第三章 数学模型1-微分方程.

③
(2) 方程③是一阶线性微分方程，通解为②当n>0时，有特解y=0.
求微分方程（组）的解析解命令: dsolve(‘方程1’, ‘方程2’,…‘方程n’, ‘初始条件’, ‘自 变量’) 符号说明：在表达微分方程时，用字母D表示求微分， D2、D3等表示求2阶、3阶等微分。任何D后所跟的 字母为因变量，自变量可以指定或由系统规则选定为 确省。 d2y
方法：
• 规律分析法：根据相关学科的定理或定律、规律（这些涉及 到某些函数变化率）建立微分方程模型，如曲线的切线性质. • 微元分析法:应用一些已知规律和定律寻求微元之间的关系式. • 近似模拟法：在社会科学、生物学、医学、经济学等学科的 实际问题中，许多现象的规律性不清楚，常常用近似模拟的 方法建立微分方程模型.
4.符号说明
• • • • • • • a---某人每天在食物中摄取的热量 b---某人每天用于新陈代谢（及自动消耗）的热量 α ---某人每天从事工作、生活每千克体重必需消耗的热量 β---某人每天从事体育锻炼每千克体重消耗的热量 w---体重(单位：千克) w0---体重的初始值 t---时间（单位：天）
若Q(x)≡0,则称为一阶线性齐次方程，一阶线性微分方程通解为 P ( x ) dx P ( x ) dx ② y ( x) e ( Q( x)e dx C )
从而可得
dz (1 n) P ( x) z (1 n)Q ( x) dx
dz dy (1 n) y n dx dx
一、微分方程模型 二、微分方程的数学形式 三、微分方程（组）的MATLAB解法 四、减肥的数学模型 五、人口增长数学模型 六、兰彻斯特（Lanchester）作战模型 七、硫磺岛战役案例

弹簧
k
质量 M
r(t)
牵引力 摩擦
假设y=0时，弹簧处于自然伸长状态
典型机电控制系统 机械系统微分方程的建立——质量-弹簧-阻尼器系统
• 寻找物理关系 3.摩擦力与物体质量之间的关系
弹簧
k
质量 M
r(t)
牵引力 摩擦
典型机电控制系统 机械系统微分方程的建立——质量-弹簧-阻尼器系统
• 寻找物理关系
质量 M
r(t)
牵引力
摩擦
典型机电控制系统 机械系统微分方程的建立——质量-弹簧-阻尼器系统
• 寻找物理关系
弹簧
1. 牵引力与物体质量之间的关系
k
质量 M
r(t)
牵引力 摩擦
典型机电控制系统 机械系统微分方程的建立——质量-弹簧-阻尼器系统
• 寻找物理关系 2.弹簧弹力与弹性系数、物体质量的 关系 弹簧拉力与弹簧伸长成正比，方向相反， k为弹簧弹性系数，有
位移方向
k
质量 M
r(t)
牵引力
3.物体所受力的平衡关系 牛顿第三定律
典型机电控制系统 机械系统微分方程的建立
• 消去中间量
• 整理标准式
自动控制系统的数学模型
——系统的微分பைடு நூலகம்程
机械系统微分方程
机械系统微分方程的建立——质量-弹簧-阻尼器系统 典型机电控制系统
• 确定系统的输入量和输出量。
弹簧
k
• 寻找物理关系 1. 牵引力与物体质量之间的关系 2. 弹簧弹力与弹性系数、物体质量的关系 3. 摩擦力与物体质量之间的关系 4. 物体所受力的平衡关系

K Pe Pwf 1 渗流速度： v re r dr ln rw K dP
平面径向流 产量公式 （裘比公式）
q 2Kh( Pe Pwf )
产量公式： q Av 2rh v
Pe Pwf ln re rw q
ln

re rw
又由产量公式变形：
2Kh
代入压力分布公式得：
dr 2rh rw r r1 区间内压力分布规律为：
v K dP q
分离变量积分得：
K1 K2
r
re
Pwf r 1
Pe

积分：
P
dp
Pwf
2h
q
q
1
rw
Kr
r rw
dr
r
P 1
渗透率突变的圆形地层 r1 r re 区间内压力分布规律为： re q Pe q re 1 dp dr 积分： P Pe 2K h ln r P 2 2h r Kr Pe re q r1 1 1 产量为： Pwf dp 2h [rw K r dr r1 K r dr ] 1 2
★提高地层压力 P （通常难于做到）或降低井底压力 Pwf e ，放大压差； ★改善地层渗透率可提高产量，如油井压裂、酸化等； ★降低原油粘度 可提高产量，如热力采油等； ★供给半径 re 和油井半径 rw 均在对数内，其变化对产量 q 影响较小。
②实际应用时，产量公式中各物理量可如下确定： ★ Pwf 可以实测；
，习惯称为“压降漏斗
”。
o
re r 平面径向流压力分布曲线
r
●
dP
dr r 速度大，压力梯度大，能量损耗也越大；
等压线

二、二阶系统的数学模型及单位阶跃响应
定义： 由二阶微分方程描述的系统称为二阶 系统。
➢二阶系统数学模型
二阶系统的微分方程一般式为：
dd 2c t(2t)2 ndc d (tt)n 2c(t)n 2r(t)
(n 0)
阻尼比 n 无阻尼振荡频率
二阶系统的反馈结构图
R(s)
22 nn
ss((ss 22nn))
形式，而闭环零点的微分作用，将在保证响应特性 平稳的情况下，显著地提高系统的快速性。
2.输出量的速度反馈控制
将输出量的速度信号c(t)采用负反馈形式，反馈到输 入端并与误差信号e(t)比较，构成一个内回路，称为 速度反馈控制。如下图示。
闭环传函为：
(s)C R ( (s s) )s2(2 n n K 2tn 2)s n 2
等效阻尼比：
t
1 2
Ktn
等效阻尼比增大了，振荡倾向和超调量减小，改 善了系统的平稳性。
3.比例－微分控制和速度反馈控制比较
➢从实现角度看，比例－微分控制的线路结构比较简 单，成本低；而速度反馈控制部件则较昂贵。
➢从抗干扰来看，前者抗干扰能力较后者差。
➢从控制性能看，两者均能改善系统的平稳性，在相 同的阻尼比和自然频率下，采用速度反馈不足之处是 其会使系统的开环增益下降，但又能使内回路中被包 围部件的非线性特性、参数漂移等不利影响大大削弱。
3．发展 (1)原因： ①甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的 修。筑权 ②修路成为中国人 救的亡强图烈存愿望。 (2)成果：1909年 京建张成铁通路车；民国以后，各条商路修筑 权收归国有。 4．制约因素 政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入 正轨。
由此知道：
c(t)c1(t)c2(t)