控制工程基础ppt课件第二章数学模型.ppt

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1、,2010年,控制工程基础(第二章）,二、控制系统的运动微分方程,三、非线性系统数学模型的线性化,四、拉氏变换和拉氏反变换,五、传递函数以及典型环节的传递函数,六、系统函数方框图和信号流图,七、控制系统传递函数推导举例,九、小结,一、系统数学模型的基本概念,第二章 控制系统的动态数学模型,八、系统数学模型的MATLAB实现,本章要熟悉下列内容：,第二章 控制系统的动态数学模型,建立基本环节（质量-弹簧-阻尼系统、电路网络和电机）的数学模型及模型的线性化,重要的分析工具：拉氏变换及反变换,经典控制理论的数学基础：传递函数,控制系统的图形表示：方块图及信号流图,建立实际机电系统的传递函数及方块图,

2、系统数学模型的MATLAB实现,建立控制系统的数学模型，并在此基础上对控制系统进行分析、综合，是机电控制工程的基本方法。如果将物理系统在信号传递过程中的动态特性用数学表达式描述出来，就得到了组成物理系统的数学模型。,经典控制理论采用的数学模型主要以传递函数为基础。而现代控制理论采用的数学模型主要以状态空间方程为基础。而以物理定律及实验规律为依据的微分方程又是最基本的数学模型，是列写传递函数和状态空间方程的基础。,一、数学模型的基本概念,系统的数学模型,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：静态条件（变量

3、各阶导数为零）下描述变量之间关系的代数方程。反映系统处于稳态时，系统状态有关属性变量之间关系的数学模型。,动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程。描述动态系统瞬态与过渡态特性的模型。也可定义为描述实际系统各物理量随时间演化的数学表达式。动态系统的输出信号不仅取决于同时刻的激励信号，而且与它过去的工作状态有关。微分方程或差分方程常用作动态数学模型。,对于给定的动态系统，数学模型表达不唯一。工程上常用的数学模型包括：微分方程，传递函数和状态方程。对于线性系统，它们之间是等价的。,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

4、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，同时应对模型的简洁性和精确性进行折衷考虑。,数学模型的形式,时间域：微分方程 差分方程 状态方程（一阶微分方程组）,复数域：传递函数 结构图,频率域：频率特性,机电控制系统的受控对象是机械系统。在机械系统中，有些构件具有较大的惯性和刚度，有些构件则惯性较小、柔度较大。在集中参数法中，我们将前一类构件的弹性忽略将其视为质量块，而把后一类构件的惯性忽略而视为无质量的弹簧。这样受控对象的机械系统可抽象为质量-弹簧-阻尼系统。,二、控制系统的运动微分方程,进给

5、传动装置示意图及等效力学模型,组合机床动力滑台及其力学模型,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,弹簧,对于弹簧，受力相同，变形量不同。,阻尼,机械平移系统,静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响,式中，m、D、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。,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。,弹簧阻尼系统,系统运动方程为一阶常系数微分方程。,机械旋转系统,电路系统,电阻,电路系统三个基本元件：电阻、电容和电感。,电容,电感,R-L-C无

6、源电路网络,一般R、L、C均为常数，上式为二阶常系数微分方程。,若L=0，则系统简化为：,有源电路网络,即：,电动机,电磁感应定律,基尔霍夫定律,牛顿第二定律,磁场对载流线圈作用的定律,为电枢控制式直流电动机的控制系统的动态数学模型。当电枢电感较小时，通常可忽略不计，系统微分方程可简化为,建立数学模型的一般步骤,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

7、排列,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。,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件（惯 性质量、弹性要素、电感、电容等）的个数；因为系统每增加一个独立储能元件，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及其参数，与系统的输入无关。,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

8、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；,线性系统,线性是指系统满足叠加原理，即：,可加性：,齐次性：,或：,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。,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。,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。,三、数学模型线性化,线性化问题的提出,线性化：在一定条件下作某种近似或缩小系统工作范围，将非线性微分方程近似为线性微分方程进行处理。,非线性现象：机械系

9、统中的高速阻尼器，阻 尼力与速度的平方有关；齿轮啮合系统由 于间隙的存在导致的非线性传输特性；具有 铁芯的电感，电流与电压的非线性关系等。,线性化的提出,线性系统是有条件存在的，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；,对于实际系统而言，在一定条件下，采用线 性化模型近似代替非线性模型进行处理，能 够满足实际需要。,非线性系统数学模型的线性化,泰勒级数展开法,函数y=f(x)在其平衡点（x0,y0）附近的泰勒级数展开式为：,略去含有高于一次的增量x=x-x0的项，则：,或：y-y0=y=Kx，其中：,上式即为非线性系统的线性化模型，称为增量方程。y0=f(x0

10、)称为系统的静态方程；由于反馈系统不允许出现大的偏差，因此，这种线性化方法对于闭环控制系统具有实际意义。,增量方程的数学含义就是将参考坐标的原点移到系统或元件的平衡工作点上，对于实际系统就是以正常工作状态为研究系统运动的起始点，这时，系统所有的初始条件均为零。,对多变量系统，如：y=f(x1,x2)，同样可采用泰勒级数展开获得线性化的增量方程。,增量方程：,静态方程：,其中：,滑动线性化切线法,线性化增量方程为：,y y=xtg,切线法是泰勒级数法的特例。,系统线性化微分方程的建立,步骤,确定系统各组成元件在平衡态的工作点；,列出各组成元件在工作点附近的增量方程；,消除中间变量，得到以增量表示

11、的线性化微 分方程；,在 点附近泰勒展开,实例：单摆运动线性化,解：根据牛顿第二定律：,将非线性项,实例：阀控液压缸,液压腔工作腔流动连续性方程为：,液压腔力平衡方程为：,线性化方法：假设变量相对于某一工作状态（平衡点）偏差很小。设系统的函数关系为,简写为。如果系统的工作平衡点为，则方程可以在 点附近台劳展开,如果 很小，可以忽略其高阶项，因,此上述方程可写成增量方程形式,其中，,线性化处理的注意事项,线性化方程的系数与平衡工作点的选择有关；,线性化是有条件的，必须注意线性化方程适 用的工作范围；,某些典型的本质非线性，如继电器特性、间隙、死区、摩擦等，由于存在不连续点，不能通过泰勒展开进行线

12、性化，只有当它们对系统影响很小时才能忽略不计，否则只能作为非线性问题处理。,设函数f(t)(t0)在任一有限区间上分段连续，且存在一正实常数，使得：,则函数f(t)的拉普拉氏变换存在，并定义为：,式中：s=+j（，均为实数）为复变数；,拉氏变换,四、拉氏变换和拉氏反变换,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。,拉氏反变换,L1为拉氏反变换的符号。,Laplace（拉普拉斯）变换是描述、分析连续、线性、时不变系统的重要工具！拉氏变换定义 拉氏变换可理解为广义单边傅立叶变换。傅氏变换建立了时域和频域

13、间的联系，而拉氏变换建立了时域和复频域间的联系。,简单函数的拉氏变换,单位阶跃函数1(t),指数函数,（a为常数）,正弦及余弦函数,由欧拉公式，有：,从而,同理,单位脉冲函数(t),由洛必达法则：,所以：,单位速度函数,单位加速度函数,幂函数,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。,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：,拉氏变换性质,叠加原理,齐次性：Laf(t)=aLf(t)，a为常数；,叠加性：Laf1(t)+bf2(t)=aLf1(t)+bLf2(t)a，b为常数；

14、,显然，拉氏变换为线性变换。,微分定理,式中，f(0)，f(0)，为函数f(t)的各阶导数在t=0时的值。,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）：,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：,复微分定理,若Lf(t)=F(s)，则除了F(s)的极点之外，有：,积分定理,当初始条件为零时,若f(0+)f(0)，则：,同样,当初始条件为零时,延时定理,设当t0时，f(t)=0，则对任意0，有：,衰减定理,例：,初值定理,终值定理,卷积定理,若t0时，f(t)g(t)0，则f(t)和g(t)的卷积可表示为,其中

15、，f(t)g(t)表示函数f(t)和g(t)的卷积。,的像函数,例：,部分分式法,如果f(t)的拉氏变换F(s)已分解成为下列分量：,F(s)=F1(s)+F2(s)+Fn(s),假定F1(s),F2(s),，Fn(s)的拉氏反变换可以容易地求出，则,L-1F(s)=L-1F1(s)+L-1F2(s)+L-1Fn(s),=f1(t)+f2(t)+fn(t),拉氏反变换,在控制理论中，通常,为了应用上述方法，将F(s)写成下面的形式,式中，p1，p2，pn为方程A(s)=0的根的负值，称为F(s)的极点；ci=bi/a0(i=0,1,m)。,此时，即可将F(s)展开成部分分式。,只含不同单极点的

16、情况,式中，Ai为常数，称为s=-pi极点处的留数。,于是,解：,即：,含共轭复数极点情况,方法1 假设F(s)含有一对共轭复数极点-p1、-p2，其余极点均为各不相同的实数极点，则,式中，A1和A2的值由下式求解：,上式为复数方程，令方程两端实部、虚部分别相等即可确定A1和A2的值。,方法2 此时F(s)仍可分解为下列形式：,由于p1、p2为共轭复数，因此，A1和A2的也为共轭复数。,解：,即,所以,解：,方法2例：,则,含多重极点情况,设F(s)存在r重极点-p0，其余极点均不同，则,式中，Ar+1，An利用前面的方法求解。,注意到：,所以：,解：,于是,借用拉氏变换解常系数线性微分方程,

17、求解步骤,将微分方程通过拉氏变换变为 s 的代数方 程；,解代数方程，得到有关变量的拉氏变换表 达式；,应用拉氏反变换，得到微分方程的时域解。,解：对微分方程左边进行拉氏变换,即：,对方程右边进行拉氏变换,从而,所以,当初始条件为零时：,状态响应,零输入响应,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，不需要根据初始条件求积分常数 的值就可得到微分方程的全解。,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：,五、传递函数以及典型环节的传递函数,传递函数的概念和定义,传递函数,在零初始条件下，线性定

18、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：,t0时，输入量及其各阶导数均为0；,输入量施加于系统之前，系统处于稳定的工作状态，即t 0 时，输出量及其各阶导数也均为0；,设线性定常系统的微分方程为,则零初始条件下，系统传递函数为,比微分方程简单，通过拉氏变换，实数域复杂的微积分运算已经转化为简单的代数运算；,它有以下特点：,输入典型信号时，其输出与传递函数有一定对应关系，当输入是单位脉冲函数时，输入的象函数为1，其输出象函数与传递函数相同；,令传递函数中的s=j，则系统可在频率域内分析（详见第四章）；,G（s）的零极点分布决定系统动态特性。,等效弹性刚度,等效复阻

19、抗,传递函数求解示例,质量-弹簧-阻尼系统的传递函数,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：,R-L-C无源电路网络的传递函数,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。,传递函数的一般形式,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：,令：,则：,D(s)=0

20、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。,特征方程、零点和极点,特征方程,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。,零点和极点,将G(s)写成下面的形式,D(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，N(s)=b0(s-z1)(s-z2)(s-zm)=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

21、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。,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。,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；,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，传递函数不反映系统 在非零初始条件下的全部运动规律；,传递函数只

22、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，适合于单输入单输出系统的描述。,脉冲响应函数,初始条件为0时，系统在单位脉冲输入作用下的输出响应的拉氏变换为,拉氏反变换,g(t)称为系统的脉冲响应函数（权函数）。,系统的脉冲响应函数与传递函数包含关于系统动态特性的相同信息。,注意到复数域相乘等同于时域内卷积，因此，由：,知线性系统在任意输入作用下，其时域输出,式中，当t 0时，g(t)=x(t)=0。,典型环节及其传递函数,环节,具有某种确定信息传递关系的元件、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

23、杂的系统总可归结为由一些典型环节所组成。,环节的分类,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=n,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：,对于复零点对z=+j和z+1=j，其因式可以变换成如下形式：,式中，,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：,式中，,于是，系统的传递函数可以写成：,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：

24、,比例环节：K,一阶微分环节：s+1,二阶微分环节：,积分环节：,惯性环节：,振荡环节：,实际系统中还存在纯时间延迟现象，输出完全复现输入，但延迟了时间，即xo(t)=xi(t-)，此时：,或：,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。,典型环节示例,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。,比例环节的传递函数为：,一阶惯性环节,凡运动方程为下面一阶微分方程,形式的环节称为一阶惯性环节。其传递函数为：,T时间常数，表征环节的惯性，和

25、 环节结构参数有关,式中，K环节增益（放大系数）；,如：弹簧-阻尼器环节,微分环节,输出量正比于输入量的微分。,运动方程为：,传递函数为：,式中，微分环节的时间常数,如：测速发电机,式中，Kt为电机常数。,无负载时,无源微分网络,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|Ts|1时，才近似为微分环节。,在物理系统中输入输出同量纲的微分环节很难独立存在，经常和其它环节一起出现。,除了上述微分环节外，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

26、态性能。,积分环节,输出量正比于输入量对时间的积分。,运动方程为：,传递函数为：,积分环节特点：,输出量取决于输入量对时间的积累过程。,具有明显的滞后作用。,积分环节常用来改善系统的稳态精度。,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。,如：有源积分网络,二阶振荡环节,含有两个独立的储能元件，且所存储的能量能够相互转换，从而导致输出带有振荡的性质，运动方程为：,传递函数：,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,振荡环节传递函数的另一常用标准形式为（K=1）：,n称为无阻尼固有角频率。,如：质量-弹簧-阻尼系统,传递函数：,式

