Rel第4章控制系统数学模型描述

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1、第四章控制系统数学模型的描述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。在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：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。按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常

2、系统和时变系统；确定系统和不确定系统。按控制目标分：定值系统和随动系统1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。我们讨论的系统主要以线性连续定常(时不变）系统（LTI）为主。2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。4、随动系统：仿形加工，跟踪系统（循迹、清淤、雷达）4.1控制系统的分类4.2线性连续定常系统描述一、LTI线

3、性连续系统的微分方程模型微分方程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。如果已知输入量及变量的初始条件，对微分方程进行求解，就可以得到系统输出量的表达式，并由此对系统进行性能分析。通过拉氏变换和反变换，可以得到线性定常系统的解析解，这种方法通常。然而通常寻找解析解是困难的。MATLAB提供了微分方程的数值解法函数，不仅适用于线性定常系统，也适用于非线性及时变系统。例电路图如下，R=1.4欧，C=0.32法，

4、初始状态：电流i（t）为零，电容电压u（t）为0V，t=0时刻接通电压r（t），求出系统微分方程和传递函数。微分方程把上述公式中的u换成c表示，则有连续系统的微分方程模型一般形式如下：式中a,b为实常数，m<=n对微分方程（3）两端做Laplace变换（参见下表）求得传递函数二、连续系统的传递函数模型把上述推导传递函数公式中的U换成C表示，则有注意：1.式中正斜两种字体C和R的含义是不同的;2.T=RC=1.4x0.32=0.448对线性定常系统，式中s的系数均为常数，且a0不等于零，这时系统在MATLAB中可以方便地由

5、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=[b0,b1,…,bm-1,bm]（numerator）den=[a0,a1,…,an-1,an]（denominator）注意：1.它们都是按s的降幂进行排列的。2.分子分母都是多项式的形式简称为tf型连续系统LTI的传递函数模型一般形式如下：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

6、表示。即：z=[z1,z2,…,zm]p=[p1,p2,...,pn]k=[k]注意：分子分母都是因式相乘的形式简称为zpk型三、零极点增益模型k为系统增益，zi为零点，pj为极点控制系统常用到并联系统，这时就要对系统函数进行分解，使其表现为一些基本控制单元的和的形式。函数[r,p,k]=residue(b,a)对两个多项式的比进行部分展开，以及把传递函数分解为微分单元的形式。向量b和a是按s的降幂排列的多项式系数。部分分式展开后，余数返回到向量r，极点返回到列向量p，常数项返回到k。[b,a]=residue(r,p,

7、k)可以将部分分式转化为多项式之比p(s)/q(s)。（与residue(b,a)互为逆转换）residue数学术语-余数、留数。部分分式形式可简称为rpk型。注意！勿与zpk型混淆。四、部分分式展开状态方程与输出方程的组合称为状态空间表达式，又称为动态方程，经典控制理论用传递函数将输入—输出关系表达出来，而现代控制理论则用状态方程和输出方程来表达输入—输出关系，揭示了系统内部状态对系统性能的影响。u-输入变量，y-输出变量，x-状态变量五、状态空间模型在MATLAB中，系统状态空间用（A,B,C,D)矩阵组表示。常用格

8、式：sys=ss(a,b,c,d)对应A,B,C,Dsys=ss(a,b,c,d,’Pt1’,Val1,’Pt2’,Val2….)状态空间模型一般简称为SS型六、传递函数描述综合例1）分子分母多项式型用tf函数来处理》num=[12,24,0,20];》den=[24622];》sys=tf（num，den）2）零极