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文檔簡(jiǎn)介
第四章系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)與誤差分析一、典型輸入信號(hào)二、一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)三、二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)※四、高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)五、誤差分析和計(jì)算六、穩(wěn)定性分析
本章主要內(nèi)容重點(diǎn):二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及其性能指標(biāo)。難點(diǎn):二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。教學(xué)目的:1.掌握一階、二階系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下的時(shí)域響應(yīng)和時(shí)域性能指標(biāo)。2.了解高階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的特點(diǎn)。3.掌握系統(tǒng)誤差的概念和計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差的方法。4.掌握系統(tǒng)穩(wěn)定的概念和分析、判別系統(tǒng)穩(wěn)定的方法。時(shí)間響應(yīng)
任一系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)都是由瞬態(tài)響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。
瞬態(tài)響應(yīng):系統(tǒng)受到外加作用力激勵(lì)后,從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程。
穩(wěn)態(tài)響應(yīng):時(shí)間趨于無窮大時(shí),系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。
瞬態(tài)響應(yīng)反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)偏離系統(tǒng)希望值的程度可用來衡量系統(tǒng)的精確程度?!?.1
典型輸入信號(hào)
在時(shí)間域進(jìn)行分析時(shí),為了比較不同系統(tǒng)的控制性能,需要規(guī)定一些具有典型意義的輸入信號(hào)建立分析比較的基礎(chǔ)。這些信號(hào)稱為控制系統(tǒng)的典型輸入信號(hào)。
時(shí)域分析的目的
在時(shí)間域,研究在一定的輸入信號(hào)作用下,系統(tǒng)輸出隨時(shí)間變化的情況,以分析和研究系統(tǒng)的控制性能。優(yōu)點(diǎn):直觀、簡(jiǎn)便
一、典型輸入信號(hào)二、對(duì)典型輸入信號(hào)的要求能夠反映系統(tǒng)工作在最不利的情形;形式簡(jiǎn)單,便于解析分析;實(shí)際中可以實(shí)現(xiàn)或近似實(shí)現(xiàn)。
常用的典型輸入信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)Asint
正弦信號(hào)
1(t),t=0單位脈沖信號(hào)
單位加速度信號(hào)
t,
t0單位速度(斜坡)信號(hào)
1(t),t0單位階躍信號(hào)
復(fù)數(shù)域表達(dá)式
時(shí)域表達(dá)式
名
稱
保證典型輸入信號(hào)與實(shí)際輸入信號(hào)有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且代表最惡劣的輸入情況,因此,當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于典型信號(hào)來進(jìn)行時(shí),那么在實(shí)際輸入的情況下,系統(tǒng)響應(yīng)特性一般是能夠滿足要求的。
注意:對(duì)于同一系統(tǒng),無論采用哪種輸入信號(hào),由時(shí)域分析法所表示的系統(tǒng)本身的性能不會(huì)改變。三、典型輸入信號(hào)的選擇原則脈沖信號(hào):模擬系統(tǒng)突遭脈動(dòng)電壓、機(jī)械碰撞、敲打沖擊等;階躍信號(hào):實(shí)際系統(tǒng)的輸入具有突變性質(zhì),例:模擬電源突然接通、負(fù)荷突然變化、指令突然轉(zhuǎn)換等;速度信號(hào):實(shí)際系統(tǒng)的輸入隨時(shí)間逐漸變化(勻速變化)?!?.2
一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)一階系統(tǒng):一、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)極點(diǎn)(特征根):-1/T凡是能夠用一階微分方程描述的系統(tǒng)。典型形式:1斜率=1/T0xo(t)t1T0.632A63.2%B2T86.5%3T95%4T98.2%5T99.3%99.8%6T一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的特點(diǎn)
響應(yīng)分為兩部分
表示系統(tǒng)輸出量從初態(tài)到終態(tài)的變化過程(動(dòng)態(tài)/過渡過程)
