自动控制原理课件第二章.pptx
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1、第二章第二章 物理系统的数学模型物理系统的数学模型本章主要内容本章主要内容本章主要内容本章主要内容:2.I2.I2.I2.I 2.22.22.22.2 2.32.32.32.3 2.42.42.42.42.52.52.52.5控制系统的数学模型控制系统的数学模型控制系统的数学模型控制系统的数学模型非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化拉氏变换及其反变换拉氏变换及其反变换拉氏变换及其反变换拉氏变换及其反变换典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数控制系统的方框图控制系统的方框图控制系统的方框图控制系统的方框
2、图第1页/共97页Part 2.4Part 2.4 典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数2.4.12.4.12.4.12.4.12.4.22.4.22.4.22.4.2传传传传递递递递函函函函数数数数的的的的定定定定义义义义典典典典型型型型环环环环节节节节的的的的传传传传递递递递函数函数函数函数第2页/共97页在在零初始条件零初始条件()下,线性定常系下,线性定常系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。变换之比。系统系统系统系统(或环节或环节或环节或环节)的输入量的输入量的输入量的输入量系统系统系统系统(或环节或环节或环节或环节)
3、的输出量的输出量的输出量的输出量Part 2.4.1Part 2.4.1 传递函数的定义传递函数的定义 输入量施加于系统之前,系统处于稳定的工作输入量施加于系统之前,系统处于稳定的工作输入量施加于系统之前,系统处于稳定的工作输入量施加于系统之前,系统处于稳定的工作状态,即状态,即状态,即状态,即t 0 t 0 t 0 t 0 时,输出量及其各阶导数也均为时,输出量及其各阶导数也均为时,输出量及其各阶导数也均为时,输出量及其各阶导数也均为0 0 0 0 第3页/共97页复杂机械系统复杂机械系统第4页/共97页初始条件为零时初始条件为零时 微分方程拉氏变换微分方程拉氏变换系统的传递函数系统的传递函
4、数!传递函数的直接计算法传递函数的直接计算法系统传递函数的一般形式系统传递函数的一般形式第5页/共97页N(s)=0 N(s)=0 N(s)=0 N(s)=0 系统的系统的系统的系统的特征方程特征方程特征方程特征方程,特征根特征根特征根特征根 特征方程决定着系统的动态特性。特征方程决定着系统的动态特性。特征方程决定着系统的动态特性。特征方程决定着系统的动态特性。N(s)N(s)N(s)N(s)中中中中s s s s的最高阶次等于系统的阶次。的最高阶次等于系统的阶次。的最高阶次等于系统的阶次。的最高阶次等于系统的阶次。!从微分方程的角度看,此时相当于所有的导数项都为!从微分方程的角度看,此时相当
5、于所有的导数项都为!从微分方程的角度看,此时相当于所有的导数项都为!从微分方程的角度看,此时相当于所有的导数项都为零。零。零。零。K K K K 系统处于静态时,输出与输入的比值。系统处于静态时,输出与输入的比值。系统处于静态时,输出与输入的比值。系统处于静态时,输出与输入的比值。当当当当s=0s=0s=0s=0时时时时系统的系统的系统的系统的放大系数放大系数放大系数放大系数或或或或增益增益增益增益特征方程特征方程第6页/共97页M(s)=b0(s-zM(s)=b0(s-zM(s)=b0(s-zM(s)=b0(s-z1 1 1 1)(s-z)(s-z)(s-z)(s-z2 2 2 2)(s-z
6、)(s-z)(s-z)(s-zmmmm)=0)=0)=0)=0的根的根的根的根s=zs=zs=zs=zi i i i(i=1,2,m)(i=1,2,m)(i=1,2,m)(i=1,2,m),称为传递函数的零点。,称为传递函数的零点。,称为传递函数的零点。,称为传递函数的零点。N(s)=aN(s)=aN(s)=aN(s)=a0 0 0 0(s-p(s-p(s-p(s-p1 1 1 1)(s-p)(s-p)(s-p)(s-p2 2 2 2)(s-p)(s-p)(s-p)(s-pn n n n)=0)=0)=0)=0的根的根的根的根s=ps=ps=ps=pj j j j(j=1,2,n)(j=1,2
7、,n)(j=1,2,n)(j=1,2,n),称为传递函数的极点。,称为传递函数的极点。,称为传递函数的极点。,称为传递函数的极点。!系统传递函数的极点就是系统的特征根。!系统传递函数的极点就是系统的特征根。!系统传递函数的极点就是系统的特征根。!系统传递函数的极点就是系统的特征根。!零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。!零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。!零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。!零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。零点和极点零点和极点第7页/共97页传递函数的传递函数的零、极零、极点分布图点分布图:将传递函数的零、将传递函数的零、极点表示在复平面极点表示
8、在复平面上的图形。上的图形。零点用零点用“O O”表示表示极点用极点用“”表示表示零、极点分布图零、极点分布图第8页/共97页g(t)g(t)g(t)g(t)称为系统的称为系统的称为系统的称为系统的脉冲响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数(权函数权函数权函数权函数)系统输出系统输出系统输出系统输出单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数单位脉冲函数脉冲响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数传递函数传递函数传递函数传递函数系统动态特性系统动态特性系统动态特性系统动态特性单位脉冲响应单位脉冲响应第9页/共97页传递函数是传递函数是复数复数s s域中域中的系统的系统数学模型数学模型。其参数
9、。其参数仅取决于系统本身的结构及参数,与系统的输入仅取决于系统本身的结构及参数,与系统的输入形式无关。形式无关。传递函数通过传递函数通过系统输入量与输出量之间的关系系统输入量与输出量之间的关系来描述系统的固有特性,即以系统外部的输入来描述系统的固有特性,即以系统外部的输入输出特性来描述系统的内部特性。若输入给定,输出特性来描述系统的内部特性。若输入给定,则系统输出特性完全由传递函数则系统输出特性完全由传递函数G(s)G(s)决定。决定。结论结论第10页/共97页适用于线性定常系统适用于线性定常系统传递函数中的各项系数和相应微分方程中的传递函数中的各项系数和相应微分方程中的各项系数对应相等,完全
