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控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

作者: 時間:2012-03-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

傳遞函數(shù)

在控制理論中,為了描述線性定常系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系,最常用的函數(shù)是所謂的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)的概念只適用于線性定常系統(tǒng),在某些特定條件下也可以擴充到一定的非線性系統(tǒng)中去。

線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù),定義初始條件為零時,輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比。設(shè)有一線性定常系統(tǒng),它的微分方程是

(2-1)

式中y是系統(tǒng)的輸出量,x是系統(tǒng)的輸入量。初始條件為零時,對方程(2-1)兩端進行拉普拉斯變換,就可以得到該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

(2-2)

傳遞函數(shù)是一種以系統(tǒng)參數(shù)表示的線性定常系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的關(guān)系式,它表達了系統(tǒng)本身的特性,而與輸入量無關(guān)。傳遞函數(shù)包含著聯(lián)系輸入量與輸出量所必需的單位,但它不能表明系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)(許多物理性質(zhì)不同的系統(tǒng),可以有相同的傳遞函數(shù))。

傳遞函數(shù)分母中s的最高階數(shù),就是輸出量最高階導(dǎo)數(shù)的階數(shù)。如果s的最高階數(shù)等于n,這種系統(tǒng)就叫n階系統(tǒng)。

例2-1 圖2-1所示為一彈簧阻尼系統(tǒng),阻尼器是一種產(chǎn)生粘性磨擦或阻尼的裝置。它由活塞和充滿油液的缸體組成?;钊透左w之間的任何相對運動,都將受到油液的阻滯,因為這時油液必須從活塞的一端,經(jīng)過活塞周圍的間隙(或通過活塞上的專用小孔),而流到活塞的另一端。阻尼器主要用來吸收系統(tǒng)的能量。被阻尼器吸收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷⑹У?,而阻尼器本身不貯藏任何動能或位能。


下面來推導(dǎo)這一系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。設(shè)系統(tǒng)的輸入量為外力x(t),輸出量為質(zhì)量的位移y(t),按下列步驟進行推導(dǎo):

1. 寫出系統(tǒng)的微分方程。
2. 假設(shè)全部初始條件等于零,取微分方程的拉普拉斯變換。
3. 求輸出Y(s)與輸入量X(s)之比。這一比值就是傳遞函數(shù)。

為了推導(dǎo)線性常系數(shù)微分方程,假設(shè)阻尼器的磨擦力與 成正比,并設(shè)彈簧為線性彈簧,即彈簧力與y成正比。在這個系統(tǒng)中,m表示質(zhì)量,f表示粘性磨擦系數(shù),而k表示彈簧剛度。
解 牛頓定律是機械系統(tǒng)中的基本定律。在平移系統(tǒng)中,牛頓定律可表示如下:


ma=ΣF=x-Fs-Ff


其中Fs=ky,

a表示加速度,f表示力。


把牛頓定律應(yīng)用到這一系統(tǒng)可得

(2-3)

對方程(2-3)中每一項取拉普拉斯變換,得出


如果設(shè)初始條件等于零,即y(0)=0, (0)=0,即可得出方程(2-3)的拉普拉斯變換:

取Y(s)與X(s)之比,即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù):

例2-2 機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng) 設(shè)有一系統(tǒng),如圖2-2所示。它由慣性負載和粘性磨擦阻尼器組成。J為轉(zhuǎn)動慣量,f為粘性磨擦系數(shù),ω為角速度,T為作用到系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)矩。

圖2-2 機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

解 對于機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng),其運動方程可寫成:

其微分方程為:

(2-4)

初始條件為零時,取方程(2-4)的拉普拉斯變換:

取θ(s) 與T(s)之比,即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù):


例2-3

圖2-3 L-R-C電路

圖2-3所示為一由電感L、電阻R和電容C組成。

解: 在理想條件下,可得到此電路的電壓平衡方程式:

(2-5)

由于 式中,q為電荷量,C為電容。式(2-5)可改寫為

初始條件為零時,取方程(2-5)的拉普拉斯變換:

取U(s)與Uc(s) 之比,即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù):


