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传递函数以及系统方块图

传递函数的性质: (1)表达了系统内在的固有特性,与输入量或驱动函数无关; (2)可以是有量纲的,也可以无量纲,取决于系统输入量、输出量的量纲; (3)不能表明系统的物理特性和物理结构,许多物理性质不同的系统,有相同的传递函数。 线性定常系统的微分方程为: 传递函数为: 传递函数是分析线性定常系统的有力数学工具,它具有如下优点: (1)它比微分方程简单,通过拉氏变换,复杂的微分方程转变成了简单的代数方程; (2)若系统输入为典型信号,则系统的输出与传递函数有一定关系; (3)令G(s)中的 ,则可在频域内对系统进行分析; (4)G(s)中的零点、极点分布决定着系统的响应过渡过程。 典型环节的传递函数 一. 比例环节 传递函数 二. 一阶惯性环节 传递函数 三. 微分环节 1. 理想微分环节 传递函数 2. 近似微分环节传递函数 四.积分环节 传递函数 五. 二阶振荡环节 传递函数 总结 系统函数方块图及其简化 方块图:系统中各个元件功能和信号流向的图解表示。 它清楚地表明系统中各个环节间的相互关系,便于对系统进行分析和研究。 1. 方块图单元: 2.比较点 4. 串联 5. 并联 6. 反馈 7. 方块图变换法则 有些系统的方块图比较复杂,求系统传递函数比较困难,因此需对其进行变换,在其基础上进行简化,最后求得传递函数。 变换法则: (1)各前向通路传递函数的乘积不变; (2)各回路传递函数的乘积不变。 8. 方块图简化 例:化简方块图并求传递函数 (II) (III) (II) (III) + _ + _ - + * * 传递函数以及系统方块图 控制系统的微分方程 对一个控制系统,需要将其信号传递过程中的动态特性用数学表达式描述出来,得到其数学模型。工程上最基本的数学模型是微分方程,它是列写传递函数的基础。 本节应用解析法来建立系统的数学模型。 解析法是根据系统及元件各变量之间所遵循的基本物理、化学等定律,列写出各元件或环节的输入—输出关系式,然后消去中间变量,从中求出系统的数学表达式,该表达式变量为系统的输入、输出量,系数为系统的已知参量。 C R1 R2 例 无源电路网络 根据基尔霍夫定律和欧姆定律,有: 由以上环节微分方程,消去中间变量(三个电流量),得: 整理得 写系统微分方程的一般步骤: 1. 将系统划分环节,确定各环节的输入、输出量; 根据物理定律或实验规律等,列写各环节的原始方程式,通常每 环节列写一个方程。同时,考虑适当简化、线性化; 将各环节方程式联立,消去中间变量,最后得出只含输入、输出变量和已知参量的系统方程式; 4. 对于单输入、单输出系统,微分方程一般形式为: (其中,n≥m) 利用拉氏变换,可将微分方程转换为代数方程,大大简化方程求解,故拉氏变换成为分析工程控制系统的基本数学之一。 拉氏变换: (1)微分方程转化为代数方程 (2)时域转化为频域 (3)可逆性 拉普拉斯变换 拉氏变换的定义 对于函数 x(t) ,如果满足下列条件: 当 t0 时,x(t) = 0; 当 t0 时,x(t) 在每个有限区间上是分段连续的 2. x(t) 为指数级函数 则可定义 x(t) 的拉氏变换 X(s): 式中,称 X(s) 为象函数,x(t) 为原函数。 s 为复变数,其量纲为时间的倒数,即频率。象函数 X(s) 的量纲为 x(t) 的量纲与时间量纲的乘积。 传递函数: 在拉氏变换的基础上,以系统本身的参数描述线性定常系统输入量与输出量的关系式。 线性定常系统: 可以用常系数线性微分方程描述的系统。 在零起始条件下,线性定常系统输出量的象函数Xo(s)与输入量的象函数Xi(s)之比,称为系统的传递函数G(s),即 传递函数 零点:传递函数分子为零时的 s 值 极点:传递函数分母为零时的 s 值 六. 延迟环节 传递函数 ? ? ? ? ? ? 延迟环节 二阶振荡环节 积分环节 近似微分环节 理想微分环节 一阶惯性环节 比例环节 + - 比较点代表系统的比较元件,对两个或更多的同量纲输入信号进行加减运算

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