机械工程控制基础(2).pptx
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1、操作工程基础操作工程基础Fundamentals of Control Engineering n第二章第二章 系统的数学模系统的数学模型型2.1 系统的微分方程系统的微分方程 系统建模是经典操作理论和现代操作理论的基础。建立系统建模是经典操作理论和现代操作理论的基础。建立系统数学模型的方法有分析法和实验辨识法两种。前者主系统数学模型的方法有分析法和实验辨识法两种。前者主要用于对系统结构及参数的认识都比较清楚的简单系统,要用于对系统结构及参数的认识都比较清楚的简单系统,而后者通常用于对系统结构和参数有所了解,而需进一步而后者通常用于对系统结构和参数有所了解,而需进一步精化系统模型的情况。对于复
2、杂系统的建模往往是一个分精化系统模型的情况。对于复杂系统的建模往往是一个分析法与实验辨识法相结合的屡次反复的过程。在建模的过析法与实验辨识法相结合的屡次反复的过程。在建模的过程中还要正确处理模型简化和模型精度的辨证关系,以建程中还要正确处理模型简化和模型精度的辨证关系,以建立简单且能满足要求的数学模型。立简单且能满足要求的数学模型。2.1 系统的微分方程系统的微分方程 系统按其微分方程是否线性这一特性,可以分为线性系系统按其微分方程是否线性这一特性,可以分为线性系统和非线性系统。如果系统的运动状态能用线性微分方程统和非线性系统。如果系统的运动状态能用线性微分方程表示,则此系统为线性系统。线性系
3、统的一个最重要的特表示,则此系统为线性系统。线性系统的一个最重要的特性就是满足叠加原理。线性系统又可分为线性定常系统和性就是满足叠加原理。线性系统又可分为线性定常系统和线性时变系统。线性时变系统。2.1 系统的微分方程系统的微分方程 系统的数学模型是系统动态特性的数学描述。对于同一系统的数学模型是系统动态特性的数学描述。对于同一系统,数学模型可以有多种形式,如微分方程、传递函数、系统,数学模型可以有多种形式,如微分方程、传递函数、单位脉冲响应函数及频率特性等等。但系统是否线性这一单位脉冲响应函数及频率特性等等。但系统是否线性这一特性,不会随模型形式的不同而改变。线性与非线性是系特性,不会随模型
4、形式的不同而改变。线性与非线性是系统的固有特性,完全由系统的结构与参数确定。统的固有特性,完全由系统的结构与参数确定。2.1 系统的微分方程系统的微分方程线性系统的叠加原理线性系统的叠加原理 线性系统在多个输入的作用下线性系统在多个输入的作用下,其总输出等于各个输入其总输出等于各个输入单独作用而产生的输出之和单独作用而产生的输出之和.2.1 系统的微分方程系统的微分方程 列写系统或元件微分方程的一般步骤为:列写系统或元件微分方程的一般步骤为:(1).确定系统或元件的输入量和输出量;确定系统或元件的输入量和输出量;(2).按照信号的传递顺序,从系统的输入端出发,根据有关定律,列按照信号的传递顺序
5、,从系统的输入端出发,根据有关定律,列写出各个环节的动态微分方程;写出各个环节的动态微分方程;(3).消除上述各方程式中的中间变量,最后得到只包含输入量与输出消除上述各方程式中的中间变量,最后得到只包含输入量与输出量的方程式;量的方程式;(4).将与输入有关的项写在微分方程的右边,与输出有关的项写在微将与输入有关的项写在微分方程的右边,与输出有关的项写在微分方程的左边,并且各阶导数项按降幂排列。分方程的左边,并且各阶导数项按降幂排列。在列写微分方程的各步中,关键在于掌握组成系统的各个元件在列写微分方程的各步中,关键在于掌握组成系统的各个元件或环节所遵循的有关定律。对于机械类的学生,往往需要列写
6、机械或环节所遵循的有关定律。对于机械类的学生,往往需要列写机械系统和电网络系统的微分方程,因此,有必要掌握常见元件的物理系统和电网络系统的微分方程,因此,有必要掌握常见元件的物理定律。定律。2.1 系统的微分方程系统的微分方程2.1 系统的微分方程系统的微分方程2.1 系统的微分方程系统的微分方程2.1 系统的微分方程系统的微分方程2.1 系统的微分方程系统的微分方程2.1 系统的微分方程系统的微分方程 例题例题 2.1 系统的微分方程系统的微分方程 例题例题 2.2 系统的传递函数系统的传递函数 一、传递函数一、传递函数 对于线性定常系统,传递函数对于线性定常系统,传递函数G(s)是一种常用
