控制工程基础课件1

1、11/11/20211第二章 数学模型一、控制系统的运动微分方程五、非线性数学模型的线性化二、拉氏变换和拉氏反变换三、传递函数四、系统方框图和信号流图六、控制系统传递函数推导举例七、小结、数学模型的基本概念第二章 数学模型11/11/20212 学习目的学习目的1. 了解建立系统数学模型的一般步骤了解建立系统数学模型的一般步骤2. 掌握拉氏变换和反变换方法掌握拉氏变换和反变换方法3. 掌握建立系统数学模型的各种方法（包括时域、掌握建立系统数学模型的各种方法（包括时域、复数域；解析式、图示式）复数域；解析式、图示式）4. 了解非线性数学模型线性化的方法了解非线性数学模型线性化的方法 5. 熟悉各

2、种不同物理属性控制系统数学模型的建立熟悉各种不同物理属性控制系统数学模型的建立过程过程 内容提要内容提要本章主要阐述控制系统数学模型的基本概念、时域本章主要阐述控制系统数学模型的基本概念、时域模型模型运动微分方程和复数域模型运动微分方程和复数域模型传递函数传递函数的建立、数学模型的图示法的建立、数学模型的图示法方框图和信号流图方框图和信号流图的建立步骤与方法，介绍拉氏变换与拉氏反变换的建立步骤与方法，介绍拉氏变换与拉氏反变换 重重 点点传递函数概念的建立、典型环节和控制系统传递函传递函数概念的建立、典型环节和控制系统传递函数的推导数的推导 难难 点点实际物理系统，特别是机械系统传递函数的推导实

3、际物理系统，特别是机械系统传递函数的推导 11/11/20213、数学模型的基本概念l 数学模型数学模型 数学模型是描述系统输入、输出量以及内部各变量之间关系的数学表达式，它揭示了系统结构及其参数与其性能之间的内在关系。 静态数学模型静态数学模型：静态条件（变量各阶导数为零）下描述变量之间关系的代数方程。 动态数学模型动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程。 第二章 数学模型 11/11/20214l 建立数学模型的方法建立数学模型的方法 解析法 实验法 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。人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用

4、适当的数学模型进行逼近。这种方法也称为系统辨识。数学模型应能反映系统内在的本质特征，同时数学模型应能反映系统内在的本质特征，同时应对模型的简洁性和精确性进行折衷考虑。应对模型的简洁性和精确性进行折衷考虑。第二章 数学模型11/11/20215l 数学模型的形式数学模型的形式 时间域：微分方程（一阶微分方程组）、差 分方程、状态方程 复数域：传递函数、结构图 频率域：频率特性 第二章 数学模型系统数学模型有多种形式，这取决于变量和系统数学模型有多种形式，这取决于变量和坐标系统的选择。坐标系统的选择。11/11/20216一、控制系统的运动微分方程l 建立数学模型的一般步骤建立数学模型的一般步骤

5、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； 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； 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； 标准化：右端输入，左端输出，导数降幂排第二章 数学模型11/11/2021711/11/20218l 控制系统微分方程的列写控制系统微分方程的列写 机械系统机械系统中以各种形式出现的物理现象，都可简化为质量、弹簧和阻尼三个要素： 质量mfm(t)参考点x (t)v (t)()()(22txdtdmtvdtdmtfm第二章 数学模型11/11/20

6、219 弹簧KfK(t)fK(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)ttKdttvKdttvtvKtKxtxtxKtf)()()()()()()(2121第二章 数学模型11/11/202110 阻尼dttdxBdttdxdttdxBtBvtvtvBtfC)()()()()()()(2121BfC(t)fC(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)第二章 数学模型11/11/202111q 机械平移系统)()()()()()()()(22txdtdBtftKxtftxdtdmtftftfoBoKoKBimmfi(t)KBxo(t)fi(t)xo(t)00fm(t)fK(t)机械平移系

7、统及其力学模型fB(t)静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响第二章 数学模型11/11/202112)()()()(22tftKxtxdtdBtxdtdmiooo式中，m、B、K通常均为常数，故机械平移系统可以由二阶常系数微分方程描述。第二章 数学模型显然，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。 11/11/202113q 弹簧阻尼系统xo(t)0fi(t)KB弹簧-阻尼系统系统运动方程为一阶常系数微分方程。 )()()(tftKxtxdtdBioo)()()(tftftfKBi第二章 数学模型11/11/202114q 机械旋转系统

