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控制系统的数学模型例-电子科技大学
第二章 控制系统的数学模型 模型分类 物理模型 语言模型 图解模型 数学模型 2.1 物理系统的动态描述-数学模型 定义 如果把控制系统中各物理量(变量)之间的关系用数学表达式描述出来,就得到了此控制系统的数学模型。 分类 微分方程、差分方程、状态方程 传递函数、结构图 频率特性 建立方法 实验法、分析法 2.2 建立系统数学模型的一般步骤 建立系统数学模型的步骤: 1、 确定输入量、输出量。分析系统的工作原理和系统中各变量之间的关系,确定出待研究系统的输入量和输出量,以及各环节的输入量和输出量; 2、 列出方程。从系统的输入端开始,按照信号传递变换过程,依据各变量所遵循的物理学定律,依次列写出各元件、部件的动态微分方程; 3、化简。消去中间变量,得到一个描述元件或系统输入、输出变量之间关系的微分方程,即系统的数学模型; 4、标准化。写出标准化形式。将与输入有关的项放在方程式的右边,与输出有关的项放在方程式的左边,且各阶导数项按降幂排列。 机械旋转系统 [例]:设有一个惯性负载和粘性摩擦阻尼器组成的机械旋转系统,试列出以外力矩M(t)为输入信号,角位移θ(t)为输出信号的数学模型。 [例] 电枢控制式直流电动机系统如图所示,试列写出以电枢电压ua(t)为输入信号,电动机轴转角θa(t)为输出信号的运动方程式。 2.3 LapLace变换及传递函数 二、传递函数的性质 以误差信号E(s)为输出量,以控制量R(s)或拢动量F(s)为输入量的闭环传递函数。 系统偏差传递函数 第二章 控制系统的数学模型 假设扰动量F(s)=0 控制量R(s)作用 第二章 控制系统的数学模型 假设R(s)=0 扰动量F(s)作用 第二章 控制系统的数学模型 控制量与扰动量同时作用 第二章 控制系统的数学模型 系统的闭环传递函数具有相同的特征多项式 1+G1(s)G2(s)H(s) G1(s)G2(s)H(s)为系统的开环传递函数。 系统的固有特性与输入、输出的形式、位置均无关;同一个外作用加在系统不同的位置上,系统的响应不同,但不会改变系统的固有特性。 闭环传递函数的极点相同。 第二章 控制系统的数学模型 第二章 结 束 谢 谢! 传递函数只与系统(元件)本身内部结构参数有关,而与输入信号无关。因此,传递函数只表征系统(元件)本身的特性。 传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。所谓脉冲响应(或称脉冲过渡函数)g(t)是系统在单位脉冲d(t) 输入时的响应。因为单位脉冲输入时 因此,系统的输出 而它的拉氏反变换即为脉冲响应,它也正好等于传递函数的拉氏反变换,即 第二章 控制系统的数学模型 三、 典型环节的传递函数 比例环节 一阶微分环节 二阶微分环节 积分环节 惯性环节 振荡环节 延迟环节 !串联 纯微分环节 第二章 控制系统的数学模型 放大环节/比例环节 输出量以一定的比例复现输入量,而毫无失真和时间滞后 。 运动方程式: 传递函数 第二章 控制系统的数学模型 齿轮传动 共发射极晶体管放大器 第二章 控制系统的数学模型 运动方程式: 传递函数: K——环节的放大系数 T——环节的时间常数 !储能元件 !输出落后于输入量,不立即复现突变的输入 例1:弹性弹簧 例2:RC惯性环节 惯性环节 第二章 控制系统的数学模型 弹性弹簧 左端固定在滑块上,右端连着阻尼器。当左端输入一位移x(t),右端输出的位移y(t) 落后于x(t) ,求从 y(t) 到x(t)的传递函数。 在每一瞬间,弹簧力与阻尼力相等,有 传递函数为 第二章 控制系统的数学模型 RC惯性环节 求从输入电压u1到输出电压u2的传递函数。 解:按回路电压平衡,有 经拉氏变换后得 第二章 控制系统的数学模型 运动方程式: 传递函数: K ——环节的放大系数 !记忆 !积分 输入突然除去 ?积分停止 ?输出维持不变 积分环节 第二章 控制系统的数学模型 电容充电 电容器充电的电流 I 和电容电压ec 的关系: 进行拉氏变换为 传递函数 第二章 控制系统的数学模型 机械系统中的齿轮齿条传动 齿条位移与齿轮转速间的关系为 —齿条位移 —齿轮转速 D—齿轮节圆直径 传递函数为 第二章 控制系统的数学模型 不同形式 储能元件 能量转换 振荡 运动方程式: 传递函数: ? ——环节的阻尼比 K——环节的放大系数 T ——环节的时间常数 0?1 产生振荡 ??1 两个串联的惯性环节 例1:机械平移系统 例2:RLC串联网络 振荡环节 第二章 控制系统的数学模型 机械平移系统 位能 动能 该系统的力平衡方程式为 : 令 上式经拉氏变换后,可
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