机械工程控制基础-系统数学模型课件

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1、1章系统数学模型一、数学模型的基本概念一、数学模型的基本概念1、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：静态条件（变量各阶导数为静态数学模型：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。零）下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动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程。的微分方程。22、建立数学模型的方法建立数学模型的方法 解析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，

2、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。实验法 33、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 二二、系统的微分方程1、定义、定义：时域中描述系统动态特性的数学模型。2、建立数学模型的一般步骤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；4 从输入端开始，按照信号传递变换过程，依

3、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，导数降幂排列3、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：5 质量mfm(t)参考点x(t)v(t)22()()()mddftmv tmx tmxdtdt 弹簧KfK(t)fK(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)61212()()()()()()()KttftK x tx tKx tKv tv tdtKv t dtKx 阻尼CfC(t)fC(t)

4、x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)dttdxCdttdxdttdxCtCvtvtvCtfC)()()()()()()(21217q 机械平移系统mmfi(t)KCxo(t)fi(t)xo(t)00fm(t)fK(t)机械平移系统及其力学模型fC(t)静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响)()()()()()()()(22txdtdCtftKxtftxdtdmtftftfoCoKoKCi8)()()()(22tftKxtxdtdCtxdtdmiooo式中，m、C、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

5、立储能元件（惯性质量、弹簧）的数量。9q 弹簧阻尼系统xo(t)0fi(t)KC弹簧-阻尼系统系统运动方程为一阶常系数微分方程。)()()(tftKxtxdtdCioo)()()(tftftfKCi10q 机械旋转系统Ki(t)o(t)00TK(t)TC(t)C粘性液体齿轮JJ 旋转体转动惯量；K 扭转刚度系数；C 粘性阻尼系数柔性轴11)()()()()()()()(22tTtTtdtdJtdtdCtTttKtTCKooCoiK)()()()(22tKtKtdtdCtdtdJiooo12基尔霍夫电流定律 若电路有分支，它就有节点，则汇聚到某节点的所有电流的代数和应等于零。基尔霍夫电压定律 电

6、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。()0i t ERi13 电气系统 电阻电气系统三个基本元件：电阻、电容和电感。Ri(t)u(t)()(tRitu 电容1()()()()u ti t dtCdu ti tCCudtCi(t)u(t)14 电感dttdiLtu)()(Li(t)u(t)q R-L-C无源电路网络LRCui(t)uo(t)i(t)R-L-C无源电路网络15dttiCtudttiCtidtdLtRituoi)(1)()(1)()()(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

7、统简化为：)()()(tututudtdRCioo16)()(0)(21titituaq 有源电网络+CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)adttduCRtuoi)()()()(tudttduRCio即：17例：列写下图所示机械系统的微分方程解：1)明确系统的输入与输出输入为f(t),输出为x(t)2)列写微分方程，受力分析xmxckxf 3)整理可得：fkxxcxm18例：列写下图所示电网络的微分方程解：1)系统的输入与输出输入为u1,输出为u22)列写原始微分方程3)消除中间变量，并整理：19 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

8、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（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。20 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。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：

9、)()()(2121xfxfxxf 可加性：)()(xfxf 齐次性：)()()(2121xfxfxxf或：21叠加 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；22)()()(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。q 线性系统微分方程的一般形式)()()()()()()()(111101111txbtxdtdbtxdtdbtxdtdbtxatxdtdatxdtdat

10、xdtdimimimmimmonononnonn23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、非线性数学模型的线性化1、线性化问题的提出线性化问题的提出 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：机械系统中的高速阻尼器，阻 尼力与速度的平方成反比；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。24 线性化的提出q 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；q 非线性系统的分析和综合是非常复杂的；q 对于实际系统而言，在一定条

11、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。2、非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化 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：253003320022000)()(!31)()(!21 )()()()(xxxxdxxfdxxxxdxxfdxxxxdxxdfxfxfy)()()(000 xxxxdxxdfxfy略去含有高于一次的增量x=x-x0的项，则：0)(xxdxxdfK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)称为系统的静态方程；26增量方程的数学含义就是将参考坐标

12、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。)()(),(202210112010202101202101xxxfxxxfxxfyxxxxxxxx22110 xKxKyyy增量方程：),(20100 xxfy 静态方程：2021012021012211,xxxxxxxxxfKxfK其中：27 滑动线性化切线法 0 xy=f(x)y0 x0 xyy非线性关系线性化A线性化增量增量方程为：y y=xtg切线法是泰勒级数法的特例。3、系统线

13、性化微分方程的建立、系统线性化微分方程的建立 步骤 28q 确定系统各组成元件在平衡态的工作点；q 列出各组成元件在工作点附近的增量方程；q 消除中间变量，得到以增量表示的线性化微 分方程；实例：液位系统的线性化)()()(tqtHtHdtdAi节流阀节流阀qi(t)qo(t)H(t)液位系统0000,ioiqHqq解解：稳态时：)(tH非线性项的泰勒展开为：2920022000)(!21)(HHHdHHdHHHdHHdHHHHHHHHdHHdHH0000021)(则：iiqqHHHHHdtdA000021)(由于：注意到：HdtdHHdtd)(0)(1)(21)(0tqAtHHAtHdtdi

14、所以：30)(1)(21)(0tqAtHHAtHdtdi实际使用中，常略去增量符号而写成：此时，上式中H(t)和qi(t)均为平衡工作点的增量。4、线性化处理的注意事项、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；31 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。inout0近似特性曲线真实特性饱和非线性inout0死区非线性32inout0继电器非线性inout0间隙非线性例：液压伺服机构解：1）明确系统输入与输出：输入为x,输出为y2)列写原始微分方程：33),(21pxqqyAqApycymppp，设3)非线性函数线性化：4)代入方程，整理可得：xKAKyKAcymcqc)(2),(:)1(000qpx设为确定系统预定工作点ppqxxqpxqpxqTaylorppxxppxx0000),(),(,)2(00级数形式展开成)(1:)3(qxKKpqc表示成增量化形式