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典型二阶系统的单位阶跃响应

标准形式 G(s) = K·ωn² / ( s² + 2ζωns + ωn² )。拖动滑块观察响应与动态指标的变化,体会 ζ 与 ωn 的作用。

判读:ζ<1 欠阻尼(振荡+超调);ζ=1 临界阻尼(无超调最快);ζ>1 过阻尼(迟缓无超调)。工程上常取 ζ≈0.707(最佳阻尼比)。

PID 控制器:三个参数各自做什么

对给定被控对象施加 PID 控制(带微分滤波与抗积分饱和),t=0.5s 时刻加入单位阶跃给定。灰色虚线为「仅 P 控制」对照。

体会:增大 Kp → 更快但易超调振荡;加入 Ki → 消除稳态误差但减稳裕度;加入 Kd → 抑制超调、对误差变化提前反应。下图为控制器输出 u(t)(注意积分饱和与微分突跳的实际表现)。

Bode 图与稳定裕度

输入开环传递函数 G(s)=N(s)/D(s) 的系数(按 s 升幂、逗号分隔)。示例:N=4,D=4, 0.8, 1 即 4/(s²+0.8s+4)。

幅值裕度 h 在相频穿越 -180° 处读取(-|G| dB);相角裕度 γ 在幅频穿越 0dB 处读取(180°+∠G)。两者同时为正是最小相位系统闭环稳定的判据。

Nyquist 图与稳定性判据

与 Bode 实验共用传递函数输入(改动后点「绘制」)。红叉为临界点 (-1, j0),虚线圆为单位圆。

判据(最小相位系统):曲线不包围 (-1, j0) ⇔ 闭环稳定。包围则闭环不稳定;恰好穿过则临界稳定。程序同时直接求解闭环特征方程根作交叉验证。

根轨迹:增益 K 从 0 → ∞ 的闭环极点运动

先选模式,然后在坐标区点击放置开环极点(×)/零点(○)。特征方程 D(s)+K·N(s)=0,K 对数扫掠,暖色对应大 K。

要点:根轨迹起于开环极点(K=0)、终于开环零点或无穷远(n>m 的分支沿渐近线发散)。轨迹全部位于左半平面 ⇔ 该 K 下闭环稳定。