27、中，,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；,运动方程：,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，输出等于之前时刻 的 输入。,延迟环节与惯性环节的区别：,小结,构造数学模型时，环节是根据微分方程划分的，往往不是具体的物理装置或元件；,一个环节往往由几个元件之间的运动特性 共同组成；,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。,六、方块图和信号流图,方块图,系统方框图是系统控制系统的动态数学模型的图解形式。可以形象直观地描述系统中各环节间的相互

28、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，其方框图也不一定相同。,方框图的结构要素,信号线,带有箭头的直线，箭头表示信号的传递方向，直线旁标记变量，即信号的时间函数或象函数。,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。,函数方块(环节),函数方块具有运算功能，即,X2(s)=G(s)X1(s),传递函数的图解表示。,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

29、足代数运算的交换律、结合律和分配律。,求和点可以有多个输入，但输出是唯一的。,任何系统都可以由信号线、函数方块、信号引出点及求和点组成的方框图来表示。,系统方框图的建立,步骤,建立系统各环节的微分方程,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。,示例,无源RC网络,拉氏变换得：,从而可得系统各方框单元及其方框图。,机械系统,方块图简化,方框图的运算法则,串联,并联,反馈,方块图变换法则,求和点的移动,求和点后移,求和点前移,引出点的移动,引出点前移,引出点后移,

30、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。,例：求下图所示系统的传递函数。,解：1、A点前移；,2、消去H2(s)G3(s)反馈回路,3、消去H1(s)反馈回路,4、消去H3(s)反馈回路,信号流图及梅逊公式,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,例：,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。,节点,表示变量或信号，其值等于所有进入该节点

31、的信号之和。节点用“”表示。,输入节点（源点）,只有输出的节点，代表系统的输入变量。,输出节点（阱点、汇点）,只有输入的节点，代表系统的输出变量。,源点,汇点,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。,通路,沿支路箭头方向穿过各相连支路的路径。,前向通路,从输入节点到输出节点通路上通过任何节点不多于一次的通路。前向通路上各支路增益之乘积，称前向通路总增益，一般用pk表示。,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。,不接触回路,相互间没有任何公共节点的回路。,信号流图的绘

32、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：,例1：根据微分方程绘制信号流图,取Ui(s)、I1(s)、UA(s)、I2(s)、Uo(s)作为信号流图的节点，其中，Ui(s)、Uo(s)分别为输入及输出节点。按上述方程绘制出各部分的信号流图，再综合后即得到系统的信号流图。,a),b),c),d),例2：根据方框图绘制信号流图,线与节点对应关系：,梅逊公式,式中，P 系统总传递函数,Pk 第k条前向通路的传递函数（通 路增益）,流图特征式,所有不同回路的传递函数之和；,每两个互不接触回路传递函数 乘积之和,每三个互不

33、接触回路传递函数 乘积之和,k 第k条前向通路特征式的余因子，即对于 流图的特征式，将与第k 条前向通路相 接触的回路传递函数代以零值，余下的 即为k。,例：用梅逊公式求系统传递函数,对于二阶RC电路网络，输入Ui(s)与输出Uo(s)之间只有一条前向通路，其传递函数为：,三个不同回路的传递函数分别为：,流图特征式为：,前向通路特征式的余因子为：,所以，,例：,控制系统的传递函数,Xi(s)到Xo(s)的信号传递通路称为前向通道；Xo(s)到B(s)的信号传递通路称为反馈通道；,闭环系统的开环传递函数,闭环系统的开环传递函数也可定义为反馈信号B(s)和偏差信号(s)之间的传递函数，即：,将闭环

34、控制系统主反馈通道的输出断开，即H(s)的输出通道断开，此时，前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积G1(s)G2(s)H(s)称为该闭环控制系统的开环传递函数。记为GK(s)。,xi(t)作用下系统的闭环传递函数,令n(t)=0，此时在输入xi(t)作用下系统的闭环传递函数为：,输入作用下系统的偏差传递函数,n(t)作用下系统的闭环传递函数,令xi(t)=0，此时在扰动n(t)作用下系统的闭环传递函数（干扰传递函数）为：,扰动作用下系统的偏差传递函数,令xi(t)=0，此时系统在扰动作用下的偏差传递函数（称扰动偏差传递函数）。,结论,系统的闭环传递函数、及 具有相同的特征多项式：1+G1(

