机械控制理论基础课件第3章系统数学模型.ppt

第三章 系统的数学模型,一、概述,二、系统微分方程的建立,三、传递函数,四、方框图及动态系统的构成,五、信号流图及梅逊公式,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,对系统各部分的运动机理进行分析，依据系统本身所遵循的有关定律列写数学表达式，并在列写过程中进行必要的简化。,分析法,根据系统对某些典型输入信号的响应或其它实验数据建立数学模型。即人为施加某种测试信号，记录基本输出响应。,实验法,第三章 系统的数学模型,线性系统与非线性系统,1、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,第三章 系统的数学模型,线性系统与非线性系统,2、非 线 性 系 统,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,第三章 系统的数学模型,例,，其中,a,b,c,d均为常数。,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,建立微分方程的步骤是： 1）分析系统的工作原理和系统中各变量间的关系，确定出待研究 系统的输入量和输出量； 2）从输入端入手（闭环系统一般从比较环节入手），依据各元件 所遵循的物理，化学，生物等规律，列写各自方程式，但要注意 负载效应。所谓负载效应，就是考虑后一级对前一级的影响。 3）将所有方程联解，消去中间变量，得出系统输入输出的标准方程。 所谓标准方程是指： 将与输入量有关的各项放在方程的右边， 与输出量有关的各项放在方程的左边；各导数项按降幂排列；,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,例,直线运动（机械平移系统）,第三章 系统的数学模型,例,转动系统,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,例,第三章 系统的数学模型,例,第三章 系统的数学模型,弹簧-质量-阻尼器（S-M-D）机械位移系统,R-L-C电路系统,相似系统：揭示了不同物理现象之间的相似关系,小结,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。,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。,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、液感、液容等）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。,第三章 系统的数学模型,传递函数的基本定义 ： 线性定常系统的传递函数，定义为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,第三章 系统的数学模型,传递函数是描述系统动态过程的另一种数学模型，即时域=复数域，它通过输入与输出之间的信息传递关系，来描述系统本身的动态特性。,传递函数的一般形式,设线性定常系统由下述n阶线性常微分方程描述,式中，n m，当初始条件全为零时，对上式进行拉氏变换可得系统传递函数的一般形式：,第三章 系统的数学模型,G(s)仅取决于系统本身的参数，与外界输入无关,G(s)虽然描述了输出与输入之间的关系，但它不说明被描述系统的物理结构,对于物理可实现的系统，必有mn,一个G(s)只表示一对输入输出间的关系，同一系统不同输入输出间的G(s)是不同的，传递函数的量纲是根据输入量和输出量来决定的，可有可无,第三章 系统的数学模型,传递函数的概念只适用于线性定常系统，它只反应系统在零初始条件下的动态特性,第三章 系统的数学模型,常数,传递函数的极点,传递函数的零点, N(s)=0,称为系统的特征方程，它的根称为系统的特征根（也就是G(s)的极点）, G(s)的零、极点和放大系数决定着系统的瞬态响应和稳态性能,传递函数的另一种表示形式,第三章 系统的数学模型,1、比例环节,输出量不失真、无惯性地跟随输入量，两者成比例关系。 其运动方程为：xo(t)=Kxi(t) 拉氏变换为：Xo(s)=KXi(s) xo(t)、xi(t)分别为环节的输出和输入量； K比例环节的增益或放大环节的放大系数，等于输出量与输入量之比。 比例环节的传递函数为,第三章 系统的数学模型,例,求图示一齿轮传动副的传递函数, 分别为输入轴及输出轴转速,Z1和Z2为齿轮齿数,(当齿轮副无传动间隙,且传动系统刚性无穷大时,为理想状态).,其拉换变换：,因为：,第三章 系统的数学模型,2、惯性环节（非周期环节）,凡运动方程为一节微分方程： 形式的环节称为惯性环节。其传递函数为： 式中: K环节增益（放大系数）； T时间常数，表征环节的惯性，和环节结构 参数有关,第三章 系统的数学模型,例,此环节与比例环节相比，不能立即复现输出，而需要一定的时间。说此环节具有“惯性”，这是因为其中含有储能元件K与阻能元件C的原因。惯性大小由T来决定。,如：弹簧阻尼器环节,第三章 系统的数学模型,3、微分环节,输出量正比于输入量的微分。 运动方程为： 传递函数为： 式中：微分环节的时间常数 在物理系统中微分环节不独立存在，而是和其它环节一起出现,第三章 系统的数学模型,4、积分环节,输出量正比于输入量对时间的积分。 运动方程为： 传递函数为： 式中，T积分环节的时间常数。,第三章 系统的数学模型,5、振荡环节,第三章 系统的数学模型,6、延迟环节（也称传输滞后环节）,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,1、方框图 系统方框图是系统数学模型的图解形式。可以形象直观地描述系统中各元件间的相互关系及其功能以及信号在系统中的传递、变换过程。,第三章 系统的数学模型,信号引出点（线）：表示信号引出或测量的位置和传递方向。同一信号线上引出的信号，其性质、大小完全一样。,函数方框（环节）：方框代表一个环节，箭头代表输入输出。 表示输入到输出单向传输间的函数关系。,信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的传递方向，直线旁标记信号的时间函数或象函数。,求和点（比较点、综合点）：两个或两个以上的输入信号进行加减比较的元件。,第三章 系统的数学模型,注意：,进行相加减的量，必须具有相同的量纲,第三章 系统的数学模型,注意：,相邻求和点可以互换、合并、分解,相邻分支点可以互换,求和点可以有多个输入，但输出是唯一的,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,串联连接,并联连接,反馈连接,第三章 系统的数学模型,特点：前一环节的输出量就是后一环节的输入量。,（1）串联连接,结论：串联环节的等效传递函数 等于所有传递函数的乘积。,第三章 系统的数学模型,特点：各环节的输入信号是相同的，输出C(s)为各环节的输出之和,（2）并联连接,结论：并联环节的等效传递函数等于 所有并联环节传递函数的代数 和。,第三章 系统的数学模型,（3）反馈连接,第三章 系统的数学模型,方框图的简化是通过方框图的等效变换和方框图的运算法则来实现的。 等效变换主要是通过变换相加点和分支点的位置来实现的，变换中主要掌握好如下两点：前向通道中各传递函数的乘积不变；回路中传递 函数的乘积不变； 通过等效变换将方框图变换成具有串联，并联和局部反馈连接的结构图,G1,G2,G1 G2,G1,G2,G,H,G1 G2,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,例,第三章 系统的数学模型,第三章 系统的数学模型,节点：表示变量或信号，其值等于所有进入该节点的信号之和 支路：连接两个节点的定向线段，用传递函数表示方程式中两个变量的因果关系。支路相当于乘法器，信号在支路上沿箭头单向传递。 输入节点(源节点)：只有输出的节点，代表系统的输入变量 输出节点(汇点)：只有输入的节点，代表系统的输出变量 混合节点：既有输入又有输出的节点 通路：沿支路箭头方向穿过各相连支路的路径 前向通道：从输入节点到输出节点的通路上通过任何节点不多于一次的通路。 回路：起点与终点重合且通过任何节点不多于一次的闭合通路 不接触回路：相互间没有任何公共节点的回路。,1、信号流图术语,第三章 系统的数学模型,式中 T: 系统总增益（总传递函数） n: