自动控制原理-第二章-控制系统的数学模型课件

第一节第一节 基本概念基本概念一、控制系统数学模型的定义一、控制系统数学模型的定义 描述系统输入与输出动态关系的数学表达式。二、建立控制系统数学模型的意义二、建立控制系统数学模型的意义 数学模型是进行控制系统性能分析的前提条件。三、建立控制系统数学模型的方法三、建立控制系统数学模型的方法 1、理论建模*2、试验建模 3、系统辨识四、控制系统数学模型的几种形式四、控制系统数学模型的几种形式 1、微分方程 2、传递函数*3、频率特性*第一节 基本概念1第二节第二节 微分方程的建立微分方程的建立一、微分方程的建立1、无源电网络模型实例2、机械位移实例3、机械旋转实例4、直流电动机系统实例二、非线性模型的线性化1、线性模型的特征齐次性和叠加性2、非线性模型线性化问题的提出理论研究和工程应用的需要3、线性化的基本方法静态工作点附近线性化（级数展开）4、液位系统线性化模型求取应用实例三、控制系统数学模型特征1、微分方程的阶数等于整个系统中蓄能元件的个数；2、同一个系统，选择不同输入或输出信号，微分方程的形式则不同；3、数学模型存在的共性是系统性能仿真研究的理论依据。课后练习一第二节 微分方程的建立一、微分方程的建立课后练习一2无源电网络模型实例n 解题步骤及求取过程解题步骤及求取过程确定图示无源的网络的输入确定图示无源的网络的输入ur(t)和输出和输出uc(t)；依据回路电压定律，设置中间变量回路电流依据回路电压定律，设置中间变量回路电流i(t)，从输入到输出建立原，从输入到输出建立原始微分方程组；始微分方程组；代入消元，获仅含输入输出变量的线性连续微分方程。代入消元，获仅含输入输出变量的线性连续微分方程。消除中间变量消除中间变量i(t)i(t)，化微分方程为规范结构形式，化微分方程为规范结构形式无源电网络模型实例 解题步骤及求取过程 消除中间变量3机械位移实例n 解题依据解题依据运动学定律：运动学定律：作用力作用力=反作用力反作用力 ;F=m a。n 求取过程求取过程 输入外力F(t)；输出质量模块m的位移y(t)。机械位移实例 解题依据 4机械旋转实例n 解题依据解题依据 运动学定律：运动学定律：作用力矩作用力矩=反作用力矩反作用力矩 ;M=J an 求取过程求取过程 输入动力矩输入动力矩Mf；输出物体旋转角度；输出物体旋转角度或角速度或角速度。机械旋转实例 解题依据5直流电动机系统实例n 解题依据解题依据基尔霍夫定律；基尔霍夫定律；运动学定律；运动学定律；直流发电机相关定律。直流发电机相关定律。n 求取过程求取过程电网络平衡方程电网络平衡方程电动势平衡方程电动势平衡方程机械平衡方程机械平衡方程转矩平衡方程转矩平衡方程 （空载（空载Ml=0）直流电动机系统实例 解题依据6液位系统线性化模型求取应用实例n 求取过程求取过程确定系统的输入和输出确定系统的输入和输出建立原始方程组建立原始方程组非线性模型线性化非线性模型线性化系统微分方程的求取系统微分方程的求取液位系统线性化模型求取应用实例 求取过程7课后练习一n 习题习题1 建立图示电网络输入电压和输建立图示电网络输入电压和输出电压之间的微分方程。出电压之间的微分方程。n 习题习题2 建立图示初箱输入流量和末建立图示初箱输入流量和末箱水位之间的微分方程。（两个箱水位之间的微分方程。（两个水箱的横截面积分别为水箱的横截面积分别为C1和和C2）课后练习一 习题18第三节第三节 传递函数传递函数n 问题的提出,拉氏变换n 传递函数的定义及表示形式零初始条件下输出象函数与输入象函数的比值。有理真分式多项式输出响应象函数为：n 传递函数的特征及性质n 传递函数的求取方法第三节 传递函数 问题的提出,拉氏变换9设函数f(t)的定义域为，若积分 对于s在某一范围内的值收敛,则此积分函数F(s)称为f(t)的拉氏变换(或称为f(t)的象函数，函数f(t)称为F(s)的原函数，以上公式简称为拉氏变换式，用记号Lf(t)表示，即 就确定了s的函数,记作 拉氏变换设函数f(t)的定义域为，若积分 对于s在某一范围内的值10典型函数的拉氏变换 典型函数的拉氏变换 11拉氏变换性质性质1(1(线性性质线性性质)若a1,a2为常数，设 关于原函数导数的拉氏变换 则性质性质2(2(微分性质微分性质)设 则：此性质可推广到n阶导数,特别是当各阶导数初值为 时，有 拉氏变换性质1(线性性质)若a1,a2为常数，设 关于原函数12关于象原函数积分的拉氏变换.