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        拉普拉斯變換在控制系統(tǒng)微分方程中的應(yīng)用

        2021-06-18 03:39:08周蓉陳峰嚴(yán)晨雪王越群
        電子測(cè)試 2021年8期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)分析

        周蓉,陳峰,嚴(yán)晨雪,王越群

        (江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院,江蘇南通,226011)

        0 引言

        在沒有人直接參與的情況下,自動(dòng)控制(automatic control)是利用外加的設(shè)備或裝置,能夠使機(jī)器、參數(shù)、生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或設(shè)備按照預(yù)定的規(guī)律自動(dòng)的運(yùn)行[1]。自動(dòng)控制是一種技術(shù)措施,能自動(dòng)調(diào)節(jié)、加工、檢測(cè)的機(jī)器設(shè)備以及儀表,并給他們規(guī)定的程序或特定的指令,以便于讓它們自動(dòng)的作業(yè)。自動(dòng)控制能夠有效的增加產(chǎn)量、降低成本、提高質(zhì)量,并且能夠保障生產(chǎn)安全,確保工人的勞作強(qiáng)度等[2]。自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于提高人們的工作效率,因此在一些復(fù)雜的環(huán)境中,人們工作的時(shí)間相對(duì)于以前降低了很多。自動(dòng)控制技術(shù)利用了反饋定理,該定理利用輸出信號(hào)反饋到輸入信號(hào),從而使輸出值接近于我們想要的值[3-4]。自動(dòng)控制系統(tǒng)中涉及到的基本的計(jì)算有拉普拉斯變換、傅里葉變換等。

        1 拉普拉斯變換的概念

        拉普拉斯變換簡(jiǎn)稱拉氏變換,它廣泛應(yīng)用在許多科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域。研究過程中,我們需要從實(shí)際出發(fā),首先以研究對(duì)象為基礎(chǔ),將其規(guī)劃為一個(gè)時(shí)域數(shù)學(xué)模型,然后再借助于拉普拉斯變換數(shù)學(xué)工具轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)域數(shù)學(xué)模型,最后如果想要結(jié)果表現(xiàn)的更直觀,可以使用圖形來表示,而圖形的表示方法是以傳遞函數(shù)(復(fù)域數(shù)學(xué)模型)為基礎(chǔ),所以拉氏變換是古典控制理論中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[5-6]。利用拉氏變換變換求解數(shù)學(xué)模型時(shí),我們就當(dāng)作求解一個(gè)線性方程,換而言之拉氏變換不僅可用來將簡(jiǎn)單的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)域信號(hào),還可以用來求解控制系統(tǒng)微分方程[7]。拉氏變換是將時(shí)域信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)域信號(hào),反之,拉氏反變換是將復(fù)數(shù)域信號(hào)變?yōu)闀r(shí)域信號(hào),下面對(duì)其概念作具體介紹。

        ■1.1 拉氏正變換

        ■1.2 拉氏反變換

        拉氏反變換是拉氏正變換的逆運(yùn)算,其公式為 L?1[F( s )]= f( t )。

        ■1.3 拉氏變換的運(yùn)算定理

        在使用拉氏變換過程中,為了方便計(jì)算,常用到一些基本的運(yùn)算定理,這些定理都可以通過拉氏變換定義式證明得到。

        條件:sF(s)的全部極點(diǎn)除坐標(biāo)原點(diǎn)外應(yīng)全部分部在s平面的左半平面[8]。

        2 應(yīng)用拉氏變換求解微分方程

        ■2.1 求解微分方程步驟

        拉氏變換求解控制系統(tǒng)微分方程的步驟如下:

        (1)將微分方程轉(zhuǎn)化為以s為變量的線性代數(shù)方程,該步驟利用拉氏變換。

        (2)解代數(shù)方程得到輸出量的象函數(shù)。

        (3)利用拉氏反變換求出原函數(shù)即得到微分方程解[9]。

        ■2.2 實(shí)例1 拉氏變換求解電路微分方程

        如圖1所示RLC電路,試列寫以u(píng)r(t)為輸入量,已知輸入為沖激函數(shù),其中uc(t)為輸出量的網(wǎng)絡(luò)微分方程,利用拉氏變換求解uc(t)。

