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君子忧道不忧贫。——孔丘
单自由度振动系统及传递函数
工程上很多实际系统可以抽象为单自由度问题,使其问题简单化,例如图1
机床固定到基座上,基座和机床之间可以抽象为单自由度问题,图2为无人机激
光雷达悬挂在无人机支架上,无人机支架和激光雷达系统可以抽象为单自由度系
统。
图1
图2
一、单自由度系统组成
单自由度振动系统包括弹性元件、惯性元件和阻尼元件,如下图所示。
君子忧道不忧贫。——孔丘
弹性元件可理解为弹簧刚度系数,弹簧刚度系数的物理意义是使弹簧产生单
位位移所需施加的力,弹性元件假定弹簧是无质量的,假定振动系统的振动幅值
不会超过弹性元件的线性范围。
弹簧并联的等效刚度,是并联弹簧刚度之和。
弹簧串联后的等效刚度如下图所示。
君子忧道不忧贫。——孔丘
惯性元件,由牛顿第二定律可知,惯性元件会产生惯性力的作用,如下图所
示。
阻尼元件,阻尼系数是使阻尼器产生单位速度所需施加的力,性质如下图所
示。
二、单自由度传递函数
粘性阻尼单自由度系统的平衡方程表示惯性力、阻尼力、弹性力与外力之间
的平衡。
其中,M为质量,C为阻尼,K为刚度,ᵆ̈、ᵆ̇、x分别为加速度、速度和位
移,f为外力,t为时间变量。
这里我们把结构中呈现出来的全部阻尼都近似为一般粘性阻尼,把上面的时
间域方程变换到拉氏域(复变量p),并假定初始位移和初始速度为零,则得到
拉氏域方程:
君子忧道不忧贫。——孔丘
或
其中,Z为动刚度。
变换上两式可得传递函数的定义
该传递函数是个复值函数,如下图所示。
上文中讨论了拉氏域中单自由度系统的输入和输出之间的关系,这种关系也
可以在频域或时域中表达。沿频率轴(jω)算出的传递函数叫做频率响应函数
(FRF),简称频响函数:
频响函数则完全由传递函数推导得来。对于稳定的线性定常系统,令σ=0,则
s=σ+jω=jω,系统的频率响应函数H(ω)=R(jω)/E(jω)。显然,频响函数是传递函
数的特例,其只是简单地将传递函数的复变量s用jω替代得到的。
三、系统极点、阻尼比、固有频率、留数
1.极点
君子忧道不忧贫。——孔丘
在上式中,右端的分母叫做系统特征方程,它的根即为系统极点。
我们来看一下传递函数在S平面上的极点分布与原函数的波形对应图。注
意,由于传递函数H(s)与冲激响应h(t)是一对拉普拉斯变换对,所以传递函数
实际也表现了不同系统在面对冲激信号激励时候的响应。由此,图中预言了系统
在时域h(t)波形的特性。
从图中可看出,只有当极点位于S平面左半平面时,系统是稳定的。而我
们在机械工程领域遇到的绝大部分对象都是稳定的,所以系统3是我们研究的重
点。
2.阻尼比和固有频率
根据上式可以得到一些重要概念,如果没有阻尼(C=0)则所论系统是保守
系统,我们定义系统的无阻尼固有频率(单位:rad/s)为:
临界阻尼ᵃ定义为使
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