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(jì)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(shí),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(shí),第二章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,2.1 系統(tǒng)的微分方程：時(shí)域模型，微分方程的建立及線(xiàn)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(jiǎn),6種典型環(huán)節(jié) 2.5方框圖的等效變換及化簡(jiǎn),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(dá)式。 建立數(shù)學(xué)模型的目的 是分析和設(shè)計(jì)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(jī)械的、液壓或氣動(dòng)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(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)研究自控系統(tǒng)，可以擺脫各種不同類(lèi)型系統(tǒng)的外部特征，研究其內(nèi)在的共性運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化性 一般應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)及要求的計(jì)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(dòng)態(tài)本質(zhì)，又能簡(jiǎn)化分析計(jì)算的工作。 除非系統(tǒng)含有強(qiáng)非線(xiàn)性或參數(shù)隨時(shí)間變化較大，一般盡可能采用線(xiàn)性定常數(shù)學(xué)模型描述自動(dòng)控制系統(tǒng),被控對(duì)象的描述：微分方程,被控 對(duì)象,,,輸出y(t),輸入u(t),微分方程及其解法的理論是整個(gè)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(duì)各元件的原始方程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，略去一些次要因素或進(jìn)行線(xiàn)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(duì)微分方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：與輸出量相關(guān)的各項(xiàng)置于等號(hào)左側(cè)，而與輸入量相關(guān)的置于等號(hào)右邊；等號(hào)左右各項(xiàng)均按降冪排列；將各項(xiàng)系數(shù)歸化為具有一定物理意義的形式,機(jī)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(yùn)動(dòng)方程式。,解：按照列寫(xiě)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(wú)外力作用時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；,3）由牛頓第二定律寫(xiě)原始方程：,4）寫(xiě)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(xiàn)性常系數(shù)微分方程，系統(tǒng)中存在兩個(gè)儲(chǔ)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(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),[例2]：設(shè)有一個(gè)慣性負(fù)載和粘性摩擦阻尼器組成的機(jī)械旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，試列出以外力矩M(t)為輸入信號(hào)，角位移θ(t)為輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。,解 ：,1）確定輸入量、輸出量,2）對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，牛頓定律可以表示為：,3）化簡(jiǎn),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(xiàn)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u(píng)r(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(xiě)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(fù)載效應(yīng)；,3）由基爾霍夫定律寫(xiě)原始方程：,4）列寫(xiě)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(duì)微分方程中的每一項(xiàng)分別進(jìn)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(dá)式； 3. 對(duì)輸出量拉氏變換函數(shù)求反變換，得到輸出量的時(shí)域表達(dá)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(shí)有定義，而且積分 存在，其中s是復(fù)數(shù),則稱(chēng)F(s)是f(t)的象函數(shù),即f(t)的拉氏變換。記為 f(t)稱(chēng)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(yùn)算符,拉普拉斯變換說(shuō)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(shí)，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(shuō)明,當(dāng) 時(shí)，有,(2) f(t)是實(shí)函數(shù)，且滿(mǎn)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(gè)重要的拉氏變換,26,拉氏變換的基本性質(zhì) (1) 線(xiàn)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(shí)的初始值。