浙江大学自动控制原理课第二章控制系统的数学模型.ppt

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第二章 控制系统的数学模型 第二章 控制系统的数学模型 描述系统运动的数学模型的方法 第一节 列写系统微分方程的一般方法 用解析法建立系统微分方程的一般步骤 第二节 非线性数学模型的线性化 第三节 传递函数 第四节 系统框图及其等效变换 第五节 控制系统的传递函数 第五节 信号流图和梅逊公式的应用 振荡环节 特点:如输入为一阶跃信号,则环节的输出却是周期振荡形式 微分方程 自动控制理论 具有式(2-33)形式的传递函数在控制工程中经常会碰到,例如 自动控制理论 1)R-L-C电路的传递函数 2)弹簧-质量-阻尼器系统的传递函数 3)直流他励电动机在变化时的传递函数 上述三个传递函数在化成式(2-33)所示的形式时,虽然它们的阻尼比ξ和1/T所含的具体内容各不相同,但只要满足0<ξ<1,则它们都是振荡环节。 自动控制理论 纯滞后环节 图2-16纯滞后 环节模拟电路图 则 如果 自动控制理论 绘制系统方框图的一般步骤 1、 写出系统中每一个部件的运动方程式 2、 根据部件的运动方程式写出相应的传递函数,一个部件用一个方框表示在框中填入相应的传递函数 3、根据信号的流向,将各方框单元依次连接起来,并把系统的输入量置于系统方框图的最左端,输出量置于最右端 例2-3 绘制图2-18所示电路的方框图 1)列方程 图2-18 R-C网络 自动控制理论 2)画出上述两式对应的方框图 3)将两方框图按信号的流向依次连接,求得2-19C的系统方框图 例2-4 绘制图2-2所示R-C网络方框图 1)列方程 图2-19 2-18所示电路系统框图 自动控制理论 2)画出上述四式对应的方框图,如图2-20a所示 3)根据信号的流向,将各方框单元依次连接起来,就得到图2-20b所示的方框图 图2-20 自动控制理论 方框图的等效变换 1、串联连接 图2-23 通式: 2、并联连接 图-2-24 自动控制理论 由图2-24得 通式: 3、反馈连接 图2-25 自动控制理论 1)负反馈连接 2)正反馈连接 例如 4、引出点移动 1)引出点后移 图2-26 2)引出点前移 5、综合点移动 1)综合点后移 自动控制理论 2)综合点前移 自动控制理论 例2-27,求图2-27所示系统的传递函数C(s)/R(s) 解 将图中引出点A后移,然后从内回路到外回路逐步化简, 其过程为图2-28所示 图2-27 自动控制理论 图2-28 设系统如图2-30所示,图中R(s)—参数输入, D(s)—扰动 1、开环传递函数 系统反馈量B(s)与误差信号E(s)的比值称为开环传递函数。即 自动控制理论 图2-30 2、参改输入作用下的闭环传递函数 令D(s)=0,则图2-30变为图2-31 根据式(2-39)求得 自动控制理论 图2-31 系统的输出为 如果H(s)=1,则图2-31所示的系统为单位反馈系统,它的闭环传递函数为 自动控制理论 3、扰动D(s)作用下的闭环传递函数 令r(t)=0,把图2-30改画为图2-32,由该图求得 图2-33 自动控制理论 当系统同时受到R(s)和 D(s)作用时,由叠加原理得系统总的输出为 自动控制理论 系统总的误差为 信号流图也是一种图示法,将它应用于线性系统时必须先将系统的微分方程组变成以S为变量的代数方程组,且把每个方程改写为下列的因果形式 信号流图的基本组成单元有两个:节点和支路 节点在图中用“O”表示,它表示系统中的变量;两变量间的因果关系用一被称为支路的有向线段来表示。箭头表示信号的传输方向,两变量间的因果关系叫做增益,标明在相应的支路旁 例一个线性方程为 自动控制理论 举例说明信号流图绘制的步骤。设一系统的线性方程组为 绘制的步骤如图2-35所示。 自动控制理论 图2-35 方程组的信号流程 * * * * 作者: 浙江大学 邹伯敏 教授 自动控制理论 普通高等教育“九五”部级重点教材 自动控制理论 状态变量描述 状态方程是这种描述的最基本形式 建立系统数学模型的方法 实验法:人为施加某种测试信号,记录基本输出响应。 解析法:根据系统及元件各变量之间所遵循的基本物理定律,列写处每一个元件的输入-输出关系式。 输入-输出描述 微分方程是这种描述的最基本形式。传递函数、方框图 等其它模型均由它而导出 数学模型:是描述系统输入、输出变量以及于内部其它变量之间关系的数学表达式 自动控制理论  根据基本的物理定律,列写出系统中一个元件的输入与输出的微分方程式  确定系统的输入量与输出量,消去其余的中间变量,求得系统输出与输入的微分方程式 图2-1 R-L-C电路 例2-1求Uc与Ur的微分方程式 解:由基尔霍夫定律得 消去中间变量 ,则有: 举例 一、电气网络系统 自动控制理论 图2-2

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