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  • (八)二阶系统的单位阶跃响应

    该系列为DR_CAN动态系统的建模与分析系列视频笔记,详见https://space.bilibili.com/230105574
    由于笔者水平有限,文中难免存在一些不足和错误之处,诚请各位批评指正。

    1 从弹簧阻尼系统开始

    回顾弹簧阻尼系统,我们有以下内容,其中 (u(t) = frac{F}{omega^2}) 旨在单位化:

    image-20200511210309282

    通过对微分方程进行拉普拉斯变换可得:

    image-20200511210557289

    2 单位阶跃响应

    与分析一阶系统的单位阶跃响应类似,我们先通过对单位阶跃函数进行拉普拉斯变换,然后求出系统输出 (X(s)) ,最后通过拉普拉斯逆变换得到 (x(t))

    image-20200511210743456

    在进行拉普拉斯逆变换之前,我们需要先求出极点,这里我们先分析最复杂的情况——欠阻尼:

    image-20200511211619392

    通过待定系数法,我们可以将系统输出 (X(s)) 分解为多个分式的和:

    image-20200511211902643

    image-20200511212314369

    image-20200511212408523

    image-20200511212514619

    得到A B C的值后代入原式得:

    image-20200511212626697

    对其进行拉普拉斯逆变换,并令阻尼固有频率 (omega_d = omega sqrt{1-zeta^2}) ,化简可得:

    image-20200511213010429

    image-20200511213259666

    经过上述复杂的计算我们得到了 (x(t)) 化简以后的结果,注意算式中是 (omega_dt)

    image-20200511213640003

    另外的,当 (zeta) 等于0、1或大于1时,有:

    image-20200511214050280

    可以看到,二阶系统的阶跃响应,与对初始条件的响应类似,均根据 (zeta) 的不同取值有不同的情况,只是收敛结果一个是1一个是0。

    3 在Simulink中进行仿真

    与分析二阶系统对初始条件的动态响应类似,我们也可以通过在Simulink中搭建微分方程来对系统进行仿真:

    image-20200511214402511

    通过设置不同的 (zeta) 我们可以得到多条阶跃响应的曲线:

    image-20200511214756973

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