控制系统的数学描述.
现代控制理论 第九章 现代控制理论-控制系统的数学模型
1 C
∫ i (t )dt
= u c (t )
i (t ) | t = t 0 = i (t 0 )
u c (t ) | t = t 0 = u c (t 0 )
若将 i (t ) 和 u c (t ) 视为一组信息量，则这样一 组信息量就称为状态。这组信息量中的每个变 量均是该电路的状态变量。 状态:表征系统运动的信息和行为 状态 表征系统运动的信息和行为。 表征系统运动的信息和行为 状态变量：系统的状态变量就是确定系 统状态的最小一组变量。（或完全表征 系统运动状态的最小一 组变量。）
di dt
=
R x1 L
1 L
x2+ 1 u( t )
L
x
2
1 x c 1
y = x2 = u c (t )
写成矩阵— 写成矩阵—向量的形式为：
x
1
=
R L
1 L
x1
x
2
1 c
0
x2
+
1 L u( t )
0
y=
x1
0 1
x2
为状态向量
x 1 x2 T 令x =
则：
x=
R L
1 L
1 c
1 x+ L
状态方程 输出方程
一 、状态、状态变量和状态空间
R + u(t)
输入
L
+ + y C uc(t) _ 输出 _
i(t)
_
解：以 i(t) 作为中间变量，列写该回路的微分方程
di (t ) L + Ri (t ) + u c (t ) = u (t ) dt
求解这个微分方程组， 出现两个积分常数。 它们由初始条件
第二章控制系统的数学模型.
2.2.1传递函数的定义和性质
⑴ 定义 线性定常系统的传递函数,定义为初始条件为零时,输出 量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比,记为G(S),即:
C ( s) G( s) R( s)
(2-4)
注：所有初始条件为零，指的是原系统处于静止状态. 设线性定常系统的n阶线性常微分方程为
dn d n 1 d a0 n c(t ) a1 n 1 c(t ) an 1 c(t ) an c(t ) dt dt dt dm d m1 d b0 m r (t ) b1 m 1 r (t ) bm1 r (t ) bm r (t ) dt dt dt
F(t)
K
F(t) F2(t)
m
f
m
x(t)
F1(t) b)
x(t)
根据牛顿第二运动定律有：
d 2 x (t ) F (t ) F1 (t ) F2 (t ) m dt2
a)
图2-2 机械位移系统
（2-2） 7
式中:
F1 (t ) ——阻尼器阻力。其大小与运动速度成正比，方向 与运动方向相反，阻尼系数为f，即： dx (t ) F1 (t ) f dt F2 (t ) ——弹簧力。设为线性弹簧，根据虎克定律有：
F2 (t ) Kx(t )
K——弹簧刚度 联立以上三式并整理得：
d 2 x (t ) dx(t ) m f Kx (t ) F (t ) 2 dt dt
（2-3） 8
综上所述,列写元件微分方程的步骤可归纳如下: ① 根据元件的工作原理及其在控制系统中的作用,确定其 输入量和输出量; ② 分析元件工作中所遵循的物理规律或化学规律,列写相 应的微分方程; ③ 消去中间变量,得到输出量与输入量之间关系的微分方 程,便是元件时域的数学模型. 9
基本要求-控制系统数学模型
自动控制原理
第二章控制系统的数学模型
线性连续系统微分方程的一般形式
d c (t ) d c (t ) dc (t ) an an 1 ... a1 a0 c ( t ) n n 1 dt dt dt d m r (t ) d m 1r (t ) dr (t ) bm bm 1 ... b1 b0 r (t ) m m 1 dt dt dt
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自动控制原理
第二章控制系统的数学模型
• 3.表示形式 a.时域:微分﹑差分﹑状态方程 b.复域:传递函数﹑结构图 c.频域:频率特性
三种数学模型之间的关系 线性系统
拉氏 傅氏 传递函数 微分方程 频率特性 变换 变换
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第二章控制系统的数学模型
自动控制原理
第二章控制系统的数学模型
题目变种3，寻求新解法
1 R1 cs I ( s) U ( s) U r ( s) c 1 R1 cs
Uc( s ) I (s) R2
联立，可解得： 微分方程为:
U c ( s) R2 (1 R1Cs) U r (s) R1 R2 R1 R2 Cs
微分方程的标准形式: 1、与输入量有关的项写在方程的右端； 2、与输出量有关的项写在方程的左端； 3、方成两端变量的导数项均按降幂排列
mx(t ) fx(t ) kx(t ) F (t )
航空
第二章控制系统的数学模型
电气系统三元件（知识补充）
电阻
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第二章控制系统的数学模型
2.为什么要建立数学模型： 只是定性地了解系统的工作原理和大致的 运动过程是不够的，还要从理论上对系统 性能进行定量的分析和计算。 另一个原因：许多表面上看毫无共同之处 的控制系统，其运动规律具有相似性，可 以用相同形式的数学模型表示。