8、Ki(t)o(t)00TK(t)TC(t)B粘性液体齿轮JJ 旋转体转动惯量；K 扭转刚度系数；B 粘性阻尼系数柔性轴第二章 数学模型11/11/202115)()()()()()()()(22tTtTtdtdJtdtdBtTttKtTBKooBoiK)()()()(22tKtKtdtdBtdtdJiooo第二章 数学模型11/11/202116 电气系统 电阻)()(tRitu电气系统三个基本元件：电阻、电容和电感。Ri(t)u(t)第二章 数学模型11/11/202117 电容dttiCtu)(1)(Ci(t)u(t) 电感dttdiLtu)()(Li(t)u(t)第二章 数学模型11/1

9、1/202118dttiCtudttiCtidtdLtRituoi)(1)()(1)()()(q R-L-C无源电路网络第二章 数学模型LRCui(t)uo(t)i(t)R-L-C无源电路网络11/11/202119一般R、L、C均为常数，上式为二阶常系数微分方程。 )()()()(22tututudtdRCtudtdLCiooo若L=0，则系统简化为：)()()(tututudtdRCioo第二章 数学模型11/11/202120)()(0)(21titituaq 有源电网络+CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)adttduCRtuoi)()()()(tudttduRCio即：第二章

10、 数学模型11/11/202121 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（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； 第二章 数学模型11/11/202122 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

11、及其参数。 第二章 数学模型11/11/202123 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； q 线性系统线性是指系统满足叠加原理，即：)()()(2121xfxfxxf 可加性：)()(xfxf 齐次性：)()()(2121xfxfxxf或：第二章 数学模型11/11/202124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。q 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。 第二章 数学模型11/

12、11/202125 液体系统节流阀节流阀qi(t)qo(t)H(t)液位系统设液体不可压缩，通过节流阀的液流是湍流。 )()()()()(tHtqtqtqdttdHAooiA：箱体截面积；第二章 数学模型11/11/202126)()()(tqtHtHdtdAi上式为非线性微分方程，即此液位控制系统为非线性系统。 ：由节流阀通流面积和通流口的结构形式决定的系数，通流面积不变时，为常数。第二章 数学模型11/11/202127q 线性系统微分方程的一般形式 式中，a1，a2，an和b0，b1，bm为由系统结构参数决定的实常数，mn。 )()()()()()()()(111101111txbtxd

13、tdbtxdtdbtxdtdbtxatxdtdatxdtdatxdtdimimimmimmonononnonn第二章 数学模型11/11/2021282.3 拉氏变换与反变换 机电控制工程所涉及的数学问题较多，经常要解算一些线性微分方程。如果用拉普拉斯变换，可将经典数学中的微积分运算转化为代数运算，又能够单独地表明初始条件的影响，并有变换表可查找，因而是一种较为简便的工程数学方法。 能够把描述系统运动状态的微分方程很方便的转换为系统的，并由此发展出分析和设计控制系统的工程方法。11/11/20212911/11/202130三、拉氏变换和拉氏反变换l 拉氏变换拉氏变换 设函数f(t) (t0)

14、在任一有限区间上分段连续，且存在一正实常数，使得：0)(limtfett则函数f(t)的拉普拉斯变换存在，并定义为：式中：s=+j（，均为实数）；0)()()(dtetftfLsFst第二章 数学模型11/11/2021310dtest称为拉普拉斯积分；F(s)称为函数f(t)的拉普拉斯变换或象函数，它是一个复变函数；f(t)称为F(s)的原函数；L为拉氏变换的符号。l 拉氏反变换拉氏反变换 0,)(21)()(1tdsesFjsFLtfjjstL1为拉氏反变换的符号。第二章 数学模型11/11/202132l 几种典型函数的拉氏变换几种典型函数的拉氏变换 q 单位阶跃函数1(t) 10tf(

15、t)单位阶跃函数0100)( 1ttt)0)(Re(101 )(1)(10ssesdtettLstst第二章 数学模型11/11/202133q 指数函数atetf)(（a为常数）指数函数0tf(t)1)0)(Re(,1 0)(0asasdtedteeeLtasstatat第二章 数学模型11/11/202134q 正弦函数与余弦函数 正弦及余弦函数10tf(t)f(t)=sintf(t)=cost-10sinsindtettLst0coscosdtettLst由欧拉公式，有： tjtjtjtjeeteejt21cos21sin第二章 数学模型11/11/2021350)Re(112121si

16、n2200ssjsjsjdteedteejtLsttjsttj从而：22cossstL同理：第二章 数学模型11/11/202136q 单位脉冲函数(t) 0tf(t)单位脉冲函数1)0(1lim)0(0)(0tttt且)1 (1lim1lim)(000sstesdtetL)()1 (lim)1 (1lim00seesss由洛必达法则：1lim)(0setL所以：第二章 数学模型11/11/202137q 单位速度函数（斜坡函数） 10tf(t)单位速度函数1000)(ttttf0)Re(1)(2000ssdtsesetdttetfLststst第二章 数学模型11/11/202138q 单位

