第二章 常用的系统建模方法
第二章-1-建模的基本概念-电路-传递函数-方块图
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引言
系统建模
模型是实际物理系统的抽象，它是对实际物理系统作简化 假设的结果。 模型提取系统的相关物理特征，从而描述相应的系统特性。 因此，同一个物理系统可以由若干不同的模型描述，这些 模型对应着不同的、待研究的系统特性。 例：晶体管分别具有高频模型和低频模型。 同一个模型可以对应不同的实际物理系统（如，弹簧-质 量-阻尼系统和电阻-电感-电容电路都可以由二阶线性微分 方程描述）。
我们将利用实际物理系统的定量数学模型来进行控制系统的 分析与设计。系统动态行为通常由常微分方程描述。 我们将研究多种类型的物理系统，包括：电气系统、机械系 统、热力系统、液压系统等。由于绝大多数物理系统是非线性 系统，我们还将讨论线性近似方法，以便于利用拉普拉斯变换 方法进行分析。 我们将推导以传递函数形式描述的元件及子系统的输入输出 关系。 我们将会把传递函数方块引入方块图或信号流图，以图的形 式描述系统结构。
20
电路及组成
例2：电阻电感电容（RLC）串联电路
在图2.2中, R, L, C 为已知常数, e(t) 是输入；uc(t)（可以是其他变量）
是输出。请列写关于电路输出 uc(t) 和输入 e(t) 的方程。
第一步: 根据基尔霍夫定律
v L + v R + vC = e
e
1 LDi + Ri + i=e CD
线性代数基本概念
线性代数基本概念 基本概念回顾: 向量、矩阵 转置矩阵 矩阵加减运算 矩阵与矩阵相乘运算 矩阵与标量相乘运算 单位矩阵 矩阵的微分 矩阵的积分
33
状态的基本概念
状态的基本概念
系统微分方程是输入输出模型，它仅仅描述了系统 输入变量与输出变量之间的关系。 -----经典控制理论模型
汽车系统动力学第二章 车辆动力学建模方法及基础理论
第二章车辆动力学建模方法及基础理论§2-1 动力学方程的建立方法在车辆动力学研究中，建立系统运动微分方程的传统方法主要有两种：一是利用牛顿矢量力学体系的动量定理及动量矩定理，二是利用拉格朗日的分析力学体系。
本节将对这两种体系作一简单回顾，并介绍几个新的原理。
一牛顿矢量力学体系(1)质点系动量定理质点系动量矢p对时间的导数等于作用于质点系的所有外力F i的矢量和(即主矢),其表达式为:二、分析力学体系分析力学是用分析的方法来讨论力学问题，较适合处理受约束的质点系。
(1)动力学普遍方程动力学普遍方程由拉格朗日(Lagrange)于1760年给出的，方程建立的基本依据是虚位移原理，表示如下：(2-6)(2)拉格朗日方程拉格朗日法的基本思想是将系统的总动能和总势能均以系统变量的形式表示，然后将其代入拉格朗日方程，再对其求偏导数，即可得到系统的运动方程。
拉格朗日方程形式如下：利用此方程推导车辆动力学方程时，因采用广义坐标，从而使描述系统位移的坐标数量大大减少，并可以自动消去无功内力。
但也存在下述问题：①应用拉格朗日方程时，有赖于广义坐标选取得是否得当，而适当地选择广义坐标有时要靠经验；②拉格朗日能量函数对于刚体系统的表达式可能非常复杂，代人拉格朗日方程后要作大量运算。
而对于复杂的车辆系统，写出能量函数的表达式就更加困难。
三、虚功率原理若丹(Jourdain)于1908年推导出另一种形式的动力学普遍方程，其所依据的原理称之为虚功率原理。
虚功率形式的动力学普遍方程为：四、高斯原理1829年，高斯(Gauss)提出动力学普遍方程的又一形式，称为高斯原理，其表达式为：§2-2 非完整系统动力学一、非完整系统动力学简介1894年，德国学者Henz第一次将约束系统分成“完整”和“非完整”两大类，从此开辟了非完整系统动力学(Nonholonomie System)的新领域，如今它已成为分析力学的一个重要分支。
常用系统建模方法
椅子能在不平的地面上放稳吗？
➢问题分析
涉及的对象：地面，椅子 椅子的位置和调整 放稳：椅子的四只脚着地
➢模型假设
四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚连线呈正 方形;
地面高度连续变化，可视为数学上的连续曲面; 地面相对平坦，使椅子在任意位置至少三只脚同时
表现特性 确定和随机，静态和动态，离散和连续，线性和非
线性
了解程度
白箱、灰箱、黑箱
1. 系统模型的概述
➢数学建模的基本方法
机理分析
根据对客观事物特性的认识，找出反映内部机理的数量规 律。
测试分析（实验统计建模） 将对象看作“黑箱”，通过对量测数据的统计分 析，找出与数据拟合最好的模型。
二者结合 用机理分析建立模型结构，用测试分析确定模型 参数
常用系统建模方法
➢1.系统模型的概述 ➢2.建模的逻辑思维方法 ➢3.图解建模来自 ➢4.层次分析法 ➢5.聚类分析
1. 系统模型的概述
➢从现实对象到数学模型
模型是为了一定目的，对客观事物的一部分进行简缩、抽象 、提炼出来的原型的替代物。模型集中反映了原型中人们需 要的那一部分特征。
系统建模
系统
仿真实验
且 g(0)=0， f(0) > 0.