傳遞函數(shù)的說明

傳遞函數(shù)概念的適用范圍限于線性常微分方程系統(tǒng)。當然,在這類系統(tǒng)的分析和設(shè)計中,傳遞函數(shù)方法的應(yīng)用是很廣泛的。下面是有關(guān)傳遞函數(shù)的一些重要說明(下列各項說明中涉及的均為線性常微分方程描述的系統(tǒng))。

1. 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是一種,它表示聯(lián)系輸出變量與輸入變量的微分方程的一種運算方法。

2. 傳遞函數(shù)是系統(tǒng)本身的一種屬性,它與輸入量或驅(qū)動函數(shù)的大小和性質(zhì)無關(guān)。

3. 傳遞函數(shù)包含聯(lián)系輸入量與輸出量所必需的單位,但是它不提供有關(guān)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的任何信息(許多物理上完全不同的系統(tǒng),可以具有相同的傳遞函數(shù),稱之為相似系統(tǒng))。

4. 如果系統(tǒng)的傳遞函數(shù)已知,則可以針對各種不同形式的輸入量研究系統(tǒng)的輸出或響應(yīng),以便掌握系統(tǒng)的性質(zhì)。

5. 如果不知道系統(tǒng)的傳遞函數(shù),則可通過引入已知輸入量并研究系統(tǒng)輸出量的實驗方法,確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一旦被確定,就能對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行充分描述,它不同于對系統(tǒng)的物理描述。

6. 用傳遞函數(shù)表示的常用連續(xù)系統(tǒng)有兩種比較常用的,說明如下

第一種表示方式為:

第二種表示方式也叫零極點增益模型,具體形式為:

這兩種模型各有不同的適用范圍,可以相互轉(zhuǎn)換,在不同的場合需要用不同的模型。如:在根軌跡分析中,用零極點模型就比較合適。 相似系統(tǒng) 相似系統(tǒng)這一概念,在實踐中是很有用的,因為一種系統(tǒng)可能比另一種系統(tǒng)更容易通過實驗來處理。例如,可以通過建造和研究一個與機械系統(tǒng)相似的電模擬系統(tǒng)來代替對機械系統(tǒng)的制造和研究,因為一般來說,電的或電子的系統(tǒng)更容易通過實驗進行研究。表2-1所示為相似系統(tǒng)的相似變量。


表2-1 相似系統(tǒng)中的相似變量

非線性的線性化

為了獲得非線性系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型,假設(shè)變量對于某一工作狀態(tài)的偏離很小。設(shè)系統(tǒng)的輸入量為x(t),輸出為y(t),y(t)和x(t)的關(guān)系是

y=f(x) (2-6)

如果系統(tǒng)的額定工作狀態(tài)相應(yīng)于 ,,那么方程(2-6)可以在該點附近展開成泰勒級數(shù):

式中都在x=df/dx,d2f/dx2,… 點進行計算。如果x- 很小,可以忽略x- 的高階項。因此方程可以寫成

方程(2-8)可以改寫成

上式說明y- 與x- 成正比。方程(2-9)就是由方程(2-6)定義的非線性系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型。下面來研究另一種非線性系統(tǒng),它的輸出量y是兩個輸入量x1和x2的函數(shù),因而

y=f(x1,x2) (2-10)

為了得到這一非線性系統(tǒng)的線性近似關(guān)系,將方程(2-10)在額定工作點, 附近展開成泰勒級數(shù)。這時方程(2-10)可寫成

式中偏導(dǎo)數(shù)都在x1=,x2=上進行計算。在額定工作點附近,近似將高階項忽略。于是在額定工作狀態(tài)附近,這一非線性系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型可以寫成


這里介紹的線性化方法只有在工作狀態(tài)附近才是正確的。當工作狀態(tài)的變化范圍很大時,線性化方程就不合適了,這時必須使用非線性方程。應(yīng)當特別注意,在分析和設(shè)計中采用的具體數(shù)學(xué)模型,只有在一定的工作條件下才能精確表示實際系統(tǒng)的動態(tài)特性,在其他工作條件下它可能是不精確的。

