控制工程基礎(chǔ)3-第2章(數(shù)學(xué)模型1:微分方程傳遞函數(shù)).ppt
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1,導(dǎo) 讀 為什么要介紹本章? 分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的第一步是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,2,預(yù)備知識,復(fù)變函數(shù):Laplace變換(拉氏變換), Z變換 常微分方程解法:Laplace變換和反變換 電路理論 基本的電子學(xué)和力學(xué)知識,第二章 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,2.1 系統(tǒng)的微分方程:時域模型,微分方程的建立及線性化。 2.1 拉普拉斯變換:將微分方程變換成代數(shù)方程,是經(jīng)典控制理 論的基礎(chǔ)。 2.3 傳遞函數(shù):借助拉氏變換,給出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。經(jīng)典控制理論中引用最廣泛的一種模型。 2.4 控制系統(tǒng)方框圖:掌握方塊圖的建立及化簡,6種典型環(huán)節(jié) 2.5方框圖的等效變換及化簡,定義:數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量(或變量)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。 建立數(shù)學(xué)模型的目的 是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的首要工作(或基礎(chǔ)工作)。 自控系統(tǒng)的組成可以是電氣的、機械的、液壓或氣動的等等,然而描述這些系統(tǒng)發(fā)展的模型卻可以是相同的。通過數(shù)學(xué)模型來研究自控系統(tǒng),可以擺脫各種不同類型系統(tǒng)的外部特征,研究其內(nèi)在的共性運動規(guī)律。,5,建立合理的數(shù)學(xué)模型,建立的數(shù)學(xué)模型既有準(zhǔn)確性,又有簡化性 一般應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)及要求的計算精度,略去一些次要因素,使模型既能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的 動態(tài)本質(zhì),又能簡化分析計算的工作。 除非系統(tǒng)含有強非線性或參數(shù)隨時間變化較大,一般盡可能采用線性定常數(shù)學(xué)模型描述自動控制系統(tǒng),被控對象的描述:微分方程,被控 對象,,,輸出y(t),輸入u(t),微分方程及其解法的理論是整個控制理論的基礎(chǔ)。,2.1 系統(tǒng)的微分方程,2.1.1. 建立系統(tǒng)或元件微分方程的步驟,確定元件輸入量和輸出量 根據(jù)物理或化學(xué)定律,列出元件的原始方程 在可能條件下,對各元件的原始方程進行適當(dāng)簡化,略去一些次要因素或進行線性化處理 消去中間變量,得到描述元件輸入和輸出關(guān)系的微分方程 對微分方程進行標(biāo)準(zhǔn)化處理:與輸出量相關(guān)的各項置于等號左側(cè),而與輸入量相關(guān)的置于等號右邊;等號左右各項均按降冪排列;將各項系數(shù)歸化為具有一定物理意義的形式,機械系統(tǒng)微分方程,例1:彈簧-質(zhì)量-阻尼器串聯(lián)系統(tǒng),如圖2-1所示。列出以外力F(t)為輸入量,以質(zhì)量的位移x(t)為輸出量的運動方程式。,解:按照列寫微分方程式的一般步驟有:,1)確定輸入量、輸出量,作用于質(zhì)量m的力還有彈性阻力Fk(t)和粘滯阻力Ff(t) ,均作為中間變量;,2)假設(shè)當(dāng)無外力作用時,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài);,3)由牛頓第二定律寫原始方程:,4)寫中間變量與輸出變量的關(guān)系式:,5)將上式代入原始方程消中間變量得:,6)整理成標(biāo)準(zhǔn)型:,該標(biāo)準(zhǔn)型為二階線性常系數(shù)微分方程,系統(tǒng)中存在兩個儲能元件質(zhì)量和彈簧,故方程式左端最高階次為二。,令,則方程化為:,機械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),[例2]:設(shè)有一個慣性負載和粘性摩擦阻尼器組成的機械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),試列出以外力矩M(t)為輸入信號,角位移θ(t)為輸出信號的數(shù)學(xué)模型。,解 :,1)確定輸入量、輸出量,2)對于機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng),牛頓定律可以表示為:,3)化簡,4) 標(biāo)準(zhǔn)化,uc,ur,例3: RC電路,+,-,uc,ur,+,-,C,i,R,輸入量:,輸出量:,(1) 確定輸入量和輸出量,(2) 建立初始微分方程組,(3) 消除中間變量,使式子標(biāo)準(zhǔn)化,ur= Ri + uc,,,根據(jù)基爾霍夫定律得:,,,微分方程中只能留下輸入、輸出變量,及系統(tǒng)的一些常數(shù)。