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浙大控制理论课堂笔记-奥鹏教育
浙大《控制理论》第二章 控制系统的数学模型 课堂笔记
◆主要知识点掌握程度
重点掌握拉普拉斯变换的基本方法及典型环节的数学模型。
控制系统的数学模型是描述自动控制系统输入、输出以及内部各变量的静态和动态关系的数学表达式。控制系统的数学模型有多种形式:代数方程、微分方程、传递函数、差分方程、脉冲传递函数、状态方程、方框图、结构图、信号流图和静态/动态关系表等。
控制系统的数学模型的求取,可采用解析法或实验法。系统的数学模型关系到整个系统的分析和研究,建立合理的数学模型是分析和研究自动控制系统最重要的基础。
控制系统常见的三种数学模型:
外部描述:把系统的输出量和输入量之间的关系用数学方式表达出来,称为输入——输出描述,或外部描述,如微分方程式、传递函数和差分方程。
内部描述:不仅可以描述输出量和输入量之间的关系,还可以描述系统的内部特征,称为状态变量描述,适用于多输入多输出系统,也适用于时变系统、非线性系统和随机控制系统。
方块图表示:用比较直观的方块图模型来描述
◆知识点整理
一、拉普拉斯变换
(一)拉氏变换是控制系统中最为重要的一种数学方法
实现公式:,通过该公式将微分方程变为关于为变量的代数方程。
(二)几种典型函数的拉氏变换
1、单位阶跃函数:
2、单位脉冲函数:
3、正弦函数:
4、余弦函数:
(三)拉氏变换的重要性质
1、线性性质:
2、微分性质:若,则
3、积分性质:若,则
4、位移性质:若,则
5、延迟性质:若,则
6、初值定理:若,则
7、终值定理:若,则
8、卷积定理:
(四)拉氏反变换
拉氏反变换求解给定初值条件下微分方程解的步骤:
1、对微分方程两边进行拉氏变换;
2、解代数方程,求出象函数的表达式;
3、用部分分式法进行反变换,求得微分方程的解。
二、系统输入——输出的传递函数描述
(一)传递函数
1、定义:传递函数是在零初始条件下,系统(或环节)输出量的拉氏变换与输出量的拉氏变换之比。
2、性质:
传递函数是线性系统在复频域里的数学模型;
传递函数只与系统本身的结构与参数有关,与输入量的大小和性质无关;
传递函数与微分方程有相通性,两者可以相互转换。
3、表达形式
设系统的动态方程为一个n阶微分方程
则系统的传递函数为:
传递函数也可写成分子、分母多项式因式分解的形式,即
式中:
三、典型环节函数的数学模型
一个自动控制系统,可以认为是由一些典型环节(一些元件和部件)所组成。常见的典型环节及其传递函数有以下几种:
(一)比例环节:又称为放大环节
(二)惯性环节:又称为非周期环节
(三)积分环节
(四)微分环节
理想:
实际:
(五)二阶环节:又称为振荡环节
(六)迟延环节
四、用方块图表示的模型
(一)方块图(又称方框图,结构图)
结构图是反映系统各个元、部件的功能和信号流向的图解表示法,它是一种数学模型。利用结构图可以求出系统的输入对输出的总的传递函数。
开环传递函数为:
闭环传递函数为:
(二)方块图的等效变换基本法则
串联:
并联:
反馈联接:
上式分母中的号为:当负反馈时,为“+”号,当正反馈时,为“-”号。
(三)方块图的简化法则
1、前向通道中传递函数的乘积必须保持不变;
2、回路中传递函数的乘积必须保持不变。
五、信号流程图和梅逊公式
(一)信号流程图
信号流程图是结构图的一种简易画法,它与结构图在本质上没有什么区别。只是形式上的不同。
信号流图中的有关术语:源节点,输出节点,混合节点,前向通路,回路,不接触回路。
(二)梅逊(Mason)
式中:
六、数学模型的MATLAB描述
MATLAB软件学习,simulink建模。
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