第二章自動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型

§2-1

動態(tài)微分方程一、基本概念1、系統(tǒng)的數(shù)學模型：描述系統(tǒng)輸入輸出變量以及各變量之間關(guān)系的數(shù)學表達式

1）動態(tài)模型：描述系統(tǒng)處于暫態(tài)過程中個變量之間關(guān)系的表達式，它一般是時間函數(shù)。如：微分方程，傳遞函數(shù)，狀態(tài)方程等。2）靜態(tài)模型：描述過程處于穩(wěn)態(tài)時各變量之間的關(guān)系。一般不是時間函數(shù)2、建立動態(tài)模型的方法

1）機理分析法：用定律定理建立動態(tài)模型。

2）實驗法：用實驗數(shù)據(jù)提供的信息，采用辨識方法建模。3、建立動態(tài)模型的意義：找出系統(tǒng)輸入輸出變量之間的相互關(guān)系，以便分析設(shè)計系統(tǒng)，使系統(tǒng)控制效果最優(yōu)。二、列寫系統(tǒng)微分方程的步驟

1、確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量

2、根據(jù)系統(tǒng)所遵循的基本定律，依次列寫出各元件的微分方程

3、消中間變量，得到只含輸入、輸出量的標準形式LiU2U1RC三、舉例例1：設(shè)有由電感L，電容C和電阻R組成的電路，如圖所示。試求出以輸出電壓U2為輸出變量和以輸入電壓U1為輸入變量的微分方程。U2U1RLCi（1）確定電路的輸入量和輸出量解：U1為輸入量，U2為輸出量（2）依據(jù)電路所遵循的電學基本定律列寫微分方程（3）消去中間變量，得到U2與U1的關(guān)系方程對（2）式求導得代入（3）式并整理得例2：如圖所示為一彈簧阻尼系統(tǒng)。圖中質(zhì)量為m的物體受到外力作用產(chǎn)生位移Y，求該系統(tǒng)的微分方程。解：（1）確定輸入量和輸出量輸入量：外力F（t)輸出量:位移y(t)（3）消去中間變量，得到輸入與輸出的關(guān)系方程（2）列寫原始微分方程其中－阻尼器的粘性摩擦力－彈簧的彈力（1）將以上各式代入（1）式得整理得例3：設(shè)有帶直流電動機系統(tǒng)，如圖所示。試列寫系統(tǒng)微分方程。解：（1）確定輸入輸出量輸入量ua，

設(shè)輸出量n，設(shè)（2）列微分方程－等效電路如圖所示電樞回路的微分方程：-電勢常數(shù)

電動機機械微分方程若考慮電動機負載力矩和粘性摩擦力力矩時：（2-2）（2-1）電動機機械微分方程若考慮電動機負載力矩和粘性摩擦力力矩時：其中，通常忽略不計。

電動機電磁轉(zhuǎn)距與電樞電流成正比（3）消去中間變量將（2-3）帶入（2-4）得（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）將（2-5）,（2-6）帶入（2-1）得（2-7）令：

--電動機機電時間常數(shù)

--電動機電磁時間常數(shù)得（2-8）若以為輸入，電動機轉(zhuǎn)角為輸出

將（2-9）（2-10）（2-11）帶入（2-8）得（2-9）（2-10）（2-11）（2-12）例4

下圖所示為閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，編寫控制系統(tǒng)微分方程。(2)編寫各環(huán)節(jié)的微分方程解：(1)確定系統(tǒng)輸入輸出量

輸入量為給定電壓Ug=Xr,輸出量為電動機轉(zhuǎn)速n=Xc.1）比例放大環(huán)節(jié)假定，有2）可控硅整流功率放大環(huán)節(jié)Ud=KsUk

；Ks---電壓放大系數(shù)(2-15)(2-16)3）直流電動機其中

R－電動機回路和可控硅整流電路總電阻4）反饋環(huán)節(jié)－比例系數(shù)(3)消去中間變量(2-17)將式（2-15）（2-16）代入（2-17）經(jīng)整理得：=