第2章 控制系统数学模型精选文档.ppt
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1、第2章 控制系统数学模型本讲稿第一页,共九十六页2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 微分方程微分方程 是控制系统最基本的数学模型,要研究系统的运动,必须列写系统的微分方程。一个控制系统由若干具有不同功能的元件组成,首先要根据各个元件的物理规律,列写各个元件的微分方程,得到一个微分方程组,然后消去中间变量,即得控制系统总的输入和输出的微分方程。本讲稿第二页,共九十六页例例2.1 R-L-C 2.1 R-L-C 串联电路串联电路2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第三页,共九十六页例例2.2 2.2 弹簧弹簧阻尼器系统阻尼器
2、系统2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第四页,共九十六页电磁力矩:安培定律电枢反电势:楞次定律电枢回路:克希霍夫力矩平衡:牛顿定律例例2.3 2.3 电枢控制式直流电动机电枢控制式直流电动机2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第五页,共九十六页电机时间常数电机传递系数消去中间变量 i,Mm,Eb 可得:2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第六页,共九十六页建立动态微分方程的步骤建立动态微分方程的步骤(1)根据元件的工作原理和在系统中的作用,确定元件的输入量和输出量(必要时还
3、考虑扰动量),并根据需要引进一些中间变量。(2)根据各元件在工作过程中所遵循的物理或化学定律,按工作条件忽略一些次要因素,并考虑相邻元件的彼此影响,列出微分方程。常用的定律有:电路系统的基尔霍夫定律、力学系统的牛顿定律和热力学定律等等。(3)消去中间变量后得到描述输出量与输入量(包括扰动量)关系的微分方程,即元件的数学模型。数学模型。2.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第七页,共九十六页微分方程标准形式微分方程标准形式 (1)将与输入量有关的各项写在方程的右边;与输出量有关的各项写在方程的左边。(2)方程两边导数项均按降阶排列。其一般形式为其一般形式为2
4、.1 2.1 建立动态微分方程的一般方法建立动态微分方程的一般方法 本讲稿第八页,共九十六页第第2 2章章 自动控制系统数学模型自动控制系统数学模型 n 2.1 建立动态微分方程的一般方法 n 2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 n 2.3 传递函数n 2.4 系统动态结构图n 2.5 自动控制系统的传递函数n 2.6 信号流图本讲稿第九页,共九十六页2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 1 几种常见的非线性几种常见的非线性 本讲稿第十页,共九十六页2 2 线性化的方法线性化的方法(1 1)忽略弱非线性环节)忽略
5、弱非线性环节(如果元件的非线性因素较弱或者不在系统线性工作范围以内,则它们对系统的影响很小,就可以忽略)(2)偏微法(小偏差法,切线法,增量线性化法)偏微法(小偏差法,切线法,增量线性化法)偏微法基于一种假设,就是在控制系统的整个调节过程中,各个元件的输入量和输出量只是在平衡点附近作微小变化。这一假设是符合许多控制系统实际工作情况的,因为对闭环控制系统而言,一有偏差就产生控制作用,来减小或消除偏差,所以各元件只能工作在平衡点附近。2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十一页,共九十六页 设设 A(x0,y0)A(x0,y0)平衡点,函平衡点,函数
6、在平衡点处连续可微,则数在平衡点处连续可微,则可将函数在平衡点附近展开可将函数在平衡点附近展开成台劳级数成台劳级数忽略二次以上的各项,上式可以写成忽略二次以上的各项,上式可以写成 其中其中这就是非线性元件的线性化数学模型这就是非线性元件的线性化数学模型本讲稿第十二页,共九十六页取一次近似,且令 有 例例 已知某装置的输入输出特性已知某装置的输入输出特性求小扰动线性化方程。求小扰动线性化方程。解解 在工作点(x0,y0)处展开泰勒级数2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十三页,共九十六页 解解 在 处泰勒展开,取一次近似 代入原方程可得 例例 某
7、容器的液位高度某容器的液位高度 h h 与液体流入量与液体流入量 Q Q 满足方程满足方程式式中中 S S 为为液液位位容容器器的的横横截截面面积积。若若 h h 与与 Q Q 在在其其工工作作点点附附近近做做微微量量变化,试导出变化,试导出 h h 关于关于 Q Q 的线性化方程。的线性化方程。2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十四页,共九十六页在平衡点处系统满足 上两式相减可得线性化方程 2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十五页,共九十六页 如果一非线性元件输入输出关系如图所示 此时不能
8、用偏微分法,可用平均斜率法得线性化方程为(3 3)平均斜率法)平均斜率法2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十六页,共九十六页 注意:注意:上述几种方法只适用于一些非线性程度较低的系统,对于某些严重的非线性,如 不能作线性化处理,一般用相平面法及描述函数法进行分析。2.2 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化非线性系统微分方程模型的线性化 本讲稿第十七页,共九十六页n 2.1 建立动态微分方程的一般方法 n 2.2 非线性系统微分方程模型的线性化 n 2.3 2.3 传递函数传递函数n 2.4 系统动态结构图n 2.5 自动控制系统的传递函数
9、n 2.6 信号流图第第2 2章章 自动控制系统数学模型自动控制系统数学模型本讲稿第十八页,共九十六页1 拉普拉斯变换 2 传递函数3 典型环节的传递函数2.3 2.3 传递函数传递函数本讲稿第十九页,共九十六页1 1 复数有关概念复数有关概念(1 1)复数、复函数)复数、复函数 复数复数复函数复函数 例例1 1 (2 2)模、相角)模、相角 (3 3)复数的共轭)复数的共轭(4 4)解析若)解析若F(s)F(s)在在 s s 点的各阶点的各阶 导数都存在,则导数都存在,则F(s)F(s)在在 s s 点解析。点解析。模模相角相角 1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十页,共九十六页(2
