现代仿真技术与应用第二章系统的数学模型幻灯片.ppt
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1、现代仿真技术与应用第二章系现代仿真技术与应用第二章系统的数学模型统的数学模型1第1页,共44页,编辑于2022年,星期日现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 章节安排章节安排第一章第一章 概述概述第二章第二章 系统的数学模型系统的数学模型第三章第三章 连续系统的数字仿真连续系统的数字仿真第四章第四章 离散事件系统仿真离散事件系统仿真第五章第五章 面向对象的仿真面向对象的仿真第六章第六章 分布式交互仿真分布式交互仿真第七章第七章 可视化、多媒体、虚拟现实仿真可视化、多媒体、虚拟现实仿真2第2页,共44页,编辑于2022年,星期日 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第二章系统的数学模型第二章系
2、统的数学模型2.1 2.1 连续系统的数学模型连续系统的数学模型2.2 2.2 离散时间系统的数学模型离散时间系统的数学模型3第3页,共44页,编辑于2022年,星期日取决系统动态特性的两大因素:取决系统动态特性的两大因素:现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 第二章系统的数学模型第二章系统的数学模型清晰性清晰性 切题性切题性 精确性精确性 集合性集合性内因内因外因外因建立系统数学模型应遵循的原则:建立系统数学模型应遵循的原则:4第4页,共44页,编辑于2022年,星期日输入系统向量输入系统向量 ,n+1维维2.1.1 常用数学模型的表示形式常用数学模型的表示形式1 1 微分方程形式微分方程形
3、式设线性定常系统输入、输出量是单变量,分别为设线性定常系统输入、输出量是单变量,分别为u(t),y(t)模型参数形式为:模型参数形式为:输出系统向量输出系统向量 ,m+1维维(2-1)现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型5第5页,共44页,编辑于2022年,星期日2.1.12.1.1 常用数学模型的表示形式常用数学模型的表示形式2 传递函数形式传递函数形式在零初始条件下,将在零初始条件下,将(2-1)方程两边进行拉氏变换,则有方程两边进行拉氏变换,则有(2-4)模型参数可表示为模型参数可表示为传递函数分母系数向量传递函数分母系数向量传递函数分子
4、系数向量传递函数分子系数向量用用num=B,den=A分别表示分子,分母参数向量,则可简练的表示为分别表示分子,分母参数向量,则可简练的表示为(num,den),称为传递函数二对组模型参数,称为传递函数二对组模型参数 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型6第6页,共44页,编辑于2022年,星期日3 状态空间表达式状态空间表达式当系统输入、输出为多变量时,可用向量分别表示为当系统输入、输出为多变量时,可用向量分别表示为U(t),Y(t),系统的内部状态变量为系统的内部状态变量为X(t).模型参数形式为模型参数形式为:系统系数矩阵系统系数矩阵A,
5、系统输入矩阵,系统输入矩阵B系统输出矩阵系统输出矩阵C,直接传输矩阵,直接传输矩阵D简记为简记为(A,B,C,D)形式。形式。(2-5)2.1.1 常用数学模型的表示形式常用数学模型的表示形式 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型式中式中X为为n维状态向量维状态向量7第7页,共44页,编辑于2022年,星期日4 结构图表示结构图表示2.1.1 常用数学模型的表示形式常用数学模型的表示形式 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型k k1 1f f1 1u uy y+-8第8页,共44页,编辑于202
6、2年,星期日1微分方程转换为状态方程微分方程转换为状态方程 2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型(2-6)X=.X X1 1.X X2 2.X Xn n.=AX+Bu=0 1 0 00 1 0 00 0 1 00 0 1 0-a-a0 0 aa1 1 a a2 2 -a -an-1n-1X X1 1X X2 2X Xn n+0 00 01 1uY=CX+u=1 0 0 0 Xa,b,c,d=tf2ss(num,den)a,b,c,d=tf2ss(num,den)9第9页,共44页,编辑于2022
7、年,星期日例例2-12-1设系统微分方程为:设系统微分方程为:y y(3)(3)+6y+6y(2)(2)+11y+11y(1)(1)+6y+6y=6u,y=6u,y为输出量,为输出量,u u为输入量,为输入量,求系统状态空间表达式求系统状态空间表达式2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型解:解:选取状态变量选取状态变量x x1 1=y,x=y,x2 2=y=y(1)(1),x,x3 3=y=y(2)(2)将将x x1 1,x,x2 2,x x3 3代入原方程,得:代入原方程,得:X X1 1.=x
8、=x2 2X X2 2.=x=x3 3X X3 3.=-6x=-6x1 1-11x-11x2 2-6x-6x3 3+6u+6uX=.X X1 1.X X2 2.X X3 3.=AX+Bu=0 1 00 1 00 0 10 0 1-6-6 11 11 6 6X X1 1X X2 2X X3 3+0 00 06 6uY=CX+u=1 0 0 X X1 1X X2 2X X3 310第10页,共44页,编辑于2022年,星期日2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型解:解:把微分方程变形为:把微分方程变形
