第二章 控制系统的数学基础和数学模型.pdf

第二章第二章第二章第二章 控制系统的数学基础和数学模型控制系统的数学基础和数学模型控制系统的数学基础和数学模型控制系统的数学基础和数学模型 基本要求基本要求 1 掌握拉氏变换 拉氏反变换的定义 定理 2 了解数学模型的基本概念 能够运用动力学 电学及专业知识 列 写机械系统 电网络系统的微分方程 3 掌握传递函数的概念 特点 会求传递函数的零 极点 4 掌握各个典型环节的特点 传递函数的基本形式及相关参数的物理 意义 5 掌握闭环系统中前向通道传递函数 开环传递函数 闭环传递函数 的定义及求法 掌握干扰作用下 系统传递函数的求法和特点 6 了解传递函数框图的组成及意义 能够根据系统的微分方程 绘制 系统传递函数框图 并实现简化 从而求出系统的传递函数 7 了解相似原理的概念 本章重点本章重点 1 拉氏变换定理 2 列写系统的微分方程 3 传递函数的概念 特点及求法 4 典型环节的传递函数 5 系统的方框图及其化简 本章难点本章难点 1 列写系统微分方程 2 系统的方框图及其化简 2 1 2 1 2 1 2 1 拉普拉斯拉普拉斯拉普拉斯拉普拉斯 Laplace Laplace Laplace Laplace 变换变换变换变换 2 1 1 2 1 1 2 1 1 拉氏变换概述 1 拉氏变换的定义 2 1 1 拉氏变换概述 1 拉氏变换的定义 f t 原函数 实域 时间域 F s 象函数 s域 复数域 s 复变量 s j dtetftfLsF st 0 st e 拉氏算子 j s 0 2 基本函数的拉氏变换2 基本函数的拉氏变换 序号原函数象函数 1单位脉冲函数1 2单位阶跃函数 3K 常数 4t 单位斜坡函数 5 6 7 8 22 s s 22 s t sin t cos tf sF t 1 t s 1 1 n s n n t s k at e 2 1 s as 1 t t 0 t t 1 u t r t t t xi 0 t e at 0 t 0 t sin t k k t 0 t cos 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 拉拉拉拉氏氏氏氏变换的主要性质变换的主要性质变换的主要性质 1 线性性质 变换的主要性质 1 线性性质 设L f1 t F1 s L f2 t F2 s k1 k2为常数 则 2 微分性质2 微分性质 若L f t F s 且f 0 0 初始条件为零 则 2211 22112211 sFksFk tfLktfLktfktfkL ssF dt tdf L lim lim 0 sFstff st 7 终值定理7 终值定理 若L f t F s 则有 8 初值定理8 初值定理 若L f t F s 则 6 相似定理6 相似定理 若L f t F s 对任意常数a则有 1 a s F a atfL lim lim 0 0 ssftff st 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 拉氏反变换拉氏反变换拉氏反变换拉氏反变换 定义 定义 f t L 1 F s 将象函数变换成原函数 s 复变量 F s 象函数 s域 复数域 f t 原函数 实域 时间域 2 2 2 2 2 2 2 2 系统的数学模型系统的数学模型系统的数学模型系统的数学模型 数学模型就是描述系统的输出 输入与系统本身结构 与参数之间的数学表达式 工程上常用的数学模型有 微分方程 传递函数 状态方程 建立数学模型的方法有 理论分析 解析法 试验的方法获取 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统 1 线性系统1 线性系统 1 定义 系统微分方程的规范化形式如下 或 若系数ai bi是常数 则方程是线性定常的 相应 的系统也称为线性定常系统 若系数是时间的函数 则该方程为线性时变的 相应的系统也称为线性时变 系统 01 1 1 txatxatxatxa oo n on n on L 01 1 1 txbtxbtxbtxb ii m im m im L n j m i i ii j oj txbtxa 00 系统 x i1 t t o1x 系统 i2 t x o2x t 系统 a1 a 2 i2 t x x i1 t a1 t o1 xa2o2x t 2 线性系统性质 线性系统的一个最重要的特性就是满足叠加原理 2 非线性系统2 非线性系统 工程上常见的非线性特性如下 饱和非线性 死区非线性 