山东省考研控制科学与工程复习资料控制系统理论要点梳理
山东省考研控制科学与工程复习资料控制系统理论要点梳理控制科学与工程是现代科学技术的重要学科之一，其理论研究和应用有着广泛的领域和深远的影响。
山东省考研控制科学与工程专业的学习与复习对于备考者而言至关重要。
本文将围绕控制系统理论的核心要点，对相关内容进行梳理和总结，以帮助考生更好地准备考试。
一、控制系统基本概念控制系统是由一组有序组织的元件和一个或多个输入和输出的连接而构成的，用来对特定对象进行监测和控制的系统。
其基本构成包括输入信号、输出信号、反馈环节、控制器和执行器等要素。
1. 系统的定义和分类- 系统的定义：系统是由多个元件组成的整体，通过相互作用来实现特定目标的集合体。
- 系统的分类：根据系统的性质和组成，可将系统分为连续系统和离散系统。
2. 控制系统的基本要素- 输入信号：作为系统控制器的指令或刺激。
- 输出信号：系统响应输入信号后产生的反馈结果。
- 反馈环节：将输出信号与期望信号进行比较，产生误差信号，用于修正输入信号。
- 控制器：根据反馈信号和期望信号进行计算，并生成修正输入信号的控制策略。
- 执行器：根据控制器的输出信号，对系统进行实际的控制操作。
二、控制系统数学模型控制系统的数学模型是研究和分析控制系统行为的基础，其建立过程包括建立物理模型、编写运动微分方程、进行系统参数化等。
1. 信号与系统的数学表示- 信号的表示方法：包括函数、图表、矩阵等方式。
- 系统的数学描述：包括微分方程、差分方程、状态方程等。
2. 时域和频域分析方法- 时域分析：通过观察系统在时间上的响应行为，如单位脉冲响应、阶跃响应等。
- 频域分析：运用傅里叶变换将信号从时域转换为频域，对系统的频率特性进行分析，如频率响应、相频特性等。
三、控制系统的稳定性分析稳定性是衡量控制系统能否达到预期控制目标的重要指标，稳定性分析主要涉及系统的零点和极点等内容。
1. 零点和极点的含义- 零点：系统传递函数中使得输出信号为零的输入信号。
控制系统的数学模型
第二章控制系统的数学模型第章控制系统的数学模2-1 1 数学模型数学模型本书中主要介绍的几种系统模型图型：信号流程图数学模型描述系统行为特性的数学表达式模方块图信号程图数学模型：微分方程传递函数频率特性一、数学模型：描述系统行为特性的数学表达式。
是对实际物理系统的一种数学抽象。
模型各有特点，使用时可灵活掌握。
若分析研究系统的动态特性，取其数学模型比较方便；若分析研究系统的内部结构情况，取其物理模型比较直观；若两者皆有，则取其图模型比较合理。
11——1.1. 控制系统的时域数学模型控制系统的时域数学模型微分方程r(t)——输入量c(t)c(t)a dc(t)a c(t)d a d a ++++L L dr(t)r(t)d r(t)db 其中，(i =0,1,2,…….n; j =0,1,2…….m) 均为实数，b a r(t)b b ++++=L L b (,,,;j ,,)实,j i2——定定常条输的变2.2.控制系统的复域数学模型控制系统的复域数学模型传递函数A. 定义：线性定常系统在初始条件为零时，输出量的拉氏变设：输入----r(t)，输出----c(t)，则传递函数：L[c(t)]G()式中C()L[(t)])s (C G(s)==式中：C(s)=L[c(t)]——输出量的拉氏变换式那么：C(s)=R(s)G(s)[R()G()][C()]()11[R(s)G(s)]L [C(s)]c(t)-1-1==推广到一般情况，系统时域数学模型——推广到般情况，系统时域数学模型微分方程：L L c(t)a a a a 011-n 1-n n n ++++r(t)b d b d d b -++++=L L b ()dt dtdt 011-m 1m m m L L R(s)b sR(s)b R(s)sb R(s)s b 01-1m m +++=a. 控制系统传递函数的一般表达形式:s −L L 传式011n n a s a s a a R(s)+++−b.b.表示成典型环节表达形式：111+++−s T s T s T s s R L )))()(21n υ∏∏i C )(s ωω；==11j l pnpnωωm 系统的稳态增益K =——系统的稳态增益；2m m m+=2n n nν++=c 零极点表达形式K C +++++L c. 表示成零、极点表达形式：)())(()(21m r z s z s z s s =−——νjp 系统的极点，个零极点。
自动控制原理-第二章 控制系统的数学模型
t
f (t)dt 0
t
f ( )d
n
ki .L[ f (t )]
i 1
sF (s) f (0 )
s2F (s) sf (0 ) f (0 )
snF (s) sn1 f (0 ) sn2 f (0 ) f (n1) (0 )
电枢回路方程为
La
dia (t) dt
Raia (t)
Ea (t)
ua (t)
电磁转矩方程 M m Cmia (t)
电动机轴上转矩平衡方程
Jm
dm (t)
dt
fmm (t)
Mm
MC
(t)
若以角速度 m 为输出量、电枢电压 ua 为输入量，
消去中间变量，直流电动机的微分方程为
