线性控制系统课件Module4(免费)
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线性控制系统课件
变量中线性无关的一个极大变量组,也即x1(t), x2(t),
…, xn(t)以外的系统内部变量都必和它们线性相关。
(3) 状态变量组的不唯一性 对一个动态系统,状态变量组 x1(t), x2(t),…, xn(t)的
选取一般具有不唯一性。导致不唯一性的原因在于
系统内部变量的个数一般必大于状态的维数 n, 而任
增加行为表征的信息量即是完全表征系统行为所不需要
的。
(6) 有穷维系统和无穷维系统
动态系统的维数定义为其状态的维数。用 Σ表示系
统,x 表示系统的状态,n=dim x 为状态的维数,则有
dim Σ = dim x = n.
若维数 n 为有穷正整数,称相应系统为有穷维系统 物理上一切集中参数系统都属于有穷维系统;若维数 n为无穷大,称相应系统为无穷维系统,物理上一切分 布参数系统属于无穷维系统。
t t0
(3.9)
y1 g1 ( x1 , , xn ; u1 , , u p ; t ) y2 g 2 ( x1 , , xn ; u1 , , u p ; t ) , y g (x , , x ;u , , u ;t) q 1 n 1 p q
那么,进而可将式(3.4)表为向量方程,
x = Py
(3.5)
同理,通过将 yi (i=1,2, …,n) 表为 xi (i=1,2, …, n) 的一个线性组合,可得到对应的向量方程,
y = Qx
(3.6)
其中,Q为参数矩阵。由式(3.5)和(3.6)可得,
x = PQx, y = QPy
这表明,成立:
。
d 2 y(t ) 1 dy(t ) 1 1 y(t ) u (t ) 2 RC dt LC RLC dt
…, xn(t)以外的系统内部变量都必和它们线性相关。
(3) 状态变量组的不唯一性 对一个动态系统,状态变量组 x1(t), x2(t),…, xn(t)的
选取一般具有不唯一性。导致不唯一性的原因在于
系统内部变量的个数一般必大于状态的维数 n, 而任
增加行为表征的信息量即是完全表征系统行为所不需要
的。
(6) 有穷维系统和无穷维系统
动态系统的维数定义为其状态的维数。用 Σ表示系
统,x 表示系统的状态,n=dim x 为状态的维数,则有
dim Σ = dim x = n.
若维数 n 为有穷正整数,称相应系统为有穷维系统 物理上一切集中参数系统都属于有穷维系统;若维数 n为无穷大,称相应系统为无穷维系统,物理上一切分 布参数系统属于无穷维系统。
t t0
(3.9)
y1 g1 ( x1 , , xn ; u1 , , u p ; t ) y2 g 2 ( x1 , , xn ; u1 , , u p ; t ) , y g (x , , x ;u , , u ;t) q 1 n 1 p q
那么,进而可将式(3.4)表为向量方程,
x = Py
(3.5)
同理,通过将 yi (i=1,2, …,n) 表为 xi (i=1,2, …, n) 的一个线性组合,可得到对应的向量方程,
y = Qx
(3.6)
其中,Q为参数矩阵。由式(3.5)和(3.6)可得,
x = PQx, y = QPy
这表明,成立:
。
d 2 y(t ) 1 dy(t ) 1 1 y(t ) u (t ) 2 RC dt LC RLC dt
4.1线性控制系统课件
2 1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
6.白噪声函数
u (t ) ∽N(0,b)
对于任意 t 大于等于0, u (t )是高斯随机过程, 该函数常常用于刻画系统噪声和测量噪声。
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
0
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10
二. 动态性能与稳态性能
0,t 0 (t ) , ,t 0
-
(t)dt 1
通过脉冲响应的分析可以确定系统的模型。
5. 正弦函数 u(t ) A sin(t )
其中A为幅值,ω为角频率,φ为初始相角。 正弦函数在研究系统的频率响应时将是重 要的输入函数。
例4.1 设单位反馈控制系统的开环传递函数为 G(s) 1 / Ts,求当
r (t ) sin wt 时控制系统的稳态误差。
解: 因为 E (s)
1 R( s ) 1 G( s)