C
A
O
x
C´
D´
D
正方形ABCD绕O点旋转
证明：存在0，使f(0) = g(0) = 0.
着地。
椅子能在不平的地面上放稳吗？
➢模型构成
用数学语言把椅子位置和四只
脚着地的关系表示出来。
1）椅子位置和调整的表述
第二章 系统建模与仿真的基本原理
生产系统仿真Simulation for Production System房亚东fangyadong@ gy gThe Institute of Mechanical and Electrical EngineerXi'an Technological UniversityAugust 27, 2012第二章系统建模与仿真的基本原理离散事件系统及其模型分类1离散事件系统建模的基本元素2离散事件系统仿真程序的基本结构3建立系统模型的常用方法452 .1 离散事件系统及其模型分类系统分类连续系统（continuous system ）离散事件动态系统（DEDS ）确定性系统（deterministic system ）随机系统（stochastic system ）静态系统（static system ）动态系统（dynamic system ）2 .1 离散事件系统及其模型分类白箱（hit b white box ）灰箱（grey box ）黑箱（black box ）微观模型（microscopic model ）宏观模型（macroscopic model ）集中参数模型（lumped parameters model ）分布参数模型（distribution parameters model ）2.2 离散事件系统建模的基本元素离散事件系统建模与仿真中的基本元素1．实体（entity ）：系统内的对象,构成系统模型的基本要素。
临时实体（temporary entity ）永久实体（permanent entity ）2．属性（attribute ）：实体的状态和特性。
3．状态（state ）：任一时刻，系统中所有实体的属性的集合。
2.2 离散事件系统建模的基本元素4．事件（event）：引起系统状态变化的行为和起因，是系统状态变化的驱动力。
5．活动（activity）：指两个事件之间的持续过程，它标志系统状态的转移。
常用系统建模方法
概念建模的步骤
01
02
03
04
确定系统边界
明确系统的范围和主要 功能，确定建模的目标 和重点。
定义实体
根据系统需求，识别系 统的实体（如对象、组 件、模块等），并定义 它们的基本属性和行为。
建立关系
分析实体之间的关联和 相互作用，建立实体之 间的关系模型，如聚合、 组合、依赖等。
形成概念模型
将实体和关系整合成一 个完整的概念模型，使 用图形化工具（如概念 图、类图等）进行表示 和展示。
结构建模可以为决策者提供支持和参 考，帮助他们更好地制定和实施决策。
预测和优化
通过结构建模，我们可以预测系统的 行为和性能，并对其进行优化和改进， 从而提高系统的效率和性能。
结构建模的步骤
确定建模目标
明确建模的目的和目标，确定需要解决的问 题和要达到的目标。
确定系统边界
确定系统的范围和边界，明确系统的输入和输 出以及与外部环境的关系。
提高可重用性
面向对象建模的封装性和继承性使得代码更 加模块化，提高了代码的可重用性。
面向对象建模的步骤
确定类和对象
首先需要确定系统中的类和对象，以及它们 之间的关系。
定义属性
为每个类定义属性，描述对象的属性和状态。
定义方法
为每个类定义方法，描述对象的行为和功能。
建立类与类之间的关系
包括继承、聚合、关联等关系，描述类之间 的依赖和交互。
预测系统性能
基于行为建模，可以对系统的性 能进行预测，从而为系统优化和 改进提供依据。
沟通与协作
行为建模是一种通用的语言，有 助于不同领域的人员之间进行有 效的沟通和协作。
行为建模的步骤
定义对象和状态
过程控制系统建模方法
容量C
• 含义：生产设备和传输管路都具有一定 的储蓄物质或能量的能力。被控对象储 存能力的大小，称为容量或容量系数， 其意义是：引起单位被控量变化时，被 控过程储存量变化量。
• 种类：有电容、热容、气容、液容等等
阻力R
• 概念：凡是物质或能量的转移，都要克 服阻力，阻力的大小决定于不同的势头 和流率。
压力对象传递函数
气阻R
气压差变化量 气体质量流量变化量
pi po
，
气容C
