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第二章 控制系統的数学模型
第二章 控制系统的数学模型
2-1 控制系统的时域数学模型
1. 对控制系统的要求
对控制系统的要求最基本的是对系统的输出c(t)在时间域中
的变化情况而提出. 最简单的理想情况如下图所示, 既当系统被
输入一个
信号后, 系统输出
立即以
一定的比例关系变化. 但由于实际系统具有
质量, 惯性或延迟性及其它原因, 系统的
实际输出往往为如下三种图形中的一种:
前一屏的(a)(b)(c)三图中,
为在
输入信号下的理想输
出,
为实际输出. (a)图的实际输出是衰减振荡的,(b)图的
实际输出是等幅振荡的,(c)图的实际输出是发散振荡的.
由上面分析可知, 对控制系统的性能要求一般可归结为:
稳定, 并有一定的裕量;
符合要求的瞬态响应, 即系统的瞬态质量, 也叫系统的过渡
过程性能;
(3) 符合要求的控制精度, 即对系统的稳态误差的要求.
因此在工程上无非是对已有的控制系统分析它的稳定性,
瞬态性能和稳态误差, 或根据用户提出的稳定性, 瞬态性能和
稳态误差的定量指标设计一个满足要求的控制系统, 如下图所
示:
对于分析或设计一个控制系统, 不能只满足于定性的分析或
设计, 而往往要求进行定量的分析或设计, 为此第一步的工
作就需求出系统中各个环节的数学模型, 进而获得系统的数
学模型.
2. 系统的数学模型
控制系统的数学模型, 是描述系统内部各物理量(或变
量)之间关系的数学表达式, 时域中数学模型的基本形式是微
分方程,而对于线性定常连续系统其最基本的时域数学模型为
常系数线性微分方程,其一般形式可表为:
下面通过一个具体的例子来说明建立数学模型的一般原则和
方法及步骤.
例1. 直流电动机的数学模型
直流电动机是在控制系统中常用的一种装置, 其示意
图如下所示:
确定直流电动机的输入量和输出量
上图表明, 直流电动机的激磁电流
, 从而
磁场恒定不变. 电机的转速与电枢电压
大小有关,
与负载力矩
的大小有关. 因此输入量有两个,一个
是电枢电压
, 另一个是负载力矩
输出量一个, 即转速
或角位移
列写原始方程式
将电动机分解成二个更简单的部分, 一个是电枢回路部
分, 另一个是机械转动部分. 由基尔霍夫定律, 电枢回路部
分原始方程为:
式(1)中,
是当电枢旋转时产生的一个与
方向相反的
感应电势. 根据力矩平衡原理, 机械转动部分的运动方程为
式(2)中,
是电枢电流产生的电磁转矩,
是电动机转动部分和负载折合到电动机轴上的转
动惯量.
是电动机转动部分和负载折合到电动机轴上的粘
性摩擦系数.
(3) 消去中间变量
从式(1)和式(2)中可见,
是中间变量, 要
消去它们, 就要找出中间变量与其它因素间的关系. 感应
电势
正比于转速
和激磁电流
产生的磁通量
由于激磁电流是恒定的, 所以磁通量也恒定, 感应电势仅取
决于转速, 并可表示为:
式(3)中,
为反电势系数.
电动机产生的电磁转矩
是激磁磁通和电枢电流
的正比函数, 由于激磁磁通恒定, 故
可表为:
式(4)中,
为电动机转矩系数.
将式(1),(2),(3),(4)联立得:
消去中间变量
得电动机输入输出方程为:
如果电动机的输出轴配有滚珠轴承并涂高效润滑油, 则粘
性摩擦系数
可忽略不计, 如果电动机输出轴不带负载, 即
则式(5)可简化为:
若令:
为机电时间常数,
为电枢回路时间常数
则式(6)可写为:
有式(7)可知, 当电动机的转速稳定后,
不再变化, 则
, 从而
,式(8)中
是电动机的传递系数. 由于电动机中的电枢回路有一个储能
元件
,并且转动部分有惯性, 故描写电动机的微分方程式(7)
的左端必为二阶微分, 且有二个时间常数.
如果电动机电枢回路中的电感很小, 即电枢回路时间常数
很小可忽略不计,
则式(7)可简化为:
二阶微分方程简化为一阶微分方程, 给数学处理带来很大
的方便, 近一步, 如电动机为小型电动机, 其转动部分的
转动惯量
很小, 从而机电时间常数
很小可忽略不计,则
式(9)可近一步简化为
即式(8), 成为代数方程
例2. 电动机转速控制系统的数学模型
确定各环节的输入输出方程
运算器: 如采用的运算器仅起比例放大作用, 放大倍数为
, 则
测速发电机: 如采用的是小型测速发电机, 则其输入输出
方程为:
式(11)中
为测
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