例4.1 设单位反馈控制系统的开环传递函数为 G(s) 1 / Ts,求当
r (t ) sin wt 时控制系统的稳态误差。 1 ws 解: 因为 E (s) R( s ) 1 G( s) ( s 1/ T )( s 2 w2 )
可得 E(s) R(s) /(1 G(s) H (s)) 由Laplace变换的性质,易知
ess lim e(t ) lim L-1 [E( s)] lim L-1 ( R( s) /(1 G( s) H ( s)))
1
0.5
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6.白噪声函数
u (t ) ∽N(0,b)
对于任意 t 大于等于0, u (t )是高斯随机过程, 该函数常常用于刻画系统噪声和测量噪声。
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二. 动态性能与稳态性能
0,t 0 (t ) , ,t 0
-
(t)dt 1
通过脉冲响应的分析可以确定系统的模型。
5. 正弦函数 u(t ) A sin(t )
其中A为幅值,ω为角频率,φ为初始相角。 正弦函数在研究系统的频率响应时将是重 要的输入函数。
例4.1 设单位反馈控制系统的开环传递函数为 G(s) 1 / Ts,求当
r (t ) sin wt 时控制系统的稳态误差。
解: 因为 E (s)
1 R( s ) 1 G( s)
例4.1 设单位反馈控制系统的开环传递函数为 G(s) 1 / Ts,求当
r (t ) sin wt 时控制系统的稳态误差。 1 ws 解: 因为 E (s) R( s ) 1 G( s) ( s 1/ T )( s 2 w2 )
可得 E(s) R(s) /(1 G(s) H (s)) 由Laplace变换的性质,易知
ess lim e(t ) lim L-1 [E( s)] lim L-1 ( R( s) /(1 G( s) H ( s)))
《线性系统》课件
NG
线性系统的控制目标
01
02
03
04
稳定性
确保系统在受到扰动后能够恢 复稳定状态。
跟踪性能
使系统输出能够跟踪给定的参 考信号。
抗干扰性
减小外部干扰对系统输出的影 响。
优化性能指标
最小化系统性能指标,如误差 、超调量等。
线性系统的控制设计方法
状态反馈控制
基于系统状态变量进行 反馈控制,实现最优控
稳定性分析
利用劳斯-赫尔维茨稳定判据等 工具,分析系统的稳定性。
最优性能分析
通过求解最优控制问题,了解 系统在最优控制下的性能表现
。
2023
PART 06
线性系统的应用实例
REPORTING
线性系统在机械工程中的应用
总结词
广泛应用、控制精度高
详细描述
线性系统在机械工程中有着广泛的应用,如数控机床、机器人、自动化生产线等。这些系统通过线性 控制理论进行设计,可以实现高精度的位置控制、速度控制和加速度控制,提高生产效率和产品质量 。
时域分析法
通过求解线性常微分方程或差分 方程,可以得到系统的动态响应
,包括瞬态响应和稳态响应。
频域分析法
通过分析系统的频率响应函数,可 以得到系统在不同频率下的动态响 应特性。
状态空间分析法
通过建立系统的状态方程和输出方 程,利用计算机仿真技术对系统的 动态响应进行模拟和分析。
2023
PART 05
2023
PART 02
线性系统的数学模型
REPORTING
线性系统的微分方程
总结词
描述线性系统动态行为的数学方程
详细描述
线性系统的微分方程是描述系统状态随时间变化的数学模型,通常采用常微分 方程或差分方程的形式。这些方程反映了系统内部变量之间的关系及其对时间 的变化规律。
线性系统的控制目标
01
02
03
04
稳定性
确保系统在受到扰动后能够恢 复稳定状态。
跟踪性能
使系统输出能够跟踪给定的参 考信号。
抗干扰性
减小外部干扰对系统输出的影 响。
优化性能指标
最小化系统性能指标,如误差 、超调量等。
线性系统的控制设计方法
状态反馈控制
基于系统状态变量进行 反馈控制,实现最优控
稳定性分析
利用劳斯-赫尔维茨稳定判据等 工具,分析系统的稳定性。
最优性能分析
通过求解最优控制问题,了解 系统在最优控制下的性能表现
。
2023
PART 06
线性系统的应用实例
REPORTING
线性系统在机械工程中的应用
总结词
广泛应用、控制精度高
详细描述
线性系统在机械工程中有着广泛的应用,如数控机床、机器人、自动化生产线等。这些系统通过线性 控制理论进行设计,可以实现高精度的位置控制、速度控制和加速度控制,提高生产效率和产品质量 。
时域分析法
通过求解线性常微分方程或差分 方程,可以得到系统的动态响应
,包括瞬态响应和稳态响应。
频域分析法
通过分析系统的频率响应函数,可 以得到系统在不同频率下的动态响 应特性。
状态空间分析法
通过建立系统的状态方程和输出方 程,利用计算机仿真技术对系统的 动态响应进行模拟和分析。
2023
PART 05
2023
PART 02
线性系统的数学模型
REPORTING
线性系统的微分方程
总结词
描述线性系统动态行为的数学方程
详细描述
线性系统的微分方程是描述系统状态随时间变化的数学模型,通常采用常微分 方程或差分方程的形式。这些方程反映了系统内部变量之间的关系及其对时间 的变化规律。
最新第4章线性系统的综合与设计PPT课件
特征多项式为:
fλ λ Ι A H c
λ n a n 1 h n 1 λ n 1 a 0 h 0
4.1 极点配置问题
(3)、由期望极点得期望特征多项式为:
n
f*λλλ*i
i1
λ n a n * 1 λ n 1 a 1 * λ a 0 *
(4)、比较 f与λ f的*各λ 系数,可得: h i a i a i * i 0 ,1 , ,n 1
输出反馈 — 实施方便
状态补偿器
改变系统维数
4.1 极点配置问题
本节主要内容
➢ 状态反馈与极点配置 ❖ 极点配置 ❖ 状态反馈
➢ 输出反馈与极点配置 ❖ 输出反馈 ❖ 状态方程
把闭环系统的极 点任意配置到所 期望位置的问题
4.1 极点配置问题
一、状态反馈与极点配置
1、状态反馈:将系统的每一个状态变量乘以 相应的反馈系数,然后反馈到 输入端,与参考输入相加形成 控制律,作为受控系统的控制 输入。
输出反馈至状态微分处的系统状态空间方程为:
x=Ax+Bu-Hy
y=Cx
4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特征
即: x=(A-HC)x+Bu
y=Cx
闭环传递函数矩阵为:
G ys v C s I A H 1 C B
∴ 通过选择矩阵H 也能改变闭环系统的特征值,
从而影响系统的特性。
4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特征
五、闭环系统的可控性与可观性 1、定理:状态反馈不改变受控系统的能控
性;但不保证系统的能观性不变。 2、定理:输出反馈不改变受控系统的能控
性和能观性。
4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其特征
总结:
《线性控制系统理论》课件
20世纪末至今
延时符
线性控制系统的基本组成
总结词
系统模型的建立是线性控制系统理论的基础。
详细描述
系统模型是对实际物理系统的数学描述,它反映了系统的动态行为和输入输出关系。线性控制系统模型通常由线性微分方程、传递函数和状态空间表达式来表示。
性能指标是评估系统性能的重要依据。
系统性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。这些指标用于衡量系统在不同条件下的性能表现,是系统设计和优化过程中的关键参考。
控制器
作为控制系统的核心,控制器负责接收输入信号并产生输出信号,以控制被控对象的运行状态。常用的控制器有PID控制器、模糊控制器等。
传感器
传感器用于检测被控对象的运行状态,并将检测到的信号转换为电信号或数字信号,传输给控制器。常见的传感器有温度传感器、压力传感器等。
控制算法
控制算法是控制系统的核心,用于计算控制器的输出信号。常用的控制算法有PID控制算法、模糊控制算法等。
延时符
线性控制系统的分析方法
通过建立状态方程和输出方程描述系统动态行为的方法。
状态空间法是一种基于状态变量描述线性控制系统动态行为的方法。通过建立状态方程和输出方程,可以全面地描述系统的运动过程,并方便地进行系统分析和设计。
通过分析系统极点和零点分布影响系统性能的方法。
频率域分析法是一种在频域内分析线性控制系统性能的方法。通过分析系统极点和零点的分布,可以确定系统性能的优劣,如稳定性、快速性和准确性等。
02
状态反馈控制具有较好的鲁棒性和适应性,能够有效地抑制外部干扰和参数变化对系统的影响。
1
2
3
极点配置法是一种通过调整系统极点位置来改善系统性能的方法。
通过合理配置极点位置,可以有效地改善系统的动态特性和稳态精度,提高系统的控制性能。
延时符
线性控制系统的基本组成
总结词
系统模型的建立是线性控制系统理论的基础。
详细描述
系统模型是对实际物理系统的数学描述,它反映了系统的动态行为和输入输出关系。线性控制系统模型通常由线性微分方程、传递函数和状态空间表达式来表示。
性能指标是评估系统性能的重要依据。
系统性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。这些指标用于衡量系统在不同条件下的性能表现,是系统设计和优化过程中的关键参考。
控制器
作为控制系统的核心,控制器负责接收输入信号并产生输出信号,以控制被控对象的运行状态。常用的控制器有PID控制器、模糊控制器等。
传感器
传感器用于检测被控对象的运行状态,并将检测到的信号转换为电信号或数字信号,传输给控制器。常见的传感器有温度传感器、压力传感器等。
控制算法
控制算法是控制系统的核心,用于计算控制器的输出信号。常用的控制算法有PID控制算法、模糊控制算法等。
延时符
线性控制系统的分析方法
通过建立状态方程和输出方程描述系统动态行为的方法。
状态空间法是一种基于状态变量描述线性控制系统动态行为的方法。通过建立状态方程和输出方程,可以全面地描述系统的运动过程,并方便地进行系统分析和设计。
通过分析系统极点和零点分布影响系统性能的方法。
频率域分析法是一种在频域内分析线性控制系统性能的方法。通过分析系统极点和零点的分布,可以确定系统性能的优劣,如稳定性、快速性和准确性等。
02
状态反馈控制具有较好的鲁棒性和适应性,能够有效地抑制外部干扰和参数变化对系统的影响。
1
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极点配置法是一种通过调整系统极点位置来改善系统性能的方法。
通过合理配置极点位置,可以有效地改善系统的动态特性和稳态精度,提高系统的控制性能。
现代控制理论第四章线性系统的能控性与能观性PPT课件
16
第四章 线性系统的能控性与能观性
4.2.1 线性定常连续系统的能控性定义线性定常 连续系统的状态方程
xAxBu
(4.2.1)
定义4.2.1:
对于系统(4.2.1),若存在一分段连续控制向
量u(t),能在有限时间区间[t0,t1]内将系统从初 始状态x(t0)转移到任意终端状态x(t1),那么就 称此状态是能控的。若系统任意t0时刻的所有状 态x(t0)都是能控的,就称此系统是状态完全能
1 0 31 0 4 2
从而
1 0 1 2 2 4 UC 0 1 0 1 0 1
0 0 1 0 4 2
rankUC3n 所以,系统能控
19.07.2020
现代控制理论
26
第四章 线性系统的能控性与能观性
例4.2.2 判断线性定常系统
x1 1 x20 x3 0
3 2 1
2x1 2 0x21 3x3 1
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现代控制理论
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第四章 线性系统的能控性与能观性
例4.0.2
uc x1,iLx2 uc
选择电感中的电流以及电容上的电压作为 状态变量。当电桥平衡时,电感中的电流作为 电路的一个状态是不能由输出变量 u 来c 确定的 ,所以该电路是不能观测的。
19.07.2020
现代控制理论
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第四章 线性系统的能控性与能观性
例4.2.1 考察如下系统的能控性
x1 1 x20 x3 1
2 1 0
1x1 1 0x20 3x3 0
0 10uu12
易知
1 0
B
0
1
0 0
1 2 11 0 1 2 AB0 1 00 1 0 1
线性控制系统理论
2 0 4 det 0 1 1 0
1 1 1
rank Qc 3 n 基此,后三列无需进行计算,可用*号代替。据秩判据知,系统完全能控。
22
例:给定特征值两两相异的一个连续时间线性时不变系统,设 其约当规范形状态方程为
x1 7 0 0 x1
– 由输入输出描述导出状态空间描述(*) – 由方块图描述导出状态空间描述(*)
2
• 线性时不变系统的特征结构 – 特征多项式(*) – 特征值(*) – 特征向量和广义特征向量
• 状态方程的约当规范形 – 特征值为两两相异的情形(*)
• 由状态空间描述导出传递函数矩阵 – 传递函数矩阵 – G(s)基于(A,B,C,D)的表达式(*)
• 能控性和能观测性的定义(*) – 对能控性和能观测性的直观讨论 – 能控性的定义 – 能观测性的定义