容器内气体质量变化量 容器内气体压力变化量
dG dp o
,
dG dt
Cdp o dt
dQ, dQ , RC dpo
dt
po
pi
G(s) po (s) 1 pi (s) RCs 1
K (T1
T2
)s
1
特征方程的根
T1T2s2 (T1 T2 )s 1 0
(2) 具有自平衡能力的多容对象
2-5
多容对象的传函
G(s)
K
(T1 1)(T2 1)(Tn 1)
若T1 T2 Tn T,则
G(s)
K (Ts 1)n
若有纯延迟，则
2.2.2具有纯延迟的单容对象特性
G(s) H (s) K es U (s) Ts 1
2.2.3无自平衡能力的单容对象特性
G(s) H (s) K 1 U (s) T s
2.2.4多容对象的动态特性
• (1) 具有自平衡能力的双容对象 • (2) 具有自平衡能力的多容对象 • (3) 无自平衡能力的双容对象 • (4) 相互作用的双容对象
常用系统建模方法
常用系统建模方法系统建模是指对一个系统进行抽象和描述，以便更好地理解和分析系统的结构、行为和功能。
在系统建模中，有许多常用的方法和技术，本文将介绍其中几种常见的系统建模方法。
1. 信息流图（Data Flow Diagram，简称DFD）是一种用于描述系统功能的图形工具。
它通过将系统的各个模块和数据流之间的关系绘制成图表，清晰地显示了数据输入、处理和输出的过程。
DFD是一种简单直观的建模方法，适用于初步了解系统需求和功能的描述。
3. 状态转换图（State Transition Diagram，简称STD）是一种用于描述系统的状态和状态之间转换的图形工具。
它通过绘制系统的状态和状态之间的转换关系，清晰地显示了系统在不同状态下的行为和过程。
STD适用于描述系统中的状态机，是一种常用的建模方法，尤其适用于软件系统的行为建模。
4. 用例图（Use Case Diagram）是一种用于描述系统需求和功能的图形工具。
它通过绘制系统的参与者和用例之间的关系图，清晰地显示了系统的功能和用户之间的交互。
用例图适用于描述系统的功能需求，是一种常用的需求建模方法，常用于需求分析和系统设计中。
5. 结构图（Structure Chart）是一种用于描述软件系统模块和子程序之间的关系的图形工具。
它通过绘制系统的模块和模块之间的调用关系，清晰地显示了系统的结构和模块之间的依赖关系。
结构图适用于描述系统的模块组织和子程序调用，是一种常用的软件设计和实现建模方法。
除了上述常用的系统建模方法外，还有许多其他的建模方法和技术，如层次分析法、Petri网、数据流程图、活动图等等。
不同的建模方法适用于不同的系统和需求，可以根据具体情况选择合适的方法进行建模。
系统建模的目的是为了更好地理解和分析系统，从而进行系统设计、实现和优化，提高系统的可靠性、性能和效率。
建模方法论
第二章建模方法论2.1 数学模型系统模型的表示方式有许多，而其中数学方式是系统模型的最主要的表示方式。
系统的数学模型是对系统与外部的作用关系及系统内在的运动规律所做的抽象，并将此抽象用数学的方式表示出来。
本节将讨论建立数学模型作用、数学模型与集合及抽象的关系、数学建模的形式化表示、数学模型的有效性与建模形式化、数学模型的分类等问题。
2.1.1 数学建模的作用1、提高认识通信、思考、理解三个层次。
首先，一个数学描述要提供一个准确的、易于理解的通信模式；除了具有清楚的通信模式外，在研究系统的各种不同问题或考虑选择假设时，需要一个相当规模的辅助思考过程；一旦模型被综合成为一组公理和定律时，这样的模型将使我们更好地认识现实世界的现象。
因此，可把现实世界的系统看成是由可观测和不可观测两部分组成。
2、提高决策能力管理、控制、设计三个层次。
管理是一种有限的干预方式，通过管理这种方式人们可以确定目标和决定行为的大致过程，但是这些策略无法制定得十分详细。
在控制这一层，动作与策略之间的关系是确定的，但是，由于控制中的动作仅限于在某个固定范围内进行选择，所以仍然限制了干预的范围。
在设计层，设计者可以在较大程度上进行选择、扩大或代替部分现有的现实，以满足设计者的希望。
因此，可把现实世界的系统看成是由可控制和不可控制两部分组成。
3---统实际系统不可观部分不可控部分可观部分 可控部分目标：提高认识 目标：提高干预能力图 2.2 根据目标建立系统2.1.2 集合、抽象与数学模型抽象过程是建模工程的基础。
