Chapter2–2传递函数.ppt

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Chapter2–2传递函数

Chapter 2-1 CHAPTER 2  Mathematical Models of Systems 控制系统的数学模型 By 柳春平 Outline of this chapter Introduction Differential Equation of Physical Systems Transfer Function State Equation of Systems Analogous circuits (similar system) Block Diagram, Signal Flow Graphs Linearization The relation of various models ……… Transfer Function 传递函数 传递函数是控制理论中一个最基本、最重要的概念,在控制理论中有非常重要的作用。 定义---- 线性定常系统的传递函数,零初始条件下, 系统的输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。 传递函数的概念  图1所示的RC电路中电容的端电uc(t)根据基尔霍夫定律,可列写如下微分方程: 传递函数的概念 现在对上述微分方程两端进行拉氏变换,并考虑电容上的初始电压uc(0),得: 传递函数的概念 传递函数的概念 在式(6 )中,如果把初始电压uc(0)也视为一个输入作用,则根据线性系统的叠加原理,可以分别研究在输入电压ur (t)和初始电压uc (0)作用时,电路的输出响应。若uc(0)=0,则有 : 传递函数的概念 用式(8)来表征电路本身特性,称做传递函数,记为: 传递函数的概念 传递函数的概念 传递函数的性质 从线性定常系统传递函数的定义式(10)可知,传递函数具有以下性质: 1. 传递函数是复变量s的有理真分式函数,分子的阶数m低于或等于分母的阶数n (m≤n) ,且所有系数均为实数。 传递函数的性质 式中k为常数,z1 ,…, zm为传递函数分子多项式方程的m个根,称为传递函数的零点;p1 ,…, pn为分母多项式方程的n个根,称为传递函数的极点。 一般zi, pi可为实数,也可为复数,且若为复数,必共轭成对出现。将零、极点标在复平面上,则得传递函数的零极点分布图,如图4所示。图中零点用“O”表示,极点用“ ?”表示。 传递函数的性质 典型环节及其传递函数  控制系统从动态性能或数学模型来看可分成为以下几种基本环节,也就是典型环节。 电位器: 输入:?(t)——角度 E——恒定电压 输出:u(t)——电压 齿轮系:输入:n1(t)——转速 Z1——主动轮的齿数 输出:n2(t)——转速 Z2——从动轮的齿数 其它一些比例环节 (二)惯性环节(又叫非周期环节) 传递函数为如下形式的环节为惯性环节: (二)惯性环节 特点:此环节中含有一个独立的储能元件,以致对突变的输 入来说,输出不能立即复现,存在时间上的延迟。 在平衡点(h0,Q0)附近进行线性化,得到液阻表达式 u为电热丝两端电压,T1为炉内温度。设电热丝质量为M,比热为C,传热系数为H,传热面积为A,未加温前炉内温度为T0,加热后的温度T1,单位时间内电热丝产生的热量为Qi,则根据热力学知识,有 由于Qi与外加电压u的平方成比例,故Qi与u呈非线性关系,可在平衡点 (Q0,u0)附近进行线性化,得 于是可得电加热炉的增量微分方程 其他一些惯性环节例子 (三)积分环节 它的传递函数为: 其它积分环节举例 其他微分环节举例 (五)振荡环节 振荡环节的传递函数为: 特点:包含两个独立的储能元件,当输入量发生变化时,两个 储能元件的能量进行交换,使输出带有振荡的性质。 RLC电路 无源网络 若将两个RC网络直接连接,则由电路微分方程可求得连接后电路的传递函数为 (六)延滞(delay,纯滞后)环节 延滞环节是线性环节, t 称为延滞时间(又称死时deadtime)。具有延滞环节的系统叫做延滞系统。 如图10所示,当输入为阶跃信号,输出要隔一定时间t 后才出现阶跃信号,在0<1<t 内,输出为零。 控制系统的微分方程是在时域描述系统动态性能的数学模型,在给定外作用及初始条件下,求解微分方程可以得到系统的输出响应。但系统中某个参数变化或者结构形式改变,便需要重新列写并求解微分方程。 传递函数:对线性常微分方程进行拉

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