• 连续时间线性时不变系统的能控性判据 – 格拉姆矩阵判据(*) – 秩判据(*) – PBH判 – 约当规范性判据 – 能控性指数
• 连续时间线性时不变系统的能观测性判据 – 格拉姆矩阵判据(*) – 秩判据(*) – PBH判
0 1
1 1
d
0.5t
1 2
1.5
1 3
t
3
t 0.5t
1 2
t
5 6
t
1
t3
t2 ,t 1 ,10
3
3
21
例: 给定一个连续时间线性时不变系统为
1 4 2 2 0
x
线性系统理论大纲
线性系统的状态空间描述
• 状态和状态空间
线性系统理论全PPT课件
详细描述
稳定性是线性系统的一个重要性质,它决定了系统在受到外部干扰后能否恢复到原始状态。如果一个系统是稳定 的,那么当外部干扰消失后,系统将逐渐恢复到原始状态。而不稳定的系统则会持续偏离原始状态。
03
线性系统的数学描述
状态空间模型
01
定义
状态空间模型是一种描述线性动态系统的方法,它通过状态变量和输入
航空航天控制系统的线性化分析
线性化分析
在航空航天控制系统中,由于非线性特性较强,通常需要进行线性化分析以简化系统模 型。通过线性化分析,可以近似描述系统的动态行为,为控制系统设计提供基础。
线性化方法
常用的线性化方法包括泰勒级数展开、状态空间平均法和庞德里亚金方法等。这些方法 可以将非线性系统转化为线性系统,以便于应用线性系统理论进行控制设计。
线性系统理论全ppt课件
• 线性系统理论概述 • 线性系统的基本性质 • 线性系统的数学描述 • 线性系统的分析方法 • 线性系统的设计方法 • 线性系统的应用实例
01
线性系统理论概述
定义与特点
定义
线性系统理论是研究线性系统的 数学分支,主要研究线性系统的 动态行为和性能。
特点
线性系统具有叠加性、时不变性 和因果性等特性,这些特性使得 线性系统理论在控制工程、信号 处理等领域具有广泛的应用。
线性系统的动态性能分析
动态性能指标
描述线性系统动态特性的性能指 标,如超调量、调节时间、振荡
频率等。
状态空间分析法
通过建立和解决线性系统的状态方 程来分析系统的动态性能,可以得 到系统的状态轨迹和响应曲线。
频率域分析法
通过分析线性系统的频率特性来描 述系统的动态性能,可以得到系统 的频率响应曲线和稳定性边界。
稳定性是线性系统的一个重要性质,它决定了系统在受到外部干扰后能否恢复到原始状态。如果一个系统是稳定 的,那么当外部干扰消失后,系统将逐渐恢复到原始状态。而不稳定的系统则会持续偏离原始状态。
03
线性系统的数学描述
状态空间模型
01
定义
状态空间模型是一种描述线性动态系统的方法,它通过状态变量和输入
航空航天控制系统的线性化分析
线性化分析
在航空航天控制系统中,由于非线性特性较强,通常需要进行线性化分析以简化系统模 型。通过线性化分析,可以近似描述系统的动态行为,为控制系统设计提供基础。
线性化方法
常用的线性化方法包括泰勒级数展开、状态空间平均法和庞德里亚金方法等。这些方法 可以将非线性系统转化为线性系统,以便于应用线性系统理论进行控制设计。
线性系统理论全ppt课件
• 线性系统理论概述 • 线性系统的基本性质 • 线性系统的数学描述 • 线性系统的分析方法 • 线性系统的设计方法 • 线性系统的应用实例
01
线性系统理论概述
定义与特点
定义
线性系统理论是研究线性系统的 数学分支,主要研究线性系统的 动态行为和性能。
特点
线性系统具有叠加性、时不变性 和因果性等特性,这些特性使得 线性系统理论在控制工程、信号 处理等领域具有广泛的应用。
线性系统的动态性能分析
动态性能指标
描述线性系统动态特性的性能指 标,如超调量、调节时间、振荡
频率等。
状态空间分析法
通过建立和解决线性系统的状态方 程来分析系统的动态性能,可以得 到系统的状态轨迹和响应曲线。
频率域分析法
通过分析线性系统的频率特性来描 述系统的动态性能,可以得到系统 的频率响应曲线和稳定性边界。
【VIP专享】线性控制系统课件Module4(免费)
Rs
n2
Cs
s2 2ns
DC motor position control system The block diagram of this system
Fig.4.13 position control system block diagram
1. Motor field winding electrical circuit
m
K pKaKm NRJ
c
NR
2 KpKaKmJ
Step Response
When the second-order system is subjected to a step input