由于建模和集合论都是以抽象为基础，集合论对于建模工程是非常有用。
1、集合：有限集合无限集合，整数集合I,实数集合R ，正整数集合I +,非负整数集合I 0+=I +U{0}，}{0,0∞=++∞ I I 是非负整数加符号∞而成的集合。
与其类似，R +,R 0+和+∞,0R 则表示实数的相应集合。
叉积是集合基本运算：令A 和B 是任意集合，则A ×B={（a,b ）,a ∈A,b ∈B}。
chap2 系统的数学模型
线性系统可用线性微分方程进行描述
线性微分方程中各阶导数的系数不能是未知函数或变量的非线性函数 线性系统满足叠加原理 例： a2 a1 x a0 x b2u b1u x 非线性系统 非线性系统不能用线性微分方程进行描述 非线性系统不满足叠加定理
例： ml l mgsin 0
控制原理
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4
第二章 系统的数学模型
l1 Q1
H l2 Q2
自动恒温控制系统
水位调节系统
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第二章 系统的数学模型
控制系统相关概念：
1. 控制器---对被控对象起控制作用装置的总体 2. 被控对象---要求实现控制的机器、设备或生产过程 3. 输出量（被控量）---表现于控制对象或系统的输出端，用于描述 被控对象工作状态的物理量 4. 输入量（给定量）---作用于控制对象或系统输入端，用于表征被 控量的希望运行规律
d 2 x(t ) M f (t ) f1 (t ) f 2 (t ) 2 dt dx(t ) f (t ) B Kx(t ) dt
控制原理
d 2 x(t ) dx(t ) M B Kx(t ) f (t ) 2 dt dt
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第二章 系统的数学模型
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第二章 系统的数学模型
2.1 物理系统建模
2.1.4 控制系统建模步骤
① 确定系统的输入量与输出量，将系统分解为各简单环节（按功能）
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第二章 系统的数学模型
第二章用拉格朗日方程建立系统数学模型
第二章 用拉格朗日方程建立系统的数学模型§2.1概述拉格朗日方程——属于能量法，推导中使用标量，直接对整个系统建模 特点：列式简洁、考虑全面、建模容易、过程规范适合于线性系统也适合于非线性系统，适合于保守系统，也适合于非保守系统。
§2.2拉格朗日方程1． 哈密尔顿原理 系统总动能),,,,,,,(321321N n q q q qq q q q T T = （2－1）系统总势能),,,,(321t q q q q U U N =（2－2）非保守力的虚功N N nc q Q q Q q Q W δδδδ ++=2211（2－3）哈密尔顿原理的数学描述：0)(2121=+-⎰⎰t t nc t t dt W dt U T δδ （2－4）2． 拉格朗日方程： 拉格朗日方程的表达式：),3,2,1()(N i Q q Uq T q T dt d iii i ==∂∂+∂∂-∂∂ （2－5）（推导：）将系统总动能、总势能和非保守力的虚功的表达式代入哈密尔顿原理式中（变分驻值原理），有0)(221122112211221121=+++∂∂-∂∂-∂∂-∂∂++∂∂+∂∂+∂∂+∂∂+∂∂⎰dt q Q q Q q Q q q Tq q U q q U q qTq q T q q T q q T q q T q q T N N N NN N N N t t δδδδδδδδδδδδ （2－6）利用分步积分dt q q Tdt d q qT dt q q T i t t i t t i i i t t i δδδ⎰⎰∂∂-∂∂=∂∂212121)(][ （2－7）并注意到端点不变分（端点变分为零）0)()(21==t q t q i i δδ （2－8）故dt q q T dt d dt q qTi i t t i t t i