(s2+s+1)Uc(s)= Ur(s)+0.1(s+2)
即 U S 1 U S 0.1S 2
C
S2 S 1 r
S2 S 1
通电瞬间, ur(t)=1 或 Ur(s)=L[ur(t)]=1/S
故 U S 1 1 0.1S 2
C
S2 S 1 S S2 S 1
再对上式两边求反拉氏变换：
u c
t
L1 U C
S
L1
S
2
1 S
1
1 S
S
2
1 S
1
=1+1.15e-0.5tSin(0.866t-120°)+ 0.2e-0.5tSin(0.866t+30°)
控制工程基础 第二章 控制系统的数学模型
R1 ui C1 K
R2 C2 uc
U c ( s) K U i ( s ) ( R1C1s 1)( R2C2 s 1)
有源网络：
Ur R0
R1
C1 +12V
+
-12V
Uc
U c ( s) R1C1s 1 U r ( s) R0C1s
2-3 典型环节及其传递函数
环节：具有某种确定信息传递关系的元 件、元件组或元件的一部分称为一个环 节。 系统传递函数可写为：
例2 电学系统： 其中：电阻为R，电感为L，电容为C。
＋ ur(t) － i
＋ uc(t) －
解：系统的微分方程如下
d U c (t ) dUc (t ) LC RC U c (t ) U r (t ) 2 dt dt
2
拉氏变换后（零初始条件下）
U c ( s) 1 2 U r ( s ) LCs RCs 1
2 2
1 1 1 , 2 2 s Ts 1, T s 2Ts 1
各典型环节名称：
比例环节：K 一阶微分环节：s 1 2 2 s 二阶微分环节： 2 s 1 1 积分环节： s 1 惯性环节： 1 Ts 1 二阶振荡环节：2 s 2 2Ts 1 T
传递函数的性质： （1）传递函数只取决于系统或元件的结构和 参数，与输入输出无关； （2）传递函数概念仅适用于线性定常系统， 具有复变函数的所有性质； （3）传递函数是复变量s 的有理真分式， 即n≥m； （4）传递函数是系统冲激响应的拉氏变换；
传递函数的性质： （5）传递函数与真正的物理系统不存在一 一对应关系； （6）由于传递函数的分子多项式和分母多 项式的系数均为实数，故零点和极点可以是 实数，也可以是成对的共轭复数。
《自动控制原理》系统数学描述的两种基本类型
线性定常系统 在线性系统的状态空间表达式中，若系数矩阵 A(t), B(t),C(t), D(t)或 G(k), H (k),C(k), D(k) 的各元素都是常数，则称该系 统为线性定常系统，否则为线性时变系统。线性定常系统状态空间 表达式的一般形式为
.
x(t) = Ax(t) + Bu(t)
y(t) = Cx(t) + Du(t)
应注意到在向量、矩阵的乘法运算中，相乘顺序不允许任意颠倒。
状态空间分析法 在状态空间中以状态向量或状态变量描述系 统的方法称为状态空间分析法或状态变量法。
状态空间分析法的优点是便于采用向量、矩阵记号简化数学描 述，便于在数字机上求解，容易考虑初始条件，能了解系统内部状 态的变化特性，适用于描述时变、非线性、连续、离散、随机、多 变量等各类系统，便于应用现代设计方法实现最优控制、自适应控 制等。
这里所谓的系统是指由一些相互制约的部分构成的整体，它可 能是一个由反馈闭合的整体，也可能是某一控制装置或受控对象。 本章中所研究的系统均假定具有若干输入端和输出端，如图9-1所 示。图中方块以外的部分为系统环境，环境对系统的作用为系统输
T
入，系统对环境的作用为系统输出；二者分别用向量u = [u1,u2 ,...,u p ] 和y = [ y1, y2 ,..., yq ] T表示 ，它们均为系统的外部变量。描述系统内部 每个时刻所处状况的变量为系统的内部变量，以向量 x = [x1, x2 ,..., xn ] T 表示。系统的数学描述是反映系统变量间因果关系和变换关系的一 种数学模型。
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k= 2
0.25i 0.25i 2 结果表达式：G( s ) 2 s 2i s 2i s 1
0 1 0 x u 2）已知系统状态空间模型为： x 1 2 1 y 1 3x u
》A=[0 1; -1 -2]; B=[0;1]; 》C=[1,3]; D=[1]; 》[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu) ％iu 用来指定第n个输入，当只有一个输入时可忽略。 》num=1 5 2; den=1 2 1; 》[z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D,iu) 》z= -4.5616 p= -1 k=1 -0.4384 -1
1.1 控制系统数学模型的表示形式
• 微分方程形式
y ( n ) a1 y ( n1) an1 y ' an y b1u ( m) b2u ( m1) bmu ' bm1
系统在MATLAB中可以方便地由输入和输出系数构成的 两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num和den 表示。 num=[b1, b2,…,bm, bm+1] den=[1, a1, a2,…, an]
