控制系统的微分方程

1、上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程 上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制

2、理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part 2.1Part 2.1数学模型的定义数学模型的定义数学模型是指出系统内部物理量（或变量）之间动态关系的数学表达式。揭示系统结构、参数与性能特性的内在联系。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程 建立系统的数学模型，是分析和设计控制系统的首要工作（或基础工作）。 自控系统的组成可以是电气的、机械的、液压或气动的等等，然而描述这些

3、系统发展的模型却可以是相同的。因此，通过数学模型来研究自动控制系统，可以摆脱各种不同类型系统的外部特征，研究其内在的共性运动规律。建立数学模型的目的：建立数学模型的目的：上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程建立数学模型的方法：建立数学模型的方法：（本课程研究） 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。(系统辨识课研究) 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

4、型进行逼近。这种方法也称为上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程常用数学模型常用数学模型时间域：时间域： 微分方程复数域：复数域： 传递函数频率域：频率域： 频率特性上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part2.1.1 微分方程的一般特征微分方程的

5、一般特征上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part2.1.2 建立系统微分方程的一般步骤建立系统微分方程的一般步骤 简化物理系统 划分环节 写出每或一环节(元件) 运动方程式 消去中间变量 写成标准形式上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程简化物理

6、系统简化物理系统简忽略次要因素分布参量集中化非线性因素线性化时变参量定常化上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程分析系统的工作原理和系统中各变量间的关系，确定待研究元件或系统的输入量和输出量(必要时还要考虑扰动量)，并根据需要引进一些中间变量。划分环节划分环节 按功能（测量、放大、执行）划分上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控

7、制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程写出每或一环节写出每或一环节( (元件元件) ) 运动方程式运动方程式从输入端入手（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。负载效应上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程写成标准形式写成标准形式微分方程的标准化包含两方面的内容：将与输入量

8、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-1-1110110-1-1nnmmnnmmnnmmd ydydyd xdxdxaaaa ybbbb xdtdtdtdtdtdt上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part2.1.3 理想元件的微分方程描述理想元件的微分方程描述 电气系统三元件电气系统三元件电学：欧姆定理、基尔霍夫定律。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院S

9、chool of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程机械运动系统的三要素机械运动系统的三要素机械运动的实质： 牛顿定理、能量守恒定理阻尼 质量 弹簧 上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part 2.1.4 机械系统的微分方程机械系统的微分方程 机械系统中部件的运动有直线和转动两种。机械系统中以各种形式出现的物理现象，都

10、可简化为质量、弹簧和阻尼三个要素。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程机械平移系统机械平移系统1 1）微分方程的系数取决于系统的结构参数）微分方程的系数取决于系统的结构参数2 2）阶次等于独立储能元件的数量）阶次等于独立储能元件的数量！静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基

11、础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engi

12、neering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程机械旋转系统机械旋转系统上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程例例2.1：直线运动（机械平移系统） 2oooi2ddmx (t)Cx (t)Kx (t)f (t)dtdt上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章

13、第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程例例2.2：转动系统转动系统 0020220002( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )KicKciTtKttdT tCtdtdJtTtT tdtddJtCtKtKtdtdt上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part 2.1.5 电气系统的微分方程电气系统的微分方程电气系统分析主要根据基尔霍夫电流定律和电压定律（克希霍夫电流

14、电压定律）写出微分方程式，进而建立系统的数学模型。1）基尔霍夫电流定律：汇聚到某节点的所有电流之代数和应等于0（即流出节点的电流之和等于所有流进节点的电流之和）。2）基尔霍夫电压定律电网络的闭合回路中电势的代数和等于沿回路的电压降的代数和。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程电气系统上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论

15、基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程例例2.3： uC 为输出电压， ur为输入电压， 写出电气系 统的微分方程。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part2.1.6 机电系统的微分方程机电系统的微分方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系

16、统的微分方程控制系统的微分方程Part 2.2 Part 2.2 ：用线性微分方程描述的系统。线性定常系统：用线性微分方程描述，微分方程的系数 是常数。)(tFkydtdyf )()(tFytkdtdyf 线性时变系统：用线性微分方程描述，微分方程的系数 是随时间而变化的。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程线性系统的线性系统的重要性质重要性质: 2. 叠加性，即： 如果输入r1(t)输出y1(t)， 输入r2(t)输出

17、y2(t) 则输入r1(t)+r2(t) 输出 y1(t)+y2(t) 如果输入r1(t)输出y1(t)， 则输入a r1(t输出a y1(t)上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程)()(.)()()()(.)()(0111101111trbtrbtrdtdbtrdtdbtyatydtdatydtdatydtdammmmmmnnnnnn线形系统的一般形式线形系统的一般形式上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工

18、程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程Part 2.4Part 2.4 非线性数学模型线性化非线性数学模型线性化 非线性系统：非线性系统：)(2tFykydtdyf如：带铁芯的电感线圈、机械系统中的高速阻尼器，阻尼力与速度的平方成反比等。用非线性微分方程描述。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程有条

19、件存在，只在一定的工作范围内具有线性特性；非线性系统的分析和综合是非常复杂的。可以应用叠加原理，以及应用线性理论对系统进行分析和设计。线性系统缺点：线性系统缺点：线性系统优点：线性系统优点：线性化定义线性化定义 将一些非线性方程在一定的工作范围内用近似的线性方程来代替，使之成为线性定常微分方程。上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程线性化方法线性化方法 以微小偏差法为基础，运动方程中各变量就不是它们的绝对值，而是它们对平衡工作点的偏差。假设：假设： 在控制系统整个调节过程中，所有变量与稳态值之间只会产生足够微小的偏差。非线性方程 局部线性增量方程上海工程技术大学机械工程学院上海工程技术大学机械工程学院School of Mechanical Engineering控制理论基础控制理论基础第二章第二章 控制系统的微分方程控制系统的微分方程控制系统的微分方程增量方程增量方程增量方程的数学含义增量方程的数学含义： 将参考坐标的原