MATLAB - 第六章 - 线性系统的计算机辅助分析.ppt

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1、线性控制系统的计算机辅助分析7/21/20211控制系统的数学描述与建模7/21/20212在线性系统理论中,一般常用的数学模型形式有:系统的外部模型微分方程模型传递函数模型零极点增益模型部分分式模型系统的内部模型状态方程模型,系统仿真中常常使用此类模型这些模型之间有内在的联系,可以相互进行转换。7/21/20213线性定常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

2、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。7/21/20214线性定常连续系统的微分方程模型通过拉氏变换和反变换,可以得到线性定常系统的解析解,这种方法通常只适用于常系数的线性微分方程解析解是精确的,然而通常寻找解析解是困难的。MATLAB提供了ode23、ode45等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。7/21/20215控制系统的数学模型时域模型—微分方程复域模型—传递函数7/21/20216

3、线性部件的微分方程先建立部件(环节)的微分方程然后建立控制系统的微分方程微分方程是系统所遵循的运动规律直接得出的时域由各变量的关系式。建立模型的方法根据不同系统(电、力、热等)所遵循的运动或变化规律列写方程。7/21/20217线性定常连续系统的微分方程模型举例exp3_1.m电路图如下,R=1.4欧,L=2亨,C=0.32法,初始状态:电感电流为零,电容电压为0.5V,t=0时刻接入1V的电压,求0

4、L变换(2)单位阶跃(5)指数函数(1)单位脉冲(3)单位斜坡(4)单位加速度(6)正弦函数(7)余弦函数7/21/20219微分方程一般形式:L:设初始条件为07/21/202110传递函数描述一、连续系统的传递函数模型连续系统的传递函数如下:对线性定常系统,式中s的系数均为常数,且a1不等于零,这时系统在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=[a1,a2,…,an,an+1]注意:它

5、们都是按s的降幂进行排列的。7/21/202111二、零极点增益模型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。K为系统增益,zi为零点,pj为极点在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]函数tf2zp()可以用来求传递函数的零极点和增益。7/21/202112三、部分分式展开控制系统常用到并联系统,这时就要对系统函数

6、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,以及把传函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。若分子多项式阶次与分母多项式相等,k为标量,若小于,该项不存在。[b,a]=residue(r,p,k)可以将部分分式转化为多项式比p(s)/q(s)。7/21/202113举例传递函数描述1)》num=[12,24,0,20];den=[24

7、622];2)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]))));7/21/2021142.零极点增益模型》num=[1,11,30,0];》den=[1,9,45,87,50];》[z,p,k]=tf2zp(num,den)结果表达式:z=0-6-5p=-3.0000+4.0000i-3.0000-4.0000i-

8、2.0000-1.0000k=17/21/2021153.部分分式展开》num=[2,0,9,1];》den=[1,1,4,4];》[r,p,k]=residue(num,den)结果表达式:p=0.0000+2.0000i0.0000-2.0000i-1.0000k=2r=0.0000-0.2500i0.0000+0.2500i-2.00007/21/202116内部模型一、研究控制系统的两种方法1、建立在传递函数基础上的经典控制理论,其

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