(第02讲)-第二章-控制系统的数学模型

06-7-20控制工程根底1第二讲第二章控制系统的动态数学模型数学模型与线性化06-7-20控制工程根底22.1根本环节数学模型的建立2.2数学模型的线性化2.3拉氏变换及反变换2.4传递函数以及典型环节的传递函数2.5系统函数方块图及其简化2.6系统信号流图及梅逊公式本章的主要内容06-7-20控制工程根底3

控制系统的数学模型：描述控制系统内部物理量(或变量)之间关系的数学表达式。可分为：

静态数学模型：在静态条件下〔即变量的各阶导数为零〕，描述变量之间关系的代数方程。

动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程。如输入量及变量的初始条件，对微分方程求解，就可以得到系统输出量的表达式，并由此对系统进行性能分析。06-7-20控制工程根底4建立控制系统的数学模型，并在此根底上对控制系统进行分析、综合，是机电控制工程的根本方法。系统数学模型既是分析系统的根底，又是综合设计系统的依据。古典控制理论采用的数学模型主要以传递函数(TransferFunction，TF)为根底。而现代控制理论采用的数学模型主要以状态空间(StateSpace，SS)为根底。而以物理定律及实验规律为依据的微分方程又是最根本的数学模型，是列写传递函数和状态空间方程的根底。06-7-20控制工程根底51分析法：对系统各局部的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理或化学规律分别列写响应的运动方程。如电学中的基尔霍夫定律，力学中的牛顿定律，热力学定律等。2实验法：人为地给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型去逼近。这种方法也称系统辨识。建立数学模型的方法：06-7-20控制工程根底6分析法建立系统数学模型的步骤：建立物理模型。列写原始方程。利用适当的物理定律—如牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律等。选定系统的输入量、输出量及状态变量〔仅在建立状态空间模型时要求〕，消去中间变量，建立适当的输入输出模型或状态空间模型。06-7-20控制工程根底7实验法－基于系统辨识的建模方法知识和辨识目的实验设计--选择实验条件模型阶次--适合于应用的适当的阶次参数估计--最小二乘法模型验证—将实际输出与模型的计算输出进行比较，系统模型需保证两个输出之间在选定意义上的接近。06-7-20控制工程根底82.1.1质量–弹簧–阻尼系统图2-2组合机床动力滑台及其数学模型2.1根本环节数学模型的建立机械系统分析中，通常使用三种理想化的要素：质量、弹簧和阻尼器，利用这三种要素可以方便地描述各种形式的机械系统〔P52)。06-7-20控制工程根底9根据牛顿第二定律:将输出变量写在等号左边，输入变量写在等号右边，阶次由高到低排列，得到：其中：M为受控质量；k为弹性刚度；D为粘性阻尼系数；为输出位移。

简单质量–弹簧–阻尼系统的数学模型就是如上式的二阶微分方程。在机械系统中，有些构件具有较大的惯性和刚度，有些构件那么惯性小、柔度较大。将前一类构件的弹性将之视为质量块，而把后一类构件的惯性将之视为无质量弹簧。这样受控对象的机械系统可抽象为质量–弹簧–阻尼系统。06-7-20控制工程根底10设汽车缓振系统〔P52图2-34)为车箱及架重，为车轮及轮轴重，缓振簧和和充气轮胎的刚度〔弹性系数〕分别为和，缓振器粘性阻尼系数为，以路面函数为输入，以车箱位移为输出，求和之间的运动方程。解：假设、、的原点位于系统静止时的位置的力平衡方程为：06-7-20控制工程根底11同理可得的力平衡方程为：为消除中间变量记为微分算子，那么上两式可写为：06-7-20控制工程根底12上述两式中消除中间变量即该式即为和之间的运动方程。06-7-20控制工程根底13