Cs
s
s2
n2 2n s
n2
1 s
s
s n
n
2
d2
s
n
n
2
d2
ct 1
e nt
1 2
sin dt
Second-order electrical system example:
Ui
Uo
The transfer function is:
The UO(s) is written as:
Uo s Ui s
R Ls
1
1 Cs
Cs
1
Uo s Ui s
LCs2
1 RCs
1
s2
LC Rs
1
L LC
Standard form of the second-order system:
s1,2 jn
ct 1 cosnt
When ζ=1 —the critically damped case
s1,2 n
线性系统第三四章复习PPT教学课件
MATLAB在系统的能控性与能观测分析中的应用
1. 系统能控性 能观测性分析:
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7ห้องสมุดไป่ตู้
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R=real(D)
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例:已知线性定常系统
xx1231
2 x1 6 x2
试判断系统的稳定性。
MATLAB程序如下:
A=[-1,-2;3,-6];
[V,D]=eig(A); R=real(D)
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PPT教学课件
谢谢观看
Thank You For Watching
(2)系统的唯一平衡状态Xe=0是渐近稳定的充分必要条件为:
A的所有特征值均具有负实部。
矩阵特征值可通过函数eig( )求出,调用方式如下: [V,D]=eig(A)——D为一对角阵,其对角线上的元素为A阵的特
征值,V阵为每一特征值对应的特征向量。 再由函数real( )获得D阵的实部,调用方式如下:
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MATLAB在系统稳定性中的应用
一、特征值稳定性判断
1. 系统能控性 能观测性分析:
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7ห้องสมุดไป่ตู้
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R=real(D)
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例:已知线性定常系统
xx1231
2 x1 6 x2
试判断系统的稳定性。
MATLAB程序如下:
A=[-1,-2;3,-6];
[V,D]=eig(A); R=real(D)
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(2)系统的唯一平衡状态Xe=0是渐近稳定的充分必要条件为:
A的所有特征值均具有负实部。
矩阵特征值可通过函数eig( )求出,调用方式如下: [V,D]=eig(A)——D为一对角阵,其对角线上的元素为A阵的特
征值,V阵为每一特征值对应的特征向量。 再由函数real( )获得D阵的实部,调用方式如下:
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MATLAB在系统稳定性中的应用
一、特征值稳定性判断
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∑τ = J ω
•
τ m −τ1 − cmωm = Jm ωm
•
•
(for the motor shaft )
τ 2 − clωl = Jl ωl (for the load shaft ) ωl = ωm N τ 2 = Nτ1 (for the gearbox )
Jl • cl τ m = Jm + 2 ωm + cm + 2 ωm N N
1 −2 c(t ) = 1− e − te 2
− t 2 t
Homework: P71: 4.3 P72: 4p between overshoot and damping ratio when system is underdamped.