17、加速度函数02100)(2ttttf0)Re(121)(302ssdtettfLst单位加速度函数0tf(t)函数的拉氏变换及反变换通常可以由拉氏变换表直接或通过一定的转换得到。 第二章 数学模型11/11/202139l 拉氏变换积分下限的说明拉氏变换积分下限的说明 在某些情况下，函数f(t)在t0处有一个脉冲函数。这时必须明确拉氏变换的积分下限是0还是0+，并相应记为：0)()(dtetftfLst000)()()()(dtetftfLdtetftfLstst第二章 数学模型11/11/202140l 拉氏变换的主要定理拉氏变换的主要定理 叠加定理 q 齐次性：Laf(t)=aLf(t)，

18、a为常数；q 叠加性：Laf1(t)+bf2(t)=aLf1(t)+bLf2(t) a，b为常数；显然，拉氏变换为线性变换。第二章 数学模型11/11/202141 实微分定理 0)()0(),0()()(ttfffssFdttdfL00)(0)()(dtsedttdfsetfdtetfststst证明证明：由于dttdfLssfsF)(1)0()(即：第二章 数学模型11/11/202142)0()()(fssFdttdfL所以：)0()0()0()()()0()0()()()1(21222nnnnnnffsfssFsdttfdLfsfsFsdttfdL同样有：式中，f (0)，f (0)，

19、为函数f(t)的各阶导数在t=0时的值。第二章 数学模型11/11/202143)()()()()()(222sFsdttfdLsFsdttfdLssFdttdfLnnn当f(t)及其各阶导数在t=0时刻的值均为零时（零初始条件）：第二章 数学模型11/11/202144当f(t)在t=0处具有间断点时，df(t)/dt在t=0处将包含一个脉冲函数。故若f(0+) f(0)，则：)0()()()0()()(fssFdttdfLfssFdttdfL第二章 数学模型11/11/202145 复微分定理 ), 3, 2, 1()() 1()()()()()(222ntftLsFdsdtftLsFds

20、dttfLsFdsdnnnn若Lf(t)=F(s)，则除了F(s)的极点之外，有：第二章 数学模型11/11/202146 积分定理 0)()0(,)0()()()1()1(tdttffsfssFdttfL)(1)(sFsdttfL当初始条件为零时：若f(0+) f(0)，则：sfssFdttfLsfssFdttfL)0()()()0()()()1()1(第二章 数学模型11/11/202147证明证明：0)()(dtedttfdttfLst00)()(dtsetfsedttfststssFsf)()0()1(0)(10)(1dtetfstdttfsst第二章 数学模型11/11/202148

21、)(1)(sFsdttfLnn)0(1)0(1)(1)()1()1(1nnnnfsfssFsdttfL同样：当初始条件为零时：第二章 数学模型11/11/202149 延迟定理 )()(sFetfLs设当t0时，f(t)=0，则对任意0，有：函数 f(t-)0tf(t)f(t)f(t-)第二章 数学模型11/11/202150 位移定理 )()(asFtfeLat例：2222cossinsstLstL2222)()(cos)(sinasasteLasteLatat第二章 数学模型11/11/202151 初值定理 证明证明：)(lim)0()(lim0ssFftfst初值定理建立了函数f(t)

22、在t=0+处的初值与函数sF(s)在s趋于无穷远处的终值间的关系。 0)0()(lim)(lim)(lim0fssFdtedttdfdttdfLsstss)(lim)0(ssFfs即：第二章 数学模型11/11/202152 终值定理 )(lim)()(lim0ssFftfst若sF(s)的所有极点位于左半s平面， 即：)(limtft存在。则：第二章 数学模型证明证明：)0()(lim)0()(lim)(lim000fssFfssFdttdfLsss11/11/202153终值定理说明f(t)稳定值与sF(s)在s=0时的初值相同。)(lim)(0ssFfs第二章 数学模型)0()()()(

23、lim)(lim0000ffdtdttdfdtedttdfdttdfLstss又由于：)0()(lim)0()(0fssFffs即：11/11/202154 卷积定理 )()()()(sGsFtgtfLttdtgfdgtftgtf00)()()()()(*)(若t p=1 -12 0 25 126p = 1 -12 0 25 126第二章 数学模型11/11/202178用num和den分别表示F(s)的分子和分母多项式，即：num = b0 b1 bm den = a0 a1 anMATLAB提供函数residue用于实现部分分式展开，其句法为：r, p, k = residue(num,