10、取决于系统结构参数。各项系数对应相等,完全取决于系统结构参数。传递函数原则上不能反映系统在非零初始条传递函数原则上不能反映系统在非零初始条件下的全部运动规律件下的全部运动规律无法描述系统内部中间变量的变化情况无法描述系统内部中间变量的变化情况只适合于单输入单输出系统的描述只适合于单输入单输出系统的描述注意注意第11页/共97页设系统有设系统有b b个实零点个实零点;d;d 个实极点个实极点;c c 对复零点对复零点;e;e对复极点对复极点;v v个零极点个零极点Part 2.4.2Part 2.4.2 典型环节的传递函数典型环节的传递函数b+2c=mb+2c=mv+d+2e=nv+d+2e=n
11、第12页/共97页比例环节比例环节一阶微分环节一阶微分环节二阶微分环节二阶微分环节积分环节积分环节惯性环节惯性环节振荡环节振荡环节延迟环节延迟环节!串联!串联纯微分环节纯微分环节第13页/共97页运动方程式:运动方程式:运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:K K K K 环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数放大环节放大环节/比例环节比例环节第14页/共97页齿轮传动齿轮传动第15页/共97页运动方程式:运动方程式:运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:K K K K环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数
12、T T T T环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数!储能元件储能元件储能元件储能元件例例例例1 1 1 1:弹性弹簧:弹性弹簧:弹性弹簧:弹性弹簧例例例例2 2 2 2:RCRCRCRC惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节惯性环节第16页/共97页弹性弹簧弹性弹簧第17页/共97页RC惯性环节惯性环节第18页/共97页运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:K K 环节的放大系数环节的放大系数!积分!积分例:电容充电例:电容充电积分环节积分环节第19页/共97页电容充电电容充电第20页/共97页如当输入量为常值如当输入量为常值 A A 时,时,输出量须经过时间输出量
13、须经过时间T T才能达到输入量在才能达到输入量在t=0t=0时的值时的值A A。!具有明显的滞后作用!具有明显的滞后作用第21页/共97页理想微分理想微分理想微分理想微分实际微分实际微分实际微分实际微分惯性惯性惯性惯性T T T T 0 0 0 0KT KT KT KT 有限有限有限有限运动方程式:运动方程式:运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:微分环节微分环节第22页/共97页RC微分网络微分网络第23页/共97页不同形式不同形式不同形式不同形式储能元件储能元件储能元件储能元件能量转换能量转换能量转换能量转换振荡振荡振荡振荡
14、运动方程式:运动方程式:运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:环节的阻尼比环节的阻尼比环节的阻尼比环节的阻尼比K K K K环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数T T T T 环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数0000 1 1 1 1 产生振荡产生振荡产生振荡产生振荡1 1 1 1 两个串联的惯性环节两个串联的惯性环节两个串联的惯性环节两个串联的惯性环节例例例例1 1 1 1:机械平移系统:机械平移系统:机械平移系统:机械平移系统例例例例2 2 2 2:RLCRLCRLCRLC串联网络串联网络串联网络串联网络振荡环节振荡环节第
15、24页/共97页机械平移系统机械平移系统第25页/共97页RLC串联网络电路串联网络电路第26页/共97页运动方程式:运动方程式:运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:传递函数:传递函数:1 1 1 1 两个串联的一阶微分环节两个串联的一阶微分环节两个串联的一阶微分环节两个串联的一阶微分环节 环节的阻尼比环节的阻尼比环节的阻尼比环节的阻尼比K K K K 环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数环节的放大系数T T T T 环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数环节的时间常数二阶微分环节二阶微分环节第27页/共97页运动方程式:运动方程式:传递函数:传递函数:环节的时间常数环节的时
16、间常数环节的时间常数环节的时间常数近似处理近似处理近似处理近似处理延滞环节延滞环节第28页/共97页水箱进水管的延滞水箱进水管的延滞第29页/共97页惯性环节从输入开始时刻起就已有输出,仅由于惯性环节从输入开始时刻起就已有输出,仅由于惯性,输出要滞后一段时间才接近所要求的输出惯性,输出要滞后一段时间才接近所要求的输出值。值。延迟环节从输入开始之初,在延迟环节从输入开始之初,在0 0 时间内没有时间内没有输出,但输出,但t=t=之后,输出完全等于输入。之后,输出完全等于输入。延迟环节与惯性环节的区别延迟环节与惯性环节的区别第30页/共97页Part 2.5Part 2.5 系统方块图和传递函数系
17、统方块图和传递函数2.5.12.5.12.5.22.5.22.5.32.5.3方块图方块图系统信号流线图系统信号流线图控制系统传递函数控制系统传递函数 第31页/共97页结构方块图结构方块图结构方块图结构方块图由方块图求系统传递函数由方块图求系统传递函数由方块图求系统传递函数由方块图求系统传递函数方块图的绘制方块图的绘制方块图的绘制方块图的绘制Part 2.5.1Part 2.5.1 方块图方块图2.5.1.12.5.1.12.5.1.12.5.1.12.5.1.22.5.1.22.5.1.22.5.1.22.5.1.32.5.1.32.5.1.32.5.1.3 第32页/共97页2.5.1.
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- 自动控制 原理 课件 第二
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