典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型

自動是由若干環(huán)節(jié)組成的,環(huán)節(jié)具有各種各樣的結(jié)構(gòu)和功能。然而本節(jié)所討論的典型環(huán)節(jié)并不是按照它們的作用原理和結(jié)構(gòu)分類的,而是按照它們的動態(tài)特性或數(shù)字模型來區(qū)分。因為的運動情況只決定于所有各組成環(huán)節(jié)的動態(tài)特性及連接方式,而與這些環(huán)節(jié)具體結(jié)構(gòu)和進行的物理過程不直接相關(guān)。從這一點出發(fā),組成的環(huán)節(jié)可以抽象為幾種典型環(huán)節(jié),逐個研究和掌握這些典型環(huán)節(jié)的特性,就不難進一步綜合研究整個系統(tǒng)的特性。

2.4.1比例環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為

(2-11)

這表明,輸出量與輸入量成正比,動態(tài)關(guān)系與靜態(tài)關(guān)系都一樣,不失真也不遲延,所以又稱為"無慣性環(huán)節(jié)"或"放大環(huán)節(jié)"。比例環(huán)節(jié)的特征參數(shù)只有一個,即放大系數(shù)K。工程上如無彈性變形的杠桿傳動、電子放大器檢測儀表、比例式執(zhí)行機構(gòu)等都是比例環(huán)節(jié)的一些實際例子。

2.4.2慣性環(huán)節(jié)

慣性環(huán)節(jié)又稱非周期環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為

(2-12)

T為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù),K為比例系數(shù)。
當輸入信號為單位階躍函數(shù)時,其環(huán)節(jié)的輸出為

它是一條指數(shù)曲線,當時間t=3T~4T時,輸出量才接近其穩(wěn)態(tài)值。實際系統(tǒng)中,慣性環(huán)節(jié)是比較常見的,例如直流電機的勵磁回路等。

2.4.3積分環(huán)節(jié)

積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(2-13)

在單位階躍輸入的作用下,積分環(huán)節(jié)的輸出c(t)為

這表明,只要有一個恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié),其輸出量就與時間成正比地無限增加。積分環(huán)節(jié)具有記憶功能,當輸入信號突然除去時,輸出總要變化下去。在控制系統(tǒng)設(shè)計中,常用積分環(huán)節(jié)來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

2.4.4微分環(huán)節(jié)

微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(2-14)

理想微分環(huán)節(jié)的輸出與輸入量的變化速度成正比。在階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為一理想脈沖(實際上無法實現(xiàn)),由于微分環(huán)節(jié)能預(yù)示輸出信號的變化趨勢,所以常用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

實際上可實現(xiàn)的微分環(huán)節(jié)都具有一定的慣性,其傳遞函數(shù)如下:

它有一個負極點和一個位于S平面原點的零點。實際微分環(huán)節(jié)在單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為

2.4.5振蕩環(huán)節(jié)

振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(2-15)

式中,T為振蕩環(huán)節(jié)的時間常數(shù);K為放大系數(shù);ζ為振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比; 稱為無阻尼自然振蕩頻率。

2.4.6延遲環(huán)節(jié)

延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(2-16)

延遲環(huán)節(jié)在單位階躍輸入作用下的輸出響應(yīng)為c(t)=1(t-T)

即輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入,只是延遲了T時間。T為延遲環(huán)節(jié)的特征參數(shù),稱為"延遲時間"或"滯后時間"。

以上介紹了六種典型環(huán)節(jié),這是控制系統(tǒng)中最見的基本環(huán)節(jié)

用方塊圖表示的模型

控制系統(tǒng)可以由許多元件組成。為了表明每一個元件在系統(tǒng)中的功能,在控制工程中,常常應(yīng)用所謂"方塊圖"的概念。方塊圖是描述控制系統(tǒng)的另一種比較直觀的模型,在控制系統(tǒng)的分析中,用方塊圖進行處理具有相當明顯的優(yōu)勢。

方塊圖 :
系統(tǒng)方塊圖,是系統(tǒng)中每個元件的功能和信號流號的圖解表示。方塊圖表明了系統(tǒng)中各種元件間的相互關(guān)系。方塊圖優(yōu)于純抽象的數(shù)學(xué)表達式,因為它能夠清楚地表明實際系統(tǒng)中的信號流動情況。