24、den)其中，r, p分别为展开后的留数及极点构成的列向量、k为余项多项式行向量。第二章 数学模型11/11/202179若无重极点，MATLAB展开后的一般形式为：)()()()2() 1 () 1 () 1 ()(sKnpsnrpsrpsrsF若存在q重极点p(j)，展开式将包括下列各项：qjpsqjrjpsjrjpsjr)()1()()1()()(2第二章 数学模型11/11/202180例例：求的部分分式展开。2450351026523911)(234234sssssssssF num=1 11 39 52 26; den=1 10 35 50 24; r,p,k=residue(nu

25、m,den)r = 1.0000 2.5000 -3.0000 0.5000p = -4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000k = 1展开式为：115 . 02335 . 241)(sssssF第二章 数学模型11/11/202181例例：求的部分分式展开。27956510)(23425ssssssssF num=1 0 0 10 5 6; den=1 5 9 7 2; r,p,k=residue(num,den)r = -4.0000 20.0000 -20.0000 10.0000p = -2.0000 -1.0000 -1.0000 -1.0000k = 1 -5展

26、开式为：5) 1(10) 1(2012024)(32ssssssF第二章 数学模型11/11/202182num, den = residue(r, p, k)函数 residue 也可用于将部分分式合并，其句法为： r = 1 2 3 4; p = -1 -2 -3 -4; k = 0; num, den = residue(r, p, k)num = 10 70 150 96den = 1 10 35 50 24例例：24503510961507010)(23423ssssssssF第二章 数学模型11/11/202183l 应用拉氏变换解线性微分方程应用拉氏变换解线性微分方程 求解步骤q

27、 将微分方程通过拉氏变换变为 s 的代数方 程； q 解代数方程，得到有关变量的拉氏变换表 达式；q 应用拉氏反变换，得到微分方程的时域解。 第二章 数学模型11/11/202184原函数（微分方程的解）象函数微分方程象函数的代数方程拉氏反变换拉氏变换解代数方程拉氏变换法求解线性微分方程的过程第二章 数学模型11/11/202185 实例)()(6)(5)(22txtxdttdxdttxdiooo设系统微分方程为：若xi (t) =1(t)，初始条件分别为xo(0)、xo(0)，试求xo(t)。解解：对微分方程左边进行拉氏变换： )0()0()()(222ooooxsxsXsdttxdL第二章

28、 数学模型11/11/202186)0()0()5()()65()(6)(5)(222ooooooxxssXsstxdttdxdttxdL即：)0(5)(5)(5oooxssXdttdxL)(6)(6sXtxLoo第二章 数学模型11/11/202187stLsXtxLii1)( 1)()(323265)0()0()5()65(1)(2132122sBsBsAsAsAssxxsssssXooo对方程右边进行拉氏变换：sxxssXssooo1)0()0()5()()65(2从而：第二章 数学模型11/11/20218861065121sssA212) 3(12sssA313)2(13sssA)0

29、()0(323)0()0()5(1ooooxxssxxsB)0()0(232)0()0()5(2ooooxxssxxsB第二章 数学模型11/11/202189) 0( ) 0() 0(2) 0() 0(3 312161)(3232texxexxeetxtootootto)0312161)(32teetxtto3)0()0(22)0()0(333122161)(sxxsxxssssXooooo所以：查拉氏变换表得：当初始条件为零时：第二章 数学模型零状态响应零输入响应11/11/202190q 应用拉氏变换法求解微分方程时，由于初始 条件已自动地包含在微分方程的拉氏变换式 中，因此，不需要根据

30、初始条件求积分常数 的值就可得到微分方程的全解。 q 如果所有的初始条件为零，微分方程的拉氏 变换可以简单地用sn代替dn/dtn得到。 由上述实例可见：第二章 数学模型q 系统响应可分为两部分：零状态响应和零输 入响应 11/11/202191作业：2-3（2, 4, 6, 10, 16） 2-4 (2, 3) 11/11/202192四、传递函数l 传递函数的概念和定义传递函数的概念和定义 传递函数 第二章 数学模型在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。 零初始条件：q t0时，输入量及其各阶导数均为0；q 输入量施加于系统之前，系统处于稳定的工

31、作状态，即t 0 时，输出量及其各阶导数也 均为0；11/11/202193第二章 数学模型 传递函数求解示例 q 质量-弹簧-阻尼系统的传递函数 22( )( )( )( )oooiddmx tBx tKx tf tdtdt2( )( )( )( )oooims XsBsXsKXsF s2( )1( )( )oiXsG sF smsBsK所有初始条件均为零时，其拉氏变换为：按照定义，系统的传递函数为：11/11/202194第二章 数学模型q R-L-C无源电路网络的传递函数 )()()()(22tututudtdRCtudtdLCiooo)()()()(2sUsUsRCsUsULCsioo

