第7章 简单控制系统解析

(t)
m dt
m
1a
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c
式中，
Tm
Ra
Ra J m f m CmCe
为电动机机电时间常数,s；
K1
Ra
f
Cm
C C
m
me
K2
Ra
f
Ra
C C
m
me
为电动机传递系数。
如果电枢电阻Ra和电动机的转动惯量Jm都很小而忽略不计，式（1-9）
还可进一步简化为
C u (t) (t)
em
a
这时，电动机的转速ωm(t)与电枢电压ua(t)成正比，于是电动机可作为
（1）运算放大器Ⅰ。输入量（即给定电压）ug与速度反馈电压uf在此 合成产生偏差电压并经放大，即
u1 K1(ug u f )
式中，
K1
R2 R3
为运算放大器Ⅰ的比例系数。
（2）运算放大器Ⅱ。考虑RC校正网络，u2与u1之间的微分方程为
u2
K（2
d u1
dt
u1）
式中，K 2
R5 R4
为运算放大器Ⅱ的比例系数；τ=R4C为微分时间常数。
m
(t) (t) (t)
m dt
mm
m
c
式中，fm为电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数；Jm为电
动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。
由式（1-5）、式（1-6）和式（1-7）中消去中间变量ia(t)、Ea及
Mm(t)，便可得到以ωm(t)为输出量，以ua(t)为输入量的直流电动机微
分方程，即
按照其建立的条件，数学模型可分为两种。一是静态数学模型： 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。 它反映了系统处于稳态时，系统状态有关属性变量之间的关系。二 是动态数学模型：动态条件（变量各阶导数不为零）下描述变量各 阶导数之间关系的微分方程；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。它反映了动态系统瞬态与过渡态的特性。 本章以动态数学模型的研究为主。

自动控制原理
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（3）相轨迹通过x轴的斜率 在x轴上，所有点都满足 x 。0除奇点外相轨迹在x轴上的斜率 为
f(x, x
x)
f(x, x
x)
所以，除了奇点外，相轨迹和x轴垂直相交。
（4
在相平面的上半平面，由于，则x随着参变量时间t的
加而增大，所以系统状态沿相轨迹由左向右运动；反之，
下半平面，由于，则x随着时间t的增加而减小，所以系统
第 8 章 非线性控制系统
8.1 概述 8.2 非线性系统的特点 8.3 相平面法 8.4 描述函数法 8.5 MATLAB在非线性控制系统分析中的应用
自动控制原理
1
8.1 概述
非线性系统与线性系统有着很大的差别，诸 如非线性系统的响应取决于输入信号的幅值和形 式，不能应用叠加原理，目前还没有统一的且普 遍适用的处理方法。
若相平面图关于原点对称，则相轨迹曲线在(x, x)和(-x, x)
点上的斜率相等，符号相同，应有 f(x, x) f(-x, x)
即有 f(x, x) f (x,x) 。
x
x
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1.相平面图的特点
（2）相平面图上的奇点和普通点
相平面上任一点(x, x) ，只要不同时满足x 0和 f(x, x) 0，
x 2
6
x 5 3
1
5
2
3
1
4
6
4
0
0
(a)具有硬弹簧的机械系统 (b)具有软弹簧的机械系统
图8.8 机械系统的频率响应
自动控制原理
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8.3相平面法
相平面法是庞卡莱(H.Poincare)提出来的一 种用图解法求解一阶、二阶微分方程的方法，它 实质上属于状态空间分析法在二维空间中的应用， 该方法适合于研究给定初始状态的二阶自由运动 系统和给定初始状态及非周期输入信号(如阶跃、 斜坡或脉冲信号等)的二阶系统