在方塊圖中,通過函數(shù)方塊,可以將所有的系統(tǒng)變量聯(lián)系起來。"函數(shù)方塊"或簡稱為"方塊",是對加到方塊上的輸入信號的一種運算符號,運算結(jié)果以輸出量表示。元件的傳遞函數(shù),通常寫進相應(yīng)的方塊中,并以標明信號流向的箭頭,將這些方塊連接起來。應(yīng)當指出,信號只能沿箭頭方向通過。這樣,控制系統(tǒng)的方塊圖就清楚地表示了它的單向特性。

T為慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù),K為比例系數(shù)。
當輸入信號為單位階躍函數(shù)時,其環(huán)節(jié)的輸出為

圖2-4表示了一個方塊圖單元。指向方塊的箭頭表示輸入,而從方塊出來的箭頭則表示輸出。在這些箭頭上標明了相應(yīng)的信號。

應(yīng)當指出,方塊輸出信號等于輸入信號與方塊中傳遞函數(shù)的乘積。

用方塊圖表示系統(tǒng)的優(yōu)點是:只要依據(jù)信號的流向,將各元件的方塊連結(jié)起來,就能夠容易地組成整個系統(tǒng)的方塊圖,通過方塊圖,還可以評價每一個元件對系統(tǒng)性能的影響。

總之,方塊圖比物理系統(tǒng)本身更容易體現(xiàn)系統(tǒng)的函數(shù)功能。方塊圖包含了與系統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)的信息,但它不包括與系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息。因此,許多完全不同和根本無關(guān)的系統(tǒng),可以用同一個方塊圖來表示。

應(yīng)當指出,在方塊圖中沒有明顯表示出系統(tǒng)的主能源,而且對于一定的系統(tǒng)來說,方塊圖也不是唯一的。由于分析角度的不同,對于同一個系統(tǒng),可以畫出許多不同的方塊圖。

誤差檢測器 誤差檢測器產(chǎn)生的輸出信號,等于控制系統(tǒng)的參考輸入信號與反饋信號之差。在設(shè)計中,選擇誤差檢測器是一件很重要的工作,需要仔細確定。因為誤差檢測器中的任何缺陷,都必然會降低整個系統(tǒng)的性能。圖2-5表示了誤差檢測器的方塊圖。

需要注意的是,圖中進行相加或相減的一些量,應(yīng)具有相同的量綱和單位。

閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖 在圖2-6上,表示了一個閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖。輸出量C(s)反饋到相加點,并且在相加點與參考輸入量R(s)進行比較。系統(tǒng)的閉環(huán)性質(zhì),在圖上清楚地表示了出來。在這種情況下,方塊的輸出量C(s),等于方塊的輸入量E(s)乘以傳遞函數(shù)G(s)。

任何線性控制系統(tǒng),都可以用由方塊、相加點和分支點組成的方塊圖來表示。所謂分支點,就是由方塊出來的輸出信號,從這一點起同時進入另一個方塊或相加點。

當輸出量反饋到相加點與輸入量進行比較時,必須將輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c輸入信號相同的形式。例如,在溫度控制系統(tǒng)中,輸出信號通常為被控溫度。具有溫度量綱的輸出信號,在與輸入信號進行比較之前,必須轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛭恢?。這種轉(zhuǎn)換由反饋元件來完成,反饋元件的另一個重要作用,是在輸出量與輸入量進行比較之前,改變輸出量。對于正在討論的例子,反饋到相加點與輸入量進行比較的反饋信號為B(s)=H(s)C(s)。

反饋信號B(s)與作用誤差信號E(s)之比,叫做開環(huán)傳遞函數(shù)。即

輸出量C(s)與作用誤差信號E(s)之比,叫做前向傳遞函數(shù),因而

如果反饋傳遞函數(shù)等于1,那么開環(huán)傳遞函數(shù)與前向傳遞函數(shù)相同。在圖2-6所示系統(tǒng)中,輸出量C(s)與輸入量R(s)的關(guān)系,可推導(dǎo)如下:

C(s)=G(s)E(s)
E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-H(s)C(s)

從上述方程中消去E(s),得

C(s)=G(s)[R(s)-H(s)C(s)]

于是可得

(2-17)

C(s)與R(s)之間的傳遞函數(shù),叫做閉環(huán)傳遞函數(shù)。這一傳遞函數(shù),將閉環(huán)系統(tǒng)的動特性,與前向通道元件和反饋通道元件的動態(tài)特性聯(lián)系在一起了。