（n为自然数，p0）性质性质3(3(积分性质积分性质)性质性质4(4(平移性质平移性质)设 则 设 则 拉氏变换关于象原函数积分的拉氏变换.（n为自然数，p0）性质313性质性质5(5(延滞性质延滞性质)性质性质6(6(象函数的相似性质象函数的相似性质)设 则 设 则 性质性质7(7(初值定理初值定理)设 且f(t)连续可导，则或拉氏变换性质5(延滞性质)性质6(象函数的相似性质)设 则 设 14性质性质8 8（终值（终值定理定理）设 则 拉氏变换性质8（终值定理）设 则 拉氏变换15三、线性系统微分方程的解三、线性系统微分方程的解式中式中 p(t)微分方程的微分方程的特解特解 h(t)微分方程对应的齐次方程的解（微分方程对应的齐次方程的解（通解通解）2、采用、采用拉氏变换法拉氏变换法求出微分方程的解为求出微分方程的解为：式中式中 1(t)微分方程的零初始条件解（或零状态解）微分方程的零初始条件解（或零状态解）2(t)微分方程的零输入解（或自由响应）微分方程的零输入解（或自由响应）在控制理论中，通常将微分方程的解区分为在控制理论中，通常将微分方程的解区分为稳态解稳态解和和暂态解暂态解，实际上，实际上稳态解与暂态解之和稳态解与暂态解之和与前述两种方法求出的解相同。与前述两种方法求出的解相同。稳稳态态解解是是微微分分方方程程的的解解中中不不随随时时间间变变化化的的部部分分，而而暂暂态态解解则则是是微微分分方方程程的的解解中中随随时时间间变变化化的的部部分分。对对稳稳态态解解的的分分析析可可以以确确定定系系统统的的稳稳态态特特性性，对对暂暂态解态解的分析则可以确定系统的的分析则可以确定系统的暂态性能暂态性能。式中式中 p(t)微分方程的微分方程的特解特解 h(t)微分方程对应的齐次方程的解（微分方程对应的齐次方程的解（通解通解）2、采用、采用拉氏变换法拉氏变换法求出微分方程的解为求出微分方程的解为：式中式中 p(t)微分方程的微分方程的特解特解 h(t)微分方程对应的齐次方程的解（微分方程对应的齐次方程的解（通解通解）2、采用、采用拉氏变换法拉氏变换法求出微分方程的解为求出微分方程的解为：式中式中 p(t)微分方程的微分方程的特解特解 h(t)微分方程对应的齐次方程的解（微分方程对应的齐次方程的解（通解通解）2、采用、采用拉氏变换法拉氏变换法求出微分方程的解为求出微分方程的解为：1、采用、采用经典方法经典方法求出微分方程的解为求出微分方程的解为：三、线性系统微分方程的解式中 p(t)微分方程的16例2.5 设线性微分方程为式中式中,u（t）为单位阶跃函数）为单位阶跃函数,初始条件为初始条件为y(0)=-1,y(0)=2,试求该微分方程的解试求该微分方程的解求解结果为求解结果为:例2.5 设线性微分方程为式中,u（t）为单位阶跃函数,17传递函数的特征及性质1、传递函数表征了系统对输入信号的传递能力，是系统的、传递函数表征了系统对输入信号的传递能力，是系统的 固有特性，与输入信号类型及大小无关。固有特性，与输入信号类型及大小无关。2、传递函数只适用于线性连续定常系统。、传递函数只适用于线性连续定常系统。3、传递函数仅描述系统的输入、传递函数仅描述系统的输入/输出特性。不同的物理系统输出特性。不同的物理系统可以有相同的传递函数。同一系统中，不同物理量之间对可以有相同的传递函数。同一系统中，不同物理量之间对应的传递函数也不相同。应的传递函数也不相同。4、初始条件为零时，系统单位脉冲响应的拉氏变换为系统、初始条件为零时，系统单位脉冲响应的拉氏变换为系统的传递函数。的传递函数。5、实际系统中有、实际系统中有nm，n称为系统的阶数；称为系统的阶数；6、传递函数是系统性能分析的最简形式之一。、传递函数是系统性能分析的最简形式之一。传递函数的特征及性质1、传递函数表征了系统对输入信号的传递能18传递函数的求取方法及应用举例方法一：依据系统微分方程求确定输入方法一：依据系统微分方程求确定输入/输出间的传递函输出间的传递函数数方法二：方法二：依据原始方程组代入消元求传递函数依据原始方程组代入消元求传递函数方法三：方法三：电网络系统可利用复阻抗的直接求取传递函数电网络系统可利用复阻抗的直接求取传递函数方法四方法四:依据系统的输入输出信号求传递函数依据系统的输入输出信号求传递函数传递函数的求取方法及应用举例方法一：依据系统微分方程求确定输19方法二举例方法二举例解题过程：解题过程：方法二举例解题过程：注意：20方法三举例解题过程：解题过程：应用复阻抗概念和分压定理使应用复阻抗概念和分压定理使电网络传递函数的求取过程大大简化！