32、o11)()()(2RCsLCssUsUsGio所有初始条件均为零时，其拉氏变换为：11/11/202195第二章 数学模型q 几点结论 传递函数是复数s域中的系统数学模型， 其参数仅取决于系统本身的结构及参数， 与系统的输入形式无关。 若输入给定，则系统输出特性完全由传递函 数G(s) 决定，即传递函数表征了系统内在的 固有动态特性。 传递函数通过系统输入量与输出量之间的关 系来描述系统的固有特性。即以系统外部的 输入输出特性来描述系统的内部特性。 11/11/202196第二章 数学模型 传递函数的一般形式)()()()()()()()()(111101111mntxbtxdtdbtxdt

33、dbtxdtdbtxatxdtdatxdtdatxdtdimimimmimmonononnonn)()()()(11101110mnasasasabsbsbsbsXsXsGnnnnmmmmio考虑线性定常系统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：11/11/202197第二章 数学模型mmmmbsbsbsbsM1110)(1011( )nnnnD sa sa sasa令：( )( )( )( )( )oiXsM sG sX sD s则：D(s)=0称为系统的特征方程，其根称为系统的特征根。特征方程决定着系统的动态特性。D(s)中s的最高阶次等于系统的阶次。l 特征方

34、程、零点和极点特征方程、零点和极点 特征方程11/11/202198第二章 数学模型式中，K称为系统的放大系数或增益。当s=0时： G(0)=bm/an=K从微分方程的角度看，此时相当于所有的导数项都为零。因此K 反应了系统处于静态时，输出与输入的比值。 11/11/202199第二章 数学模型 零点和极点 )()()()()()()(210210nmiopspspsazszszsbsXsXsG将G(s)写成下面的形式： N(s)=a0(s-p1)(s-p2)(s-pn)=0的根s=pj (j=1, 2, , n)，称为传递函数的极点；式中，M(s)=b0(s-z1)(s-z2)(s-zm)=

35、0的根s=zi (i=1, 2, , m)，称为传递函数的零点；系统传递函数的极点就是系统的特征根。零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。11/11/2021100第二章 数学模型 零、极点分布图 将传递函数的零、极点表示在复平面上的图形称为传递函数的零、极点分布图。图中，零点用“O”表示，极点用“”表示。 G(s)=S+2(s+3)(s2+2s+2)的零极点分布图0 12312-1-2-3-1-2j11/11/2021101第二章 数学模型l 传递函数的几点说明传递函数的几点说明 传递函数是一种以系统参数表示的线性定常 系统输入量与输出量之间的关系式；传递函 数的概念通常只适用于线性定常

36、系统； 传递函数是 s 的复变函数。传递函数中的各 项系数和相应微分方程中的各项系数对应相 等，完全取决于系统结构参数； 11/11/2021102第二章 数学模型 传递函数是在零初始条件下定义的，即在零 时刻之前，系统对所给定的平衡工作点处于 相对静止状态。因此，传递函数原则上不能 反映系统在非零初始条件下的全部运动规律； 传递函数只能表示系统输入与输出的关系， 无法描述系统内部中间变量的变化情况。 一个传递函数只能表示一个输入对一个输出 的关系，只适合于单输入单输出系统的描述。 11/11/2021103第二章 数学模型l 典型环节及其传递函数典型环节及其传递函数 环节 具有某种确定信息传

37、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。 任何复杂的系统总可归结为由一些典型环节所组成。 11/11/2021104第二章 数学模型 环节的分类 )()()()()()()(210210nmiopspspsazszszsbsXsXsG假设系统有b个实零点，c 对复零点，d 个实极点，e对复极点和v个零极点，由线性系统传递函数的零、极点表达式：可见：b+2c = m v+d+2e = n11/11/2021105第二章 数学模型iiiiiisszs1),1(1jjjjjjTsTTsps1),1(1对于实零点zi=i和实极点pj=j ，其因式可以变换成如下形式：

38、11/11/2021106第二章 数学模型) 12(12)()(2222221ssssjsjszszs对于复零点对z=+j和z+1= j ，其因式可以变换成如下形式：2222,1式中，11/11/2021107第二章 数学模型对于复极点对pk=k+jk和pk+1=k jk ，其因式可以变换成如下形式：) 12(1 2 )()(2222221sTsTTssjsjspspskkkkkkkkkkkkk2222,1kkkkkkkT式中，11/11/2021108第二章 数学模型ekkkkdjjvcbiisTsTsTssssKsG12211221) 12() 1() 12() 1()(于是，系统的传递函

