二阶系统

凡用二阶微分方程描述的系统称为二阶系统。许多高阶系统在一定的条件下，常常近似地作为二阶系统来研究。

二阶系统控制系统按数学模型分类时的一种形式.是用数学模型可表示为二阶线性常微分方程的系统.二阶系统的解的形式,可由对应传递函数W(s)的分母多项式P(s)来判别和划分.P(s)的一般形式为变换算子s的二次三项代数式,经标准化后可记为

代数方程P(s)=0的根,可能出现四种情况:

1.两个实根的情况,对应于两个串联的一阶系统.如果两个根都是负值,就为非周期性收敛的稳定情况.

2.当a1=0,a2>0,即一对共轭虚根的情况,将引起频率固定的等幅振荡,是系统不稳定的一种表现.

3.当a1<0,a1-4a2<0,即共轭复根有正实部的情况,对应于系统中发生发散型的振荡,也是不稳定的一种表现.

4.当a1>0,a1-4a2<0,即共轭复根有负实部的情况,对应于收敛型振荡,且实部和虚部的数值比例对输出过程有很大的影响.一般以阻尼系数ζ来表征,常取

在0.4~0.8之间为宜.当ζ>0.8后,振荡的作用就不显著,输出的速度也比较慢.而ζ<0.4时,输出量就带有明显的振荡和较大的超调量,衰减也较慢,这也是控制系统中所不希望的.

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标准形式的二阶系统的微分方程是

或

上两式中，T称为系统的时间常数。称为系统的阻尼系数或阻尼比，称为系统的无阻尼自然振荡频率或自然频率。K为放大系数。

标准二阶系统的结构图

标准形式二阶系统的闭环传递函数为

二阶系统是控制系统中应用最广泛、最具代表性的系统。同时，二阶系统的分析方法也是分析高阶系统的基础。

二阶系统的单位跃阶响应

二阶系统的特征方程为

特征方程的二个根为

这也是二阶系统的闭环极点。

从式可以看出，二阶系统的参数，是变化的，取值不同，特征方程的根（即闭环极点）可能是复数，也可能是实数。系统的响应形式也因此会有较大的区别。

在单位阶跃函数输入下，二阶系统的输出为

下面分几种不同的情况来讨论二阶系统的单位阶跃响应。

1.无阻尼状态

当二阶系统的阻尼比等于0时，我们称二阶系统处于无阻尼状态或无阻尼情况。

2欠阻尼状态

当二阶系统的阻尼系数大于0小于1时，我们称二阶系统的单位阶跃响应是欠阻尼情况或者说二阶系统处于欠阻尼状态。

3.临界阻尼状态

当阻尼比等于1时，我们称二阶系统处于临界阻尼状态或临界阻尼情况。

4.过阻尼状态

当阻尼比大于1时,我们称二阶系统处于过阻尼状态或过阻尼情况。

二阶系统动态特性性能指标

1.控制系统的动态特性性能指标

控制系统动态特性的优劣，是通过动态特性性能指标来评价的。控制系统动态特性的性能指标通常是按系统的单位阶跃响应的某些特征量来定义的。多数控制系统的动态过程都具有振荡特性。因此我们选择欠阻尼振荡过程为典型代表，来定义动态特性的性能指标，并用这些指标来描述控制系统的动态过程品质。这些指标主要有：上升时间、峰值时间、最大超调量、衰减率、调节时间、振荡频率与周期、振荡次数等。

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