三大变化与自控(八)一阶动态系统建模与分析

一阶系统/二阶系统 一阶系统是指其输入输出关系可以用​​一阶线性常微分方程​​来描述的动态系统。其传递函数的标准形式为:其中:K:系统的​​增益​​。代表系统稳态输出与输入的比值。τ(tau):系统的​​时间常数​​。这是一阶系统最重要的参数,直接决定了系统的响应速度。s:拉普拉斯算子。特性描述​​数学模型​​微分方程:τdtdc(t)​+c(t)=Kr(t)传递函数:G(s)=τs+1K​​​核心参数​​​​时间常数 τ​​ (决定响应速度)​​增益 K​​ (决定稳态输出)​​阶跃响应​​。 阅读详情

前面我们介绍了许多数学工具,从这篇文章开始进入实际应用阶段。

绝大多数的工程和系统都是一阶或二阶微分方程,因此我们只要解出这个微分方程就能完全掌握这个系统的状态。直接从时域解或者使用拉普拉斯变换从频域解都是可行的。

让我们从相对简单的一阶系统开始。

首先,什么是一阶系统?很简单,即只有一次导数的微分方程系统即一阶系统。

举个简单的例子,手电筒。

假设手电筒的电池所含电荷量为q,电容为C,电筒打开时电流为I,电池电压为U。那么则有:
请添加图片描述根据公式,手电筒的电路是个一阶系统。假设1/RC为5,我们在simulink中求解:

请添加图片描述
ps:因为是放电,所以是-5
请添加图片描述可以看到,随着电池的电量的下降,电流逐渐变小,并趋近于0。

我们来手动求解一下,看看是否和simulink中的一致。

一阶微分方程的基础求解方法即使用积分因子(integrating factor):

请添加图片描述同样放到simulink中验证(ps:初始状态电流为1):
当然也可以使用更加简便的拉普拉斯变换:发现结果相同:
在这里插入图片描述
接下来我们再来计算一下一阶系统的阶跃响应。所谓阶跃响应就是给系统输入一个单位持续信号,观察系统的输出。有了单位阶跃响应,那么输入其他直流信号是什么情况我们也就了解了。

我们将使用拉普拉斯变换来进行分析。一阶系统的传递函数一般形式为a/(s+a),而阶跃信号为1/s:

请添加图片描述根据计算,系统输出将以指数形式逼近输入信号。若输入为2,那么输出图像就是逼近2。

除此之外,参数a决定了系统输出逼近输入信号的速度,也就是响应速度。注意观察,若我们把分母部分拿出来写作s+a=0,那么s=-a,这个-a我们把它称作极点(pole),所以大家常说极点决定了系统性能就是由此而来。

我们在设计控制器时,实际就是在设计极点的位置。

下一篇文章我们讨论二阶动态系统,这会是一个更加复杂的问题,但也是工程中的主要问题。

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