯也真是個(gè)亮點(diǎn)，直接上圖吧）：下面針對(duì)公式2進(jìn)行分析。01 時(shí)域

當(dāng)ζ取不同的值時(shí)，該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)會(huì)是怎樣的呢？設(shè)計(jì)如下所示的Matlab代碼。仿真波形如圖1所示，三維波形如圖2所示。

% G（s）=ωn^2/（s^2+2ζωn s+ωn^2 ）.whenωn=1，research unit-step response

% with different ζvalues.

%------------------------------------------------------------------------

t=0:0.2:10;

zt=［0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0］;

for n=1:6

num=［1］;

den=［1 2*zt（n） 1］;

［y（1:51，n），x，t］=step（num，den，t）;

［y（1:51，n），x，t］=impulse（num，den，t）;

end

plot（t，y）

grid

title（‘plot of unit_step response curves with omega_n=1 and zeta=0.1，0.2，0.4，0.6.0.8，1.0’）

xlabel（‘t secs’）

ylabel（‘response’）

text（3.7，1.7，‘zeta=0.1’）

text（3.5，0.8，‘zeta=1.0’）

% to plot a three-dimensional diagram，enter the command mesh（t，zeta，y‘）

figure（2）

mesh（t，zt，y’）

title（‘three-dimensional plot of unit-step response curves’）

xlabel（‘t secs’）

ylabel（‘zeta’）

zlabel（‘response’）

圖 1 ζ取不同值時(shí)的閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

圖 2 ζ取不同值時(shí)的三維圖形

當(dāng)ζ從0不斷增大時(shí)，系統(tǒng)將逐漸從欠阻尼狀態(tài)（0＜ζ＜1）過渡到臨界阻尼狀態(tài)（ζ=1）再過渡到過阻尼狀態(tài)（ζ＞1）。

觀察閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線，當(dāng)ζ＜0.6時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出很大的減幅振蕩；當(dāng)ζ≥0.6時(shí)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，可以看到ζ=1.0時(shí)已非常穩(wěn)定。也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有保障之后，響應(yīng)速度隨著ζ越大而越來越慢。在工程控制中，為了平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，ζ一般取0.707。

02 頻域

其實(shí)也可以在頻域上觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)如下的Matlab代碼，仿真結(jié)果如圖3所示。

% G（s）=ωn^2/（s^2+2ζωn s+ωn^2 ）.whenωn=1，the plot of bode digram

% with different ζvalues.

%------------------------------------------------------------------------

zt=［0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1］;

%zt=［0.1:0.1:1］;

for n=1:6;

num=［1］;

den=［1 2*zt（n） 1］;

G=tf（num，den）;

hold on;

bode（G）

end

grid

title（‘plot of bode diagram with omega_n=1 and zeta=0.1，0.2，0.4，0.6.0.8，1.0’）

圖 3 ζ取不同值時(shí)的閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線

觀察閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線，因?yàn)棣豱=1，發(fā)現(xiàn)1rad/s附近有好幾條曲線具有正的增益，這其實(shí)是系統(tǒng)不穩(wěn)定的表現(xiàn)。重點(diǎn)觀察ζ=0.1時(shí)的曲線，因?yàn)棣豱=1時(shí)，所以曲線在大約1rad/s處出現(xiàn)尖峰（意味著極大增益），實(shí)際會(huì)表現(xiàn)為振蕩。同理，如果ωn=2，ζ=0.1時(shí)曲線會(huì)在2rad/s附近出現(xiàn)尖峰。（注：如果ζ=0，會(huì)發(fā)現(xiàn)在ωn處有無窮大增益）。工程控制中一般取ζ=0.707是非常有道理的，此時(shí)系統(tǒng)在穩(wěn)定性和響應(yīng)速度方面可以說達(dá)到了最好平衡。此時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的頻響平坦區(qū)范圍基本上是0~ωn。

03 總結(jié)

ζ=0.707時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度之間達(dá)到最好的折衷，此時(shí)閉環(huán)頻率響應(yīng)的平坦區(qū)范圍可到ωn；

ζ=0.707不一定是所有二階系統(tǒng)的最優(yōu)選擇 ，在穩(wěn)定性得到保障之后，ζ具體取多大還要看實(shí)際系統(tǒng)的具體需求；

一個(gè)不穩(wěn)定的二階系統(tǒng)，很可能會(huì)在ωn附近出現(xiàn)振蕩行為；

使用Matlab可以對(duì)任意已知傳遞函數(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、斜坡響應(yīng)的分析。脈沖響應(yīng)可直接使用impulse（num，den，t）命令。斜坡響應(yīng)較為復(fù)雜，沒有直接的命令可用。這時(shí)就需要進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換，斜坡響應(yīng)的拉普拉斯表示為1/s2，將其乘以G（s）得到G（s）/s2，因此G（s）的斜坡響應(yīng)可通過G（s）/s的階躍響應(yīng)得到。

參考：

［1］ 現(xiàn)代控制工程，Katsuhiko Ogata，P123~P149

［2］ 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，薛定宇，P170~P190

審核編輯：黃飛