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清华机械工程控制基础课件第二章数学模型

机械工程 二、自动控制系统的数学模型 2.0 基本概念 2.1 系统的微分方程 2.2 Laplace 变换及系统传递函数 2.3 系统的传递函数方框图及其简化 2.4 反馈控制系统的传递函数 2.5 相似原理 2.0基本概念 1)建立数学模型的意义 (1)可定性地了解系统的工作原理及其特性; (2)更能定量地描述系统的动态性能; (3)揭示系统的内部结构、参数与动态性能之间的关系。 3) 数学模型的建立方法 建立系统数学模型有两种方法:分析法和实验法,本章仅就分析法进行讨论。 (1)分析法:根据系统和元件所遵循的有关定律来推导出数学表达式,从而建立数学模型。 (2)实验法:对于复杂系统,需要通过实验,并根据实验数据,拟合出比较接近实际系统的数学模型。 4)线性系统与非线性系统 定义:描述系统的输入和输出之间动态关系的微分方程,如2.0.1 如果系数 均为常数,则式(2-1)为线性定常微分方程,简称常微分方程。相应的动态系统称为线性定常系统。大多数物理系统均属于这一类,这是我们研究的重点。 若 是时间t的函数,则该方程为线性时变的,相应的系统也称为线性时变系统;例如,宇宙飞船控制系统便是一个时变系统,因为随着宇宙飞船上燃料的消耗,飞船质量发生变化,而且当飞船远离地球后,重力也在发生变化。 若 中有系数依赖于 或它们的导函数,或者,在微分方程中出现t的其他函数形式,则该方程就是非线性的,相应的系统也称为非线性系统,下面模型 是非线性的。 线性及非线性这一特性并不随系统的表示方法而改变,它是系统本身的固有特性。线性系统与非线性系统的根本区别在于:线性系统满足叠加原理,而非线性系统则不满足叠加原理。 线性化:为了分析研究非线性系统,在一定范围内将一些非线性因素忽略,近似地用线性数学模型来代替,这便是所谓数学模型的线性化。 本质非线性系统:例如电气系统中某些元件存在继电特性、饱和、死区和磁滞等现象,只能采取非线性方法进行分析与设计。这方面内容,本课程不作要求。 2.1系统的微分方程 一.用分析法(解析法)列写微分方程的一般方法 (1)确定系统或各元件的输入、输出变量。系统的给定输入量或扰动输入量都是系统的输入量,而被控制量则是输出量; (2)进行适当的简化,忽略次要因素; (3) 从系统的输入端开始,按照信号的传递顺序,根据各变量所遵循的物理定理,列写出在运动过程中的各个环节的动态微分方程; (4)消除中间变量,写出只含有输入、输出变量的微分方程; (5)标准化。整理所得微分方程, 输出量降幂排列=输入量降幂排列 一般将与输出量有关的各项放在方程左侧,与输入量有关的各项放在方程的右侧,各阶导数项按降幂排列。 例1 图示为两个形式相同的RC电路串联而成的滤波网络,试写出以输出电压和输入电压为变量的滤波网络的微分方程。 解:列写系统微分方程 输入:电压 输出:电压 中间变量 简化 (3)根据克希荷夫定律,可写出下列原始方程式: 电路分析的基本方法 ----克希荷夫定律 (1)克希荷夫第一定律(克希荷夫电流定律KCL): 在电路任何时刻,对任一结点,所有支路电流的代数和恒等于零,即流出结点的取+号,流入结点的取-号。N为支路数。 (2)克希荷夫第二定律(克希荷夫电压定律KVL): 在电路任何时刻,沿任一回路,所有支路电压的代数和恒等于零,即电压的参考方向与指定的绕行方向一致的取+号,相反的取-号。N为支路数。 注意 虽然电路又两个RC电路所组成,但不能把它看作两个独立的RC电路的连接。因为第二级电路的i2 要影响第一级电路的u1,列写方程式应考虑这个影响。这种后一级对前一级的影响叫做负载效应。存在负载效应时,必须把全部元件作为整体加以考虑。 本例如果不考虑负载效应时,有: 第一级: 第二级: 消去中间变量得到: 显然与前面得到的结果不同。 例2 图示为电枢控制式直流电机原理图,设 为电枢两端的控制电压, 为电机旋转角速度, 为折合到电机轴上的总的负载力矩。当激磁不变时,用电枢控制的情况下, 为给定输入, 为干扰输入, 为输出。系统中为电动机旋转时电枢两端的反电势; 为电动机的电枢电流; 为电动机的电磁力矩。

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