机械工程控制基础02第二章(第一讲).ppt

建立控制系统的数学模型，并在此基础上对控制系统进行分析、综合，是机电控制工程的基本方法。对于机电控制系统，在输入作用下有些什么运动规律，我们不仅希望了解其稳态情况，更重要的是要了解其动态过程。如果将物理系统在信号传递过程中的这一动态特性用数学表达式描述出来，就得到了组成物理系统的数学模型。 数学模型是描述系统输入、输出及内部变量之间关系的数学表达式。系统数学模型既是分析系统的基础，又是综合设计系统的依据。,经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数(Transfer Function，tf)为基础。而现代控制理论采用的数学模型主要以状态空间(State Space,ss)为基础。而以物理定律及实验规律为依据的微分方程又是最基本的数学模型，是列写传递函数和状态空间方程的基础。,基本环节（或典型环节） ：,在控制系统中，常将具有某种确定信息传递关系的元件、元件组或元件的一部分称为一个环节，经常遇到的环节称为典型环节。,2.1 基本环节数学模型,建立控制系统数学模型的方法有 ：,分析法应用物理规律、化学规律等，对系统各部分的运动机理进行分析。,实验法人为施加某种测试信号，记录基本输出响 应。,分析法建立系统数学模型的步骤：,1、建立物理模型。,2、列写原始方程。利用适当的物理定律如牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律等。,3、选定系统的输入量、输出量及状态变量（仅在建立状态空间模型时要求），消去中间变量，建立适当的输入输出模型或状态空间模型。,2.1 基本环节数学模型,2.1 基本环节数学模型,实验法基于系统辨识的建模方法,已知知识和辨识目的 实验设计-选择实验条件 模型阶次-适合于应用的适当的阶次 参数估计-最小二乘法 模型验证将实际输出与模型的计算输出进行比较，系统模型需保证两个输出之间在选定意义上的接近。,2.1 基本环节数学模型,2.1.1 机械系统,机电控制系统的受控对象是机械系统。在机械系统中，有些构件具有较大的惯性和刚度，有些构件则惯性小、柔度较大。在集中参数法中，将前一类构件的弹性忽略将之视为质量块，而把后一类构件的惯性忽略将之视为无质量弹簧。这样受控对象的机械系统可抽象为质量弹簧阻尼系统。,2.1 基本环节数学模型,根据牛顿第二定律:,将输出变量写在等号左边，输入变量写在等号右边，阶次由高到低排列，得到：,其中：M为受控质量；k为弹性刚度；D为粘性阻尼系数； 为输出位移。,微分方程的系数取决于系统的结构参数，而阶次等于系统中独立储能元件（惯性质量、弹簧）的数量。,2.1 基本环节数学模型,2.1.2 电路网络,2.1 基本环节数学模型,图23 的无源电路网络，根据基尔霍夫定律和欧姆定律，有：,经过整理，可得其数学模型为：,运算放大器的同相端和反相端为虚地点：,经过整理，可以得到其数学模型：,图24的有源电路网络系统，,为输入电压；,为输出电压；,为运算放大器的开环放大倍数。,2.1 基本环节数学模型,2.1 基本环节数学模型,2.1.3 电动机,电动机是机电系统中最常用最重要的执行元件。,：电机转矩,：电机及负载折合到电机轴上的转动惯量,：电机及负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数,2.1 基本环节数学模型,根据基尔霍夫定律，电机电枢回路：,根据磁场对载流线圈的作用定律:,：电机力矩常数,根据电磁感应定律:,：电机反电势常数,2.1 基本环节数学模型,根据牛顿第二定律：,当电机电枢电感较小时,当电机电枢电感、电阻均较小时,即电机转速与电机电枢电压成正比。,对于较复杂系统，列写微分方程的一般步骤：,1. 分析系统工作原理和信号传递变换的过程，确定系统和各 元件的输入、输出量； 2. 从输入端开始，按照信号传递变换过程，依据各变量遵循 的物理学定律，依次列写出各元件、部件的动态微分方程； 3. 