7、的数学模型。其是一种常用的数学模型。其定义为:在零初始条件下,系统输出的定义为:在零初始条件下,系统输出的Laplace变换与引起该输变换与引起该输出的输入量的出的输入量的Laplace变换之比。变换之比。系统的零初始条件有两方面的含义,一是指在系统的零初始条件有两方面的含义,一是指在t=0-时输入时输入Xi(t)才开始作用于系统,因此,才开始作用于系统,因此,t=0-时,时,Xi(t)及其各阶导数均为零;及其各阶导数均为零;二是指在二是指在t=0-时系统处于相对静止的状态,即系统在工作点上运时系统处于相对静止的状态,即系统在工作点上运行,因此行,因此t=0-时,输出时,输出X0(t)及其各阶
8、导数也均为零。现实的工程及其各阶导数也均为零。现实的工程操作系统多属此类情况。操作系统多属此类情况。2.2 系统的传递函数系统的传递函数 传递函数具有以下特点:传递函数具有以下特点:(1)传递函数的分母反映了由系统的结构与参数所决定的系传递函数的分母反映了由系统的结构与参数所决定的系统的固有特性,而其分子则反映了系统与外界之间的联系。统的固有特性,而其分子则反映了系统与外界之间的联系。(2)当系统在初始状态为零时,对于给定的输入,系统输出当系统在初始状态为零时,对于给定的输入,系统输出的的Laplace变换完全取决于其传递函数。一旦系统的初始状变换完全取决于其传递函数。一旦系统的初始状态不为零
9、,则传递函数不能完全反映系统的动态历程。态不为零,则传递函数不能完全反映系统的动态历程。(3)传递函数分子中传递函数分子中s的阶次不会大于分母中的阶次不会大于分母中s的阶次。的阶次。2.2 系统的传递函数系统的传递函数(4)传递函数有传递函数有 纲和取何种量纲,取决于系统输出的量纲纲和取何种量纲,取决于系统输出的量纲与输入的量纲。与输入的量纲。(5)不同用途、不同物理组成的不同类型系统、环节或元件,不同用途、不同物理组成的不同类型系统、环节或元件,可以具有相同形式的传递函数。可以具有相同形式的传递函数。(6)传递函数非常适用于对单输入、单输出线性定常系统的传递函数非常适用于对单输入、单输出线性
10、定常系统的动态特性进行描述。但对于多输入、多输出系统,需要对不动态特性进行描述。但对于多输入、多输出系统,需要对不同的输入量和输出量分别求传递函数。另外,系统传递函数同的输入量和输出量分别求传递函数。另外,系统传递函数只表示系统输入量和输出量的数学关系(描述系统的外部特只表示系统输入量和输出量的数学关系(描述系统的外部特性),而未表示系统中间变量之间的关系(描述系统的内部性),而未表示系统中间变量之间的关系(描述系统的内部特性)。针对这个局限性,在现代操作理论中,往往采用状特性)。针对这个局限性,在现代操作理论中,往往采用状态空间描述法对系统的动态特性进行描述。态空间描述法对系统的动态特性进行
11、描述。2.2 系统的传递函数系统的传递函数二、传递函数的零点、极点和放大系数二、传递函数的零点、极点和放大系数 传递函数是一个复变函数,一般具有零点、极点。根据复变函数知传递函数是一个复变函数,一般具有零点、极点。根据复变函数知识,凡能使复变函数为识,凡能使复变函数为0的点均称为零点;凡能使复变函数为趋于的点均称为零点;凡能使复变函数为趋于的点的点均称为极点。均称为极点。假设将传递函数写成如下的形式:假设将传递函数写成如下的形式:则,则,s=zj(j=1,2,m)为传递函数的零点,为传递函数的零点,s=pj(j=1,2,n)为传为传递函数的极点,而将递函数的极点,而将K称为系统的放大系数。传递