表示t時(shí),系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。
xo(0)=0,xo()=1無穩(wěn)態(tài)誤差;隨時(shí)間的推移,xo(t)
指數(shù)增大,且無振蕩。
xo(T)=1-e-1=0.632,即經(jīng)過時(shí)間T,系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到其穩(wěn)態(tài)輸出值的63.2%,從而可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T;
時(shí)間常數(shù)T反映了系統(tǒng)響應(yīng)的快慢。通常工程中當(dāng)響應(yīng)曲線達(dá)到并保持在穩(wěn)態(tài)值的95%~98%時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)響應(yīng)過程基本結(jié)束。從而慣性環(huán)節(jié)的過渡過程時(shí)間為3T~4T。tln[1-xo(t)]0將一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)式改寫為:即ln[1-xo(t)]與時(shí)間t成線性關(guān)系。
該性質(zhì)可用于判別系統(tǒng)是否為慣性環(huán)節(jié),以及測(cè)量慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。二、一階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)一階系統(tǒng)單位速度響應(yīng)的特點(diǎn)
經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間(穩(wěn)態(tài)時(shí),如:t4T),輸出增長(zhǎng)速率近似與輸入相同,此時(shí)輸出為:t–T,即輸出相對(duì)于輸入滯后時(shí)間T;
系統(tǒng)響應(yīng)誤差為:三、一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)0一階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的特點(diǎn)
瞬態(tài)響應(yīng):(1/T)e–t/T;穩(wěn)態(tài)響應(yīng):0;
xo(0)=1/T,隨時(shí)間的推移,xo(t)指數(shù)衰減;對(duì)于實(shí)際系統(tǒng),通常應(yīng)用具有較小脈沖寬
度(脈沖寬度小于0.1T)和有限幅值的脈
沖代替理想脈沖信號(hào)。
一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)1.單位階躍響應(yīng)2.單位速度響應(yīng)3.單位脈沖響應(yīng)時(shí)間響應(yīng):系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)的作用下之輸出。四、線性定常系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的性質(zhì)
系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)通常由穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量共同組成,前者反映系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性,后者反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
注意到:即:系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)。系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)積分的響應(yīng)等于系統(tǒng)對(duì)該輸入信號(hào)響應(yīng)的積分,其積分常數(shù)由初始條件確定。這種輸入-輸出間的積分微分性質(zhì)對(duì)任何線性定常系統(tǒng)均成立?!?.3
二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)二階系統(tǒng):其中:T為時(shí)間常數(shù),也稱為無阻尼自由振蕩周期。
稱為阻尼比;n=1/T
為系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。一、二階系統(tǒng)的特征方程:極點(diǎn)(特征根):(凡是能夠用二階微分方程描述的系統(tǒng))1.欠阻尼二階系統(tǒng)(振蕩環(huán)節(jié)):
0<<1具有一對(duì)共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn):2.臨界阻尼二階系統(tǒng):
=1具有兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn):3.過阻尼二階系統(tǒng):
>1具有兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn):4.零阻尼二階系統(tǒng):=0具有一對(duì)共軛虛極點(diǎn):5.負(fù)阻尼二階系統(tǒng):<0極點(diǎn)實(shí)部大于零,響應(yīng)發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定。1.欠阻尼(0<<1)狀態(tài)