由方程(2-17),可求得C(s)為

因此,閉環(huán)系統(tǒng)的輸出量,顯然取決于閉環(huán)傳遞函數(shù)和輸入量的性質(zhì)。

擾動作用下的閉環(huán)系統(tǒng) 圖2-7為一個在擾動作用下的閉環(huán)系統(tǒng)。當兩個輸入量(參考輸入量和擾動量)同時作用于線性系統(tǒng)時,可以對每一個輸入量單獨地進行處理,將與每一個輸入量單獨作用時相應(yīng)的輸出量疊加,即可得到系統(tǒng)的總輸出量。每個輸入量加進系統(tǒng)的形式,用相加點上的加號或減號來表示。

現(xiàn)在來討論圖2-7上表示的系統(tǒng)。在研究擾動量N(s)對系統(tǒng)的影響時,可以假設(shè)系統(tǒng)在開始時是靜止的,并且假設(shè)無誤差信號,這樣就可以單獨計算系統(tǒng)對擾動的響應(yīng)CN(s)。這一響應(yīng)可由下式求得:


另一方面,在研究系統(tǒng)對參考輸入量的響應(yīng)時,可以假設(shè)擾動量等于零。這時系統(tǒng)對參考輸入量R(s)的響應(yīng)CR(s)可由下式求得:

將上述兩個單獨的響應(yīng)相加,就可以得到參考輸入量和擾動量同時作用時的響應(yīng)。換句話說,參考輸入量R(s)和擾動量N(s)同時作用于系統(tǒng)時,系統(tǒng)的響應(yīng)C(s)為

另一方面,當G1(s)G2(s)H(s)的增益增大時,閉環(huán)傳遞函數(shù)CR(s)/R(s)趨近于1/H(s)。這表明,當 >>1時,閉環(huán)傳遞函數(shù)CR(s)/R(s)將變成與G1(s)和G2(s)無關(guān),而只與H(s)成反比關(guān)系,因此G1(s)和G2(s)的變化,不影響閉環(huán)傳遞函數(shù)CR(s)/R(s)。這是閉環(huán)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點。可以容易地看出:任何閉環(huán)系統(tǒng),當反饋傳遞函數(shù)H(s)=1時,系統(tǒng)的輸入量與輸出量相等。

畫方塊圖的步驟 在繪制系統(tǒng)的方塊圖時,首先列寫描述每一個元件動態(tài)特性的方程式。然后假定初始條件等于零,對這些方程式進行拉普拉斯變換,并將每一個拉普拉斯變換方程分別以方塊的形式表示出來。最后將這些方塊單元結(jié)合在一起,以組成完整的方塊圖。

方塊圖的簡化 應(yīng)當強調(diào)指出,只有當一個方塊的輸出量不受其后的方塊影響時,才能夠?qū)⑺鼈兇?lián)連接。如果在這些元件之間存在著負載效應(yīng),就必需將這些元件歸并為一個單一的方塊。
任意數(shù)量串聯(lián)的、表示無負載效應(yīng)元件的方塊,可以用一個單一的方塊代替,它的傳遞函數(shù),就等于各單獨傳遞函數(shù)的乘積。

一個包含著許多反饋回路的復(fù)雜的方塊圖,可以應(yīng)用方塊圖的代數(shù)法則,經(jīng)過逐步重新排列和整理而得到簡化。在表2-1中,列舉了一些比較常見的方塊圖代數(shù)法則。這些代數(shù)法則說明,同一個方程式可以用不同的方法表示。通過重新排列和代換,將方塊圖簡化后,可以使以后的數(shù)學(xué)分析工作很容易進行。但是應(yīng)當指出,當方塊圖得到簡化后,新的方塊卻變得更加復(fù)雜了,因為產(chǎn)生了新的極點和零點。

3
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表2-1 方塊圖代數(shù)法則

在方塊圖簡化過程中,應(yīng)記住以下兩條原則:

1.前向通道中傳遞函數(shù)的乘積必須保持不變;
2.回路中傳遞函數(shù)的乘積必須保持不變。

方塊圖簡化的一般法則是移動分支點和相加點,交換相加點,減少內(nèi)反饋回路。下面舉例說明方塊圖的變換和化簡。

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