2.1.2电路网络

图2－3的无源电路网络，根据基尔霍夫定律和欧姆定律，有：经过整理，可得其数学模型为：06-7-20控制工程根底14运算放大器的同相端和反相端为虚地点：经过整理，可以得到其数学模型：图2－4的有源电路网络系统，为输入电压；为输出电压；为运算放大器的开环放大倍数。06-7-20控制工程根底152.1.3电枢控制式直流电动机电动机是机电系统中最常用最重要的执行元件。：电机电枢输入电压：电机输出转角：电枢绕组电阻：电枢绕组电感：流过电机绕组的电流：电机感应反电动势06-7-20控制工程根底16：电机转矩：电机及负载折合到电机轴上的转动惯量：电机及负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数根据基尔霍夫定律，电机电枢回路：根据磁场对载流线圈的作用定律（2-1）：电机力矩常数（2-2）根据电磁感应定律：电机反电势常数（2-3）06-7-20控制工程根底17当电机电枢电感较小时,通常可以忽略不计：当电机电枢电感、电阻均较小时,根据牛顿第二定律即转矩平衡方程：（2-4）将式（2-2)带入（2-4）得：（2-5）将式〔2-3)、〔2-5〕带入〔2-1〕并整理得：〔2-6〕（2-7）即电机转速与电机电枢电压成正比。（2-8）06-7-20控制工程根底18对于较复杂系统，列写微分方程的一般步骤：划分环节,确定输入输出信号，考虑对每个环节列写一个方程单输入、单输出系统的微分方程表示的数学模型的一般形式：

每个环节列写微分方程,并考虑适当简化、线性化。对各环节方程联列，消除中间变量,最后得到只含输入变量、输出变量及参量的系统方程式。其中：为输出变量，为输入变量（2-8）06-7-20控制工程根底19线性系统—用线性微分方程描述的系统。线性系统的性质—适用叠加原理，叠加原理的两重意义：1.具有可叠加性2.均匀性或齐次性叠加原理说明：1.两个外作用同时作用于系统所产生的总输出，等于各个外作用单独作用时分别产生的输出之和。06-7-20控制工程根底202.外作用的数值增大假设干倍时，其输出亦相应增大同样的倍数。因此，对线性系统进行分析和设计时，如果有几个外作用同时加于系统，那么可以将它们分别处理，依次求出各个外作用单独参加时系统的输出，然后将它们叠加。每个外作用在数值上可只取单位值，从而大大简化了线性系统的研究工作。06-7-20控制工程根底21

具有连续变化的非线性函数的线性化，可用切线法或小偏差法进行线性化处理。在一个小范围内，将非线性特性用一段直线来代替。

设非线性函数在x0处连续可微，那么可将它在该点附近用台劳〔Taylor)级数展开：设非线性函数，在其平衡状态工作点A，有当时，有非线性函数的线性化06-7-20控制工程根底22那么有为比例系数，即函数f(x)在x0点切线的斜率。令增量较小时略去其高次幂项，那么有：06-7-20控制工程根底23同样可在某工作点附近用台劳级数展开为：略去二级以上导数项，并令两个变量的非线性函数的线性化06-7-20控制工程根底24

输入力矩输出摆角单摆质量单摆摆长根据牛顿第二定律：将非线性项在附近用泰勒级数展开，当很小时，可忽略高次项，得到近似的线性化方程：例1单摆的微分方程数学模型的线性化：〔2-9〕〔2-10〕06-7-20控制工程根底25解：由于研究的区域为5≤x≤7、10≤y≤12，应选择工作点x0=6，y0=11。于是z0=x0y0=6×11=66。求在点x0=6，y0=11，z0=66附近非线性方程的线性化表达式。将非线性方程在点x0,y0,z0处展开成泰勒级数，并忽略其高阶项，那么有例2试把非线性方程z=xy在区域5≤x≤7、10≤y≤12上线性化。并求用线性化方程来计算当x=5，y=10时z值所产生的误差。06-7-20控制工程根底26z-66=11(x-6)+6(y-11)即：z=11x+6y-66当x=5,y=10时，z的精确值为：z=xy=5×10=50由线性化方程求得的z值为z=11x+6y-66=55+60-66=49因此，误差为50-49=1，表示成百分数因此，线性化方程式为：

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这种小偏差线性化方法对于控制系统大多数工作状态是可行的，在平衡点附近，偏差一般不会很大，都是“小偏差点”。

系统线性化过程中，需注意的地方：(1)