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控制系统的数学模型

时间:03-17 来源:互联网 点击:

为了确定输入-输出关系,可以采用梅逊公式。这个公式后面将要介绍。也可以将信号流图简化成只包含输出和输入节点的形式。为了进行这种简化,需采用下列规则:

1. 如图2-10(a)所示,只有一个输出支路的节点的值为x2=ax1。
2. 串联支路的总传输,等于所有支路传输的乘积。因此,通过传输相乘,可以将串联支路合并为单一支路,如图2-10(b)所示。
3. 通过传输相加,可以将并联支路合并为单一支路,如图2-10(c)所示。
4. 混合节点可以消掉,如图2-10(d)所示。
5. 回路可以消掉,如图2-10(e)所示。


图2-10信号流图及其简化

梅逊公式 用梅逊公式可以直接求信号流图的传输。表示为

(2-18)

式中,Pk=第k条前向通道的通道增益或传输;

Δ=流图的特征式
=1-(所有不同回路的增益之和)+(每两个互不接触回路增益乘积之和)
-(每三个互不接触回路增益乘积之和)+…


Δk=在除去与第k条前向通道相接触的回路的流图中,第k条前向通道特征式的余因子。

总之,熟悉了梅逊公式之后,根据它去求解系统的传输,远比用方块图变换方法简便有效,对于复杂的多环系统和多输入、多输出系统尤其明显。因此,信号流图得到了广泛的实际应用,并常用于控制系统的计算机辅助设计。

例2-4 将图2-11所示的系统方框图化为信号流图之。求系统传递函数C(s)/R(s)。

图2-11 多回路系统
图2-12 图2-11所示系统的信号流图

在这个系统中,输入量R(s)和输出量C(s)之间,只有一条前向通道。前向通道的增益为
P1=G1G2G3
从图2-12可以看出,这里有三个单独的回路。这些回路的增益为


L1=G1G2H1
L2=-G2G3H2
L3=-G1G2G3

应当指出,因为所有三个回路具有一条公共支路,所以这里没有不接触的回路。因此,特征式Δ为
Δ=1-(L1+L2+L3)
=1-G1G2H1+G2G3H2+G1G2G3
沿联接输入节点和输出节点的前向通道,特征式的作因子Δ1,可以通过除去与该通道接触的回路的方法而得到。因为通道P1与三个回路都接触,所以得到
Δ1=1
因此,输入量R(s)和输出量C(s)之间的总增益,或闭环传递函数为

这与通过方块图简化所得到的闭环传递函数完全相同。这样,利用梅逊公式,不必对流图进行简化,就能够求得总增益C(s)/R(s)。

例2-5 根据梅逊公式求图2-13的信号流图的总传输。

图2-13 例2-5中系统的信号流图

解 此系统有六个回环,即ab、cd、ef、ij和kfdb,因此

两个互不接触的回环有七种组合,即abef、abgh、abij、cdgh、cdij、efij及kfdbij,所以

三个互不接触的回环只有ab、ef和ij,故

由此可求特征式

从源点到阱点有两条前向通道。一条为acegi,它与所有的回环均有接触,因此
P1=acegi
Δ1=1


另一条前向通道为kgi它不与回环cd接触,所以
P2=kgi
Δ2=1-cd


将以上结果代入式(2-18),可得总传输

例2-6 已知RC电路如图2-14所示,请画出其结构图。

图2-14 例2-6题图

解:根据电路的特性,由图可知

中间回路:

(2-21)

由(2-19)式知:

(2-22)

由(2-21)式知:

(2-23)

由(2-20)式知:

(2-24)

则由(2-22)、(2-23)、(2-24)式求出结构图如下:

图2-15 系统结构图

在这一类系统结构图的求解过程中,需要注意的是,其解不是唯一的。

状态空间模型的简介

状态空间分析法是现代控制理论的基础,不仅可以描述系统的输入输出之间的关系,而且还可以描述系统的内部特性,是一种内部描述,特别适用于多输入多输出系统,也适用于时变系统、非线性系统和随机控制系统,它采用状态空间表达式作为描述系统的数学模型。是对系统的一种完全描述。

2.7.1 状态、状态变量及状态空间方程

这里介绍有关状态、状态变量及状态空间方程等的基本概念。

1. 状态 动态系统的状态是系统的最小一组变量(称为状态变量),只要知道了在t=t0时的一组变量和t3t0时的输入量,就能够完全确定系统在任何t3t0时刻的行为。
2. 状态变量 动态系统的状态变量是确定动态系统状态的最小一组变量。如果至少需要n个变量x1,x2,××× ,xn才能完全描述动态系统的行为(即一旦给出t3t0时的输入量,并且给定t=t0时的初始状态,就可以完全确定系统的未来状态),则这个变量就是一组状态变量。
3. 状态向量 如果完全描述一个给定系统的行为需要n个状态变量,那么这n个状态变量可以看作是向量X的n个分量,该向量就称为状态向量。因此,状态向量也是一种向量,一旦t=t0时的状态给定,并且给出t3t0时的输入量U(t),则任意时间t3t0时的系统状态X(t)便可以唯一地确定。
4. 状态空间 由x1轴,x2轴,××× ,xn轴所组成的n维空间称为状态空间。任何状态都可以用状态空间中的一点来表示。
5. 状态方程 用状态变量描述系统的动态方程。

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