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华北电力 自动控制原理 课件
第二章 控制系统的数学模型 2.1 基本概念 2.2 微分方程的建立 2.3 传递函数 2.4 动态结构图(方框图) 2.5 动态结构图的等效变换求传递函数 2.6 信号流图和梅逊增益公式 2.7 控制系统的典型传递函数 2.8 典型环节的传递函数 附1:Laplace变换 附2:单元小结 2.1 基本概念 一、控制系统数学模型的定义 描述系统输入与输出动态关系的数学表达式。 二、建立控制系统数学模型的意义 数学模型是进行控制系统性能分析的前提条件。 三、建立控制系统数学模型的方法 1、理论建模* 2、试验建模 3、系统辨识 四、控制系统数学模型的几种形式 1、微分方程 2、传递函数* 3、频率特性* 2.2 微分方程的建立 2.2.1 微分方程的建立 实例:无源电网络模型、机械位移、机械旋转、直流电动机系统 2.2.2 控制系统数学模型特征 1、微分方程的阶数等于整个系统中蓄能元件的个数; 2、同一个系统,选择不同输入或输出信号,微分方程的形式则不同; 3、数学模型存在的共性是系统性能仿真研究的理论依据(相似系统)。 2.2.3 非线性模型的线性化 1、线性模型的特征:齐次性和叠加性 2、非线性模型线性化问题的提出:理论研究和工程应用的需要 3、线性化的基本方法:静态工作点附近线性化(级数展开) 4、液位系统线性化模型求取应用实例 无源电网络模型实例 要求:确定图示无源电网络的输入ur(t) 和输出uc(t)之间的数学模型; 求解: Step1.依据回路电压定律, 设置中间变量回路电流i(t), 从输入到输出 建立微分方程组; Step2.代入消元,消除中间变量i(t),获仅含输入输出变量的线性连续微分方程。化微分方程为规范结构形式 机械位移实例 要求:确定图示外力发F(t)(输入)与质量模块 m的位移y(t)(输出)之间的数学模型; 求解: Step1.依据运动学定律 ∑F = m a,建立微分 方程组 Step2.获仅含输入输出变量的线性连续微分方程。化微分方程为规范结构形式 机械旋转实例 要求:确定图示动力矩Mf(输入)与物体旋转角 度θ或角速度ω(输出)之间的数学模型; 求解: Step1.依据运动学定律,作用力矩=反作用力 矩,∑M = J a,建立微分方程组。 Step2.获仅含输入输出变量的线性连续微分方程。化微分方程为规范结构形式 直流电动机系统实例 要求:确定直流电动机电枢两端电压和转速之间的数学模型。 求解:依据 基尔霍夫定律; 运动学定律; 直流发电机相关定律。 建立微分方程组 电网络平衡方程 电动势平衡方程 机械平衡方程 转矩平衡方程 线性化的基本方法(微偏线性化) 液位系统线性化模型求取应用实例 求取过程 确定系统的输入和输出 建立原始方程组 非线性模型线性化 系统微分方程的求取 无源电网络模型 课后练习一 习题1 建立图示电网络输入电压和输出电压之间的微分方程。 习题2 建立图示初箱输入流量和末箱水位之间的微分方程。(两个水箱的横截面积分别为C1和C2) 附:拉氏变换定义 拉氏变换的线性性质 2.3 传递函数 2.3.1 定义及表示形式 2.3.2 传递函数的特征及性质 1、传递函数表征了系统对输入信号的传递能力,是系统的 固有特性,与输入信号类型及大小无关。 2、传递函数只适用于线性连续定常系统。 3、传递函数仅描述系统的输入/输出特性。不同的物理系统可以有相同的传递函数。同一系统中,不同物理量之间对应的传递函数也不相同。 4、初始条件为零时,系统单位脉冲响应的拉氏变换为系统的传递函数。 5、实际系统中有n≥m,n称为系统的阶数; 6、传递函数是系统性能分析的最简形式之一。 方法一:依据系统微分方程确定输入/输出间的传递函数 方法二:依据微分方程组代入消元求传递函数 解题过程: 方法三:电网络系统可利用复阻抗的直接求取传递函数(例1) 解题过程: 方法三:利用复阻抗的直接求取传递函数(例2) 解题过程: 方法四:依据系统的输入输出信号求传递函数 系统单位阶跃输入及零初始条件下的输出响应为: 求传递函数。 2.4 动态结构图(方框图) 组成:信号线、方框、引出点、和点 特点:
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