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文檔簡介
,CH2MathematicalModeling
Thischapteraimstodevelop:
MathematicalModels->SystemAnalysis->SystemDesign
1.Mathematicalmodels
Amathematicalmodelisthedescriptionof
relationshipsamongthevariablesincontrolsystems,
anditcanmanydifferentformssuchaslookuptables,
differential/differenceequationsetc.
i
?Staticmodels:instaticconditions(allordersofderivatives
=0),thefunctionamongthevariablesdoesnotchangewith
time,usuallyrepresentedbyalgebraicequations.
?Dynamicmodels:thefunctionchangeswithtime,usually
representedbydifferentialordifferenceequations.
2.ModelingMethods
-->
-今SystemIdentification
.ModelRepresentations
■T'ixfilDTTifiiffierential/Differenceequation,statespace
?nsferfunction,Blockdiagram,signalflow
■FrequSsnsaFrequencyresponsefunction
2
Inthischapter:
■TimeDomainModels(Differentialequation)
■FrequencyDomainModels(Transferfunction)
■JBlockDiagram
■JSignalFlow
TimeDomainModels
Inthissection:
■Differentialequationsforlinearsystems
■Obtaindifferentialequations
■Solutiontodifferentialequations
■Superpositionprincipleforlinearsystems
■Linearizationofnonlineardifferentialequations
■Motionmodes
4
1TimeDomainModels
Ex2-l.lMass-Spring-DamperSystem
Input:r(t)
Output:y
Newton'sLawofMotion:
r(l)
5
1TimeDomainModels
Ex2-1.2RLCPassiveNetwork
LROInputVoltage:監。)
o—■
OutputVoltage:Uo(t)
二〃。(,)
KirchhoffTheorem:
o--------------------
RLCNetwork0di(t)1r
dt"
r+Ri(t)=u(J)
=才J力’
getridof?),input-outputfunctionisobtainedas:
…d2U(t)ncduc⑴/、/、
LC-------n---4-RC--------4-u(/)=〃/⑺
dt2dto
6
E
Ex2-1.3MotorControl
7
Et^Rme_DomairrModefe
8
E
iHRme_DomairrModefs
9
JHRme_DomatnModels
First-ordersystem
10
E
2ObtainDifferentialEquations
Stepstosetupdifferentialequations:
1.Analyzeprinciples,drawblockdiagram
2.Setupdifferentialequationforeachcomponent
3.Getridofintermediatevariables
4.Writeintoinput-outputformat
ii
E
2ObtainDifferentialEquations
Ex2-1.4(Bookexample2-5)
12
E
2ObtainDifferentialEquations
AmplifierI:
AmplifierII:
PowerAmplifier:
Motor:
Gearbox:
MeteringMotor:
WriteinStandardForm:
13
E
SimilarityPrinciple
Similarsystem:differentsystemswithsameDE
Similarvariable:possesssimilarroleinDE
MechanicalElectricalHydroThermal
SystemSystemSystemSystem
0
VelocityvIQh
ResistancefRRR
SpringCoef.KCCC
MassmL
14
E
----3SuperpositiorrPrincipte
r(060)
r
i(。+々(,)Cx(/)+°2(t)---superposition
”(t)Ac^(,)——homogeneity
Linearsystem:systemwithsuperpositionandhomogeneity
E
4SolutiontoDifferentialEquation
SolvingLTIdifferentialequationsusingLaplace
approach:
TakeLaplacetransformforeachterminequation(payclose
attentiontoinitialconditions);
ObtainLaplacetransferfunctionsfi*omtheresultingalgebraic
equation;
TakeinverseLaplacetransformfbroutputtoobtainitstime
domainrepresentation.Thisisexactlythesolution.
E
4SolutiontoDifferentialEquation
Ex2-1.5(Bookexample2-6)
2
du(t)dun(t)/、/、
<dt2dt°八
luO(0)=0.1,z(0)=0.1,〃1.⑺=1(。
TakeLaplacetransformonbothside:
2
L[o-oo-i1oooi
sU(s)su(G)u(0)+[sU(s)-u(0)>U(s)
17
4SolutiontoDifferentialEquation
n/x_U八s)s〃j(0)+%(0)+〃°(0)
'X『+S+1+/+s+i
10.15+0.2
——|—
2
s(sS1)§2+s+1
++
1O.k+O.2
%(%)=£ik(s)]=L+
S(S9+5+1)S9+5+1
=1+1.5"°5'sin(0.866,一1200)+0.2。一°”sin(0.866/+30°)
ZeroinitialresponseZeroinputresponse
UnityStepResponse
E
5LinearizationMethod
Tangentialorsmallperturbationmethod:
EquilibriumA(x0,y0)Taylorexpansion:
y\dx)
>=/(%)=/(%)+(x一%)
A
+1(d2f(x)\
-o2+
2!d£7(xx)
/xo
機x)
ox/'(%)+(x一%)
xoXIdt4
y-y=\可3
(x-xo)A=A
°I\d;t)
yKx
19
E
-5LinearizationMethod
Ex2-1.6SinglePendulumModel
Torqueonmass:
T=MgLsin0
T.,dsin?
??T-TxMgL(9-0o)
odid0
e=O,T。=)
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