δδ)(2121∂∂-=∂∂⎰⎰（2－9）从而有0)])([211=+∂∂-∂∂+∂∂-⎰∑=dt q Q q Uq T q T dt d i i it t i i Ni δ （ （2－10）由变分学原理的基本引理：（设 n 维向量函数M(t)，在区间],[0f t t 内处处连续，在],[0f t t 内具有二阶连续导数，在f t t ,0处为零，并对任意选取的n 维向量函数)(t η，有⎰=ft t T dt t M t 00)()(η则在整个区间],[0f t t 内，有 0)(≡t M ）我们可以得到：0)(=+∂∂-∂∂+∂∂-i ii i Q q U q T q T dt d （2－11）即i ii i Q q U q T q T dt d =∂∂+∂∂-∂∂)( （2－12）对非保守系统，阻尼力是一种典型的非保守力，如果采用线性粘性阻尼模型，则阻尼力与广义速度}{q成正比，在这种情况下，可引入瑞利耗散（耗能）函数D ，}]{[}{21q C q D T≡ （2－13） 阻尼力产生的广义非保守力为：i i qDQ ∂∂-= （2－14） 对于仅受有势力和线性阻尼力作用的系统，其拉格朗日方程为：0)(=∂∂+∂∂+∂∂-∂∂qD q U q T q T dt d i i i （2－15） 如果系统上还作用了除有势力和阻尼力以外的非保守力，如结构受到的外激励力（对应的广义非保守力可通过非保守力的虚功求得，仍记为i Q ），则系统的拉格朗日方程为：i i i i Q qD q U q T q T dt d =∂∂+∂∂+∂∂-∂∂ )( （2－16） §2.3 拉格朗日方程在振动系统建模中应用在某些结构振动问题中，取分离体、确定各分离体的受力情况，然后利用牛顿第二定律建立方程的方法不一定可用，或者很不方便，这时，采用拉格朗日方程来建立振动方程就很方便。
系统建模 建模的各种方法
1 绪论1.1 系统建模系统建模是指建立系统(被控对象)的动态数学模型，简称建模。
建模的全过程可分为一次建模和二次建模。
一次建模是指由实际物理系统到数学模型，二次建模是指由数学模型到计算机再现，即所谓仿真。
系统建模技术是研究获取系统(被控对象)动态特性的方法和手段的一门综合性技术。
1.2 系统建模的目的（1）控制系统的合理设计及调节器参数的最佳整定。
控制系统的设计、调节器参数的最佳整定都是以被控对象的特性为依据的。
为了实现生产过程的最优控制，更需要充分了解对象的动态特性。
因为设计最优控制系统的基本内容就是根据被控对象的动态特性和预定的性能指标，在一定的约束条件下选择最优的控制作用，使被控对象的运行情况对预定的性能指标来说是最优的，所以建立合理的数学模型，是实现最优控制的前提。
（2）指导生产设备的设计。
通过对生产设备数学模型的分析和仿真，可以确定个别因素对整个控制对象动态特性的影响（如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选择等对整个锅炉出口汽温、汽压等动态特性的影响），从而对生产设备的结构设计提出合理的要求和建议，在设计阶段就有意识地考虑和选择有关因素，以求生产设备除了具有良好的结构、强度、效率等方面的特性之外，还能使之具有良好的动态控制性能。
（3）培训运行操作人员。
对一些复杂的生产操作过程，如飞行器的驾驶、大型舰艇和潜艇的操作以及大型电站机组的运行，都应该事先对操作人员、驾驶员进行实际操作培训。
随着计算机技术和仿真技术的发展。
已经不需要建造小的物理模型，而是首先建立这些复杂生产过程的数学模型，然后通过计算机仿真使之成为活的模型。
在这样的模型上，教练员可以方便、全面、安全地对运行操作人员进行培训。
（4）检查在真实系统中不能实现的现象。
例如一台单元机组及其控制系统究竟能承受多大的冲击电负荷，当冲击电负荷过大时会造成什么后果。
这种具有一定破坏性的试验，往往不允许轻易地在实际生产设备上进行，而是首先需要建立生产过程的数学模型，再通过仿真对模型进行试验研究。
机械控制工程基础第二章系统的数学模型
机械控制⼯程基础第⼆章系统的数学模型基本要求、重点和难点⼀、基本要求（1）了解数学模型的基本概念。
能够运⽤动⼒学、电学及专业知识，列写机械系统、电⼦⽹络的微分⽅程。
（2）掌握传递函数的概念、特点，会求传递函数的零点、极点及放⼤系数。
（3）能够⽤分析法求系统的传递函数。
