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第二章 自动控制系统的数学模型 2.1 控制系统微分方程的编写 2.2 传递函数 2.3 控制系统的结构图及其等效变换 2.4 自动控制系统的传递函数 2.5 信号流图 2.6 Matlab应用 1.定义: 数学模型是指出系统内部物理量(或变量)之间动态关系的表达式。数学模型又分为静态模型和动态模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性,现时输出仅由其现时输入所决定,一般以代数公式描述。动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性,现时输出还由受其以前输入的历史的影响,一般以微分方程或差分方程描述。在控制理论或控制工程中,一般关心的是系统的动态特性,因此,往往需要采用动态数学模型。 (1) 传递函数是微分方程经拉氏变换导出的,而拉氏变一种线性积分运算,因此传递函数的概念只适用于线性定常系统。 (2) 传递函数只与系统本身的结构和参数有关,与系统输入量的大小和形式无关。 (3) 传递函数是在零初始条件下定义的,即在零时刻之前,系统是处于相对静止状态。因此,传递函数原则上不能反映系统在非零初始条件下的运动规律。 (4) 传递函数是复变量s的有理分式。分母多项式的最高阶次n高于或等于分子多项式的最高阶次m,即n≥m。这是因为实际系统或元件总是具有惯性且能源有限。 (5) 一个传递函数只能表示单输入单输出的关系。对多输入多输出系统,要用传递函数阵表示。 (6) 传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。 复数阻抗法 2.3 控制系统的结构图及其等效变换 2.4 自动控制系统的传递函数 2.5 信号流图 2.6 Matlab处理系统数学模型 小结 第二步,对图2-31(a)中由G3(s)、G4(s)和H3(s)构成的回路1进行等效变换,简化为图2-31(b)。 第三步,对图2-31(b)中的回路2进行等效变换,简化为图2-31(c) 2 R(s) - - C(s) 图2-31(b) 等效变换图 G1(s) G2(s) H1(s) 3 R(s) - C(s) 图2-31(c) 等效变换图 G1(s) H1(s) 最后,对图2-31(c)中的回路3进行等效变换,简化为图2-31(d)。 系统的传递函数 R(s) C(s) 图2-31(d) 等效变换图 例2-18 试简化图2-32所示系统结构图,并求系统的传递函数C(s)/R(s)。 解 在图2-32中,由于G1(s)和G2(s)之间有交叉的比较点和引出点,不能直接进行方框运算,也不可简单地互换其位置。在此首先要消除交叉连接。 第一步,将引出点后移,简化为图2-33(a)。 第二步,对图2-33(a)中由G2(s)构成的内回路进行等效变换,简化为图2-33(b)。 最后,对图2-33(b)中的回路进行等效变换,简化为图2-33(c)。 R(s) - - - C(s) 图2-32 例2-17系统结构图 G1(s) G2(s) H1(s) R(s) - - - C(s) 图2-33(a) 等效变换图 G1(s) G2(s) H1(s) R(s) - C(s) 图2-33(b) 等效变换图 G1(s) R(s) C(s) 图2-33(c) 等效变换图 系统的传递函数 一、系统开环传递函数 自动控制系统在工作过程中,经常会受到两类外作用信号的影响。一类是有用信号,或称为输入信号、给定值、参考输入等,常用r(t)表示;另一类则是扰动,或称为干扰,常用n(t)表示。输入r(t)通常是加在系统的输入端,而干扰n(t)一般是作用在受控对象上,但也可能出现在其它元部件上,甚至夹杂在输入信号之中。一个闭环控制系统的典型结构可用图2-34表示。 在图2-34中,将H(s)的输出通路断开,即断开系统的主反馈通路,则将前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积G1(s) G2(s) H(s)称为该系统的开环传递函数。它等于B(s)与E(s)的比值,即 E(s) C(s) G1(s) 图2-34 闭环控制系统典型结构图 R(s) - B(s) G2(s) H(s) N(s) 开环传递函数= (2-60) 二、R(s)作用下系统的闭环传递函数 为研究干扰对系统的影响,需要求出C(s)对N(s)之间的传递函数。 令R(s)=0,则图2-34简化为图2-36。则干扰N(s)作用下系统的闭环传递函数 由于干扰N(s)在系统中的作用位置与输入信号R(s)的作用点不一定是同一个地方,故两个闭环传递函数一般是不相同的。这也表明引入干扰作用下系统闭环传递函数的必要性。 令N(s)=0,则图2-34简化为图2-35,则输入R(s)作用下系统的闭环传递函数 当系统中只有R(s) 作用时,系统输出C(s)完全取决于Φcr(s
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