第系统数学模型

第2章控制系统的数学模型§1 系统数学模型的基本概念一. 系统模型系统的模型包括实物模型、物理模型、和数学模型等等。

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。

二. 系统数学模型1. 系统数学模型系统的数学模型是系统动态特性的数学描述。

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。

2. 系统数学模型的分类数学模型又包括静态模型和动态模型。

(1) 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。

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。

(2) 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。

动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。

在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往需要采用动态数学模型。

即，一般所指的系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式。

三. 系统数学模型的形式对于给定的同一动态系统，数学模型的表达不唯一。

如微分方程、传递函数、状态方程、单位脉冲响应函数及频率特性等等。

对于线性系统，它们之间是等价的。

但系统是否线性这一特性，不会随模型形式的不同而改变。

线性与非线性是系统的固有特性，完全由系统的结构与参数确定。

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。

系统的数学模型是建立在客观环境系统的基础上的，它反映了评价所涉及的各种环境要素和过程，以及它们之间的相互联系和作用。

这个模型是建立在物理定律和机械定律的基础上的，通过推导可以得到数学模型。

数学模型可以分为静态模型和动态模型，静态模型主要用于静态误差分析，而动态模型则主要用于分析连续系统（微分方程）和离散系统（差分方程）。

系统的数学模型还可以根据目的分为三类：用来帮助对象设计和操作的模型，用来帮助控制系统设计和操作的模型，以及用来进行系统仿真的模型。

在建模过程中，还需要注意掌握好复杂和简单的度，以作合理折中。

第二章自动控制系统的数学模型本章要点系统的数学模型是对系统进行定量分析的基础和出发点。

本章主要介绍从微分方程、传递函数和系统框图去建立自动控制系统的数学模型。

内容包括系统微分方程的建立步骤、传递函数的定义与性质、系统框图的建立、等效变换及化简、系统各种传递函数的求取以及典型环节的数学模型。

为了对自动控制系统性能进行深入的分析和设计，须定量计算系统的动、静态性能指标。

而要完成此项任务，就必须掌握其变化规律，用一个反映其运动状态的数学表达式描述系统的动态过程。

这种描述系统各变量之间关系的数学表达式称为系统的数学模型。

系统数学模型的建立主要有解析法和实验法。

解析法是从系统元件所遵循的一些基本规律出发去推导系统的数学模型。

如果不了解系统的结构和运动规律，则应采用实验法建立数学模型，即在系统的输入端加上测试信号，在根据测试出的输出响应信号建立其数学模型。

系统的数学模型有多种，经典控制理论中常用的数学模型有：微分方程（时域数学模型）、传递函数（复域数学模型）、频率特性（频域数学模型）和动态结构图(几何模型)。

第一节系统的微分方程微分方程是描述系统的输入量和输出量之间关系最直接的方法。

当系统的输入量和输出量都是时间t的函数时，其微分方程可以确切描述系统的运动过程。

一、系统微分方程的建立步骤1．根据系统的组成结构、工作原理和运动规律，确定系统的输入量和输出量。

2．从输入端开始，根据各环节所遵循的运动规律，依次列写微分方程。

联立方程，消去中间变量，求取一个只包含系统输入量和输出量的微分方程。

3．将方程整理成标准形式。

即把含输出量的各项放在方程的左边，把含输入量的各项放在方程的右边，方程两边各导数按降幂排列，并将有关系数化为具有一定物理意义的表示形式，如时间常数等。

二、举例说明例2-1求图2-1所示RC网络的微分方程。

解：由图可知，输入量为u i(t) , 输出量为u o(t) ，根据电路遵循的基尔霍夫电压定律，有dtt du Ct i t u R t i t u o o i )()()()()(=+=消去上式中的中间变量i(t) ，得)()()(t u dtt du RCt u o o i += 整理得 ()()()o o i du t RCu t u t dt+= 例2-2 求直流电动机的微分方程。

系统的数学模型—微分方程与传输算子不涉及任何数学变换，而直接在时间变量域内对系统进行分析，称为系统的时域分析。

其方法有两种：时域经典法与时域卷积法。

时域经典法就是直接求解系统微分方程的方法。

这种方法的优点是直观，物理概念清楚，缺点是求解过程冗繁，应用上也有局限性。

所以在20世纪50年代以前，人们普遍喜欢采用变换域分析方法(例如拉普拉斯变换法)，而较少采用时域经典法。

20世纪50年代以后，由于δ(t)函数及计算机的普遍应用，时域卷积法得到了迅速发展，且不断成熟和完善，已成为系统分析的重要方法之一。

时域分析法是各种变换域分析法的基础。

在本章中，首先建立系统的数学模型——微分方程，然后用经典法求系统的零输入响应，用时域卷积法求系统的零状态响应，再把零输入响应与零状态响应相加，即得系统的全响应。

其思路与程序是：其次，将介绍：系统相当于一个微分方程；系统相当于一个传输算子H(p)；系统相当于一个信号——冲激响应h(t)。

对系统进行分析，就是研究激励信号f(t)与冲激响应信号h(t)之间的关系，这种关系就是卷积积分。

2-1 系统的数学模型——微分方程与传输算子研究系统，首先要建立系统的数学模型——微分方程。

建立电路系统微分方程的依据是电路的两种约束：拓扑约束(KCL，KVL)与元件约束(元件的时域伏安关系)。

为了使读者容易理解和接受，我们采取从特殊到一般的方法来研究。

图2-1(a)所示为一含有三个独立动态元件的双网孔电路，其中为激励，，为响应。

对两个网孔回路可列出KVL方程为上两式为含有两个待求变量，的联立微分积分方程。

为了得到只含有一个变量的微分方程，须引用微分算子 ，即，，…，在引入了微分算子后，上述微分方程即可写即(2-1)根据式(2-1)可画出算子形式的电路模型，如图2-1(b)所示。

将图2-1(a)与(b)对照，可很容易地根据图2-1(a)画出图2-1(b)，即将L 改写成Lp ，将C 改写成 ，其余一切均不变。