（4）掌握各个典型环节的特点，传递函数的基本形式及相关参数的物理意义。
（5）了解传递函数⽅框图的组成及意义；能够根据系统微分⽅程，绘制系统传递函数⽅框图，并实现简化，从⽽求出系统传递函数。
（6）掌握闭环系统中前向通道传递函数、开环传递函数、闭环传递函数的定义及求法。
掌握⼲扰作⽤下，系统的输出及传递函数的求法和特点。
（7）了解相似原理的概念。
（8）了解系统的状态空间表⽰法，了解MATLAB中，数学模型的⼏种表⽰法。
⼆、本章重点（1）系统微分⽅程的列写。
（2）传递函数的概念、特点及求法；典型环节的传递函数。
（3）传递函数⽅框图的绘制及简化。
三、本章难点（1）系统微分⽅程的列写。
（2）传递函数⽅框图的绘制及简化。
概述系统按其微分⽅程是否线性这⼀特性，可以分为线性系统和⾮线性系统。
如果系统的运动状态能⽤线性微分⽅程表⽰，则此系统为线性系统。
线性系统的⼀个最重要的特性就是满⾜叠加原理。
线性系统⼜可分为线性定常系统和线性时变系统。
系统的数学模型是系统动态特性的数学描述。
对于同⼀系统，数学模型可以有多种形式，如微分⽅程、传递函数、单位脉冲响应函数及频率特性等等。
但系统是否线性这⼀特性，不会随模型形式的不同⽽改变。
线性与⾮线性是系统的固有特性，完全由系统的结构与参数确定。
系统建模是经典控制理论和现代控制理论的基础。
建⽴系统数学模型的⽅法有分析法和实验辨识法两种。
前者主要⽤于对系统结构及参数的认识都⽐较清楚的简单系统，⽽后者通常⽤于对系统结构和参数有所了解，⽽需进⼀步精化系统模型的情况。
对于复杂系统的建模往往是⼀个分析法与实验辨识法相结合的多次反复的过程。
常用的系统建模方法
2.2.1 抽象
• 椅子位置的表述：以中心点为对称点，正方形 绕中心的旋转表示了椅子的位置的改变，因此 可以用旋转角度表示椅子的位置。
• 椅脚着地的数学表示：设A,C两脚与地面距离
之和为 f( ), A,C两脚与地面距离之和为g( ) ,
2.2.2 归纳
• 从特殊的具体的认识推进到一般的抽象的 认识的一种思维方式。
• 模型分析与检验
– 稳定性分析，系统参数的灵敏度分析，误差分析，修正模型 – 对模型进行评价、预测、优化 – 在实际中对模型进行检验。
2.1.3 建模步骤的划分
准备阶段
系统认识阶段
系统建模
模型求解 模型不合格
模型分、检验 修正模型
模型合格 模型使用
2.2 建模的逻辑思维方法
• 要建立数学模型，必须具备下述五个方面 的能力
• 虽然发现了海王星，但天王星的运行轨道偏差问题并没有全部解决；有趣的 是，海王星的运行轨道也不正常。于是人们推测，在海王星外还可能有一颗 未知行星。1905年，美国天文学家洛厄尔完成了“海王星外的行星”推算后， 便开始观测。但因为此星离太阳太遥远，搜寻极为困难，直至洛厄尔去世的 1916年，尚未观测到。1930年2月18日，天文学家汤博通过35 mm的折射望 远镜，采用先进的方法，终于发现了一颗亮度约是16等的暗星，位于海王星 外，此星后来被命名为冥王星。
• 后来有人提出太阳系中可能还存在未知的行星，就是此行星 的引力摄动，影响了天王星的运行轨道，使得根据万有引力 定律计算的值与实际观测的结果有相当差距。到了19世纪40 年代，探索天王星外未知行星已成为重要的天文课题。
• 1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯将他的关于“未知行 星”的计算结果报告了剑桥天文台和格林尼治天文台，希望 能根据他的计算结果进行观测。遗憾的是，他的努力没有受 到重视。
自动控制原理(王万良)第二章
时间之后才接近所要求的输出值；
延迟环节: 从输入开始后在0－τ时间内没有输出，在t =τ之后，才有输出。
r(t) c(t)
0τ
24
2.4 结构图
2.4.1 结构图的基本组成 控制系统的结构图是系统数学模型的图解形式； 结构图可以形象直观地描述系统中各元件间的相互
2
2.1 系统数学模型的概念
自控理论方法是先将系统抽象完数学模型，然后用数学的方法处理。 控制系统的数学模型是描述系统内部各物理量（或变量） 之间关系的数学表达式或图形表达式或数字表达式。
F(t)
m
f
X(t)
d 2 X (t) m
+
f
dX (t)
+ kX (t)
=
F (t)
dt 2
dt
＋ ur(t) －
ห้องสมุดไป่ตู้
±
Q(s)
1/G (s)
