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学习笔记 -《自动控制原理与设计》.pdf
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更新于2023-03-03
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《自动控制原理与设计》第六版学习笔记,第 2 章 动态模型, 第 3 章 动态响应, 第 4 章 反馈分析的基本概念, 第 6 章 频率响应设计法
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第 2 章 动态模型
2.1 机械系统动力学(补全)
2.1.1 平移运动
使用牛顿定律可以求取机械系统的数学模型和运动方程:
(1)F 是系统所有受力矢量和,单位是牛顿(N)
(2)a 是系统所有相对惯性系的惯性加速度矢量和,单位是
(3)m 是物体质量,单位 kg
在国际单位中,1N 的力可以让 1kg 物体长生
的加速度。常用物体重量 mg 来表示物
体质量
例 2.1 平动模型
质量为 m 的物体收到拉力 F 作用向前运动,速度为 v,位移为 x,摩擦力系数为 b。
m
拉力F摩擦阻力f=bv
位移x
速度v
(1)从输入 F 到输出 v 的传递函数
物体的加速度为
,摩擦阻力为,则由牛顿定律有
从输入 F 到输出 v 的微分方程为
从输入 F 到输出 v 的传递函数
(2)从输入 F 到输出 x 的传递函数
物体的加速度为
,速度
,摩擦阻力为,则由牛顿定律有
从输入 F 到输出 x 的微分方程为
从输入 F 到输出 x 的传递函数
例 2.2 悬挂模型
2.1.2 旋转运动
在旋转运动中的牛顿定律为:
(1)M 是物体相对质量中心的所有外力矩矢量和,单位是牛顿.米( )
(2)是物体相对质心的角加速度,单位是
(3)J 是物体相对质心的转动惯量,单位
。
推到刚体的运动方程总结:
1 . 分配变量,如位移 x,角度θ,变量必须能够有效的描述物体的任意位置
2 . 画出每个元件的自由体受力图,包含所有作用力及方向,质心对惯性参考系的加速度
3 . 应用牛顿定律,选择使用平移运动 F=ma,或者旋转运动 M=Jα
4 . 联立各方程,消去内部作用力,独立方程个数和未知量个数应该相等
2.2 电路模型
1.基尔霍夫电流定律(KCL):流出一个节点的电流代数和等于流入这个节点的电流代数和
2.基尔霍夫电压定律(KVL):在电路中环绕一个闭合回路一周的所有电压代数和为 0
项目
时域方程
拉氏变换
传递函数
复数阻抗
电阻负载
电感负载
电容负载
2.3 机电系统模型
1.如果 I 安培的电流流过长 L 的导线,并与磁场成直角的放置在磁通密度为 B 特斯拉的磁场
中,那么导线受到与(I,B)平面垂直的安培力作用,大小为 F=BLI,单位 N
2.如果长度为 L 的导线在磁通密度为 B 特斯拉的磁场中移动,速度为 v m/s,方向和 B 垂直,
则导线产生电动势,大小为 U=BLv,单位 V
例 2.13 直流电动机建模
如下图,电机绕组电阻为 Ra,绕组电感为 La,反电动势系数为 Ke,转矩系数为 Kt,电机
轴端转动惯量为 Jm,粘滞摩擦系数为 b。
输入:电压 Ua,
输出:电流 ia,电磁转矩 Te,转动角度θ,转动速度ω,角加速度为α
电机的电压平衡方程为:
电机的转矩方程:
电机的运动方程:
1.从输入电压 Ua 到输出电流 ia 的传递函数
电气参数变化很快,机械运动相对很慢,可以简化ω=0,则电压平衡方程简化为
从输入电压 Ua 到输出电流 ia 的传递函数
是电气时间常数,
为电机增益
2. 从输入电压 Ua 到输出转速ω的传递函数
化简得到从输入电压 Ua 到输出转速ω的传递函数
ω
一般
很小,可以忽略,传递函数可以简化为
ω
是机电时间常数,
为电机增益
3. 从输入电压 Ua 到输出角度θ的传递函数
对
积分得到可得到θ,即θ
化简得到从输入电压 Ua 到输出角度θ的传递函数
是机电时间常数,
为电机增益
4. 从输入电流 ia 到输出转速ω的传递函数
ω
5. 从输入电流 ia 到输出角度θ的传递函数
ω
第 3 章 动态响应
简介
研究系统动态响应的三个领域:(1)s 平面,(2)频率响应,(3)状态空间
3.1 拉普拉斯变换回顾
线性时不变系统(LTI)的两个性质
(1)线性时不变系统满足叠加原理。
(2)线性时不变系统的响应可以表示为输入与系统单位脉冲相应的卷积。
3.1.1 卷积响应
叠加原理:如果系统的输入可以表示为一系列信号之和,那么系统的响应也可以表示为各个
信号单独作用于系统的响应之和。
u(t) = u1(t) + u2(t) + u3(t) + ……,y(t) = y1(t) + y2(t) + y3(t) + ……
如果一个系统是时不变的,那么 A*y(t-τ)是输入 A*u(t-τ)的响应,即输入延迟了τ秒,输出也
会延迟τ秒;输入放大了 A 倍,输出也放大了 A 倍
单位脉冲信号:
,
,
,性质
单位脉冲函数的刷选性质:如果 f(t)在 t = τ点连续,则
任何信号 u(t)都可以由无数脉冲信号 u(τ)δ(t-τ)叠加组成,那么系统的输出 y(t)由一系列的脉
冲响应 u(τ)h(t-τ) 叠加组成,用积分表示
,这就是卷积积分。如果
令τ = t-τ,则得到,
,关于脉冲信号强度 u(t-τ)函数的积分,也就
是刻输入信号 u(t) 在 t 时的输出取决于经过时间(0~t 的时间间隔)的脉冲响应和输入的卷积。
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