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第二章自动控制原理1第1页，此课件共53页哦 人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的规律用数学表人们常将描述系统工作状态的各物理量随时间变化的规律用数学表达式或图形表示出来，这种描述系统各个物理量之间关系的达式或图形表示出来，这种描述系统各个物理量之间关系的数学表达式数学表达式或图形或图形称为系统的数学模型。称为系统的数学模型。建立数学模型有两种方法：建立数学模型有两种方法：机理分析法机理分析法和和实验辨识法实验辨识法。机理分析。机理分析法是通过理论推导得出，这种方法是根据各环节所遵循的物理规律法是通过理论推导得出，这种方法是根据各环节所遵循的物理规律来编写；实验辨识法是由实验求取，即根据实验数据通过整理编写来编写；实验辨识法是由实验求取，即根据实验数据通过整理编写出来。出来。本章着重讨论机理分析法。机理分析法通常会先把系统划分为本章着重讨论机理分析法。机理分析法通常会先把系统划分为若干个独立的部件（环节），分别求出每个部件（环节）的动态微若干个独立的部件（环节），分别求出每个部件（环节）的动态微分方程，然后再合并各部件（环节），得到整个系统的微分方程分方程，然后再合并各部件（环节），得到整个系统的微分方程 第一节第一节 列写系统微分方程列写系统微分方程第2页，此课件共53页哦一、列写环节一、列写环节/部件微分方程的目的、方法与步骤部件微分方程的目的、方法与步骤 目的：通过该方程确定被控量与给定量及扰动量之目的：通过该方程确定被控量与给定量及扰动量之 间的函数间的函数关系。关系。（1）根据实际情况，确定系统的输入、输出变量。）根据实际情况，确定系统的输入、输出变量。（2）从输入端开始，按信号传递遵循的有关规节列出环节）从输入端开始，按信号传递遵循的有关规节列出环节/部件微分方部件微分方程。程。（3）消去中间变量，写出输入、输出变量的微分方程。）消去中间变量，写出输入、输出变量的微分方程。（4）整理，输入量项）整理，输入量项=输出量项。输出量项。列写系统微分方程列写系统微分方程第3页，此课件共53页哦举例举例 编写编写RC电路环节微分方程电路环节微分方程（1）确定输入、输出量为）确定输入、输出量为ui、u0（2）根据电路原理列微分方程）根据电路原理列微分方程（3）消去中间变量，可得该电路微分方）消去中间变量，可得该电路微分方程程列写系统微分方程列写系统微分方程第4页，此课件共53页哦举例举例 具有质量弹簧阻尼器的部件具有质量弹簧阻尼器的部件（1）确定输入、输出量为）确定输入、输出量为F、y（2）根据力学、运动学原理列微）根据力学、运动学原理列微 分方程分方程（3）消去中间变量，可得电路微分方程）消去中间变量，可得电路微分方程列写系统微分方程列写系统微分方程第5页，此课件共53页哦举例举例 编写电枢控制的他励直流电动机部件的微分方程编写电枢控制的他励直流电动机部件的微分方程 解：（解：（1）确定输入、输出量为）确定输入、输出量为ud、n （2）根据电路原理列微分方程）根据电路原理列微分方程 根据电动机力矩平衡原理列微分方程根据电动机力矩平衡原理列微分方程列写系统微分方程列写系统微分方程第6页，此课件共53页哦（3）消去中间变量，可得电路微分方程）消去中间变量，可得电路微分方程 令令 则得则得列写系统微分方程列写系统微分方程第7页，此课件共53页哦 以上两例中的物理部件（环节）不尽相同，但它们的数学模以上两例中的物理部件（环节）不尽相同，但它们的数学模型却是相同的。我们把具有相同数学模型的不同物理系统称之为型却是相同的。我们把具有相同数学模型的不同物理系统称之为相似系统相似系统。在相似系统中，占据相应位置的物理量称为。在相似系统中，占据相应位置的物理量称为相似量相似量。