39、数可以写成：ekkdjjcbiiTTabK1211210011式中，为系统放大倍数。11/11/2021109第二章 数学模型121,11,1, 12, 1,2222TssTTsssssK由上式可见，传递函数表达式包含六种不同的因子，即：一般，任何线性系统都可以看作是由上述六种因子表示的典型环节的串联组合。上述六种典型环节分别称为：11/11/2021110第二章 数学模型比例环节：K一阶微分环节：s+11222ss二阶微分环节：s1积分环节：11Ts惯性环节：12122TssT振荡环节：11/11/2021111第二章 数学模型)()(sXesXiso实际系统中还存在纯时间延迟现象，输出完全

40、复现输入，但延迟了时间，即xo(t)=xi(t-)，此时：sesG)(或：se因此，除了上述六种典型环节外，还有一类典型环节延迟环节 。11/11/2021112第二章 数学模型 典型环节示例 q 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)xo(t)、xi(t)分别为环节的输出和输入量；K比例系数，等于输出量与输入量之比。11/11/2021113第二章 数学模型KsXsXsGio)()()(比例环节的传递函数为：z1z2ni(t)no(t)齿轮传动副R2R1ui(t)uo(t)运算放大器KzzsNsNsGio21)()()(KRRsUs

41、UsGio12)()()(11/11/2021114第二章 数学模型q 惯性环节 )()()(tKxtxtxdtdTioo1)()()(TsKsXsXsGio凡运动方程为一阶微分方程：形式的环节称为惯性环节。其传递函数为： T时间常数，表征环节的惯性，和 环节结构参数有关式中，K环节增益（放大系数）；11/11/2021115第二章 数学模型( )( )( )ooidx tBKx tKx tdt1( ),1KBG sTBsKTsK如：弹簧-阻尼器环节xi(t)xo(t)弹簧-阻尼器组成的环节KB11/11/2021116第二章 数学模型q 微分环节 输出量正比于输入量的微分。dttdxtxio

42、)()(运动方程为：ssXsXsGio)()()(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。11/11/2021117第二章 数学模型dttdKtuito)()(sKssUsGtio)()()(如：测速发电机uo(t) i (t)测 速 发 电 机式中， Kt为电机常数。 无负载时：11/11/2021118第二章 数学模型RCui(t)uo(t)i(t)无源微分网络无源微分网络 RtituRtidttiCtuoi)()()()(1)(RCTTsTsRCsRCssG,11)(显然，无源微分网络包括有惯性环节和微分环节，称之为惯性微分环节，只有当

43、|Ts|1时，才近似为微分环节。 11/11/2021119第二章 数学模型) 1()()()(sKsXsXsGio除了上述纯微分环节外，还有一类一阶微分环节，其传递函数为：微分环节的输出是输入的导数，即输出反映了输入信号的变化趋势，从而给系统以有关输入变化趋势的预告。因此，微分环节常用来改善控制系统的动态性能。11/11/2021120第二章 数学模型q 积分环节 输出量正比于输入量对时间的积分。 tiodttxTtx0)(1)(运动方程为：TssXsXsGio1)()()(传递函数为：式中，T积分环节的时间常数。11/11/2021121第二章 数学模型AtTAdtTtxto11)(0积分

44、环节特点： 输出量取决于输入量对时间的积累过程。 且具有记忆功能； 具有明显的滞后作用。积分环节常用来改善系统的稳态性能。如当输入量为常值 A 时，由于：输出量须经过时间T才能达到输入量在t = 0时的值A。11/11/2021122第二章 数学模型如：有源积分网络 +CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)a)()(tudttduRCioRCTTsRCssG,11)(11/11/2021123第二章 数学模型液压缸 Aqi(t)xo(t)dttqAtxio)(1)(AssQsXsGio1)()()(11/11/2021124第二章 数学模型q 振荡环节 含有两个独立的储能元件，且所存储的

45、能量能够相互转换，从而导致输出带有振荡的性质，运动方程为： 10),()()(2)(222tKxtxtxdtdTtxdtdTiooo12)()()(22TssTKsXsXsGio传递函数：11/11/2021125第二章 数学模型式中，T振荡环节的时间常数 阻尼比，对于振荡环节，01 K比例系数TsssGnnnn1,2)(222振荡环节传递函数的另一常用标准形式为（K=1）：n称为无阻尼固有频率。11/11/2021126第二章 数学模型)()()()(22tftKxtxdtdCtxdtdmiooo12/11)(222TssTKKCsmssG如：质量-弹簧-阻尼系统传递函数：mKCKmT2,式