5
图 1-8
位置随动系统方框图 。
第二章自控系统的数学模型
本章讲述的内容很多 , 牵扯到数学和物理系统的一些理论知识 , 有些需要 进一步回顾 , 有些需要加深理解，特别是对时间域和复频率域的多种数学描 述方法，各种模型之间的对应转换关系，都比较复杂。学习和复习好这些基 础理论，对下一步深入讨论自控理论具体方法至关重要。 1、基本要求 （1）确理解数字模型的特点，对系统的相似性、简化性、动态模型、静 态模型、输入变量、输出变量、中间变量等概念，要准确掌握。 （2）了解动态微分方程建立的一般方法及小偏差线性化的方法。 （3）掌握运用拉氏变换解微分方程的方法，并对解的结构，运动模态与 特征根的关系，零输入响应，零状态响应等概念，有清楚的理解。 （4）会用 MATLAB 方法进行部分方式展开。对低阶的微分方程，能用 部分分式展开法或留数法公式进行简单计算。 （5）正确理传递函数的定义、性质和意义，特别对传递函数微观结构的 分析要准确掌握。 （6）正确理解由传递函数派生出来的系统的开环传递函数，闭环传递函 数， 前向传递函数的定义， 并对重要传递函数如： 控制输入下闭环传递函数， 扰动输入下闭环传递数函数，误差传递函数，典型环节传递函数，能够熟练 掌握。 （7）掌握系统结构图和信号流图两种数学图形的定义和组成方法，熟练 地掌握等效变换代数法则， 简化图形结构， 并能用梅逊公式求系统传递函数。 （8）正确理解两种数学模型之间的对应关系，两种数学图型之间对应关 系，以及模型和图形之间的对应关系，利用以上知识，熟练地将它们进行相 互转换。 2、内容提要及小结 本章主要介绍数学模型的建立方法，作为线性系统数学模型的形式，介 绍了两种解析式和两种图解法，对于每一种型式的基本概念，基本建立方法 及运算，用以下提要方式表示出来。

国家开放大学《机电控制工程基础》章节自测参考答案第1章控制系统的基本概念一、单项选择题（共20道题，每题3分，共60分）1.产生与被控制量有一定函数关系的反馈信号的是（）a.反馈元件b.校正元件c.控制元件d.比较元件2.产生控制信号的是（）a.校正元件b.比较元件c.反馈元件d.控制元件3.以下（）是随动系统的特点。

a.输出量不能够迅速的复现给定量的变化b.给定量的变化规律是事先确定的c.输出量不能够准确复现给定量的变化d.输出量能够迅速的复现给定量的变化4.以下（）的给定量是一个恒值。

a.有静差系统b.恒值控制系统c.无静差系统d.脉冲控制系统5.反馈控制系统通常是指（）a.混合反馈b.干扰反馈c.正反馈d.负反馈6.如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，这样的系统一定是（）a.闭环控制系统b.正反馈环控制系统c.开环控制系统d.复合反馈系统7.开环控制系统的精度主要取决于（）a.系统的校准精度b.放大元件c.校正元件d.反馈元件8.数控机床系统是由程序输入设备、运算控制器和执行机构等组成，它属于以下（）a.程序控制系统b.恒值控制系统c.开环系统d.随动控制系统9.根据控制信号的运动规律直接对控制对象进行操作的元件是（）a.校正元件b.执行元件c.反馈元件d.比较元件10.没有偏差便没有调节过程，通常在自动控制系统中，偏差是通过（）建立起来的。

a.放大元件b.校正元件c.反馈d.控制器11.用来比较控制信号和反馈信号并产生反映两者差值的偏差信号的元件是（）a.反馈元件b.校正元件c.控制元件d.比较元件12.输入量为已知给定值的时间函数的控制系统被称为（）a.程序控制系统b.有静差系统c.脉冲控制系统d.恒值控制系统13.输入量为已知给定值的时间函数的控制系统被称为（）a.程序控制系统b.随动系统c.有静差系统d.恒值控制系统14.输出端与输入端间存在反馈回路的系统一定是（）a.开环控制系统b.正反馈环控制系统c.闭环控制系统d.有差控制系统15.（）是指系统输出量的实际值与希望值之差。