輸入信號(hào):?jiǎn)挝浑A躍1(t),其拉氏變換為:由傳遞函數(shù)的定義可得到二階系統(tǒng)的輸出為:二、二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
式中,欠阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
欠阻尼二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線=0.2=0.4=0.6=0.85101500.20.40.60.811.21.41.61.82xo(t)t欠阻尼二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的特點(diǎn)
xo()=1,無穩(wěn)態(tài)誤差;
瞬態(tài)分量為振幅等于的正弦振蕩。
振蕩幅值隨
減小而加大。其振幅衰減的快慢由和n決定。阻尼振蕩頻率為:10txo(t)
特點(diǎn)●單調(diào)上升,無振蕩、無超調(diào);
●
xo()=1,無穩(wěn)態(tài)誤差。2.臨界阻尼(
=1)狀態(tài)具有兩個(gè)相等的負(fù)實(shí)數(shù)極點(diǎn):3.過阻尼(>1)狀態(tài)3.過阻尼(>1)狀態(tài)
特點(diǎn)單調(diào)上升,無振蕩,過渡過程時(shí)間長(zhǎng)。
xo()=1,無穩(wěn)態(tài)誤差。該分量影響大當(dāng)大于
1.25時(shí),可忽略。4.無阻尼(=0)狀態(tài)210txo(t)特點(diǎn)頻率為n的等幅振蕩。幾點(diǎn)結(jié)論1.二階系統(tǒng)的阻尼比
決定了其振蕩特性:▲
<0時(shí),階躍響應(yīng)發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定;▲
1時(shí),無振蕩、無超調(diào),過渡過程長(zhǎng);▲
0<<1時(shí),有振蕩,
愈小,振蕩愈嚴(yán)重,但響應(yīng)愈快?!?/p>
=0時(shí),出現(xiàn)等幅振蕩。
工程應(yīng)用中,除了有些場(chǎng)合不允許產(chǎn)生振蕩(如指示和記錄儀表系統(tǒng)等)外,通常采用欠阻尼系統(tǒng),且阻尼比通常選擇0.4~0.8之間,以保證系統(tǒng)的快速性同時(shí)又不至于產(chǎn)生過大的振蕩。
一定時(shí),n越大,瞬態(tài)響應(yīng)分量衰減越迅速,即系統(tǒng)能夠更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,響應(yīng)的快速性越好。三、二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)
>1:
=1:
0<<1:
=0:四、二階系統(tǒng)的單位速度響應(yīng)
>1:
=1:
0<<1:
=0:高階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)
高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)
考慮系統(tǒng):參考內(nèi)容假設(shè)系統(tǒng)極點(diǎn)互不相同。其中,a,aj為Xo(s)在極點(diǎn)s=0和s=-pj處的留數(shù);
bk、ck是與Xo(s)在極點(diǎn)處的留數(shù)有關(guān)的常數(shù)。通過拉氏反變換,其輸出為:
高階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)由一階和二階系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)疊加而成。§3.4
二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)
一、控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)
控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的定量指標(biāo),是定量分析的基礎(chǔ)。
系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)通常通過系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)進(jìn)行定義。常見的性能指標(biāo)有:〇上升時(shí)間tr〇峰值時(shí)間tp〇調(diào)整時(shí)間ts〇最大超調(diào)量Mp〇振蕩次數(shù)N
1.上升時(shí)間tr
響應(yīng)曲線從零時(shí)刻出發(fā)首次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間。對(duì)無超調(diào)系統(tǒng),上升時(shí)間一般定義為響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間。二、欠阻尼二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的計(jì)算
根據(jù)上升時(shí)間的定義有:欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為:顯然,一定時(shí),n越大,tr越??;
n一定時(shí),
越大,tr
越大。tx0(t)tr12.
峰值時(shí)間tp響應(yīng)曲線從零上升到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。
2.峰值時(shí)間tp可見,峰值時(shí)間等于有阻尼振蕩周期的一半。一定,n越大,tp越?。籲一定,越大,tp
越大。3.最大超調(diào)量
Mp定義:響應(yīng)曲線的最大峰值與穩(wěn)態(tài)值之差。3.
