传递函数24典型环节的传递函数ppt课件.ppt
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1、上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能工工 程程 控控 制制 原原 理理2.数学模型与传递函数2.3 传递函数传递函数主讲:周晓君主讲:周晓君 办办 公公 室:室:机械副楼机械副楼209-2室室 电子邮件电子邮件: 办公电话:办公电话:56331523上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.3 传递函数传递函数 微微分分方方程程的的求求解解十十分分繁繁琐琐,而而且且从从其其本本身身很很难难分分析
2、析研研究究系统的动态性能,尤其是对复杂的系统及高阶微分方程。系统的动态性能,尤其是对复杂的系统及高阶微分方程。2.数学模型与传递函数 如如果果对对微微分分方方程程进进行行拉拉氏氏变变换换,得得到到代代数数方方程程(复复数数域域),将将使使解解算算简简化化而而方方便便。传传递递函函数数是是在在拉拉普普拉拉斯斯变变换换基基础础上上产产生生的的,可可以以用用来来方方便便直直观观地地描描述述零零初初始始条条件件下下的的单单输输入入单单输输出出系系统,是对元件及系统进行分析、研究与综合的有力工具。统,是对元件及系统进行分析、研究与综合的有力工具。根根据据传传递递函函数数在在复复平平面面上上的的形形状状可
3、可以以直直接接判判断断系系统统的的动动态态性性能能,找找出出改改善善系系统统品品质质的的方方法法。传传递递函函数数是是经经典典控控制制理理论论的的基础,是极其重要的基本概念。基础,是极其重要的基本概念。上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.3.1 传递函数的定义传递函数的定义 线线性性定定常常系系统统的的传传递递函函数数,定定义义为为零零初初始始条条件件下下,系系统统(或环节)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。(或环节)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。2.3 传递函数传递函数即
4、即 可见传递函数是描述系统的一种数学方式。可见传递函数是描述系统的一种数学方式。G(s)Xo(s)Xi(s)输输入入信信号号经经系系统统(或或环环节节)传传递递乘乘以以G(s),得到输出信号。,得到输出信号。称称G(s)为传递函数为传递函数上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.3.2 传递函数的求法传递函数的求法 设设线线性性定定常常系系统统(或或环环节节)由由下下述述n阶阶线线性性常常微微分分方方程程描描述述2.3 传递函数传递函数式中,式中,nm。上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习
5、近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 当当初初始始条条件件全全为为零零,即即:xi(t)和和xo(t)及及其其各各阶阶导导数数在在 t=0 的值均为零的值均为零时,对上式进行拉氏变换时,对上式进行拉氏变换2.3.2 传递函数的求法传递函数的求法 由由此此可可知知,只只要要知知道道系系统统微微分分方方程程,就就可可求求出出其其传传递递函函数。数。得到系统(或环节)传递函数的一般形式得到系统(或环节)传递函数的一般形式上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中
6、小学图书室育人功能2.3.3 传递函数的特点传递函数的特点 2.3 传递函数传递函数 (1)传传递递函函数数的的分分母母是是系系统统的的特特征征多多项项式式,代代表表系系统统的的固固有有特特性性,分分子子代代表表输输入入与与输输出出的的关关系系。因因此此,传传递递函函数数表表达达了系统本身的动态性能,与输入量的大小及性质无关。了系统本身的动态性能,与输入量的大小及性质无关。(2)传传递递函函数数不不说说明明被被描描述述系系统统的的物物理理结结构构。只只要要动动态态性性能相似,不同的系统可以用同一类型的传递函数描述。能相似,不同的系统可以用同一类型的传递函数描述。(3)传传递递函函数数可可以以是
7、是无无量量纲纲的的,也也可可以以是是有有量量纲纲的的,这这要要看系统输入、输出量的量纲,以及两者的比值。看系统输入、输出量的量纲,以及两者的比值。(4)传传递递函函数数是是复复变变量量s的的有有理理真真分分式式,mn,且且所所具具有有复复变函数的所有性质。变函数的所有性质。上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.3 传递函数传递函数 传传递递函函数数分分母母中中的的最最高高阶阶次次,等等于于输输出出量量最最高高阶阶导导数数的的阶次。如果阶次。如果 s 的最高阶次等于的最高阶次等于n,则称这种系
8、统为,则称这种系统为 n 阶系统。阶系统。例题例题 已知系统微分方程,求其传递函数。已知系统微分方程,求其传递函数。解:解:在零初始条件下,对上式两边取拉普拉斯变换,得在零初始条件下,对上式两边取拉普拉斯变换,得整理得到描述系统的传递函数整理得到描述系统的传递函数上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4 典型环节的典型环节的传递函数传递函数 控控制制系系统统一一般般由由若若干干元元件件以以一一定定形形式式连连接接而而成成,从从控控制制理理论论来来看看,物物理理本本质质和和工工作作原原理理不不