35、s)G2(s)H(s)其中G1(s)G2(s)H(s)为系统的开环传递函数。闭环传递函数的极点相同。,系统的固有特性与输入、输出的形式、位置均无关；同一个外作用加在系统不同的位置上，系统的响应不同，但不会改变系统的固有特性；,系统的总输出,根据线性系统的叠加原理，系统在输入xi(t)及扰动n(t)共同作用下的总输出为：,上式表明，采用反馈控制的系统，适当选择元部件的结构参数，可以增强系统抑制干扰的能力。,七、控制系统传递函数推导举例,机械传动系统,电机驱动进给装置,如右图，丝杠螺母装置将电机的旋转运动转变为工作台的直线运动。,按等功原理，工作台等直线运动部件质量m的等效转动惯量为：,L 丝杠螺

36、距，即丝杠每转一周工作台移动的直线距离。,齿轮传动装置,假设齿轮传动中无功率损耗，且忽略齿轮转动惯量、啮合间隙与变形，则：,齿轮1：,齿轮2：,利用：,有：,式中：,等效折算到输入端的转动惯量,等效折算到输入端的粘性阻尼系数,即若K1、K2 分别为齿轮1 和2的扭转刚度系数，则齿轮1 一侧的等效刚度KI为：,当折合到主动轴上时，从动轴上的转动惯量和阻尼系数都要除以传动比的平方，负载转矩除以传动比。因此，减速传动时，相当于电动机带的负载变小了，也可以说电动机带负载的力矩增大了。反之，当折合到从动轴上时，主动轴上 的转动惯量和阻尼系数都要乘以传动比的 平方，输入转矩乘以传动比。,结论：,机床进给传

37、动链,m(t)为工作台位移xo(t)折算到I轴上的等效当量转角：,空载时，I轴转矩平衡方程为：,其中，i(t)为I轴输入转角；,，L为丝杠螺距,J、D、K分别为工作台及各轴折算到I轴上的等效总转动惯量、等效总粘性阻尼系数及等效总刚度系数。,根据上述关系，可求得系统微分方程为：,传递函数：,汽车悬挂系统,当汽车行驶时，轮胎的垂直位移作用于汽车悬挂系统上，系统的运动由质心的平移运动和围绕质心的旋转运动组成。,Matlab简介：1980年前后，美国moler博士构思并开发；最初的matlab版本是用fortran语言编写，现在的版本用c语言改写；1992年推出了具有重要意义的matlab 4.0版本

38、；并于1993年推出了其windows平台下的微机版，目前8.0版是比较新的版本。,八、系统数学模型的MATLAB实现,要分析系统，首先需要能够描述这个系统。例如用传递函数的形式描述系统,控制系统数学模型,在MATLAB中，多项式通过系数行向量表示，系数按降序排列。,如要输入多项式：x4-12x3+25x+126,p=1-12 0 25 126p=1-12 0 25 126,在MATLAB中，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 an然后利用下面的语句就可以表示这个系统 sys=tf(num,den)其中tf()代表传递函数的形式

39、描述系统，还可以用零极点形式来描述，语句为,4(s-1)(s-2)-(s+1)(s+2)(s+3),而且传递函数形式和零极点形式之间可以相互转化，语句为 z,p,k=tf2zp(num,den)num,den=zp2tf(z,p,k),den1=1 2 2den2=2 3 3 2den=2 7 13 14 10 4,当传递函数复杂时，应用多项式乘法函数conv()等实现。例如 den1=1,2,2 den2=2,3,3,2 den=conv(den1,den2),计算闭环传递函数,系统的基本连接方式有三种：串连、并联和反馈,串连：sys=series(sys1,sys2)并联：sys=para

40、llel(sys1,sys2)反馈：sys=feedback(sys1,sys2,-1)如果是单位反馈系统，则可使用cloop()函数，sys=cloop(sys1,-1),用MATLAB展开部分分式,设：,应用举例,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 an,MATLAB提供函数residue用于实现部分分式展开，其句法为：,r,p,k=residue(num,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。,若无重极点，MATLAB展开后的一般形式为：,若存在q重极点p(j)，展开式将包括下列

41、各项：,展开式为：,展开式为：,用MATLAB求系统传递函数,已知两个系统,分别求两者串联、并联连接时的系统传递函数，并求负反馈连接时系统的零、极点增益模型。,num1=1;den1=1,0;num2=1;den2=1,2;numc,denc=series(num1,den1,num2,den2);numb,denb=parallel(num1,den1,num2,den2);numf,denf=feedback(num1,den1,num2,den2,-1);z,p,k=tf2zp(numf,denf),九、小结,数学模型基本概念,数学模型形式,微分方程,传递函数,控制系统的图形化描述,方框图,信号流图,闭环控制系统的传递函数,编著者董景新 郭美凤 陈志勇李冬梅 刘云峰,