对于同一个物理系统，当输入量、输出量改变时，所求出的数对于同一个物理系统，当输入量、输出量改变时，所求出的数学模型却是不同的。利用相似系统的概念，我们可以用一个易于实学模型却是不同的。利用相似系统的概念，我们可以用一个易于实现的系统来研究与其相似的复杂系统，并根据相似系统的理论出现现的系统来研究与其相似的复杂系统，并根据相似系统的理论出现了仿真研究法。了仿真研究法。列写系统微分方程列写系统微分方程第8页，此课件共53页哦二、系统动态微分方程的编写二、系统动态微分方程的编写（1）确定系统输入量、输出量；）确定系统输入量、输出量；（2）从输入端开始将系统划分为若干个部件（环节），依有关）从输入端开始将系统划分为若干个部件（环节），依有关定理列写各个部件（环节）的方程组；定理列写各个部件（环节）的方程组；（3）消去中间变量；）消去中间变量；（4）整理。）整理。列写系统微分方程列写系统微分方程第9页，此课件共53页哦举例举例 列写直流调速系统的微分方程列写直流调速系统的微分方程 列写系统微分方程列写系统微分方程第10页，此课件共53页哦（1）确定输入、输出量为）确定输入、输出量为Ug、n（2）根据力电路、电动机力矩平衡原理列微分方程）根据力电路、电动机力矩平衡原理列微分方程（3）消去中间变量得直流调速系统的动态微分方程）消去中间变量得直流调速系统的动态微分方程其中其中 为正向通道电压放大系数为正向通道电压放大系数 为系统开环放大系数为系统开环放大系数列写系统微分方程列写系统微分方程第11页，此课件共53页哦 在建立系统微分方程时，若在部件（环节）划分时没有考虑在建立系统微分方程时，若在部件（环节）划分时没有考虑负载负载效应效应，即部件（环节）间存在的，即部件（环节）间存在的耦合关系耦合关系，将不能得到系统正确的微，将不能得到系统正确的微分方程。分方程。举例举例 列写电容、电阻网络的微分方程，其中列写电容、电阻网络的微分方程，其中 为输入电压，欲为输入电压，欲求以电容两端电压求以电容两端电压 为输出的微分方程。为输出的微分方程。列写系统微分方程列写系统微分方程第12页，此课件共53页哦方法一：从第一个电容、电阻网络环节列出微分方程：方法一：从第一个电容、电阻网络环节列出微分方程：从第二个电容、电阻网络环节列出微分方程：从第二个电容、电阻网络环节列出微分方程：代入上式中得：代入上式中得：但实际上第一个网络和第二个网络之间存在负载效应（耦合），因此它们不能划分为独但实际上第一个网络和第二个网络之间存在负载效应（耦合），因此它们不能划分为独立的两个环节。立的两个环节。列写系统微分方程列写系统微分方程第13页，此课件共53页哦方法二：分析电路网络方法二：分析电路网络 列出电路方程列出电路方程 利用拉氏变换，并消除中间变量利用拉氏变换，并消除中间变量,可以解得：可以解得：方法二的结果准确方法二的结果准确。若在上述两个。若在上述两个RCRC网络间加入电压跟随器进行隔离，消除负载网络间加入电压跟随器进行隔离，消除负载效应，则方法一正确。效应，则方法一正确。列写系统微分方程列写系统微分方程第14页，此课件共53页哦 对于部分的非线性系统来说，是对于部分的非线性系统来说，是在一定的条件下在一定的条件下可近似地视可近似地视作线性系统，这种有条件地把非线性系统数学模型化为线性数学模型来处作线性系统，这种有条件地把非线性系统数学模型化为线性数学模型来处理的方法，称为理的方法，称为非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化。这样做会使问题简化，给控制系统的研究工作带来很大的方便，这样做会使问题简化，给控制系统的研究工作带来很大的方便，是工程中一种常见的、比较有效的方法。是工程中一种常见的、比较有效的方法。