间隙非线性 摩擦非线性 3 非线性系统的线性化3 非线性系统的线性化 具有本质非线性特性的系统 忽略非线性因素或用 非线性理论去处理 非本质非线性特性的系统 切线法 或称微小偏差 法处理 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 机械机械机械机械 电气系统微分方程电气系统微分方程电气系统微分方程电气系统微分方程 1 机械系统1 机械系统 任何机械系统的数学模型都可以应用牛顿定律来建立 都可以 使用质量 弹性和阻尼三个要素来描述 1 机械平移系统1 机械平移系统 f 外力 x 位移 m 质量 c 粘性阻力系数 k 弹簧刚度 2 机械旋转系统2 机械旋转系统 T 扭转力 转角 J 转动惯量 BJ 回转粘性阻力系数 kJ 扭转弹簧刚度 TkBJ JJ tftxm iii fkxxcxm tf ty 工件铣刀 工作台 动力 滑台 工件铣刀 工作台 动力 滑台 例1 写出下图机械系统的微分方程 解 例1 写出下图机械系统的微分方程 解 惯性力 阻尼力 弹簧力 外力惯性力 阻尼力 弹簧力 外力 f t 外力 外力 y t 位移 位移 k 弹簧刚度 弹簧刚度 c 粘性阻力系数 粘性阻力系数 m 质量 质量 k c m y t f t mf t ky t cy t tftkytyctym maf tymtyctkytf 2 电气系统2 电气系统 电阻 电感和电容器是电路中的三个基本元件 通常利用基尔 霍夫定律来建立电气系统的数学模型 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电压定律 欧姆定律 电感定律 电容定律 A ti0 RiE Riu RR idt C uc 1 dt di LuL R u i R R dtu L i LL 1 dt du C i i c 1 R C i uo ui t t t L 例2 写出下图电气系统的微分方程例2 写出下图电气系统的微分方程 3 1 2 1 21 22 2 2 1 111 dtii C tu Ri dt tdi Ltu tu dt tdi LRitu c c c u t t uc R R 1 2 L1L2 i1 t t i2 C 解 解 3 列写系统微分方程的步骤 3 列写系统微分方程的步骤 1 分析系统工作原理和系统中各变量间的关系 确定系统的输出 量与输入量 2 从系统的输入端开始 依据物理学定律 依次列写组成系统各 元件的动力学方程 其中要考虑相邻两元件间的负载效应 3 将各方程式中的中间变量消去 求出描述输入量和输出量之间 关系的微分方程 并将与输入有关的各项放在方程右边 与输 出有关的各项放在方程左边 各阶导数项按降幂排列 即得系 统微分方程的标准形式 4 在列写元件的微分方程或求出系统的微分方程时 对非线性项 应加以线性化 2 3 2 3 2 3 传递函数2 3 传递函数 2 3 1 2 3 1 2 3 1 传递函数的定义2 3 1 传递函数的定义 线性定常系统的传递函数定义为 当全部初始条件 为零时 输出量xo t 的拉氏变换Xo s 与输入量xi t 的 拉氏变换Xi s 之比叫做系统的传递函数G s 表示 为 sX sX sG i o G s X s o X s i 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 传递函数的求法传递函数的求法传递函数的求法传递函数的求法 1 解析法1 解析法 1 根据定义求取根据定义求取 设线性定常系统输入为xi t 输出为xo t 描述系统的微分 方程的一般形式为 式中 n m an bm均为系统结构参数所决定的定常数 n m 0 1 2 3 如果变量及其各阶导数初值为零 初始条件为零 取等式两 边拉氏变换后得 01 txatxatxa oo n o n L 01 txbtxbtxb ii m im L 01 1 1 sXasasasa o n n n n L 1 1 1 sXbsbsbsb i m m m m L 根据传递函数的定义 即得系统的传递函数G s 为 sX sX txL txL sG i o i o 2 传递函数的零 极点 2 传递函数的零 极点 系统的传递函数G s 是以复变数s作为自变量的函数 经因子分解 后 G s 可以写成如下一般形式 为常数 当 j 1 2 m 时 均能使 故称为 G s 的零 点 当 i 1 2 n 时 均能使G s 的分母为0 G s 取极 值 lim G s i 1 2 n 称 i 1 2 n 为 G