消去中间变量，得到描述元件或系统输入、输出变量之间 关系的微分方程； 4. 标准化：右端输入，左端输出，导数降幂排。,2.1 基本环节数学模型,2.1 基本环节数学模型,单输入、单输出系统的微分方程表示的数学模型的一般形式：,其中： 为输出变量， 为输入变量,由于实际系统中总含有惯性元件以及受到能源能量的限制，故：,m n,物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型，从而可以 抛开系统的物理属性，用同一方法进行具有普遍意义的分析研究（信息方法）。,从动态性能看，在相同形式的输入作用下，数学模型相同而物理本质不同的系统其输出响应相似。相似系统是控制理论中进行实验模拟的基础。,小结：,2.1 基本环节数学模型,2.1 基本环节数学模型,通常情况下，元件或系统微分方程的阶次等于元件或系统中所包含的独立储能元（惯性质量、弹性要素、电感、电容、等）的个数；因为系统每增加一个独立储能元，其内部就多一层能量（信息）的交换。,系统的动态特性是系统的固有特性，仅取决于系统的结构及其参数。,小结：,线性系统与非线性系统,可以用线性微分方程描述的系统。如果方程的系数为常数，则为线性定常系统；如果方程的系数是时间t的函数，则为线性时变系统；,线性系统,线性是指系统满足叠加原理，即：,可加性：,齐次性：,或：,2.1 基本环节数学模型,用非线性微分方程描述的系统。非线性系统不满足叠加原理。,非线性系统,为分析方便，通常在合理的条件下，将非线性系统简化为线性系统处理。,实际的系统通常都是非线性的，线性只在一定的工作范围内成立。,2.1 基本环节数学模型,尽管线性系统理论已是相当成熟，但非线性系统理论还不完善。另外，由于叠加原理不适用于非线性系统，这给解非线性系统带来很大不便。故对非线性系统进行线性化处理，用线性系统理论进行分析。,实际的物理系统往往有死区、饱和、间隙等各类非线性现象。严格来讲，几乎所有的实际的物理系统都是非线性的。,2.2 数学模型的线性化,非线性元件微分方程线性化的一般方法：,一个变量的非线性函数 y=f(x)，在x0处连续可微，则可将它在该点附近用泰勒级数展开：,2.2 数学模型的线性化,具有连续变化的非线性函数的线性化，可用切线法或小偏差法进行线性化处理。在一个小范围内，将非线性特性用一段直线来代替。（分段定常系统）,则有,令,增量较小时略去其高次幂项，则有 ：,2.2 数学模型的线性化,k为比例系数，即函数f(x)在x0点切线的斜率。,上式即为非线性系统的线性化模型，称为增量方程。,称为系统的静态方程。,y=f(x1,x2)，同样可在某工作点（x10,x20）附近用泰勒级数为：,略去二级以上导数项，并令：,两个变量的非线性函数：,2.2 数学模型的线性化,称为增量方程,根据牛顿第二定律：,单摆的微分方程数学模型：,2.2 数学模型的线性化,解：由于研究的区域为5x7、10y12，故选择工作点x0=6，y0=11。于是z0=x0y0=611=66. 求在点x0=6，y0=11，z0=66附近非线性方程的线性化表达式。将非线性方程在点x0,y0,z0处展开成泰勒级数，并忽略其高阶项，则有：,因此，线性化方程式为：,z-66=11(x-6)+6(y-11) z=11x+6y-66 当x=5,y=10时，z的精确值为z=xy=510=50 由线性化方程求得的z值为z=11x+6y66=55+60-66=49,因此，误差为50-49=1，表示成百分数,试把非线性方程 z=xy 在区域5x7 、 10y12上线性化，并用线性化方程来计算当x=5，y=10时z值所产生的误差。,2.2 数学模型的线性化,系统线性化过程中，需注意的地方：,(1)线性化是相应于某一额定工作点的，工作点不同，则所得的方程系数也往往不同。,(2)变量的偏移愈小，则线性化精度愈高。,(3)增量方程中可认为其初始条件为零，即广义坐标原点平移到额定工作点处。,(4)线性化只适用于没有间断点、折断点的单值函数。,2.2 数学模型的线性化,(5)某些典型的本质非线性，如继电器特