10、 2)指数函数)指数函数1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十一页,共九十六页2 2 拉氏变换的定义拉氏变换的定义(1 1)阶跃函数)阶跃函数像像原像原像3 3 常见函数的拉氏变换常见函数的拉氏变换1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十二页,共九十六页(3 3)正弦函数)正弦函数1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十三页,共九十六页(1 1)线性性质)线性性质4 4 拉氏变换的几个重要定理拉氏变换的几个重要定理(2 2)微分定理)微分定理0 0初条件下有:初条件下有:1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十四页,共九十六页例例2 2 求求解解.例例3 3 求求解解.1 1
11、 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十五页,共九十六页(3 3)积分定理)积分定理零初始条件下有:零初始条件下有:进一步有:进一步有:例例4 4 求求 L Lt=?t=?解解.1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十六页,共九十六页例例5 5 求求解解.1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十七页,共九十六页(4 4)实位移定理)实位移定理例例6 6解解.1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十八页,共九十六页(5 5)复位移定理)复位移定理例例7 7例例8 8例例9 91 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第二十九页,共九十六页(6 6)初值定理)初值定理例例10101 1 拉普
12、拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十页,共九十六页(7 7)终值定理)终值定理例例1111例例12121 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十一页,共九十六页5 5 用拉氏变换方法解微分方程用拉氏变换方法解微分方程L L变换变换系统微分方程系统微分方程L L-1-1变换变换1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十二页,共九十六页1)1)拉氏变换的定义拉氏变换的定义(2 2)单位阶跃)单位阶跃2)2)常见函数常见函数L变换变换(5 5)指数函数)指数函数(1 1)单位脉冲)单位脉冲(3 3)单位斜坡)单位斜坡(4 4)单位加速度)单位加速度(6 6)正弦函数)正弦函数(7 7)余弦函数)余弦
13、函数1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换6 6 拉氏变换小结拉氏变换小结本讲稿第三十三页,共九十六页(2 2)微分定理)微分定理3)3)L变换重要定理变换重要定理(5 5)复位移定理)复位移定理(1 1)线性性质)线性性质(3 3)积分定理)积分定理(4 4)实位移定理)实位移定理(6 6)初值定理)初值定理(7 7)终值定理)终值定理1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十四页,共九十六页4)4)拉氏反变换拉氏反变换(1 1)反演公式)反演公式(2 2)查表法(分解部分分式法)查表法(分解部分分式法)试凑法试凑法系数比较法系数比较法留数法留数法例例1 1 已知已知,求求解解.1 1 拉普拉斯
14、变换拉普拉斯变换本讲稿第三十五页,共九十六页5)5)用用L变换方法解线性常微分方程变换方法解线性常微分方程0 0 初条件初条件nm:特征根(极点)特征根(极点):相对于相对于 的的模态模态1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十六页,共九十六页用留数法分解部分分式用留数法分解部分分式一般有一般有其中:其中:设设I.当当 无重根时无重根时1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十七页,共九十六页例例2 2 已知已知,求求解解.例例3 3 已知已知,求求解解.1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第三十八页,共九十六页例例4 4 已知已知,求求解一解一.解二:解二:1 1 拉普拉斯变换拉普拉
15、斯变换本讲稿第三十九页,共九十六页II.当当 有重根时有重根时(设设 为为m m重根,其余为单根重根,其余为单根)1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第四十页,共九十六页1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第四十一页,共九十六页例例5 5 已知已知,求求解解.1 1 拉普拉斯变换拉普拉斯变换本讲稿第四十二页,共九十六页1 拉普拉斯变换 2 2 传递函数传递函数3 典型环节的传递函数2.3 2.3 传递函数传递函数本讲稿第四十三页,共九十六页 2 2 传递函数传递函数 1)1)定定义义:在在零零初初始始条条件件下下,线线性性定定常常系系统统输输出出量量拉拉氏氏变换与输入量拉氏变换之比。变换与
16、输入量拉氏变换之比。微分方程一般形式:本讲稿第四十四页,共九十六页 2 2 传递函数传递函数微分方程一般形式微分方程一般形式:拉氏变换拉氏变换:传递函数:传递函数:本讲稿第四十五页,共九十六页 2)2)传递函数的性质传递函数的性质 (1)G(s)是复函数;(2)G(s)只与系统自身的结构参数有关;(3)G(s)与系统微分方程直接关联;(4)G(s)=L k(t);(5)G(s)与 s 平面上的零极点图相对应。第2章 自动控制系统的数学模型 2 2 传递函数传递函数本讲稿第四十六页,共九十六页 (1)原则上不反映非零初始条件时系统响应的全部信息;(2)适合于描述单输入/单输出系统;(3)只能用于
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