C(s) = [R(s) ± Q(s) ]G(s) G(s)
30
◆ 比较点后移：
R(s)
±
C(s) G (s)
Q(s) C (s) = [R(s) ± Q(s)]G(s)
R(s) G (s)
Q(s) G (s)
C(s)
±
C (s) = R(s)G (s) ± Q(s)G (s)
G1(s)
U1
+
C(s)
+
G2(s) U2
思考：多个环节并联？
? R(s)
C(s) G1(s)+G2(s)
结论：并联的总传递函数等于各个方框传递函数的代数和。
27
第二章 常用的系统建模方法
概率统计法、量纲分析法、网络图论法、图解法、模糊集 论法、蒙特卡罗法、层次分析法、“隔舱”系统法、定性 推理法、“灰色”系统法、多分面法、分析－统计法、计 算机辅助建模法。 • 建模方法的选择根据系统状况、建模目标、建模要求及实 际背景来确定。
• 虽然发现了海王星，但天王星的运行轨道偏差问题并没有全部解决；有趣的 是，海王星的运行轨道也不正常。于是人们推测，在海王星外还可能有一颗 未知行星。1905年，美国天文学家洛厄尔完成了“海王星外的行星”推算后， 便开始观测。但因为此星离太阳太遥远，搜寻极为困难，直至洛厄尔去世的 1916年，尚未观测到。1930年2月18日，天文学家汤博通过35 mm的折射望 远镜，采用先进的方法，终于发现了一颗亮度约是16等的暗星，位于海王星 外，此星后来被命名为冥王星。
基本量 – 提出一个详细描述系统的复杂抽象模型，并在此基础
上不断增加细节到原来的抽象中去，使抽象具体化。 – 注重模型的简化 – 用数学语言定量的描述系统的内在联系和变化规律
2.1.1 系统模型的分类
• 根据模型的时间集合：连续时间模型和离散时间模型 • 根据模型状态变量：连续变化模型和离散变化模型 • 根据变量的情况：确定性模型和随机性模型 • 根据数学方法：初等模型、微分方程模型、优化模型、控
• （2）模拟仿真方法。该方法是利用数学公式、逻 辑表达式、图表、坐标等抽象概念来表示实际物 流系统内部状态和输入/输出之间的关系，以便通 过计算机模型来进行实验，通过实验取得概述物 流系统或设计物流系统所需要的信息。虽然此方 法在模拟构造、程序调试、数据整理等方面的工 作量大，但是由于物流系统结果复杂，不确定因 素多，所有模拟仿真方法仍以其描述和求解问题 的能力优势，成为物流系统建模的主要方法
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• 1845年10月，英国剑桥大学学生亚当斯将他的关于“未知行 星”的计算结果报告了剑桥天文台和格林尼治天文台，希望 能根据他的计算结果进行观测。遗憾的是，他的努力没有受 到重视。
2.2.1 抽象
• 椅子位置的表述：以中心点为对称点，正方形 绕中心的旋转表示了椅子的位置的改变，因此 可以用旋转角度表示椅子的位置。
• 椅脚着地的数学表示：设A,C两脚与地面距离
之和为 f( ), A,C两脚与地面距离之和为g( ) ,
2.2.2 归纳
• 从特殊的具体的认识推进到一般的抽象的 认识的一种思维方式。
2.1.2 建模方法的分类及建模原则。
• 建立能较全面、集中、精确的反映系统的状态、 本质特征、和变化规律的数学建模的关键
• 建模一般遵循以下原则：
– 可分离原则 – 假设合理原则 – 因果性原则 – 输入量的可测量性、可选择性原则 – 对动态模型应保证适应性原则
2.1.3 建模步骤的划分
• 准备阶段
• 1846年8月，法国青年天文学家勒维烈也独自得出了未知行星的有关数据， 他于9月18日给柏林天文台的伽勒写信，恳切地请他根据自己算出的未知行星 的质量、轨道等数据，耐心地巡天查找。他说：“请您把你们的望远镜指向 黄径326处宝瓶座内的黄道的一点上，您就将在此点约1的区域内发现一颗 圆而亮的新行星，亮度相当于9等。它的圆面依稀可辨，其视直径不小于3’’， 每天运行约69’’。“伽勒接信的当晚便进行了观测，在偏移预言位置仅3’’的地 方发现了一颗在星图上未标注的8等星，第二天晚上，又发现它向本移动了大 约70’’。这颗行星后来被命名为海王星，人们称它为“笔尖上发现的行星”， 因为在此之前，所有行星都是先观测发现，再计算出运行轨道的，唯独海王 星是先计算出相关数据，后根据数据观测到的。
• 模型分析与检验