46、中，mkC2当时，为振荡环节。11/11/2021127第二章 数学模型q 二阶微分环节 式中，时间常数 阻尼比，对于二阶微分环节，01 K比例系数 10,)()(2)()(222txtxdtdtxdtdKtxiiio运动方程：12)(22ssKsG传递函数：11/11/2021128第二章 数学模型q 延迟环节 惯性环节从输入开始时刻起就已有输出，仅 由于惯性，输出要滞后一段时间才接近所要 求的输出值；)()(txtxio运动方程：sesG)(传递函数：式中，为纯延迟时间。 延迟环节从输入开始之初，在0 时间内, 没有输出，但t=之后，输出完全等于输入。延迟环节与惯性环节的区别：11/11/

47、2021129第二章 数学模型ALvhi(t)ho(t)轧制钢板厚度测量vLththio)()(11/11/2021130第二章 数学模型 小结 q 环节是根据微分方程划分的，不是具体的 物理装置或元件；q 一个环节往往由几个元件之间的运动特性 共同组成；q 同一元件在不同系统中作用不同，输入输 出的物理量不同，可起到不同环节的作用。 11/11/2021131第二章 数学模型五、系统方框图和信号流图l 系统方框图系统方框图 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。注意：即使描述系统的数学关系式相同，其方框图也不一

48、定相同。11/11/2021132第二章 数学模型 方框图的结构要素 q 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。X(s), x(t)信号线11/11/2021133第二章 数学模型q 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。 引出线X(s)X(s)X(s)X(s)X(s)X(s)11/11/2021134第二章 数学模型q 函数方框(环节) G(s)X1(s)X2(s)函数方框函数方框具有运算功能，即： X2(s)=G(s)X1(s) 传递函数的图解表示。11/11/2021135第二章

49、数学模型q 求和点（比较点、综合点）信号之间代数加减运算的图解。用符号“ ”及相应的信号箭头表示，每个箭头前方的“+”或“-”表示加上此信号或减去此信号。 相邻求和点可以互换、合并、分解，即满足代数运算的交换律、结合律和分配律。 X1(s)X2(s)X1(s)X2(s) 11/11/2021136第二章 数学模型ABA-BCA-B+CA+C-BBCAA+CABA-B+CCA-B+C求和点可以有多个输入，但输出是唯一的。 11/11/2021137第二章 数学模型R1Cs1求和点函数方框函数方框引出线Ui(s)U(s)I(s)Uo(s)方框图示例任何系统都可以由信号线、函数方框、信号引出点及求和

50、点组成的方框图来表示。 11/11/2021138第二章 数学模型 系统方框图的建立 q 步骤 建立系统各元部件的微分方程,明确信号 的因果关系（输入/输出）。 对上述微分方程进行拉氏变换，绘制各部 件的方框图。 按照信号在系统中的传递、变换过程，依 次将各部件的方框图连接起来，得到系统 的方框图。 11/11/2021139第二章 数学模型q 示例 RCui(t)uo(t)i(t)无源RC电路网络 无源RC网络 )()()(tututRioidttiCtuo)(1)()(1)()()()(sICssUsUsUsRIooi拉氏变换得：)(1)()()(1)(sICssUsUsURsIooi11

51、/11/2021140第二章 数学模型从而可得系统各方框单元及其方框图。 R1Ui(s)Ui-UoI(s)Uo(s)()(1)(sUsURsIoi(a)Cs1Uo(s)I(s)(1)(sICssUo(b)11/11/2021141第二章 数学模型R1Cs1Ui(s)U(s)I(s)Uo(s)无源RC电路网络系统方框图11/11/2021142 机械系统 第二章 数学模型m1fi(t)K1C x(t)0m2K2xo(t)0m1fi(t)m2fK1fK2fm1fm2fC11/11/2021143第二章 数学模型)()()()(11tftftftxmKCi )()()(11txtxKtfoKdttd

52、xdttdxCtfoC)()()()()()()(212tftftftxmKCKo )()(22txKtfoKm1fi(t)m2fK1fK2fm1fm2fCx(t)0 xo(t)011/11/2021144第二章 数学模型)()()()()(1)()()()()()()()()()(1)(22212122111sXKsFsFsFsFsmsXsXsXCssFsXsXKsFsFsFsFsmsXoKKCKooCoKKCi11/11/2021145第二章 数学模型211smFi(s)X(s)FC(s)FK1(s)(a)()()(1)(121sFsFsFsmsXKCiK1X(s)Xo(s)FK1(s)C

53、sFC(s)(b)()()(11sXsXKsFoK)()()(sXsXCssFoC11/11/2021146第二章 数学模型221smXo(s)FC(s)FK2(s)FK1(s) (c)()()(1)(2122sFsFsFsmsXKCKoK2Xo(s)FK2(s)(d)()(22sXKsFoK11/11/2021147第二章 数学模型211smFi(s)X(s)FC(s)FK1(s)221smXo(s)FK2(s) K1Xo(s)FK1(s)CsFC(s)K2机械系统方框图11/11/2021148第二章 数学模型 系统方框图的简化 q 方框图的运算法则 串联连接 G1(s)G2(s)Gn(s

