系统数学模型及其相互转换.ppt

第二章 系统数学模型及其相互转换2.1 连续系统的数学模型…………………………….2.2 实现问题………………………………………….2.3 从系统结构图向状态方程的转换……………….2.4 连续系统的离散化方程………………………….本章小结……………………………………………….第二章 系统数学模型及其相互转换退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换4. 结构图表示1.微分方程2.传递函数3. 状态空间常用的连续系统数学模型有以下种2.1连续系统的数学模型退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换1. 微分方程（2-1）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换2. 传递函数（2-2）设系统的传递函数为则有（2-4）（2-3）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换3. 状态空间（2-5）为描述系统的内部特征，引入状态变量向量X表示动态系统的状态退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换结构图4. 结构图表示比较直观，对单输入单输出线性系统可通过结构图变换很容易的传递函数；而对多输入多输出或具有非线性环节的系统也可以通过面向结构图仿真方法得到系统的动态特征。

如图2-1为线性系统的结构图.1K2F1K1+-u图2-1 系统的结构图退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换1. 可控标准型2.2 2.2 实现问题实现问题和取拉氏反变换，可得将（2-22）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换取状态变量 为便可得到可控标准型退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换其中退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换2. 可观标准型若取一组状态变量（2-26）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换写成矩阵形式为其中 （2-27）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换3. 对角标准型 若传递函数的特征方程（2-29）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换设设 （2-30）（2-31）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换重根4. 约当标准型式中若传递函数的特征方程有 ，其部分分式展开比较复杂，下面用一个例子来说明2-32）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换令（2-33）（2-34）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换其中退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换1. 系统模拟结构图转换为状态方程+y图 2－1 系统的动态结构图2.3 2.3 从系统结构图向状态方程的转换从系统结构图向状态方程的转换所谓模拟结构图，就是将整个系统的动态环节全部用积分环节及比 例环节来表示。

采用这种方法，首先要将结构图变换成模拟结构图的形 式，然后根据积分环节选择状态变量积分环节的个数便为状态方程的 阶数，由各环节连接关系可方便地得到和输出方程退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换首先将图2-1系统转换为模拟结构图的图形，如下所示＋＋－－－－图2-2 系统模结构拟图若选取每个积分环节的输入为ui，输出为xi则各积分环节的微分方程为退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换（2-35）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换若用矩阵表示，则有（2-36）（2-37）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换式中上式是一个典型的状态方程由图2-2可见，输出量 ,于是输出方程（2-38）（2-39）式中退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换1. 状态方程的离散化2.4 2.4 连续系统的离散化方程连续系统的离散化方程假设连续系统的状态方程为保持器 TTux图2-5 采样控制系统结构图（2-50）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换（2-52）（2-55）（2-54）（2-53）对n及n+1两个依次相连的采样（2-54）减去（2-53）式与 之积后得退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换将上式右边积分进行变量代换，即令 ，则得式中（2-56）（2-58）（2-57）令两次采样点间输入量表示为退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换2. 传递函数的离散化保持器 G（s）Tuy T图2-6 连续系统的离散化（2-59）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换保持器的传递函数 脉冲传递函数 零阶：一阶：三角形：若选择不同的保持器，则可有不同的G（z）。

表2-1 不同保持器的G（Z）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换图2-7 加二次虚拟采样器的离散化（a）（b）G（s）G（s）TTTTT（2-60）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换举例说明其使用方法举例说明其使用方法例例 若 则根据表2-1，当加零阶保持器时，可得所以得差分方程为也可根据（2-60）式来求G(z)：其对应差分方程为（2-62）（2-61）退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换（2） 当仅仅研究先行系统输入－输出关系时，可用传递函数所 谓传递函数，时当物理系统的所有初始值为零时，其输出和输入 拉普拉斯变换之比为了便于使用面向一阶微分方程的仿真程序, 就是必要研究根据已知的系统传递函数求其显影的状态空间表达 式，即实现问题，只得读者注意的是，实现问题不是唯一的本章小结本章小结（1） 一个物理系统可以用任意阶微分方程来描述，经适当地选一个物理系统可以用任意阶微分方程来描述，经适当地选择变量还可以用一阶微分方程组来表示；而微分方程数值解能处择变量还可以用一阶微分方程组来表示；而微分方程数值解能处 理地示一阶微分方程组。

应此本章研究地重点是将物理系统的数理地示一阶微分方程组应此本章研究地重点是将物理系统的数 学描述转换为一阶微分方程组对先行系统就是求其状态空间表学描述转换为一阶微分方程组对先行系统就是求其状态空间表 达式退出返回主菜单第二章 系统数学模型及其相互转换（4） 离散时间系统在仿真技术中扮演者重要角色因此本离散时间系统在仿真技术中扮演者重要角色因此本章也将连续系统的离散化方法作为一个重点，扼要地介绍了章也将连续系统的离散化方法作为一个重点，扼要地介绍了 状态方程和传递函数地差分方程求法状态方程和传递函数地差分方程求法3） 在系统设计和分析过程中，经常遇到的是已知系统的结在系统设计和分析过程中，经常遇到的是已知系统的结构图，要求研究系统中某个或某些参数的变化对系统的影响构图，要求研究系统中某个或某些参数的变化对系统的影响 本章研究的内容之一，就是对系统结构图不作简单化而直接写本章研究的内容之一，就是对系统结构图不作简单化而直接写 出对应的状态空间表达式出对应的状态空间表达式本章小结本章小结。