– 稳定性分析，系统参数的灵敏度分析，误差分析，修正模型 – 对模型进行评价、预测、优化 – 在实际中对模型进行检验。
2.1.3 建模步骤的划分
准备阶段
系统认识阶段
系统建模
模型求解 模型不合格
模型分析、检验 修正模型
模型合格 模型使用
2.2 建模的逻辑思维方法
• 要建立数学模型，必须具备下述五个方面 的能力
基本量 – 提出一个详细描述系统的复杂抽象模型，并在此基础
上不断增加细节到原来的抽象中去，使抽象具体化。 – 注重模型的简化 – 用数学语言定量的描述系统的内在联系和变化规律2.1.1 系统模型的分类
• 根据模型的时间集合：连续时间模型和离散时间模型 • 根据模型状态变量：连续变化模型和离散变化模型 • 根据变量的情况：确定性模型和随机性模型 • 根据数学方法：初等模型、微分方程模型、优化模型、控
• 虽然发现了海王星，但天王星的运行轨道偏差问题并没有全部解决；有趣的 是，海王星的运行轨道也不正常。于是人们推测，在海王星外还可能有一颗 未知行星。1905年，美国天文学家洛厄尔完成了“海王星外的行星”推算后， 便开始观测。但因为此星离太阳太遥远，搜寻极为困难，直至洛厄尔去世的 1916年，尚未观测到。1930年2月18日，天文学家汤博通过35 mm的折射望 远镜，采用先进的方法，终于发现了一颗亮度约是16等的暗星，位于海王星 外，此星后来被命名为冥王星。
制模型 • 根据研究的具体问题：人口发展模型、生态模型、交通模
型、经济模型等 • 模型的性质：线性数学模型和非线性数学模型 • 对变量的了解程度：白箱模型、灰箱模型、黑箱模型 • 根据系统的性质：微观模型、宏观模型、集中参数模型、
分布参数模型、定常模型、时变模型等。
2.1.2 建模方法的分类及建模原则
– 明确问题和模型所属的领域、建模的目标、模型的实现方式。
• 系统认识阶段
– 系统建模的目标；系统建模的规范、系统建模的要素、建模的关系及其 限制
• 系统建模阶段
– 模型的形式化；模型表示形式的简化；对原型进行抽象； 选择恰当的建 模工具建立数学模型
• 模型求解阶段
– 分析模型复杂度，利用合理的方法进行求解
• 数学表述方式是系统模型的最主要的表示方式， 系统的数学模型是对系统与外部的作用关系以及 系统内在的运动规律所做的抽象。
• 系统数学模型的建立需要按照模型论中对输入、 输出状态变量及其间的函数关系进行抽象，这种 抽象过程成为理论构造。
系统模型的概述
• 系统数学模型的建立
– 了解所研究对象的实际背景 – 明确预期要达到的目标 – 确定刻画该对象的系统状态、特征和变化规律的若干
第二章 常用的系统建模方法
• 系统模型是研究和掌握系统运动规律的有 力工具，它是认识、分析、设计、预测、 控制实际系统的基础，也是解决工程问题 不可缺少的技术手段
• 数学模型是系统模型的最主要和最常用的 表示方式。
2.1 系统模型的概述
• 系统模型是用来研究系统功能及其规律的工具， 它常常是用数学公式、图、表等形式表示的行为 数据的一组指令。
– 分析综合能力 – 抽象概括能力 – 想象洞察能力 – 运用数学工具的能力 – 通过实践验证数学模型的能力
2.2.1 抽象
• 忽略每个具体事物的特殊性，着眼于整体 和一般规律，我们称这种研究方法为抽象
例如：有四条腿的家具，如椅子、桌子等，往往 不能一次方稳，只能有三只脚着地，需要旋转几 次，方可使四只脚着地、放稳。这个现象能用数 学语言表述，并用数学工具证实吗？
– 是科学发现中常用的一种有效的思维方式 – 立足于观察、经验或实验 – 结论具有猜测性质
开普勒第三定律的发现
• 自然科学史上有很多运用归纳法而获得成功的事例，其中海 王星与冥王星的发现就是成功运用归纳法的典范。在英国天 文学家威廉•赫歇耳发现天王星后不久，人们投入了观测天 王星的热潮。但观测的结果是：天王星的实际运动轨道总是 与“星历表不符合。于是，有人对万有引力定律提出了疑问， 甚至提出要修正牛顿的力学理论；也有人断定，应该从理论 计算上找原因。
• 传统的数学建模方法：机理分析建模和实验统计建模 • 近年来新的拓展：直接相似法、系统辨别法、回归统计法、
概率统计法、量纲分析法、网络图论法、图解法、模糊集 论法、蒙特卡罗法、层次分析法、“隔舱”系统法、定性 推理法、“灰色”系统法、多分面法、分析－统计法、计 算机辅助建模法。 • 建模方法的选择根据系统状况、建模目标、建模要求及实 际背景来确定。