,(3) 積分性質(zhì) 若 則 式中 為積分 當(dāng)t=0時(shí)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(shí)域中的位移定理，若原函數(shù)在時(shí)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(diǎn) 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、克希霍夫定律、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(diǎn)： 方法直觀(guān)，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(gè)課程會(huì)使用很多的數(shù)學(xué)工具，但是我們不是一門(mén)數(shù)學(xué)課程，學(xué)習(xí)過(guò)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(xiàn)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(wèn)題的提出 傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且還可以用來(lái)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響,所謂零初始條件是指 1）輸入量在t0時(shí)才作用在系統(tǒng)上，即在 時(shí)系統(tǒng)輸入及各項(xiàng)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(shí)系統(tǒng)輸出及其所有導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零。,,33,設(shè)r(t)和c(t)及其各階導(dǎo)數(shù)在t=0時(shí)的值為0，即零初始條件，則對(duì)上式中各項(xiàng)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(xiàn)性定常系統(tǒng)由下述n階線(xiàn)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(chēng)為n階系統(tǒng)。,試列寫(xiě)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(xiàng)式的次數(shù)m 低于或等于分母多項(xiàng)的次數(shù)n，所有系數(shù)均為實(shí)數(shù)； 傳遞函數(shù)與微分方程有相通性，可經(jīng)簡(jiǎn)單置換而轉(zhuǎn)換； 傳遞函數(shù)表征了系統(tǒng)本身的動(dòng)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(jiàn)傳遞函數(shù)有效地描述了系統(tǒng)的固有特性.） 只能描述線(xiàn)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(hào)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(dòng)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(diǎn)分布圖與之對(duì)應(yīng)，因此傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)分布圖也表征了系統(tǒng)的動(dòng)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(xiàn)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(hào)的拉氏變換為 所以，單位脈沖輸入信號(hào)作用下系統(tǒng)的輸出的拉氏變換為,,,,,37,,單位脈沖輸入信號(hào)下系統(tǒng)的輸出為g(t),則 可見(jiàn)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的拉氏反變換即為單位脈沖輸入信號(hào)下系統(tǒng)的輸出。因此，系統(tǒng)的單位脈沖輸入信號(hào)下系統(tǒng)的輸出完全描述了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，所以也是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通常稱(chēng)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(wú)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(chǔ)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(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)輸入有階躍變化時(shí)，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(duì)時(shí)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(duì)偏航角的控制,,,其中A、B為斜對(duì)稱(chēng)配置的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，推力均為F/2，成對(duì)工作。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)到質(zhì)心的距離為l，那么產(chǎn)生的力矩為T(mén)=Fl，假設(shè)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)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?chē)沫h(huán)境中不存在摩擦，所以有,,,其中T’＝J/l,這是由兩個(gè)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(gè)儲(chǔ)能元件，且所儲(chǔ)兩種能量可以互相轉(zhuǎn)換，故動(dòng)態(tài)過(guò)程表現(xiàn)出振蕩特性,,43,：無(wú)阻尼自然振蕩頻率 ：阻尼比,延滯環(huán)節(jié) 延滯時(shí)間（死區(qū)時(shí)間） 輸出量相對(duì)于輸入量滯后一個(gè)恒定時(shí)間,45,關(guān)于典型環(huán)節(jié)的幾點(diǎn)說(shuō)明,一個(gè)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(wú)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(xiàng)式 D(s)稱(chēng)為系統(tǒng)的特征多項(xiàng)式, D(s)=0稱(chēng)為系統(tǒng)的特征方程，D(s)=0的根稱(chēng)為系統(tǒng)的特征根或極點(diǎn)。 分母多項(xiàng)式的階次定義為系統(tǒng)的階次。對(duì)于實(shí)際的物理系統(tǒng)，多項(xiàng)式D(s)、N(s)的所有系數(shù)為實(shí)數(shù)，且分母多項(xiàng)式的階次 n高于或等于分子多項(xiàng)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(diǎn)形式 將傳遞函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式變?yōu)槭滓欢囗?xiàng)式，然后在復(fù)數(shù)范圍內(nèi)因式分解，得 n≥m （2.66）,,,,式中 ，稱(chēng)為系統(tǒng)的零點(diǎn)； 為系統(tǒng)的極點(diǎn)； 為系統(tǒng)的根軌跡增益。 系統(tǒng)零點(diǎn)、極點(diǎn)的分布決定了系統(tǒng)的特性，因此，可以畫(huà)出傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)圖，直接分析系統(tǒng)特性。在零極點(diǎn)圖上，用“ ”表示極點(diǎn)位置，用“ ”表示零點(diǎn),,,,,