        圖1 RLC串聯(lián)電路

        ■2.3 實(shí)例2 拉氏變換求解機(jī)械位移系統(tǒng)微分方程

        如圖2所示為機(jī)械位移系統(tǒng),圖中所示k為彈簧系數(shù),f為阻尼系數(shù),F(xiàn)為外力作用,假設(shè)為階躍函數(shù),m是物體質(zhì)量。列寫質(zhì)量m在外力F作用下位移y(t)的運(yùn)動(dòng)方程,并求出y(t)。

        圖2 機(jī)械位移系統(tǒng)

        3 Matlab驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

        ■3.1 MATLAB的基本知識(shí)

        自動(dòng)控制原理的根軌跡分析、頻域分析、時(shí)域分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等問題,要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí),對(duì)于抽象的一些問題,我們必須具備極強(qiáng)的想象力,比如在畫Bode圖、描述函數(shù)以及分析狀態(tài)空間等一些問題時(shí),要有能承受得住復(fù)雜、繁瑣的計(jì)算與繪圖的工具。使用MALAB編程運(yùn)算可以說是模仿人在進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式,所以說MALAB的語法更貼近人的思維方式,用MATLAB編寫程序,運(yùn)算求解問題,十分方便,就相當(dāng)于在演算紙上排列書寫公式。還有,MATLAB語言語句簡(jiǎn)單,極其容易學(xué)習(xí)與使用,并且MATLAB界面友好,使得從事自動(dòng)控制的科技工作者樂于接觸它,總而言之,MATLAB特別適合進(jìn)行自動(dòng)控制原理的實(shí)現(xiàn)。

        ■3.2 實(shí)例1 MATLAB驗(yàn)證拉氏變換求解電路微分方程

        圖3 實(shí)例1仿真結(jié)果

        由此可見計(jì)算出的結(jié)果與仿真的結(jié)果一致。

        ■3.3 實(shí)例2 MATLAB驗(yàn)證拉氏變換求解機(jī)械位移系統(tǒng)微分方程

        根據(jù)實(shí)例1中用拉氏變換求解電路微分方程,并且代入數(shù)據(jù)后得到,接下來用MATLAB驗(yàn)證,最后仿真后得到的方程的結(jié)果如圖4所示。

        圖4 實(shí)例1仿真結(jié)果

        由此可見計(jì)算出的結(jié)果與仿真的結(jié)果一致,如果遇到比較復(fù)雜的式子時(shí),利用MATLAB能更快更準(zhǔn)確的仿真出結(jié)果。

        ■3.4 實(shí)例分析啟示

        根據(jù)以上的例題分析可以得到拉氏變換求解控制系統(tǒng)微分方程的基本步驟和方法為:分析控制系統(tǒng),找出被控量→列出控制系統(tǒng)的時(shí)域微分方程→將微分方程拉氏正變換為復(fù)域方程→求解復(fù)域方程,得出被控量的復(fù)域函數(shù)→將復(fù)域函數(shù)拉氏逆變換得到微分方程的解。

        4 結(jié)論

        綜上可知,學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí),如果遇到拉氏變換,教師需要用合適的方法來使學(xué)生對(duì)其加深印象。除了需要幫助學(xué)生分析系統(tǒng)的組成外,還需要幫助學(xué)生復(fù)習(xí)拉氏變換的基本定理及性質(zhì),這對(duì)他們以后學(xué)習(xí)的內(nèi)容有相應(yīng)的幫助,能讓他們深刻理解其適用的對(duì)象及范圍。并且,教師要重視典型例題的講解、分析和總結(jié),使學(xué)生在教學(xué)中掌握基本的定理,能夠讓他們靈活地運(yùn)用這些定理。一旦學(xué)生有了獨(dú)立分析問題的能力,這將對(duì)于增強(qiáng)他們發(fā)散性思維有一定的幫助。

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