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第
2
章;1、为什么要建立系统的数学模型?
研究一个自动控制系统,除了对系统进行定性分析外,还必须
进定量分析,进而探讨改善系统稳态和动态性能的具体方法。
2、什么是数学模型?
描述系统结构、输入、输出关系的数学表达式。根据数学模型
所描述的系统的运动特性的不同分为:动态数学模型和静态数
学模型。
3、机械工程控制中常用的动态数学模型的几种形式:
时域数学模型:微分方程、状态方程和差分方程;
复数域数学模型:传递函数、结构图:
(传递函数框图和信号流图);
频域数学模型:频率特性等。
现代控制理论中:基于神经网络、模糊理论而建立的模型等。 ;本章基本要求:
1、掌握列写微分方程的一般方法。
2、掌握非本质非线性微分方程的性线化处理方法。
3、熟悉典型信号的拉普拉斯变换,掌握较复杂控制信号的分解计算。
4、熟记拉普拉斯变换的基本定理,并掌握运用拉普拉斯变换解微分方程的方法;
5、正确理解传递函数的定义、性质和意义。
6、正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数、闭环传递函数、对控和对干扰的传递函数、误差传递函数以及典型环节的传递函数等概念。
7、掌握结构变换的基本法则,并能正确较熟练地运用。;2.1 系统微分方程;二、列写微分方程式的一般方法:;三、机械系统的机理分析法建模
;例2-1:质量、弹簧、阻尼器的机械位移系统,试列写质量
m在外力f作用下,位移x的运动方程。;②.机械旋转运动:元件间通过力矩联系,系统遵循转动定理。;K;例2-3:试列出如图所示机械转动系统的微分方程。 ;四、电网络系统机理分析建模;例2-4:试列出如图所示电气系统的微分方程。 ;例2-5:试列出如图所示电气系统的微分方程。 ;五、机电系统机理分析建模;设J为转动部分折算到轴上的总的转动惯量:;4、整理得:;6、直流电机驱动系统的数学模型:;六、线性微分方程的增量化表示:;化简并整理得: ;讨论1:;讨论2:;(1)线性系统与非线性系统:;(2)线性系统的性质:;②线性系统的微分特性:;⑤线性系统的时不变性:;(3)线性系统的性质的应用举例:; 非线性系统举例:常液体系统;八、非线性系统的线性化; 泰勒级数展开法 ; 上式?y = K?x,即为非线性系统的线性化模型,称为增量方程。y0 =f(x0)称为系统的静态方程;; 滑动线性化——切线法 ; 实例1:液位系统的线性化 ;注意到:; 某些典型的本质非线性,如继电器特性、间隙、死区、摩擦等,由于存在不连续点,不能通过泰勒展开进行线性化,只有当它们对系统影响很小时才能忽略不计,否则只能作为非线性问题处理。 ; 实例2:液压伺服机构;3、非线性函数线性化:;④增量形式的方程:;象======》船在水中的刻度《=====石头;2、拉氏变换 ;3、几种典型函数的拉氏变换 ; 指数函数; 正弦函数与余弦函数 ;从而:; 单位脉冲函数?(t) ; 单位速度函数(斜坡函数) ; 单位加速度函数;4、常用拉氏变换表;5、拉氏变换的主要定理 ;证明:由于;当f(t)及其各阶导数在t=0时刻的值均为零时(零初始条件):;拉氏变换的微分性质可以用来求解微分方程:; 积分定理 ;证明:; 延迟定理 ; 位移定理 ;6、用位移定理扩展常用拉氏变换表;证明:;初值定理建立了函数f(t)在t=0+处的初值与函数sF(s)在s趋于无穷远处的终值间的关系。 ;证明:;7、求解拉氏反变换的部分分式法 ; 部分分式法;为了应用上述方法,将F(s)写成下面的形式:; F(s)只含有不同的实数极点;例:求;例 求所示象函数的原函数f(t); F(s)含有共轭复数极点 ;例 求所示象函数的原函数:; F(s)含有重极点 ;考虑:;……;注意到:;例 求所示象函数的原函数;例:求;8、 应用拉氏变换解线性微分方程 ;原函数
(微分方程的解); 实例;即:;所以:; 应用拉氏变换法求解微分方程时,由于初始条件已自动地包含在微分方程的拉氏变换式
中,因此,不需要根据初始条件求积分常数的值就可得到微分方程的全解。 ;2.2 系统的传递函数; 传递函数求解示例 ; R-L-C无源电路网络的传递函数 ; 几点结论; 传递函数的一般形式;令:; 从微分方程的角度看,此时相当于所有的导数项都为零。因此K 反应了系统处于静态时,输出与输入的比值。 ; 系统传递函数的极点就是系统的特征根。零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。;3、传递函数的几点说明 ; 传递函数只能表示系统输入与输出的关系,无法描述系统内部中间变量的变化情况。 ;5、典型环节及其传递函数 ;其运动方程为:xo(t)=Kxi(t); 惯性环节 ;如:弹簧-阻尼
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