最大超調(diào)量Mp顯然,Mp僅與阻尼比有關(guān)。最大超調(diào)量直接說明了系統(tǒng)的阻尼特性。越大,Mp
越小,系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好,當(dāng)
=0.4~0.8時(shí),可以求得相應(yīng)的Mp
=25.4%~1.5%。通常用百分?jǐn)?shù)表示:00.10.20.30.40.50.60.70.80.910102030405060708090100二階系統(tǒng)Mp—
圖4.調(diào)整時(shí)間ts對(duì)于欠阻尼二階系統(tǒng),其單位階躍響應(yīng)的包絡(luò)線為一對(duì)對(duì)稱于響應(yīng)穩(wěn)態(tài)分量1的指數(shù)曲線:響應(yīng)曲線到達(dá)并保持在允許誤差范圍(穩(wěn)態(tài)值的2%或5%)內(nèi)所需的時(shí)間。單位階躍響應(yīng):
當(dāng)包絡(luò)線進(jìn)入允許誤差范圍之內(nèi)時(shí),階躍響應(yīng)曲線必然也處于允許誤差范圍內(nèi)。當(dāng)一定時(shí),n越大,ts越小,系統(tǒng)響應(yīng)越快。當(dāng)0<<0.7時(shí),可得:由上式求得的ts包通常偏保守。因此利用:t5.振蕩次數(shù)
N
N僅與有關(guān)。與Mp
一樣直接說明了系統(tǒng)的阻尼特性。越大,N越小,系統(tǒng)平穩(wěn)性越好。x0(t)ts±⊿%響應(yīng)曲線到達(dá)并保持在允許誤差范圍(穩(wěn)態(tài)值的2%或5%)內(nèi)所需的時(shí)間。實(shí)測(cè)時(shí),可按響應(yīng)曲線穿越穩(wěn)態(tài)值次數(shù)的一半計(jì)數(shù)。
二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能由n和決定。結(jié)論
通常根據(jù)允許的最大超調(diào)量來確定。一般選擇在0.4~0.8之間,然后再調(diào)整n以獲得合適的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
一定,n越大,系統(tǒng)響應(yīng)快速性越好,
tr、tp、ts越小。
增加可以降低振蕩,減小超調(diào)量Mp和振蕩次數(shù)N,但系統(tǒng)快速性降低,tr、tp、ts增加;
tr、tp、ts反映系統(tǒng)響應(yīng)快速性Mp
、N
反映系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)性一、控制系統(tǒng)的誤差考慮圖示反饋控制系統(tǒng)H(s)Xi(s)Xo(s)B(s)E
(s)G(s)
誤差信號(hào)E(s)E(s)=Xi(s)-B(s)=Xi(s)-H(s)Xo(s)誤差信號(hào)E(s)定義為系統(tǒng)輸入Xi(s)與系統(tǒng)主反饋信號(hào)B(s)之差,即:§4.5
誤差分析和計(jì)算二、穩(wěn)態(tài)誤差及其計(jì)算穩(wěn)態(tài)誤差:系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出在穩(wěn)定狀態(tài)(t)下的差值,即誤差信號(hào)e(t)
的穩(wěn)態(tài)分量:
當(dāng)sE(s)的極點(diǎn)均位于s平面左半平面(包括坐標(biāo)原點(diǎn))時(shí),根據(jù)拉氏變換的終值定理,有:
顯然,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差決定于輸入Xi(s)和開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)H(s),即決定于輸入信號(hào)的性質(zhì)及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。G(s)H(s)—G(s)H(s)—107年考題例1某系統(tǒng)方框圖如圖所示,當(dāng)系統(tǒng)輸入的控制信號(hào)為:
求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
三、穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)1.穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)的概念(1)穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù)單位階躍輸入時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)系數(shù)稱為穩(wěn)態(tài)位置誤差系數(shù)。令:對(duì)于單位反饋系統(tǒng),(2)穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)單位速度輸入時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差稱為穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)。其中,對(duì)于單位反饋系統(tǒng),易知:(3)穩(wěn)態(tài)加速度誤差系數(shù)單位加速度輸入時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差稱為穩(wěn)態(tài)加速度誤差系數(shù)。其中,結(jié)論:當(dāng)輸入信號(hào)形式一定后,系統(tǒng)是否存在穩(wěn)態(tài)誤差取決于系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。
對(duì)于單位反饋系統(tǒng),易知:2.系統(tǒng)類型將系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)寫成如下形式:
根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的多少來定義系統(tǒng)的類型,當(dāng)r=0,1,2,…時(shí),系統(tǒng)分別稱為0型、I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。0型系統(tǒng):I型系統(tǒng):Ⅱ型系統(tǒng):3.