,,,RC電路是一階常系數(shù)線性微分方程。,電氣系統(tǒng)的微分方程,例4:電阻-電感-電容串聯(lián)系統(tǒng),如圖2-1所示。列出以ur(t)為輸入量,uc(t)為輸出量的網(wǎng)絡(luò)微分方程式。,解:按照列寫微分方程式的一般步驟有:,1)確定輸入量、輸出量、中間變量i(t);,2)忽略輸出端負載效應(yīng);,3)由基爾霍夫定律寫原始方程:,4)列寫中間變量與輸出變量的關(guān)系式:,5)將上式代入原始方程消中間變量得:,表2-1 相似系統(tǒng)中的相似變量,定義:任何系統(tǒng),只要它們的微分方程具有相同的形式,就是相似系統(tǒng),而在微分方程中占據(jù)相同位置的物理量,叫做相似變量。,相似系統(tǒng),拉氏變換法求解步驟: 1. 考慮初始條件,對微分方程中的每一項分別進行拉氏變換,得到變量s的代數(shù)方程; 2. 求出輸出量拉氏變換函數(shù)的表達式; 3. 對輸出量拉氏變換函數(shù)求反變換,得到輸出量的時域表達式,即為所求微分方程的解。,求解方法:經(jīng)典法、拉氏變換法。,拉普拉斯變換,拉氏(laplace)變換 定義:設(shè)函數(shù)f(t)當(dāng)t=0時有定義,而且積分 存在,其中s是復(fù)數(shù),則稱F(s)是f(t)的象函數(shù),即f(t)的拉氏變換。記為 f(t)稱為 F(s)的原函數(shù)。,拉氏反變換為,,,函數(shù)f(t)的拉氏變換,,,當(dāng)t0, f(t)=0,,,拉氏積分運算符,拉普拉斯變換說明,可以證明:f(t)和F(s)將形成一一映射,(1) s是復(fù)變量: 在求取拉普拉斯變換時,s的唯一作用是使拉普拉斯積分收斂,可以看成常數(shù)。,例如:,說明,當(dāng) 時,有,(2) f(t)是實函數(shù),且滿足:,22,單位階躍函數(shù)1(t) 單位階躍函數(shù)的拉氏變換為,23,單位脈沖函數(shù) 單位脈沖函數(shù)的拉氏變換為,2)單位斜坡函數(shù),,,,t,0,t,幾個重要的拉氏變換,26,拉氏變換的基本性質(zhì) (1) 線性性質(zhì) 原函數(shù)之和的拉氏變換等于各原函數(shù)的拉氏變換之和。 (2) 微分性質(zhì) 若 ,則有 f(0)為原函數(shù)f(t) 在t=0時的初始值。,(3) 積分性質(zhì) 若 則 式中 為積分 當(dāng)t=0時的值。,27,(4) 終值定理 即原函數(shù)的終值等于其象函數(shù)乘以s的初值。,(5) 初值定理: (6) 位移定理: a.實域中的位移定理,若原函數(shù)在時間上延遲 ,則其 象函數(shù)應(yīng)乘以 b.復(fù)域中的位移定理,象函數(shù)的自變量延遲a,原函數(shù)應(yīng) 乘以 ,即,28,例2.1:用拉氏變換解微分方程,29,重點 建立微分方程要掌握所涉及系統(tǒng)的關(guān)鍵公式 例如:牛頓第二定律、克?;舴蚨?、質(zhì)量守恒定律,剛體旋轉(zhuǎn)定律等 建立的微分方程的標(biāo)準(zhǔn)形式 特點: 方法直觀,但是微分方程的求解麻煩,尤其是高階系統(tǒng)。,,重要提示,我們這個課程會使用很多的數(shù)學(xué)工具,但是我們不是一門數(shù)學(xué)課程,學(xué)習(xí)過程中要特別注意工程的意義!,復(fù)域模型 – 傳遞函數(shù),2.3.1. 傳遞函數(shù)的定義與性質(zhì),定義: 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為零初始條件下,系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與系統(tǒng)輸入量的拉氏變換之比。 問題的提出 傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)的動態(tài)特性,而且還可以用來研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響,所謂零初始條件是指 1)輸入量在t0時才作用在系統(tǒng)上,即在 時系統(tǒng)輸入及各項導(dǎo)數(shù)均為零; 2)輸入量在加于系統(tǒng)之前,系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài),即在 時系統(tǒng)輸出及其所有導(dǎo)數(shù)項為零。,,33,設(shè)r(t)和c(t)及其各階導(dǎo)數(shù)在t=0時的值為0,即零初始條件,則對上式中各項分別求拉氏變換,可得s的代數(shù)方程為: 由定義得系統(tǒng)得傳遞函數(shù)為,設(shè)線性定常系統(tǒng)由下述n階線性常微分方程描述: 式中c(t)為系統(tǒng)輸出量,r(t)為系統(tǒng)輸入量,ai(i=1,2,3…n)和 bj (j= 1,2,3….m )是與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)的常系數(shù),,,,,分母中s的最高階次n即為系統(tǒng)的階次,該系統(tǒng)稱為n階系統(tǒng)。,試列寫網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) Uc(s)/Ur(s).,例2.5 如圖RLC電路,,解: 零初始條件下取拉氏變換:,傳遞函數(shù):,35,性質(zhì) 傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理真分式函數(shù),分子多項式的次數(shù)m 低于或等于分母多項的次數(shù)n,所有系數(shù)均為實數(shù); 傳遞函數(shù)與微分方程有相通性,可經(jīng)簡單置換而轉(zhuǎn)換; 傳遞函數(shù)表征了系統(tǒng)本身的動態(tài)特性。(傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù),而與輸入和初始條件等外部因素?zé)o關(guān),可見傳遞函數(shù)有效地描述了系統(tǒng)的固有特性.) 只能描述線性定常系統(tǒng)與單輸入單輸出系統(tǒng),不能表征內(nèi)部所有狀態(tài)的特征。 只能反映零初始條件下輸入信號引起的輸出,不能反映非零初始條件引起的輸出。 服從不同動力學(xué)規(guī)律的系統(tǒng)可有同樣的傳遞函數(shù)。 傳遞函數(shù)有一定的零、極點分布圖與之對應(yīng),因此傳遞函數(shù)的零、極點分布圖也表征了系統(tǒng)的動態(tài)性能。,36,,傳遞函數(shù)的物理意義 顯然,在零初始條件下,若線性定常系統(tǒng)的輸入的拉氏變換為,則系統(tǒng)的輸出的拉氏變換為 系統(tǒng)的輸出為 由于單位脈沖輸入信號的拉氏變換為 所以,單位脈沖輸入信號作用下系統(tǒng)的輸出的拉氏變換為,,,,,37,,單位脈沖輸入信號下系統(tǒng)的輸出為g(t),則 可見,系統(tǒng)傳遞函數(shù)的拉氏反變換即為單位脈沖輸入信號下系統(tǒng)的輸出。因此,系統(tǒng)的單位脈沖輸入信號下系統(tǒng)的輸出完全描述了系統(tǒng)動態(tài)特性,所以也是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,通常稱為脈沖響應(yīng)函數(shù)。,,38,2.3.2. 典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),比例環(huán)節(jié): 輸出量無滯后,按比例復(fù)現(xiàn)輸入量,,電位器,39,慣性環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)存在儲能元件,典型慣性環(huán)節(jié)的微分方程為一階常微分方程,其特點是當(dāng)系統(tǒng)輸入有階躍變化時,系統(tǒng)輸出是由零逐漸跟上,如圖所示。(a)為系統(tǒng)的輸入變化,(b)為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。輸出按單調(diào)指數(shù)規(guī)律上升.,,40,積分環(huán)節(jié) 輸出量與輸入量對時間的積分成正比,微分環(huán)節(jié) 輸出量與輸入量的導(dǎo)數(shù)成正比,積分放大器原理,41,例2.6:如圖所示衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng),對偏航角的控制,,,其中A、B為斜對稱配置的噴氣發(fā)動機,推力均為F/2,成對工作。每個發(fā)動機到質(zhì)心的距離為l,那么產(chǎn)生的力矩為T=Fl,假設(shè)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量為J,角位移θ(t)為輸出量,產(chǎn)生的力矩T為輸入量,那么根據(jù)牛頓第二定律,注意到在衛(wèi)星周圍的環(huán)境中不存在摩擦,所以有,,,其中T’=J/l,這是由兩個積分環(huán)節(jié)組成的。,42,振蕩環(huán)節(jié)(二階環(huán)節(jié)) 該環(huán)節(jié)存在兩個儲能元件,且所儲兩種能量可以互相轉(zhuǎn)換,故動態(tài)過程表現(xiàn)出振蕩特性,,43,:無阻尼自然振蕩頻率 :阻尼比,延滯環(huán)節(jié) 延滯時間(死區(qū)時間) 輸出量相對于輸入量滯后一個恒定時間,45,關(guān)于典型環(huán)節(jié)的幾點說明,一個不可分割的裝置或元件可能含有若干典型環(huán)節(jié) 例如:無源網(wǎng)絡(luò) 同一元部件,若選擇不同的輸入量和輸出量,將由不同的典型環(huán)節(jié)組成,,,,,,,,,,,C,R,ur(t),uc(t),46,,有理分式形式 傳遞函數(shù)最常用的形式是下列有理分式形式 傳遞函數(shù)的分母多項式 D(s)稱為系統(tǒng)的特征多項式, D(s)=0稱為系統(tǒng)的特征方程,D(s)=0的根稱為系統(tǒng)的特征根或極點。 分母多項式的階次定義為系統(tǒng)的階次。對于實際的物理系統(tǒng),多項式D(s)、N(s)的所有系數(shù)為實數(shù),且分母多項式的階次 n高于或等于分子多項式的階次m,即 n≥m。,,,,2.3.3.傳遞函數(shù)的表示方式,47,,零極點形式 將傳遞函數(shù)的分子、分母多項式變?yōu)槭滓欢囗検?,然后在?fù)數(shù)范圍內(nèi)因式分解,得 n≥m (2.66),,,,式中 ,稱為系統(tǒng)的零點; 為系統(tǒng)的極點; 為系統(tǒng)的根軌跡增益。 系統(tǒng)零點、極點的分布決定了系統(tǒng)的特性,因此,可以畫出傳遞函數(shù)的零極點圖,直接分析系統(tǒng)特性。在零極點圖上,用“ ”表示極點位置,用“ ”表示零點,,,,,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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