《2第二章 控制系统的数学模型》.ppt

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《2第二章 控制系统的数学模型》.ppt

本章要求: 一、控制系统的时域数学模型 主要着重研究描述线性、定常、集总参量控制系统的微分方程的建立和求解方法。 例1: 图示RLC无源网络,列出以 为输入量,以 为输出量的网络微分方程。 解: 列写元件微分方程的步骤可归纳如下 基本步骤: 2、控制系统微分方程的建立 建立控制系统的微分方程时,一般先由系统原理线路图画出系 统方块图,并分别列写组成系统各元件的微分方程,然后,消去中 间变量得到描述系统输出量与输入量之间关系的微分方程。 列写系统各元件的微分方程要注意两点: 1)信号传递的单向性,即前一个元件的输出量是后一个元 件的输入,一级一级地单向传递。 2)应注意前后连接的两个元件中,后级对前级的负载效 应。如齿轮系统对电动机转动惯量的影响等。 举例4: 速度控制系统的微分方程 控制系统的主要部件(元件):给定电位器、 运放1、运放2、功率放大器、直流电动机、减速器、 测速发电机 3、线性系统的特性 1、线性系统是指用线性微分方程描述的系统,其重要性质是可以应用叠加原理。 4、线性定常微分方程的求解 建立控制系统数学模型的目的:主要为了用数学方法定量研究控制系统的 工作特性。当系统微分方程列写出来后,只要给定输入量和初始条件,便可对微 分方程求解,并由此了解系统输出量随时间变化的特性。 线性定常微分方程的求解方法有经典法和拉氏变换法两种,也可借助电子 计算机求解。 下面来分析用拉氏变换法求解微分方程的方法。 5、非线性元件微分方程的线性化--切线法或小偏差法 二、控制系统的复数域数学模型 提出问题: 1、 传递函数的定义与性质 (1)定义 传递函数:在零初始条件下,系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 由n阶线性微分方程推出传递函数的方法: 二、控制系统的复数域数学模型 式中,c(t)是系统输出量,r(t)是系统输入量; ai(i=1,2,3,…,n)和bj(j=1,2,…,m)是与系统结构和参 数有关的常系数。设r(t)和c(t)及其各导数在t=0时 的值均为零,即零初始条件,则对上式中各项分别 求拉氏变换,并令c(t) 的拉氏变换为C(S), r(t)的 拉氏变换为R(S),可得s的代数方程为: 在零初始条件下,由传递函数的定义得 (2)性质 1)传递函数是复变量s的有理真分式函数,具有 复变函数的所有性质;且所有系数均为实数; 2)传递函数仅与系统自身的结构和参数有关, 与系统输入量形式无关; 3)传递函数与微分方程有相通性,可相互转换; 4)传递函数是系统单位脉冲响应的拉氏变换。 2、传递函数的零点和极点 (1)传递函数的分子多项式和分母多项式因式分解 后可表示形式为: 上式中, (i=1,2,...,m)是传递函数的零点; (j=1,2,...,n)是传递函数的极点; 为传递系数或根轨迹增益。 复平面上零点用“ ”表示,极点用“ ”表示, 称为零极点分布图。传递函数的零极点分布图可 以形象地反映系统的全面特性。 (2)传递函数表示形式为: 式中, 、 称为时间常数; 为传递系数或增益。 3 、 典型元部件的传递函数 电位器 一种把线位移或角位移变换为电压量的装置单个线绕式圆环电位器(角位移型) 空载时的传递函数为: 测速发电机 测量角速度并转换为电压量的装置, 一般有交流和直流两种。 *永磁式直流测速发电机: 无源网络 三、控制系统的结构图与信号流图 控制系统的结构图和信号流图:描述系统各元部件之间的信号传递关系的一种图形化表示,特别对于复杂控制系统的信号传递过程给出了一种直观的描述。 1、系统结构图的组成和绘制 (1)系统结构图的组成单元 三、控制系统的结构图与信号流图 2、结构图的等效变换和简化 任何复杂的系统结构图,各方框之间的 基本连接方式只有串联、并联和反馈连接三 种。方框结构图的简化是通过移动引出点、 比较点,交换比较点,进行方框运算后,将 串联、并联和反馈连接的方框合并。 (1)简化的原则: 变换前后变量关系保持等效。具体为: A、变换前后前向通路中传递函数的乘 积保持不变; B、变换前后回路中传递函数的乘积保 持不变。 (2)等效变换规则 A、串联等效 B、并联等效 C、反

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