Sample Problem 4.1
A closed-loop transfer function has the form
C 9 = 2 R s + 4.5s + 9
The damped natural frequency is given by
ωd = ωn 1−ζ 2 = 1.98rad/s
If the system is subject to a unit step input, the output may be written as
C(s) =
9R(s) 9 = 2 s2 + 4.5s + 9 s s + 4.5s + 9
τ m = Jm ωm + cmωm
Taking the Laplace transform
•
Ω(s) 1 = Tm (s) Js + c
R c > L J
⇒
K p Ka Km NR θl G = = 2 θd 1+ GH Js + cs + Kp Ka Km NR
Compare with the standard form:
When ζ<1 —the underdamped case
2 s2 + 2ζωn s + ωn = 0
s1,2 = −ζωn ± ωn 1−ζ
2
c(t ) = 1−
e
−ζωnt
1−ζ 2
sin (ωd t +φ ) ωd = ωn 1−ζ 2
tan φ =
1−ζ 2
ζ
We can recognize from here (P65) 1. The system oscillates at frequency ωd 2. The response decays due to the exponent –ζωn 3. The overshoot depends on the value of ζ
Comparing the closed-loop transfer function with the generalized form
2 ωn C 9 = 2 = 2 2 R s + 4.5s + 9 s + 2ζωns + ωn
It is seen that
ωn = 3rad/s
ζ=
4.5 = 0.75 2ωn
R(s)
2 ωn 2 s2 + 2ζωns + ωn
C(s)
Fig.4.14 Generalized closed-loop transfer function
Open-loop transfer function
R(s)
2 ωn s2 + 2ζωns
C(s)
DC motor position control system
Linear Control System Engineering
Module 4
Second-order System
Second-order system: a system is represented by a second order differential equation.
The behavior of second-order system is different from that of firstorder system, and it may cause oscillation response (振荡相应) and overshoot(系统超调)
If the system is subject to a unit step input, the output may be written as
C(s) = 14 1 1 12 = − − 2 s (s +1 2) (s +1 2)2 s(s +1 2)
The time-domain response is therefore
−ωnt
(1−ωnt )
When ζ>1 —the overdamped case
2 s2 + 2ζωn s + ωn = 0
s1,2 = −ζωn ± ωn ζ −1
2
c(t ) = 1−
e−ζωnt
ζ −1
2
sinh (ωd t +φ )
ζ 2 −1 ωd = ζ 2 −1 tan φ = ζ
For the R-L-C circuit, Compare with the standard form:
1 Uo (s) 1 LC = = 2 Ui (s) LCs + RCs +1 s2 + R s + 1 L LC
R 1 2 ωn = 2ζωn = L LC
1 R C ωn = ζ= LC 2 L
The block diagram of this system
Fig.4.13 position control system block diagram
1. Motor field winding electrical circuit
di υa = iR + L dt
Taking the Laplace transform yields
Solution
The closed-loop transfer function is
C K s(s +1) K = = 2 R 1+ K s(s +1) s + s + K
Comparing with the generalized second-order system, we get
ωn = K and
Determine the undamped natural frequency, the damping ratio, and the damped natural frequency. What is the steady-state output for a unit step input?
Solution
(
)
Applying the final-value theorem yields
lim c(t ) = lim sC(s) = 1
t →∞ s→0
Sample Problem 4.3
A control system with unity feedback is shown in Fig.SP4.3.1. Determine the value of K necessary to make the damping ratio ζ=1. For this value of K calculate the output c(t) when the input r(t) is the unit step function.
Second-order electrical system example:
The UO(s) is written as:
Ui Uo
Uo (s) =
1 1 Cs R + Ls + Cs ⋅
Ui (s)
The transfer function is:
1 Uo (s) 1 LC = = 2 Ui (s) LCs + RCs +1 s2 + R s + 1 L LC
ζ= 1 1 = 2ζωn 2 K 2ζωn =1
If it required that ζ=1, then from the above
K= 1 4
When K takes this value, the transfer function becomes
C 14 14 = 2 = R s + s +1 4 (s +1 2)2
Standard form of the second-order system:
2 ωn C(s) = 2 2 R(s) s + 2ζωns + ωn
There are two characteristic parameters here: ζ- the damping ratio(阻尼比) ωn - the undamped natural frequency (无阻尼自然频率)
c(t ) = 1−
e−ζωnt 1−ζ 2
sin (ωd t +φ ) tan φ = 1−ζ 2
ωd = ωn 1−ζ 2
ζ
The characteristic equation and the roots
s + 2ζωns + ω = 0
2 2 n
s1,2 = −ζωn ± ωn ζ 2 −1
The step response for the four cases of ζ
When ζ=0 —the undamped case