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《自动控制原理》课件第2章.pptxVIP

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第二章线性系统的数学描述

2.1线性系统的时域数学模型

2.2传递函数

2.3结构图

2.4信号流图

2.5线性定常系统数学模型的MATLAB实现小结

习题

2.1线性系统的时域数学模型

控制系统中的输出量和输入量通常都是时间t的函数。很多常见的元件或系统的输出量和输入量之间的关系都可以用一个微分方程表示,方程中含有输出量、输入量及它们各自对时间的导数或积分。这种微分方程又称为动态方程或运动方程。微分方程的阶数一般是指方程中最高导数项的阶数,又称为系统的阶数。

对于单输入、单输出线性定常系统,采用下列微分方程来描述:

c(n)(t)+ac(-1)t)+a₂c(-2)(t)+…+anict)+a₂ct)

=brbr(m-1)(t)(m-2)(t)+…+bm_1r(t)+bmr(t)

(2.1)

式中,r(t)和c(t)分别是系统的输入信号和输出信号;cn(t)为c(t)对时间t的n阶导数;a;(i=1,2,..,n)和b;(j=0,1,..,m)是由系统的结构参数决定的系数,n≥m。

2.1.1电气系统

电气系统中最常见的装置是由电阻、电容、运算放大器等元件组成的电路,又称电气网络。我们将电阻、电感和电容等本身不含有电源的器件称为无源器件,而将运算放大器这样本身包含电源的器件称为有源器件。仅由无源器件构成的电气网络称为无源网络;如果电气网络中含有有源器件或电源,就称之为有源网络。

i(t)西安电子科技大学出社

C二

子科技大学出虎社

图2-1RLC无源网络

西安电子科技大学L社西安电R科技大学出版社

西安电子科技天

u;(t)

西安电子

u。(t)

【例2-1】图2-1是由电阻R、电感L和电容C组成的无源网

络,试列写以u₁(t)为输入量,以u。(t)为输出量的网络微分方程。

解设回路电流为i(t),由基尔霍夫电压定律可写出回路方程为

消去中间变量i(t),可得描述该无源网络输入输出关系的微分方程

(2.2)

其中,T₁=L/R,T₂=RC。方程(2.2)和(2.3)就是所求的微分方程。

这是一个典型的二阶线性常系数微分方程,对应的系统称为二阶线性定常系统。

二式也可以写为

(2.3)

【例2-2】图2-2是一个由理想运算放大器组成的电容负反

馈电路,电压u₁(t)和u。(t)分别表示输入量和输出量,试确定这个电路的微分方程式。

西安电子科技大学出版社

西安电于科技大学出版社R西安电子科技大学出版

西安电子科技大C出版社

安电子科技大学出版社

图2-2电容负反馈电路

u₁(t)子科技大R版社

u。(t)

西安电子

安电子科技大学出版社

其中,T=RC为时间常数。方程(2.4)和(2.5)就是该系统的微分方程,

这是一个一阶系统。

解理想运算放大器正、反相输入端电位相同,且输入电流

为零。根据基尔霍夫电流定律有

整理后得

或为

(2.4)

(2.5)

2.1.2机械系统

【例2-3】图2-3表示一个含有弹簧、运动部件、阻尼器的机械位移装置。其中k是弹簧系数,m是运动部件质量,μ是阻尼器的阻尼系数;外力ft)是系统的输入量,位移y(t)是系统的输出量。试确定系统的微分方程。

解根据牛顿运动定律,运动部件在外力作用下克服弹簧拉

力ky(t)、阻尼器的阻力

所以系统的运动方程为

,将产生加速度力

(2.6)

这也是一个二阶线性常微分方程。比较表达式(2.7)和

(2.3)可以发现,两个不同的物理系统具有相同形式的运动方程,即具有相同的数学模型。

或写成

(2.7)

图2-3机械阻尼器示意图

【例2-4】图2-4表示一个单摆系统,输入量为零(不加外

力),输出量为摆幅θ(t)。摆锤的质量为M,摆杆长度为1,阻尼系数为μ,重力加速度为g。试建立系统的运动方程。

解对于图2-4所示的单摆系统,根据牛顿运动定律可以直

接推出如下系统运动方程:

显然方程(2.8)是一个二阶的非线性微分方程(因为含有sinθ),

但是在摆幅较小的情况下,单摆运动方程可以认为是线性的,对

应的微分方程为

(2.8)

(2.9)

西安电子科技大学出

θ

西安电子科技大学出

西安电子科技大学出

西安电子科技大学出版社

西安电子科技大学Mgsinθ

西安电子科技大学出版社

西安电子科技大学

l

电子科技大学

西安电科技大学

西安电

Mg

图2-4单摆运动示意图

在工程实际中,大多数系统是非线性的。比如,弹簧的刚

度与其形变有关系,因此弹簧系数k实际上是其位移的函数,而并非常数;电阻、电容和电感等参数值与周围的环境(温度、湿度、压力等)

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