第二章 控制系统的数学描述
第一节 第二节 控制系统的数学模型 常微分方程的数值解法
第一节 控制系统的数学模型
• 控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着 相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首 先应当知道系统的数学模型，然后才可以对系 统进行模拟。同样，如果知道了系统的模型， 才可以在此基础上设计一个合适的控制器，使 得系统响应达到预期的效果，从而符合工程实 际的需要。
系统状态空间用（A,B,C,D)矩阵组表示
举例：
1 6 9 10 4 3 12 6 8 2 x x 4 7 9 11 2 5 12 13 14 1 0 0 2 1 y x 8 0 2 2
6 4 u 2 0
系统为一个两输入两输出系统
零极点模型实际上是传递函数模型的另一种表现形 式，其原理是分别对原系统传递函数的分子、分母进 行分解因式处理，以获得系统的零点和极点的表示形 式。 在MATLAB中零极点增益模型用[Z,P,K]矢量组表示。 即： Z=[z1,z2,…,zm] P=[p1,p2,...,pn] K=[k]
• 部分分式形式
可见，微分方程形式的模型和传递函数模型是一致的
3 2 12 s 24 s 20 举例：传递函数描述 1） G( s ) 2s 4 4s 3 6s 2 2s 2
》num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2];
4( s 2)( s 2 6s 6)2 2） G( s ) s( s 1)3 ( s 3 3s 2 2s 5)
• 在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式 有：微分方程模型、传递函数模型（系统的外 部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、 零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型 之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。 • 微分方程模型是控制系统模型的基础，一般来 讲，利用机械学、电学、力学等物理规律，便 可以得到控制系统的动态方程，这些方程对于 线性定常连续系统而言是一种常系数的线性微 分方程。
ss2tf
状态空间SS 传递函数tf
zp2ss
tf2ss ss2zp zp2tf tf2zp
零极点ZP
residue
极点留数
用法举例： 2s 3 9s 1 1）部分分式展开： G( s ) 3 s s 2 4s 4 》num=[2,0,9,1]; 》den=[1,1,4,4]; [r,p,k]=residue(num,den) p= 》 r= 0.0000-0.2500i 0.0000+0.2500i -2.0000 0.0000+2.0000i 0.0000-2.0000i -1.0000
rn r1 r2 G( s) h( s ) s p1 s p 2 s pn
在MATLAB中部分分式模型用[R,P,H]矢量组表示。 即：R=[r1,r2,…,rn] P=[p1,p2,...,pn] H=[h0,h1,…,h ]
• 状态方程形式
Ax Bu x y Cx Du
• 传递函数形式
b1 s m b2 s m1 bm s bm1 G( s) n s a1 s n 1 a 2 s n 2 a n 1 s a n
系统在MATLAB中可以方便地由分子和分母系 数 构成 的两个向量 唯一地确定出来，这两个向量分 别用num和den表示。 num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[1,a1,…,an-1,an] 注意：它们都是按s的降幂进行排列的。
借助多项式乘法函数 conv 来处理： 》num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6])); 》den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1], [1,3,2,5]))));
• 零极点增益形式
( s z1 )( s z 2 ) ( s z m ) G( s) K ( s p1 )( s p 2 ) ( s p n )
》A=[1 6 9 10; 3 12 6 8; 4 7 9 11; 5 12 13 14]; 》B=[4 6; 2 4; 2 2; 1 0]; 》C=[0 0 2 1; 8 0 2 2]; 》D=zeros(2,2);
1.2 模型的转换与连接
1.2.1 模型的转换 • 模型转换的函数包括： residue：传递函数模型与部分分式模型互换 ss2tf： 状态空间模型转换为传递函数模型 ss2zp： 状态空间模型转换为零极点增益模型 tf2ss： 传递函数模型转换为状态空间模型 tf2zp： 传递函数模型转换为零极点增益模型 zp2ss： 零极点增益模型转换为状态空间模型 zp2tf： 零极点增益模型转换为传递函数模型