电网络传递函数的求取过程大大简化！方法三举例解题过程：应用复阻抗概念和分压定理21方法四举例方法四举例系统单位阶跃输入及零初始条件下的输出响应为：系统单位阶跃输入及零初始条件下的输出响应为：求传递函数。求传递函数。方法四举例22第四节第四节 动态结构图（方框图）动态结构图（方框图）n 方框图的组成方框图的组成信号线信号线方框方框引出点引出点和点和点n 方框图的特点方框图的特点系统结构直观明了，且具有明确的物理意义和数量关系，是定量分析系统结构直观明了，且具有明确的物理意义和数量关系，是定量分析系统性能最直观的图形表示方法；系统性能最直观的图形表示方法；简化复杂系统传递函数的求取过程；简化复杂系统传递函数的求取过程；便于在不同输入或输出情况下全面分析系统性能；便于在不同输入或输出情况下全面分析系统性能；便于进行控制系统的设计与改造。便于进行控制系统的设计与改造。n 方框图的绘制方框图的绘制第四节 动态结构图（方框图）方框图的组成23方框图的绘制方框图的绘制n绘制依据：基于系统物理模型对应的原始方程组绘制依据：基于系统物理模型对应的原始方程组的象函数表达式，或基于电网络的复阻抗表示形的象函数表达式，或基于电网络的复阻抗表示形式。式。n绘制思路：从系统的输入到输出，按信号的传递绘制思路：从系统的输入到输出，按信号的传递方向和形式以及传递强度，分别用信号线、方框、方向和形式以及传递强度，分别用信号线、方框、和点或引出点依次表示成图形的形式。和点或引出点依次表示成图形的形式。n 应用举例：应用举例：双容水箱双容水箱无源网络无源网络课后练习二方框图的绘制绘制依据：基于系统物理模型对应的原始方程组的象函24双容水箱原始模型原始模型双容水箱原始模型25无源网络无源网络无源网络依据复阻抗概念直接绘制无源网络依据复阻抗概念直接绘制:无源网络无源网络依据复阻抗概念直接绘制:26课后练习二n习题习题1绘制图示电网络的方框图。绘制图示电网络的方框图。求输出电压与输入电压之间的传递函求输出电压与输入电压之间的传递函数。数。n习题习题2 绘制图示液位系统的方框图。绘制图示液位系统的方框图。求初级水箱入口流量与末级水箱水位求初级水箱入口流量与末级水箱水位之间的传递函数。之间的传递函数。课后练习二习题127第五节第五节 方框图等效变换求传递函数方框图等效变换求传递函数n方框图的等效变换法则方框图的等效变换法则基本变换法则基本变换法则n串联串联n并联并联n反馈连接反馈连接移动变换法则移动变换法则n和点互换和点互换n引出点互换引出点互换n和点与方框的互换和点与方框的互换n引出点和方框的互换引出点和方框的互换n等效变换应用举例等效变换应用举例 变换准则：变换准则：变换前后变换部分的所有外部信变换前后变换部分的所有外部信号等价！号等价！课后练习三课后练习三第五节 方框图等效变换求传递函数方框图的等效变换法则 28基本变换法则串联并联负反馈联结基本变换法则串联并联负反馈联结29移动变换法则n和点互换和点互换n引出点互换引出点互换移动变换法则和点互换30移动变换法则n和点与方框的互换和点与方框的互换(和点后移和点后移)n引出点和方框的互换引出点和方框的互换(引出点前移引出点前移)移动变换法则和点与方框的互换(和点后移)31应用举例1Solution:应用举例1Solution:32应用举例2Solution:应用举例2Solution:33应用举例3Solution:应用举例3Solution:34应用举例4XY 解开铰链为独立回路！方法：引出点往一起移动，和点往一起移动。应用举例4XY 解开铰链为独立回路！35应用举例5化整为零！方法：消除独立的串联、并联和反馈回路应用举例5化整为零！36课后练习三课后练习三37第六节第六节 信号流图和梅逊增益公式信号流图和梅逊增益公式n信号流图的组成信号流图的组成节点：表示信号。节点分为三种：源节点节点：表示信号。节点分为三种：源节点、汇节点和混合节点。、汇节点和混合节点。支路：信号传递的方向和大小。支路：信号传递的方向和大小。n信号流图与动态结构图（方框图）信号流图与动态结构图（方框图）对应关系：方框与支路；和点、引出点、信号线与节点。