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第二章 系统的数学模型 一、引言 数学模型:描述系统动态特性的数学表达式 时域数学模型: 微分方程(连续系统) 差分方程(离散系统) 状态方程 复域数学模型: 传递函数(连续系统) Z传递函数(离散系统) 频域数学模型: 频率特性 数学建模的一般方法: 1.分析法: 根据系统或元件所遵循的有关定律来建模 2.实验法: 根据实验数据整理拟合数模 §2-1系统的时域数学模型-微分方程 §2.1.1概述(几个概念) 系统的数学模型:是描述系统内部各物理量(或变量)之间关系的数学表达式。 时域中数学模型的基本形式是微分方程; 线性时不变系统:叠加性、齐次性,时不变性 常系数线性微分方程的一般形式: 若所有系数都不是输入、输出及其各阶导数的函数,则微分方程表示的系统为线性系统;否则,系统为非线性系统。对线性系统,若系数为常数则为线性定常系统。 线性定常系统 线性时变系统 非线性系统 线性系统的简单判断方法: 控制系统数学模型的建立方法: 分析法是对系统各部分的运动机理进行分析,根据它们所依据的物理或化学定律,分别列写各变量之间的数学关系式,可称为机理分析法或解析法。 实验法(又称系统辨识)是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去逼近,从而获得系统的数学模型。 §2.1.2列写微分方程的一般方法: 确定系统的输入量和输出量。 注意:输入量包括给定输入量和扰动量 2. 按信息传递顺序,从系统输入端出发,根据各变量所遵 循的物理定律,列写系统中各环节的动态微分方程。 注意:负载效应,非线性项的线性化。 3. 消除中间变量,得到只包含输入量和输出量的微分方程。 4. 整理微分方程。输出有关项放在方程左侧,输入有关项 放在方程右侧,各阶导数项降阶排列。 F v2 v 1 b F v2 v 1 m v2 v 1 F k 质量 弹簧 阻尼 一)机械系统 电路元件两端电位差v21 二)电网络 电感 电阻 电容 两端相对速度v21 常用的公式: 例1:图示机械系统 m-c-k,列写微分方程。 1. 明确: 2. 牛顿第二定律 列写原始微分方程: 3. 整理: 系统输入 f (t) 系统输出 x(t) 例2:图示电网络,列写微分方程。 1. 明确系统的输入与输出: 输入u(t),输出电量q 2. 列写原始微分方程: 3. 消除中间变量,并整理 例3:列写微分方程 1. 明确:输入T,输出x(t) 2. 微分方程: 3. 消除中间变量 f、q,并整理: q0 例4:图示电网络,列写微分方程。 1. 明确系统的输入与输出: 输入u1,输出u2 2. 列写微分方程: 3. 消除中间变量 i1、i2,并整理: 例5 直流电动机 1. 明确输入与输出: 输入ua 和ML,输出w 2. 列写原始微分方程: 3.消除中间变量,并整理: 电机的反电势ed 反电势常数kd 电磁力矩M 电磁力矩常数km 得 §2.1.3微分方程的增量化表示 增量线性系统 系统输出的y(t)的增量,与输入x(t)的增量之间成线性关系即系统的输出由两部分构成: 线性系统对信号的响应 与输入无关的输出信号 线性系统 设平衡点 设电动机处于平衡态,导数为零,静态模型 当偏离平衡点时,有 则 增量化 即有 1. 增量化方程与实际坐标方程形式相同 2. 当平衡点为坐标原点时,二者等价;否则,二者不等价。 相似系统 数学模型形式相同 组成系统的 物理元件不同 相似系统:具有相同形式数学模型的不同物理构成的系统。 相似量: 质量元件 弹簧元件 阻尼元件 电感元件 电阻元件 电容元件 §2.1.4非线性系统的线性化 1、线性系统 同时满足叠加性和齐次性的系统称为线性系统,否则,该系统为非线性系统。 线性条件:同时满足叠加性和齐次性。也就是说,一个线性系统应满足: 2.非线性系统 当系统中只要有一个元件具有非线性特性时, 就叫做非线性系统,如下图所示: 线性部分 非线性系统要有非线性微分方程来描述其运动特性. 线性部分 饱和区 (a)不灵敏区特性 非线性系统 (c)晶体管输入特性 (d)晶体管输出特性 (b)磁滞特性 非线性系统的线性化: 对于高阶微分方程,在数学上不可能求得一般形式的解。因此,在研究这类问题时,在理论上将会遇到困难。矛盾推动着事物不断向前发展,人们根据理想化的思想,找到了“线性化”这一方法,较好地解决了很多非线性问题。 线性化是指将非线性微分方程,在一定条件下近似转化为线性微分方程的过程。 小偏差线性化的实质是:在系统工作点附近,将方程利用台劳级数展开,忽略高次项的方法。其几何意
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