控制系统中阻尼的本质是什么?

控制系统中阻尼的本质是什么?

以弹簧阻尼系统为例,系统的外力就是阻尼力,阻尼衡量了阻尼力与运动速度的关系。

至于对系统的影响,可以写出系统的微分方程分析,占个坑,有空写下详细过程。

来补坑了,对于如图所示的弹簧阻尼系统(质量块质量为m,阻尼系数为B,K为弹性系数,外力为F),假设质量块M在光滑平面上,水平面方向为X(不受外力F,平衡状态下X=0),其受到外力F,弹簧力K*X以及阻尼力B*dx.

由受力分析可得,系统的微分方程形式如下:

可以理解F为用手沿着X方向的外力,我们考虑一种常见情况,就是把质量块M拉到一定的位置后释放,那么初始条件就是F=0,X=X(0),并定义固有频率和阻尼比,由下图公式可知,阻尼比与阻尼系数成正相关关系。

对系统微分方程进行拉普拉斯变换后,可得:

然后再经过拉普拉斯反变化,可以得到系统在时域中的表达形式如下(x(t)为系统位移函数,初始位置为x(0)):

上述方程描述的便是在外力作用下,将质量块m拉到x(0)处,然后释放,后续时间质量块的位置函数,即使你根据生活经验,也可以想象,如果系统阻尼较大,质量块会很快的回到初始位置,此时X=0,如果系统阻尼逐渐减小,质量块回到平衡点的时间会逐渐加长,当系统没有阻尼的时候,那么质量块会一直回不到平衡点(你可以猜猜此时运动的频率是多少)。

接下来给出系统在不同阻尼比情况下质量块的运动情况,首先是阻尼比大于1,即过阻尼,结合上述x(t)的公式,可见质量块会很快回到初始点/平衡点,即X=0

接下来减小系统阻尼比,当其减小到1时,质量块会继续回到平衡点,用时会稍长一些:

当阻尼比减小到1以内且大于0时,可见质量块会在平衡点左右震荡多次后,继续回到平衡点

最后将阻尼比减小到0,可见质量块会在平衡点左右等幅度震荡,系统能量守恒,而震荡的频率就是最初定义的系统固有频率。

这个回答中用的是系统时域函数的形式进行分析,虽然让微分方程由拉氏反变换回到时域,能够求解系统最终的时域表现形式。不过一般还是在S平面上,通过零极点分析系统特征比较方便,前提是熟悉拉氏反变换后,不同零极点在时域函数上的不同表现形式。

最后,我认为阻尼是系统的本质特征,也就是物理性质,与系统的结构,材料相关。最终的表现形式是耗散系统能量,在振动控制的领域中耗散能量的用途更明显一些。

菜鸡写的,哪里有问题,还请各位批评指正。