第二节第二节 非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化第15页，此课件共53页哦线性化原理：线性化原理：设非线性方程为设非线性方程为 ，工作点为，工作点为 ，其各阶导数均，其各阶导数均存在，则可在工作点附近展开成泰勒级数存在，则可在工作点附近展开成泰勒级数当当 很小时，忽略二次以上导数项很小时，忽略二次以上导数项非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化第16页，此课件共53页哦或可表达为或可表达为简写为简写为 式中式中这就是非线性化方程，这种线性化方法叫做这就是非线性化方程，这种线性化方法叫做小偏差方法小偏差方法。注意注意：1.非线性方程必为连续。非线性方程必为连续。原因：断续的方程不能用台劳级数展开，因此不能采用此方法。原因：断续的方程不能用台劳级数展开，因此不能采用此方法。这类非这类非 线性称为线性称为本质非线性本质非线性。2.K值与工作点的位置有关。值与工作点的位置有关。3.考虑增量考虑增量X较较小。小。非线性数学模型的线性化非线性数学模型的线性化第17页，此课件共53页哦 求解微分方程可求出系统的输出响应，但如果方程阶次较高，则计求解微分方程可求出系统的输出响应，但如果方程阶次较高，则计算非常繁琐，因此对系统的设计分析不便，所以应用传递函数将实数中算非常繁琐，因此对系统的设计分析不便，所以应用传递函数将实数中的微分运算变成复数中的代数运算，可使问题分析大大简化的微分运算变成复数中的代数运算，可使问题分析大大简化。一、传递函数的概念及意义一、传递函数的概念及意义（1）传递函数的定义：）传递函数的定义：线性系统在线性系统在零初始条件零初始条件下，输出信号的拉氏变换与输入信号下，输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。的拉氏变换之比。线性定常系统微分方程的一般表达式线性定常系统微分方程的一般表达式:其中其中 为系统输出量，为系统输出量，为系统输入量为系统输入量 第三节第三节 传递函数传递函数第18页，此课件共53页哦 在初始情况为零时，两端取拉氏变换：在初始情况为零时，两端取拉氏变换：移项后得：移项后得：上式中上式中Xc(s)输出量的拉氏变换；输出量的拉氏变换；Xr(s)输入量的输入量的 拉氏变换；拉氏变换；W(s)为系为系统或环节的传递系数。统或环节的传递系数。传递函数传递函数第19页，此课件共53页哦（2 2）传递函数的两种表达形式）传递函数的两种表达形式 a.a.传递函数的传递函数的零极点零极点表示形式表示形式 b.b.传递函数的传递函数的时间常数时间常数表示形式表示形式传递函数传递函数第20页，此课件共53页哦（3）关于传递函数的几点说明）关于传递函数的几点说明 a.传递函数的概念只适应于线性定常系统。传递函数的概念只适应于线性定常系统。b.传递函数只与系统本身的特性参数有关，而与输入量变化无传递函数只与系统本身的特性参数有关，而与输入量变化无关。关。c.传递函数不能反映非零初始条件下系统的运动规律。传递函数不能反映非零初始条件下系统的运动规律。d.传递函数分子多项式阶次低于或至多等于分母多项式的阶传递函数分子多项式阶次低于或至多等于分母多项式的阶次。次。传递函数传递函数第21页，此课件共53页哦二、典型环节的传递函数及其暂态特性二、典型环节的传递函数及其暂态特性 无论什么样的系统，它的传递函数都是一些基本因子相乘积而得到无论什么样的系统，它的传递函数都是一些基本因子相乘积而得到的。这些基本因子就是典型环节对应的传递函数。把复杂的物理系统划的。这些基本因子就是典型环节对应的传递函数。把复杂的物理系统划分为若干个典型环节，利用传递函数和框图来进行研究，这是研究系统分为若干个典型环节，利用传递函数和框图来进行研究，这是研究系统的一种重要方法。的一种重要方法。（1）比例环节比例环节（放大环节（放大环节/无惯性环节）无惯性环节）特点：输入量与输出量的关系为一种固定的比例关系。