s 的极点 21 21 n m pspsps zszszsl sG L L l j zs 0 sG i ps i ps i p 2 实验法2 实验法 例例试写出具有下述微分方程式的传递函数 解 解 取拉氏变换并求商得 x dt dx y dt dy dt yd dt yd 76225 2 2 3 3 225 76 23 sss s sX sY sG 2 3 3 传递函数的性质2 3 3 传递函数的性质 1 传递函数是通过输入和输出之间的关系来描述系统本身特性的 而 系统本身特性与输入量无关 2 传递函数不表明所描述系统的物理结构 不同的物理系统 只要它 们动态特性相同 就可用同一传递函数来描述 这样的系统称为相 似系统 3 传递函数可以是有量纲的 也可以是无量纲的 4 传递函数是复变量s的有理分式 传递函数多项式分子中s的阶数m 小于分母中s的阶数n 即m n 传递函数分母多项式中s的最高幂 数代表了系统的阶数 如s的最高幂数为n则该系统为n阶系统 解 解 系统微分方程为 此方程经Laplace变换后得传递函数为 K为齿轮传动比 也就是齿轮传动副的放大系数或增益 2 4 2 4 2 4 2 4 典型环节的传递函数典型环节的传递函数典型环节的传递函数典型环节的传递函数 1 比例环节1 比例环节 微分方程 微分方程 o tKxtx i 传递函数传递函数 KsG K X s i X s o 例1 例1 图示为齿轮传动副 xi xo分别为输入 输出轴的转速 z1 z2为齿轮齿数 求系统传递函数 K z z sX sX sG i o 2 1 齿轮传动副 21 zxzx oi 2 惯性环节2 惯性环节 微分方程 微分方程 传递函数 传递函数 式中 T为时间常数 K为惯性环节的增益 ioo KxxxT 1 Ts K sX sX sG i o 例2例2 图示为质量 阻尼 弹簧环节 求略去质量 m 影响时 系统的传递 函数 质量 阻尼 弹簧环节 解 解 系统微分方程为 此方程经Laplace变换后得传递函数为 T为惯性环节的时间常数 ioo kxkxxc 1 1 Tskcs k sX sX sG i o 3 微分环节3 微分环节 微分方程 传递函数 式中T为微分时间常数 4 积分环节4 积分环节 微分方程 传递函数 式中T为积分时间常数 txTtx io Ts X s o X s i Ts sX sX sG i 0 dttx T tx io 1 TssX sX sG i o 1 X s o X s i Ts 1 5 振荡环节5 振荡环节 微分方程 传递函数 式中为无阻尼固有频率 为阻尼比 2 2 txtxtxTtxT iooo 例3例3 图示为质量 阻尼 弹簧环节 求系统的传递函数 质量 阻尼 弹簧环节 22 2 22 212 1 nn n ssTssT sG n 解 解 其运动方程为 取拉氏变换得 其传递函数为 写成标准形式 两式比较得 2 2 oi oo xxk dt dx c dt xd m 2 skXskXscsXSXms iooo kcsmssX sX sG i o 2 1 22 2 2 nn n ss sG m k n mk c 2 例4例4 如图所示为电感L 电阻R与电容C的串 并联线路 ui为输入 uo 为输出 求系统传递函数 解 解 电路的动力学方程为 将后两式代入前一式 得 oLi uiLu dti C Riu CRo 1 CRL iii oooi uu R L uLCu 其传递函数为 或 式中 22 2 2 nn n ss sG LC n 1 1 1 2 s R L LCs sU sU sG i o C L R2 1 6 延时环节6 延时环节 延时环节是输出滞后输入时间 但不失真地反映输入的环节 其微分方程为 式中 为延迟时间 传递函数 txtx io s i s i i i i o e sX esX txL txL txL txL sG 8种典型环节的传递函数如下 8种典型环节的传递函数如下 1 比例环节 2 理想微分环节 3 一阶微分环节 4 二阶微分环节 5 积分环节 6 惯性环节 7 振荡环节 8 延迟环节 KsG TssG 1 sTsG 10 12 22 pp sTsTsG s sG 1 1 1 Ts sG s esG 22 2 2 nn n ss sG 2 5 2 5 2 5 2 5 系统的方框图及其联接系统的方框图及其联接系统的方框图及其联接系统的方框图及其联接 2 5 1 环节的基本联系方式2 5 1 环节的基本联系方式 1 串联1 串联 Xi s X s Xo s G1 S G2 S Xi