12、函数的零点和极点的称为系统的放大系数。传递函数的零点和极点的分布影响系统的动态性能。一般极点影响系统的稳定性,零点影响系统分布影响系统的动态性能。一般极点影响系统的稳定性,零点影响系统的瞬态响应曲线的形状。系统的放大系数决定了系统的稳态输出值。因的瞬态响应曲线的形状。系统的放大系数决定了系统的稳态输出值。因此,对系统的研究可变成对系统传递函数的零点、极点和放大系数的研此,对系统的研究可变成对系统传递函数的零点、极点和放大系数的研究。究。2.2 系统的传递函数系统的传递函数三、典型环节的传递函数三、典型环节的传递函数 系统是由假设干典型环节组成的。常见典型环节及其传递函数的一般表达式系统是由假设
13、干典型环节组成的。常见典型环节及其传递函数的一般表达式分别为:分别为:以上各式中:以上各式中:K为比例系数;为比例系数;T为时间常数;为时间常数;为阻尼比;为阻尼比;n为无阻尼固有频率;为无阻尼固有频率;为延迟时间。为延迟时间。2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数2.2 系统的传递函数系统的传递函数本卷须知本卷须知 (1)传递函数框图中的环节是根据运动微分方程划分的,一个环节并不一传递函数框图中的环节是根据运动微分方
14、程划分的,一个环节并不一定代表一个物理的元件定代表一个物理的元件(物理的环节或于系统物理的环节或于系统),一个物理的元件,一个物理的元件(物理的环物理的环节或子系统节或子系统)也不一定就是一个传递函数环节也不一定就是一个传递函数环节;换言之换言之,也许几个物理元件也许几个物理元件的特性才组成一个传递函数环节也许一个物理元件的特性分散在几个传的特性才组成一个传递函数环节也许一个物理元件的特性分散在几个传递函数环节之中。从根本上讲,这取决于组成系统的各物理的元件递函数环节之中。从根本上讲,这取决于组成系统的各物理的元件(物理的物理的环节或子系统环节或子系统)之间有无负载效应。之间有无负载效应。(2
15、)不要把表示系统结构情况的物理框图与分析系统的传递函数的框图混不要把表示系统结构情况的物理框图与分析系统的传递函数的框图混淆起来淆起来.(3)同一个物理的元件同一个物理的元件(物理的环节或子系统物理的环节或子系统)在不同系统中的作用不同时,在不同系统中的作用不同时,其传递函数也可不同,因为传递函数同所选择的输入、输出物理量的种类其传递函数也可不同,因为传递函数同所选择的输入、输出物理量的种类有关,并不是不可变的。有关,并不是不可变的。2.3 系统的传递函数方框图及其简化系统的传递函数方框图及其简化一、传递函数方框图一、传递函数方框图 在系统建模中,对于各个环节,分别用传递函数代表环节,用环节输
16、入、输在系统建模中,对于各个环节,分别用传递函数代表环节,用环节输入、输出的出的Laplace变换代表其输入和输出,而形成的一种表示系统与外界之间以及系变换代表其输入和输出,而形成的一种表示系统与外界之间以及系统内部各变量之间的关系的方框图就是传递函数方框图。与系统方框图相对应,统内部各变量之间的关系的方框图就是传递函数方框图。与系统方框图相对应,它包含函数方框、相加点和分支点等三种基本要素。它包含函数方框、相加点和分支点等三种基本要素。(1)函数方框函数方框 函数方框是传递函数的图解表示,指向方框的箭头表示输入函数方框是传递函数的图解表示,指向方框的箭头表示输入的的Laplace变换;离开方
17、框的箭头表示输出的变换;离开方框的箭头表示输出的Laplace变换;方框中表示的是该变换;方框中表示的是该输入与输出之间的环节的传递函数输入与输出之间的环节的传递函数.(2)相加点相加点 相加点是信号之间代数求和运算的图解表示,在相加点处,输相加点是信号之间代数求和运算的图解表示,在相加点处,输出信号出信号(离开相加点的箭头表示离开相加点的箭头表示)等于各输入信号等于各输入信号(指向相加点的箭头表示指向相加点的箭头表示)的代的代数和,每一个指向相加点的箭头前方的数和,每一个指向相加点的箭头前方的”十十”号或号或”一一”号表示该输入信号在号表示该输入信号在代数运算中的符号。在相加点处加减的信号必
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