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二章自动控制系统的数学模型

《自动控制原理》第二章 列写微分方程的一般步骤 确定元件的input量和output量,并引入必要的中间变量 根据物理或化学定律,列微分方程 消去中间变量,得出元件的数学模型 例题:证明下面两图具有相同的数学模型 第一次 作业 P56 2-1 (a) (c) 第三节 控制系统的结构图及其等效变换 一.结构图的基本概念 考研挑战题 浙江大学2001年:系统结构如图所示。试用结构图变换求取传递函数C(S)/R(S) 第二次作业 P58 2-8 (a) (b) 第四节 自动控制系统的传递函数 第三次 作业 P60 2-12, 2-13 G(s) Y G(s) Y X1 G(s) Y Y G(s) Y G(s) Y 分支点后移 分支点前移 3. 结构图等效变换举例 [例] + + - + + - + + + - + + + - [例] + + - + + + - + [例] + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - R 1 1 R 1 2 ) s ( C 1 C2s 1 C1s 《自动控制原理》第二章 一 开环控制函数 二 闭环传递函数 R(s) G2(S) + + H(S) N(S) + B(S) E(S) C(S) * 第二章 自动控制系统的数学模型 数学模型: 数学表达式 微分方程 差分方程 状态方程 等等 第一节 控制系统微分方程的编写 一.线性元件的微分方程 + - + - uo(t) (t) RLC电路 i(t) ,时间常数 令 m F k x m kx F 弹簧--质量--阻尼器系统 M J 机械转动系统 + - 负载 + - (1)电枢回路 (2)反电势 (3)电磁力矩 (4)轴上动力学方程 , , , 电枢控制的他励直流电动机 二. 微分方程的增量和表示 三. 非线性微分方程的线性化 y A B 非线性方程线性化 非线性系统,必须连续可导 小范围内变化,即某个领域 工作点不同,线性比例K值不同 不适用与严重非线性场合,如继电特性 四. 线性系统微分方程的编写 功率放大 运放I 运放II 反馈联接 测速发电机 减速器 负载 + + - + + - - 转速自动控制系统原理图 X 运算放大器I 运算放大器II 功率放大器 电动机 测速电机 + - 转速控制系统方块图 运算放大器I: 运算放大器II: 功率放大器: 电动机: 测速发电机: 合并,清除中间变量: 或 其中 ; (忽略电枢电阻,电抗) 第二节 传递函数 一. 传递函数的概念 i(t) G(s) + + uo(t) (t) - - 线性系统(或元件)在初始条件为0时,输出量的拉氏变 换与输入量的拉氏变换之比,成为该系统(或元件)的传 递函数,记为G(s)。 y(t) ------ 输出量 x(t) --------- 输入量 ? 传递函数: 二. 用复数阻抗法求电网络的传递函数(符号法) [例] 求如图所示的比例积分控制器的传递函数。 (t) (t) 比例—积分控制器 PI控制器 [例] (t) (t) 比例—微分控制器 PD控制器 (t) (t) C2 (a) yi y0 x f1 f2 k1 k2 (b) a b 只适应线性定常系统; 由系统(元件)的参数、结构决定,是系统的动态数学模型; n m ,n 为系统的阶数 单输入——单输出 传递函数写法: 三、关于传递函数的几点说明 有理分式: 零极点形式: 时间常数形式: 四、典型环节 典型环节:传递函数的最简单、最基本构成体。基本因子。 1.比例环节 t0 2.积分环节 t0 3.惯性环节 t0 T:时间常数 举例: 4.振荡环节 y(t) y(t) x(t) t x x S平面 5. 微分环节 实现微分环节 纯微分环节 一阶微分环节 二阶微分环节 6. 延迟环节 时滞环节,滞后环节,时延环节 x(t) t t y(t) 二.结构图的组成和建立 1.结构图的组成 函数方块 G(s) C(s) R(s) 信号线 分支点 综合点(比较点,相加点) R(s) R(s)-B(s) B(s) + -- 描述系统各组成元件之间信号传递关系的一种数学图形 步骤: 典型环节表示系统中的具体元件 按信号传递顺序连接各典型环节,从而构成整个系统结构图 2.系统结构图的建立 例: K1 K2(τs+1) K3 -Km/(TmS+1) Ku/(TmS+1) 运算放

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