不同類型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)及穩(wěn)態(tài)誤差(1)0型系統(tǒng)單位負(fù)反饋0型系統(tǒng)只能跟蹤階躍信號(hào),且有穩(wěn)態(tài)誤差。(2)I型系統(tǒng)單位負(fù)反饋
I型系統(tǒng)準(zhǔn)確地能跟蹤階躍信號(hào),也能跟蹤速度信號(hào),但有穩(wěn)態(tài)誤差。不能跟蹤加速度信號(hào)。(3)Ⅱ型系統(tǒng)單位負(fù)反饋
Ⅱ型系統(tǒng)準(zhǔn)確地能跟蹤階躍信號(hào)、速度信號(hào),也能跟蹤加速度信號(hào),但有穩(wěn)態(tài)誤差。表1、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)及穩(wěn)態(tài)誤差00K2II型00K1I型00K00型單位加速度輸入單位速度輸入單位階躍輸入KaKvKp穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)系統(tǒng)類型注意k0、k1、k2為系統(tǒng)的開環(huán)增益。幾點(diǎn)結(jié)論不同類型的輸入信號(hào)作用于同一控制系統(tǒng),其穩(wěn)態(tài)誤差不同;相同的輸入信號(hào)作用于不同類型的控制系統(tǒng),其穩(wěn)態(tài)誤差也不同。
系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與其開環(huán)增益有關(guān),開環(huán)增益越大,穩(wěn)態(tài)誤差越小。在階躍輸入作用下,0型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為定值,常稱為有差系統(tǒng);I型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,常稱為一階無差系統(tǒng);在速度輸入作用下,II型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0,常稱為二階無差系統(tǒng)。習(xí)慣上,稱輸出量為“位置”,輸出量的變化率為“速度”。在此位置和速度是廣義的概念。盡管將階躍輸入、速度輸入及加速度輸入下系統(tǒng)的誤差分別稱之為位置誤差、速度誤差和加速度誤差,但對(duì)速度誤差、加速度誤差而言并不是指輸出與輸入的速度、加速度不同,而是指輸出與輸入之間存在一確定的穩(wěn)態(tài)位置偏差。系統(tǒng)在多個(gè)信號(hào)共同作用下總的穩(wěn)態(tài)偏差(誤差)等于多個(gè)信號(hào)單獨(dú)作用下的穩(wěn)態(tài)偏差(誤差)之和。如果輸入量非單位量時(shí),其穩(wěn)態(tài)偏差(誤差)按比例增加。如:總的穩(wěn)態(tài)偏差:(a)(b)
解:如果系統(tǒng)的輸入是階躍函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)三種輸入的組合,即:
可根據(jù)線性疊加原理,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為:(1)系統(tǒng)(a)的開環(huán)傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)表達(dá)式為:(2)系統(tǒng)(b)的開環(huán)傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)表達(dá)式為:表1、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)及穩(wěn)態(tài)誤差00K2II型00K1I型00K00型單位加速度輸入單位速度輸入單位階躍輸入KaKvKp穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)系統(tǒng)類型注意k0、k1、k2為系統(tǒng)的開環(huán)增益。四、
擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)總誤差擾動(dòng)輸入作用下的偏差傳遞函數(shù)1.控制輸入作用下,系統(tǒng)的誤差:2.擾動(dòng)輸入作用下,系統(tǒng)的誤差:3.系統(tǒng)的總誤差:時(shí)間響應(yīng)系統(tǒng)輸出隨時(shí)間變化的特性。時(shí)間響應(yīng)由穩(wěn)態(tài)分量和瞬態(tài)分量組成。1.一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)單位
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