54、)Xi(s)X1(s)X2(s)Xn-1(s)Xo(s).G(s)=G1(s) G2(s) Gn(s)Xi(s)Xo(s)11/11/2021149第二章 数学模型 并联连接 Xo(s)G1(s)+Xi(s)G2(s)+Gn(s).Xi(s)Xo(s)G1(s)+ G2(s)+ + Gn(s)11/11/2021150第二章 数学模型 反馈连接 G(s)H(s)Xi(s)Xo(s) B(s)E(s)()()()()()()()()(sXsHsBsBsXsEsEsGsXoio)()(1)()()()(sHsGsGsXsXsioXi(s)Xo(s)()(1)(sHsGsG11/11/2021151

55、第二章 数学模型q 方框图的等效变换法则 求和点的移动 G(s)ABC求和点后移G(s)ABC求和点前移G(s)ABCG(s)G(s)ABC)(1sG11/11/2021152第二章 数学模型 引出点的移动 引出点前移G(s)ACC引出点后移G(s)ACAG(s)ACG(s)CG(s)AC)(1sGA11/11/2021153第二章 数学模型q 由方框图求系统传递函数 基本思路：利用等效变换法则，移动求和点和引出点，消去交叉回路，变换成可以运算的简单回路。 11/11/2021154第二章 数学模型例：求下图所示系统的传递函数。H1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2

56、(s)BH2(s)A11/11/2021155第二章 数学模型H1(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2(s)Xo(s)H2(s)G3(s)解解：1、A点前移；11/11/2021156第二章 数学模型2、消去H2(s)G3(s)反馈回路2232( )1( )( )( )G sG s G s H sH1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)11/11/2021157第二章 数学模型)()()()()()()()()()(1)()()(3321232121321sHsGsGsGsHsGsGsHsGsGsGsGsGXi(s)Xo(s)()()()()()(1)()

57、()(232121321sHsGsGsHsGsGsGsGsGH3(s)Xi(s)Xo(s)3、消去H1(s) 反馈回路4、消去H3(s) 反馈回路11/11/2021158第二章 数学模型2-8 按信息传递和转换过程，绘出图示两机械系统的方框图。K1B2xom输出K2abfi(t)输入KB1xiB2xom输入输出作业：28、210、21111/11/20211592-10 绘出图示无源电网络的方框图，并求各自的传递函数。R1C1C2R2uiuob)C1R1R2uo(t)ui(t)C2d)11/11/20211602-11 基于方框图简化法则，求图示系统的闭环传递函数。Xi(s)G1G2G3H2

58、H1G4Xo(s)a)11/11/2021161第二章 数学模型l 系统信号流图和梅逊公式系统信号流图和梅逊公式 信号流图起源于梅逊（S. J. MASON）利用图示法来描述一个和一组线性代数方程，是由节点和支路组成的一种信号传递网络。 信号流图及其术语 q 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。节点用“”表示。11/11/2021162第二章 数学模型q 支路 连接两个节点的定向线段，用支路增益（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。例：542534423312gxcxdxxbxxfxaxxexxxx1x2x3x4x5x51

59、eafbdc1g11/11/2021163第二章 数学模型q 输入节点（源节点） 只有输出的节点，代表系统的输入变量。q 输出节点（阱节点、汇点） 只有输入的节点，代表系统的输出变量。 源节点汇点x1x2x3x4x5x51eafbdc1g11/11/2021164第二章 数学模型q 混合节点 既有输入又有输出的节点。若从混合节点引出一条具有单位增益的支路，可将混合节点变为输出节点。x1x2x3x4x5x51eafbdc1g11/11/2021165第二章 数学模型q 通路 沿支路箭头方向穿过各相连支路的路径。 q 前向通路 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。前向通路上各

60、支路增益之乘积，称前向通路总增益，一般用pk表示。x1x2x3x4x5x51eafbdc1g11/11/2021166第二章 数学模型q 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。回路中所有支路增益之乘积称为回路增益，用La表示。 x1x2x3x4x5x51eafbdc1gq 不接触回路 相互间没有任何公共节点的回路。 11/11/2021167第二章 数学模型 信号流图的绘制 由系统微分方程绘制信号流图根据微分方程绘制信号流图的步骤与绘制方框图的步骤类似。 由系统方框图绘制信号流图两种方法：11/11/2021168第二章 数学模型例1：根据微分方程绘制信号流图R1R2C1C2