9、同同的的元元件件可可以以有有完完全全相相同同的数学模型。的数学模型。2.数学模型与传递函数 在在控控制制工工程程中中,一一般般将将具具有有某某种种确确定定信信息息传传递递关关系系的的元元件件、元元件件组组或或元元件件的的一一部部分分称称为为一一个个环环节节,经经常常遇遇到到的的环环节节称称为为典典型环节。型环节。复复杂杂控控制制系系统统常常常常由由一一些些简简单单的的典典型型环环节节组组成成,求求出出这这些些典型环节的传递函数,就可以获得整个系统的传递函数。典型环节的传递函数,就可以获得整个系统的传递函数。上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,
10、贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 控制系统中常用的典型环节有:比例环节、惯性环节、控制系统中常用的典型环节有:比例环节、惯性环节、微分环节、积分环节、振荡环节和延时环节等。微分环节、积分环节、振荡环节和延时环节等。2.4 典型环节的典型环节的传递函数传递函数2.4.1 比例环节比例环节 比例环节的传递函数为比例环节的传递函数为 如如果果一一个个环环节节的的输输出出与与输输入入成成成成正正正正比比比比例例例例,既既不不不不失失失失真真真真也也不不不不延延延延时时时时,则称此环节为比例环节,也称放大环节。其数学模型为则称此环节为比例环节,也称放大环节。其数学模型为比比比比例例例例
11、环环环环节节节节的的的的增增增增益益益益,或或称称放大环节的放大系数放大环节的放大系数放大环节的放大系数放大环节的放大系数KXo(s)Xi(s)比例环节的方框图比例环节的方框图上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4.1 比例环节比例环节例例题题 求求图图示示一一齿齿轮轮传传动动副副的的传传递递函函数数。ni、no 分分别别为为输输入入轴轴及及输输出出轴轴转转速速,z1 和和 z2 为为齿齿轮轮齿齿数数(假假定定系系统统为为:齿齿轮轮副副无传动间隙,且传动系统刚性无穷大的理想状态无传动间隙,
12、且传动系统刚性无穷大的理想状态)。解:解:因为因为经拉氏变换后经拉氏变换后齿轮副的传动比齿轮副的传动比齿轮副的传动比齿轮副的传动比 比比比比例例例例环环环环节节节节:略略去去弹弹性性的的杠杠杆杆、作作为为测测量量元元件件的的测测速速发发电电机机(输入为转速、输出为电压输入为转速、输出为电压)、电子放大器,等等、电子放大器,等等z1z2no(t)ni(t)齿齿齿齿轮轮轮轮传传传传动动动动副副副副上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4 典型环节的典型环节的传递函数传递函数2.4.2 惯性环节惯
13、性环节 形式的环节称为惯性环节。其传递函数为:形式的环节称为惯性环节。其传递函数为:凡运动方程为一阶微分方程:凡运动方程为一阶微分方程:惯惯惯惯性性性性环环环环节节节节的的的的增增增增益益益益,或称或称放大系数放大系数放大系数放大系数惯性环节的方框图惯性环节的方框图KTs+1Xo(s)Xi(s)惯性环节的时间常数惯性环节的时间常数惯性环节的时间常数惯性环节的时间常数 惯惯性性环环节节元元件件中中,总总含含有有储储储储能能能能元元元元件件件件。对对于于突突变变形形式式的的输输入而言,输出总落后于输入。入而言,输出总落后于输入。表表表表征征征征环环环环节节节节的的的的惯惯惯惯性性性性,与与与与环环
14、环环节节节节结结结结构参数有关构参数有关构参数有关构参数有关上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4.2 惯性环节惯性环节例题例题1 求图示质量求图示质量-弹簧弹簧-阻尼器环节传递函数。阻尼器环节传递函数。解解:若若质质量量m相相对对很很小小,可可略略去去其其影影响响(忽忽略略惯惯性性力力)。此此时的系统动力学方程为时的系统动力学方程为经拉氏变换后经拉氏变换后质量质量质量质量-弹簧弹簧弹簧弹簧-阻尼器阻尼器阻尼器阻尼器系统模型系统模型系统模型系统模型mxo(t)kcxi(t)系统传递函数为系
15、统传递函数为惯性环节的惯性环节的惯性环节的惯性环节的时间常数时间常数时间常数时间常数上海大学机电工程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4.2 惯性环节惯性环节例题例题2 求图示简单阻容电路的传递函数。求图示简单阻容电路的传递函数。经拉氏变换后经拉氏变换后系统传递函数为系统传递函数为电路的电路的电路的电路的时间常数时间常数时间常数时间常数阻容电路阻容电路阻容电路阻容电路RCi(t)ui(t)uo(t)解:解:电路方程为电路方程为储能元件储能元件储能元件储能元件耗能元件耗能元件耗能元件耗能元件上海大学机电工
16、程与自动化学院为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2.4.2 惯性环节惯性环节例例题题3 图图示示为为简简化化了了的的直直流流发发电电机机电电路路。转转子子恒恒速速转转动动,输入为激磁电压输入为激磁电压ui,输出为电压,输出为电压uo,求此系统的传递函数。,求此系统的传递函数。解:解:激磁电路电压方程为激磁电路电压方程为经拉氏变换后,系统传递函数为经拉氏变换后,系统传递函数为惯性环节的惯性环节的惯性环节的惯性环节的时间常数时间常数时间常数时间常数LRi(t)ui(t)uo(t)M 输出电路中转子恒速,故输出电路中转子恒速
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