特点：输入量与输出量的关系为一种固定的比例关系。0tKXr(s)Xc(s)r(t)y(t)y(t)/r(t)传递函数传递函数第22页，此课件共53页哦（2）惯性环节惯性环节 特点：只包含一个储能元件，使其输出量不能立即跟随输特点：只包含一个储能元件，使其输出量不能立即跟随输入量的变化，存在时间上的延迟。入量的变化，存在时间上的延迟。（3）积分环节积分环节 特点：输出量随时间成正比地无限增加。特点：输出量随时间成正比地无限增加。Xr(S)Xc(S)0tr(t)/y(t)y(t)r(t)tr(t)0 Y(s)R(s)y(t)y(t)/r(t)传递函数传递函数第23页，此课件共53页哦（4）振荡环节振荡环节 特点：振荡的程度与阻尼系数有关。特点：振荡的程度与阻尼系数有关。0R(s)Y(s)nt=0.2=0.5=1y(t)/r(t)传递函数传递函数第24页，此课件共53页哦（5）微分环节微分环节 特点：是积分环节的逆运算，其输出量反映了输入信号的变化趁特点：是积分环节的逆运算，其输出量反映了输入信号的变化趁势。势。实践中，理想的微分环节难以实现。实践中，理想的微分环节难以实现。0ty(t)(理想理想)y(t)(实际实际)y(t)/r(t)传递函数传递函数第25页，此课件共53页哦（6 6）延迟环节延迟环节（时滞环节、滞后环节）（时滞环节、滞后环节）特点：输出信号经过一段延迟时间特点：输出信号经过一段延迟时间后，可完全复现输入信后，可完全复现输入信号。号。tr(t)y(t)y(t)/r(t)0R(s)Y(s)传递函数传递函数第26页，此课件共53页哦一、概念一、概念 1.动态结构图动态结构图：是描述系统各组成元件之间信号传递关系的数学图形，：是描述系统各组成元件之间信号传递关系的数学图形，它表示了系统的输入输出之间的关系。它表示了系统的输入输出之间的关系。2.结构图的组成：结构图的组成：（1）信号线：带箭头的直线，箭头表示信号传递方向。）信号线：带箭头的直线，箭头表示信号传递方向。（2）引出点（分离点）：表示信号引出或测量的位置。）引出点（分离点）：表示信号引出或测量的位置。（3）比较点（相加点）：对两个以上信号加减运算。）比较点（相加点）：对两个以上信号加减运算。（4）方框：方框图内输入环节的传递函数。）方框：方框图内输入环节的传递函数。G(S)H(S)Xf(S)E(S)Xr(S)XC(S)-第四节第四节 系统动态结构图系统动态结构图第27页，此课件共53页哦 3.动态结构图的绘制步骤：动态结构图的绘制步骤：（1）确定系统输入量与输出量。）确定系统输入量与输出量。（2）将复杂系统划分为若干个典型环节。）将复杂系统划分为若干个典型环节。（3）求出各典型环节对应的传递函数。）求出各典型环节对应的传递函数。（4）作出相应的结构图。）作出相应的结构图。（5）按系统各变量的传递顺序，依次将各元件的结构图连接起来。）按系统各变量的传递顺序，依次将各元件的结构图连接起来。系统动态结构图系统动态结构图第28页，此课件共53页哦二、结构图的简化法则二、结构图的简化法则 常用的结构图变换方法可归纳为两类：一类是环节的合并，另一类是常用的结构图变换方法可归纳为两类：一类是环节的合并，另一类是信号的分支点或相加点的移动。信号的分支点或相加点的移动。结构图的变换必须遵循的原则结构图的变换必须遵循的原则是：变换前后的数学关系保持不变，是：变换前后的数学关系保持不变，因而也称为结构图的等效变换。因而也称为结构图的等效变换。（一）环节的合并（一）环节的合并 法则一法则一 环节串联，传递函数相乘。环节串联，传递函数相乘。系统动态结构图系统动态结构图第29页，此课件共53页哦 法则二法则二 环节并联，传递函数相加。环节并联，传递函数相加。系统动态结构图系统动态结构图第30页，此课件共53页哦 法则三法则三 反馈连接的等效传递函数。反馈连接的等效传递函数。