第二章1线性连续系统的数学模型

第二章 线性连续系统的数学模型1.1 系统动态微分方程的列写1.2 传递函数1.3 动态结构图的绘制及化简1.4 信号流程图及梅逊公式1.5 系统的传递函数及典型环节描述系统变量间相互关系的动态性能的运动方程。线性系统的定义系统可以用线性微分方程来描述（否则为非线性系统）建立数学模型的方法：解析法依据系统及元件各变量之间所遵循的物理或化学规律列 写出相应的数学关系式，建立模型。实验法人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型进行逼近。这种方法也称为 系统辨识。数学模型的定义数学模型的形式时间域： 微分方程 （连续系统）差分方程 （离散系统）状态方程 （连续、 离散）复数域： 传递函数结构图频率域： 频率特性例：电气系统三元件1.在时域的表达电阻电容电感2.在复域的表达 （拉氏变换以后的表达形式）结构图传递函数或或或3.在 频域的 表达频率特性幅频特性相频特性代入 1.1 动态微分方程的编写一、绘制工作原理框图二、列写出每个方框的数学表达三、线性方程组的标准化四、消去中间变量得数学模型例 1： 角位置跟踪系统（随动系统）一、绘制工作原理框图分析工作原理工作原理框图二、按照控制信号的传递方向（从左到右）列写出每个方框的数学表达1.电位器桥2.电压放大器3.功率放大器4.电枢控制直流伺服电动机当电枢运动时电枢绕组中有反电势产生电枢绕组的电势平衡方程电枢电流与磁场相互作用而产生电磁转矩电机转矩平衡方程5.机械传动机构两 齿轮啮合点：线速度相等 v1= v2； 圆周力相等 F1=F2i 称为速比；因此，速比 i 为 轴 1和轴 2之间互相折算的算子，齿轮系 速比 越大，负载的转动惯量和粘性摩擦系数折算到电机轴上的等效值就越小。多级齿轮系折算公式角位置跟踪系统（随动系统）的线性方程组三、线性方程组的标准化输出量表达式 =输入量表达式（降幂排列）四、消去中间变量得数学模型例 2： 电阻、电容、电感串联网络1.列写方程组2.标准化 3.消去中间变量系统的数学模型或输入输出输出响应曲线 c(t)r(t)r(t)t0c(t)示波器 或 记录仪信号发生器实验 小结： 动态微分方程的编写方法一、绘制工作原理框图二、按照控制信号的传递方向（从左到右）列写出每个方框的数学表达三、线性方程组的标准化四、消去中间变量得数学模型 1.2 传递函数一、传递函数的定义二、传递函数的意义一、传递函数的定义 控制系统的微分方程式（上面得到的数学模型）初始条件为零情况下，对等式两边进行拉氏变换，得写成：（输出量） =（系统函数 )(输入量）传递函数定义输出量输入量图形表达 结构图所以， s 域的系统数学模型表示为传递函数的定义： 零初始条件下，系统输出量拉氏变换与系统输入量拉氏变换之比。R(s)C(s)G(s) = 传递函数是通过 系统输入量与输出量之间的关系来描述系统的固有特性，即以系统外部的输入 输出特性来描述系统的内部特点。若输入给定，系统的输出特性完全由传递函数 G(S） 决定。二、传递函数的意义输入 输出G(S)R(S) C(S)r(t) c(t)例：电气元件输入相同信号 u(t) 输出信号 i(t)?系统的固有特性决定了输入 输出关系输入 输出关系描述了系统的固有特性 传递函数是 复变量 s的有理真分式。由于系统都具有惯性并且能源又是有限的缘故，必然 n m ； 传递函数的各项系数均为实数，是因为各项系数都是由系统元件参数决定的，而元件参数只能是实数。 传递函数只 取决于系统结构和元件参数 ，与外作用无关。 传递函数是在 初始条件为零 情况下定义的。有两个含义，一是在 之前系统的系统的输入量及其各阶导数的值均为零；二是输入作用加入系统之前，系统是相对静止的，在 之前系统输出量及其各阶导数也为零。说明： 传递函数是由线性定常微分方