s X o s G1 S G2 S 21 sGsG sX sX sX sX sX sX sG i o i o n i i sGsG 1 系统的传递函数是各串联环节的传递函数之积 等效为等效为 2 并联2 并联 G1 s G2 s G s G1 s G2 s Xi s Xi s X1 s Xo s Xo s X2 s 21 sX sXsX sX sX sG i o 21 21 sGsG sX sX sX sX ii n i i sGsG 1 系统的传递函数是各并联环节的传递函数之和 3 反馈联接3 反馈联接 G s H s sHsG sG s m1 Xi s Xi s Xo s Xo s B s E s sE sX sG o 1 前向通道传递函数 sX sB sH o 2 反馈回路传递函数 sE sB sHsGsGk 3 开环传递函数 4 闭环传递函数 1 1 sHsG sG sE sB sE sX sBsE sX sX sX sG o o i o B m m m 5 单位反馈 当H s 1时 则此闭环系统为单位反馈系统 6 负反馈与正反馈 负反馈 反馈信号减弱输入信号 使误差信号减小 正反馈 反馈信号加强输入信号 使误差信号增大 s X o s Xi G s 1 sG sG sX sX sG i o m 1 sG sG sG 1 sG sG sG 7 干扰作用下的闭环系统 1 在输入量Xi s 的作用下可把干扰量N s 看作为零 系统的输出为 XR s 则 2 在干扰量N s 作用下 可把输入量Xi s 看作为零 系统的输出为 XN s 则 3 系统总的输出量 负反馈能有效的抑制被反馈回路所包围的干扰 s Xi s H s Xo G s 2 G s 1 N s 1 21 21 sX sHsGsG sGsG sXsGsX iiRR 1 21 2 sN sHsGsG sG sNsGsX NN 1 1 21 2 sNsXsG sHsGsG sG sXsXsX iNRo 若 1 21 sHsGsG sNsX N 2 5 2 方框图的变换与简化2 5 2 方框图的变换与简化 1 1 1 1 分支点分支点分支点分支点 1 X 2 X sG sG 1 13 XX 2 X 1 X sG 13 XX 后移 sG sG 1 X 2 X 23 XX sG 2X 1X 23XX 分支点 前移 2 相加点2 相加点 X1 X2 X3 G s X1 X2 G s X3 G s 后移 X2 X3 X1 G s X2 G s X3 X1 G s 1 前移 3 梅逊公式3 梅逊公式 若系统的传递函数方框图同时满足以下两个条件 若系统的传递函数方框图同时满足以下两个条件 1 整个方框图只有一条前向通道 1 整个方框图只有一条前向通道 2 各局部反馈回路间存在公共的传递函数方框 2 各局部反馈回路间存在公共的传递函数方框 括号内每一项的符号是这样决定的 在相加点处 对反馈信号为 相加时取负号 对反馈信号为相减时取正号 括号内每一项的符号是这样决定的 在相加点处 对反馈信号为 相加时取负号 对反馈信号为相减时取正号 1 递函数之积每一反馈回路的开环传 积前向通道的传递函数之 sX sX sG i o B 4 方框图的简化步骤4 方框图的简化步骤 若方框图中仅有多个无交叉回路 则按照先里后外的原则 逐个简 化 直至简化成一个方框的形式 若方框图中有交叉的连接 用如下的 方法 1 若系统的传递函数方框图同时满足以下两个条件 可以运用梅逊公 式化简 条件1 整个系统方框图中只有一条前向通道 条件2 各局部反馈回路间存在公共的传递函数方框 2 若系统的传递函数方框图不同时满足以上两个条件 则可通过相加 点 分支点的前后移动等法则 将系统传递函数方框图化为同时满 足以上两个条件的形式 然后应用梅逊公式即可 3 若系统的传递函数方框图不同时满足以上两个条件 可通过相加 点 分支点的前后移动等法则 将交叉消除 简化成无交叉的多回 路形式 然后由里到外进行变换直至变换成一个单一回路或一个方 框的形式 最后写出系统的传递函数 例化简下图的方框图例化简下图的方框图 分析特点 1 反馈与相加 2 两反馈交错 交联 简化方法 1 分支点前移 使A B 可移动一个支路 也可移两个支路 2 分支点后移 使B A 目的 变环路交联为相套或串联 Xi s X s o G1 H1 G3G2 H2 A B B s s Xi s G1 H1 G2 H2 X s o G3 A B B s s G3 G3 G2 G2G3H2 G1 1 Xi s H1 X s o G3 A B s s G3 G2