系统动态结构图系统动态结构图第31页，此课件共53页哦（二）信号相加点及分支点的移动（二）信号相加点及分支点的移动 法则四法则四 相加点从环节输入端移到输出端相加点从环节输入端移到输出端 法则五法则五 相加点从环节输出端移到输入端相加点从环节输出端移到输入端 系统动态结构图系统动态结构图第32页，此课件共53页哦法则六法则六 分支点从环节输入端移到输出端分支点从环节输入端移到输出端 法则七法则七 分支点从环节输出端移到输入端分支点从环节输出端移到输入端 系统动态结构图系统动态结构图第33页，此课件共53页哦法则八法则八 两个分支点、相加点间可以相互换位。相加点和分支点之两个分支点、相加点间可以相互换位。相加点和分支点之间一般不能换位。间一般不能换位。系统动态结构图系统动态结构图第34页，此课件共53页哦三、开环传递函数三、开环传递函数 1.开环传递函数开环传递函数：是闭环系统反馈信号的拉氏变换与偏差信号拉氏变：是闭环系统反馈信号的拉氏变换与偏差信号拉氏变换之比。换之比。2.开环传递函数的求法开环传递函数的求法（1）单回路系统）单回路系统系统动态结构图系统动态结构图第35页，此课件共53页哦（2）多回路系统）多回路系统 a.无交错局部反馈无交错局部反馈结论：结论：系统动态结构图系统动态结构图第36页，此课件共53页哦b.有交错局部反馈有交错局部反馈结论：结论：系统动态结构图系统动态结构图第37页，此课件共53页哦四、闭环传递函数四、闭环传递函数 1.闭环传递函数闭环传递函数：在初始条件为零的情况下，系统输出量的拉氏变换：在初始条件为零的情况下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。与输入量的拉氏变换之比。系统动态结构图系统动态结构图第38页，此课件共53页哦 2.闭环传递函数的求法闭环传递函数的求法 典型结构的闭环控制系统中有两个输入量典型结构的闭环控制系统中有两个输入量给定输入和扰动给定输入和扰动输入，它们同时作用于系统。对于线性系统而言，可通过分别讨输入，它们同时作用于系统。对于线性系统而言，可通过分别讨论在不同输入信号作用下的系统传递函数和相应的输出，再通过论在不同输入信号作用下的系统传递函数和相应的输出，再通过叠加得到总的输出。叠加得到总的输出。（1）给定输入单独作用下的闭环系统）给定输入单独作用下的闭环系统系统动态结构图系统动态结构图第39页，此课件共53页哦（2）扰动输入单独作用下的闭环系统）扰动输入单独作用下的闭环系统系统动态结构图系统动态结构图第40页，此课件共53页哦3.3.误差传递函数误差传递函数：误差信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换：误差信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。之比。（1 1）给定输入单独作用下的闭环系统）给定输入单独作用下的闭环系统 系统动态结构图系统动态结构图第41页，此课件共53页哦（2）扰动输入单独作用下的闭环系统）扰动输入单独作用下的闭环系统4.4.给定输入和扰动输入作用下的闭环系统的总的输出量和偏差给定输入和扰动输入作用下的闭环系统的总的输出量和偏差输出量由线性系统叠加性可知：输出量由线性系统叠加性可知：系统动态结构图系统动态结构图第42页，此课件共53页哦一、基本概念及常用术语一、基本概念及常用术语 信号流程图信号流程图简称信号流图，是一种用图线表示线性方程组的方法。简称信号流图，是一种用图线表示线性方程组的方法。设有线性方程组设有线性方程组 经拉氏变换将微分方程转化成为线性代数方程经拉氏变换将微分方程转化成为线性代数方程 可以用信号流图来表示以上方程组各变量之间的关系。可以用信号流图来表示以上方程组各变量之间的关系。第五节第五节 信号流程图信号流程图第43页，此课件共53页哦信号流图的绘制方法：信号流图的绘制方法：设系统的描述方程为设系统的描述方程为 ，其中，其中 为输入变量，为输入变量，为输为输出变量，出变量，a为两个变量间的传输。