对应关系：方框与支路；和点、引出点、信号线与节点。由方框图绘制信号流图由方框图绘制信号流图由信号流图绘制方框图由信号流图绘制方框图n梅逊增益公式梅逊增益公式n利用梅逊增益公式求传递函数利用梅逊增益公式求传递函数第六节 信号流图和梅逊增益公式信号流图的组成38由方框图绘制信号流图由方框图绘制信号流图由方框图绘制信号流图39梅逊增益公式梅逊增益公式n基本术语基本术语 前向通路；前向通路增益；回路；回路增益；互不接触回路。n梅逊公式梅逊公式输入与输出之间的传递函数：特征式对应于第K条前向通路的余子式特征式前向通路条数第K条前向通路的增益梅逊增益公式基本术语特征式对应于第K条前向通路的余子式特征式40利用梅逊增益公式求传递函数利用梅逊增益公式求传递函数n基于信号流图n基于方框图利用梅逊增益公式求传递函数基于信号流图41局部应用梅逊公式，局部应用梅逊公式，简化求取过程！简化求取过程！局部应用梅逊公式，简化求取过程！42第七节第七节 控制系统的控制系统的 典型数学模型典型数学模型n 系统开环传递函数系统开环传递函数n给定输入下的闭环传递函数给定输入下的闭环传递函数n扰动输入下的闭环传递函数扰动输入下的闭环传递函数 n给定输入下的误差传递函数给定输入下的误差传递函数 n扰动输入作用下的误差传递函数扰动输入作用下的误差传递函数 n系统总输出响应象函数：系统总输出响应象函数：n系统总误差响应象函数：系统总误差响应象函数：n特征方程特征方程 求求取取举举例例第七节 控制系统的 典型数学模型 系统开环传43自动控制原理-第二章-控制系统的数学模型课件44第八节第八节 典型环节的传递函数典型环节的传递函数比例环节 延迟环节微分环节（理想和实际）积分环节一阶惯性环节 一阶微分环节二阶振荡环节 二阶微分环节课后练习四课后练习四第八节 典型环节的传递函数比例环节 45课后练习四课后练习四课后练习四46单元总结单元总结n主要内容n解题类型n单元测验单元总结主要内容47主要内容主要内容n数学模型的定义数学模型的定义n建立数学模型的意义建立数学模型的意义n数学模型的形式：数学模型的形式：微分方程、方框图、信号流图和传递函数。微分方程、方框图、信号流图和传递函数。n控制系统数学模型种类：控制系统数学模型种类：开环、确定输出开环、确定输出/输入的闭环、特征方程。输入的闭环、特征方程。n建立数学模型的方法：理论推导、等效变换和梅逊公式。建立数学模型的方法：理论推导、等效变换和梅逊公式。n在系统性能分析中，所需系统数学模型的常见种类：在系统性能分析中，所需系统数学模型的常见种类：开环传递函数：典型环节的乘积形式、零极点分布形式。开环传递函数：典型环节的乘积形式、零极点分布形式。闭环传递函数：给定输入下的闭环和扰动输入下的闭环。闭环传递函数：给定输入下的闭环和扰动输入下的闭环。误差传递函数：给定输入下的误差和扰动输入下的误差。误差传递函数：给定输入下的误差和扰动输入下的误差。特征方程。特征方程。主要内容48解题类型n基于物理模型求传递函数基于物理模型求传递函数（电网络、运动、液位）（电网络、运动、液位）n基于物理模型绘制方框图求传递函数基于物理模型绘制方框图求传递函数n基于定义（输入输出）求传递函数基于定义（输入输出）求传递函数n基于方框图求传递函数基于方框图求传递函数（等效变换、梅逊公式）（等效变换、梅逊公式）开环开环 确定输出确定输出/输入的闭环输入的闭环 特征方程特征方程u 等效变换和梅逊公式的局部应用u 开环传递函数、各种闭环传递函数、特征方程之间的关系u 传递函数和微分方程之间的转换关系解题类型基于物理模型求传递函数（电网络、运动、液位）等效49精品课件精品课件！精品课件！50精品课件精品课件！精品课件！51单元练习单元练习1、已知单位负反馈系统的开环传、已知单位负反馈系统的开环传递函数，求系统的单位脉冲响递函数，求系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。应和单位阶跃响应。2、试绘制下图所示无源网络方框图并求、试绘制下图所示无源网络方框图并求传递函数，其中传递函数，其中R1=R2=1，L=1H，C=1F。3、已知系统结构图如下，试、已知系统结构图如下，试求系统的传递函数：求系统的传递函数：123单元练习1、已知单位负反馈系统的开环传递函数，求系统的单位脉52