9、为:例例2 2 系统的微分方程为系统的微分方程为 其中其中y(t)y(t)是输出函是输出函数,数,u(t)u(t)是输入函数。是输入函数。求求系统系统状态空间表达式状态空间表达式。引入状态变量引入状态变量:则有则有:11第11页,共44页,编辑于2022年,星期日2传递函数转换为状态方程(可控标准型)传递函数转换为状态方程(可控标准型)2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型(2-12)设系统传递函数为:设系统传递函数为:X=.0 1 0 00 1 0 00 0 1 00 0 1 0-a-a0 0
10、aa1 1 a a2 2 -a -an-1n-1X X1 1X X2 2X Xn n+0 00 01 1uY=CX=b0 b1 bn-1 X12第12页,共44页,编辑于2022年,星期日2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型例例2.22.2设系统传递函数为:设系统传递函数为:y=-0.5 1.5 0 1 0X+1.5u试写出可控标准型试写出可控标准型+0 00 00 0u0 1 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 1 0 0-11-11 0 0 4 -2 4 -2X X1 1X
11、 X2 2X X4 4X=.0 0 0 1 00 0 0 1 00 0 0 0 10 0 0 0 1X X3 3X X5 50 01 113第13页,共44页,编辑于2022年,星期日上次课回顾上次课回顾 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型1)1)连续系统常用的数学模型连续系统常用的数学模型;外部模型外部模型内部模型内部模型框图框图微分方程转换为状态方程微分方程转换为状态方程传递函数转换为状态方程传递函数转换为状态方程(可控标准型)可控标准型)0 1 0 00 1 0 00 0 1 00 0 1 0-a-a0 0 aa1 1 a a2 2 -
12、a -an-1n-1A=0 00 01 1B=b0 b1 bn-1 C=D=02)2)连续系统数学模型之间的转换连续系统数学模型之间的转换;14第14页,共44页,编辑于2022年,星期日习题习题 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型1)1)系统的微分方程为系统的微分方程为 其中其中y(t)y(t)是输出函数,是输出函数,u(t)u(t)是输入函数。是输入函数。求求系统系统状态空间表达式状态空间表达式。2)2)设系统传递函数为:设系统传递函数为:试写出可控标准型试写出可控标准型15第15页,共44页,编辑于2022年,星期日习题习题 现代仿真技
13、术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型解:解:把微分方程变形为:把微分方程变形为:引入状态变量引入状态变量:例例 系统的微分方程为系统的微分方程为 其中其中y(t)y(t)是输出函数,是输出函数,u(t)u(t)是输入函数。是输入函数。求求系统系统状态空间表达式状态空间表达式。C=1 0D=016第16页,共44页,编辑于2022年,星期日习题习题 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型例设系统传递函数为:例设系统传递函数为:试写出可控标准型试写出可控标准型解:解:17第17页,共44页,编辑于2022年,星
14、期日2传递函数转换为状态方程(可观标准型)传递函数转换为状态方程(可观标准型)现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型X=.0 0 0 0 0 0 -a0-a0 1 0 0 a11 0 0 a1 0 0 0 0 1 1 -a -an-n-1 1X X1 1X X2 2X Xn n+b b0 0b b1 1b bn-1n-1uY=CX=0 0 1 X18第18页,共44页,编辑于2022年,星期日2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型例例2.22.2设系
15、统传递函数为:设系统传递函数为:试写出可观标准型试写出可观标准型+-0.5-0.51.51.50 0u0 0 0 0 -10 0 0 0 -11 0 0 0 -11 0 0 0 -10 0 0 0 0 0 1 -2 1 -2X X1 1X X2 2X X4 4X=.0 1 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 40 0 1 0 4X X3 3X X5 51 10 0y=0 0 0 0 1 X+1.5u19第19页,共44页,编辑于2022年,星期日例题例题 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型设系统传递函数为:设系统传递函数为:试写出可观
16、标准型试写出可观标准型+1 11 10 0uX X1 1X X2 2X=.0 0 -60 0 -61 0 -111 0 -110 1 -60 1 -6X X3 3y=0 0 1 X解:解:A=0 0 -60 0 -61 0 -111 0 -110 1 -60 1 -6B=1 11 10 0C=0 0 1 20第20页,共44页,编辑于2022年,星期日2传递函数转换为状态方程(对角标准型)传递函数转换为状态方程(对角标准型)2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型设系统传递函数为:设系统传递函数为:
17、X=AX+Bu.Y=CXB=1 1 1TC=c1 c2 c2 21第21页,共44页,编辑于2022年,星期日2.1.2 数学模型之间的转换数学模型之间的转换 现代仿真技术与应用现代仿真技术与应用 2.12.1连续系统的数学模型连续系统的数学模型例例2.22.2设系统传递函数为:设系统传递函数为:求其对角标准型求其对角标准型+u1 01 00 2 00 2 0X X1 1X X2 2X=.0 0 -30 0 -3X X3 31 11 11 122第22页,共44页,编辑于2022年,星期日2传递函数转换为状态方程(约当标准型)传递函数转换为状态方程(约当标准型)2.1.2 数学模型之间的转换数
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