该系统可以用信号流图表示为：为两个变量间的传输。该系统可以用信号流图表示为：常用术语：常用术语：1.节点节点 表示信号表示信号/变量。变量。（1）源节点源节点 只有输出量的节点。只有输出量的节点。（2）汇节点汇节点 只有输入量的节点。只有输入量的节点。（3）混合节点混合节点 既有输入又有输出的节点。既有输入又有输出的节点。第五节第五节 信号流程图信号流程图第44页，此课件共53页哦2.支路支路 连接两节点间的有向线段。连接两节点间的有向线段。3.支路增益支路增益 表示信号间的因果关系。表示信号间的因果关系。4.通路通路 从一个节点到另一节点的路径，其间每个节点只通过一次。从一个节点到另一节点的路径，其间每个节点只通过一次。（1）前向通路前向通路 从源点到汇点从源点到汇点（2）闭通路闭通路 起点与终点为同一点起点与终点为同一点5.通路增益通路增益 通路中所有支路增益之积通路中所有支路增益之积6.不接触回路不接触回路 回路之间没有公共节点回路之间没有公共节点信号流程图信号流程图第45页，此课件共53页哦二、如何作信号流图二、如何作信号流图方法一方法一：将系统微分方程作拉氏变换后，按所得代数方程作图。：将系统微分方程作拉氏变换后，按所得代数方程作图。例例1 绘制二级绘制二级RC滤波电路的信号流图。滤波电路的信号流图。解解（1）列写系统微分方程组）列写系统微分方程组u1u2R1R2C1C2i1i2i3信号流程图信号流程图第46页，此课件共53页哦（2）对上述微分方程作拉氏变换）对上述微分方程作拉氏变换信号流程图信号流程图第47页，此课件共53页哦（3）对上述代数方程作信号流图）对上述代数方程作信号流图（4）综合作出系统信号流图）综合作出系统信号流图u1i1i2u3i3u2u2-1-1-1u1i1u3-1u3i3u2-1i1i2i3i3u2i2u3-1信号流程图信号流程图第48页，此课件共53页哦方法二方法二：由系统动态结构图变形得来。：由系统动态结构图变形得来。变形原则：原信号线变为节点，传递函数变为支路增益。变形原则：原信号线变为节点，传递函数变为支路增益。GH-Y(s)R(s)R(s)G-HY(s)信号流程图信号流程图第49页，此课件共53页哦三、由梅逊公式求传递函数三、由梅逊公式求传递函数梅逊公式：梅逊公式：T闭环传递函数闭环传递函数特征式特征式其中其中 为所有不同回路的增益之和为所有不同回路的增益之和 每两个互不接触回路增益乘积之和每两个互不接触回路增益乘积之和 每三个互不接触回路增益乘积之和每三个互不接触回路增益乘积之和 每每m个互不接触回路增益乘积之和个互不接触回路增益乘积之和信号流程图信号流程图第50页，此课件共53页哦 n 前向通路的条数前向通路的条数 第第K条前向通路的增益条前向通路的增益 第第K条前向通路的余因子，在条前向通路的余因子，在中除去与第中除去与第K条前向通路相条前向通路相接触的回路增益后剩余的接触的回路增益后剩余的值。值。例例2 用梅逊公式求下图中信号流图的传递函数。用梅逊公式求下图中信号流图的传递函数。信号流程图信号流程图第51页，此课件共53页哦解解：（：（1）找出上图中所有的前向通路）找出上图中所有的前向通路 只有一条前向通路只有一条前向通路 （2）找出系统中存在的所有的回路）找出系统中存在的所有的回路 共有三个回路，三个回路的传输之和为共有三个回路，三个回路的传输之和为 （3）这三个回路都存在公共节点，即不存在不接触回路。故）这三个回路都存在公共节点，即不存在不接触回路。故系统的特征方程式为：系统的特征方程式为：信号流程图信号流程图第52页，此课件共53页哦（4）由于这三个回路都与前向通路相接触，故其余因子）由于这三个回路都与前向通路相接触，故其余因子1=1。（5）故该系统的传递函数为：）故该系统的传递函数为：信号流程图信号流程图第53页，此课件共53页哦