自动控制原理 (2)2幻灯片.ppt
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1、自动控制原理自动控制原理第1页,共63页,编辑于2022年,星期二2.5 框图及其化简方法框图及其化简方法n n引言引言n n结构图的组成结构图的组成n n系统结构图的建立系统结构图的建立n n闭环系统的结构图闭环系统的结构图 n n结构图的简化和变换规则结构图的简化和变换规则第2页,共63页,编辑于2022年,星期二引引 言言结构图(方块图)的含义:结构图(方块图)的含义:uu控制系统都是由一些元部件组成的。控制系统都是由一些元部件组成的。uu根根据据不不同同的的功功能能,可可将将系系统统划划分分为为若若干干环环节节或或者者叫叫子子系系统统,每每个个子子系系统统的的功功能能都都可可以以用用一
2、一个个单单向向性性的的函函数数方块来表示。方块来表示。uu方方块块中中填填写写表表示示这这个个子子系系统统的的传传递递函函数数,输输入入量量加到方块上,那么输出量就是传递结果。加到方块上,那么输出量就是传递结果。第3页,共63页,编辑于2022年,星期二uu根根据据系系统统中中信信息息的的传传递递方方向向,将将各各个个子子系系统统的的函函数数方方块块用用信信号号线线顺顺次次连连接接起起来来,就就构构成成了了系系统统的的结结构图构图,又称,又称系统的方块图。系统的方块图。uu系系统统的的结结构构图图实实际际上上是是系系系系统统统统原原原原理理理理图图图图与与与与数数数数学学学学方方方方程程程程的
3、的的的结结结结合合合合,因此可以作为系统数学模型的一种图示。,因此可以作为系统数学模型的一种图示。第4页,共63页,编辑于2022年,星期二uu方块外面带箭头的线段表示这个环节的输入信号(箭头指向方框)和输出信号(箭头离开方框),其方向表示信号传递方向。uu箭头处标有代表信号物理量的符号字母。元件的结构图元件的结构图一、结构图的组成一、结构图的组成 结构图的每一元件用标有传递函数的方框表示。结构图的每一元件用标有传递函数的方框表示。第5页,共63页,编辑于2022年,星期二 把把系系统统中中所所有有元元件件都都用用上上述述方方框框形形式式表表示示,按按系系统统输输入入信信号号经经过过各各元元件
4、件的的先先后后次次序序,依依次次将将代代表表各各元元件件的的方方块块用用连连接接线线连连结结起起来来。显显然然,前前后后两两方方块块连连接接时时,前前面面方方块块输输出出信信号号必必为为后后面面方方块块的的输输入入信信号。号。对对于于闭闭环环系系统统,需需引引入入两两个个新新符符号号,分分别别称称为为相相加点(比较点、综合点)和分支点(引出点、测量点)加点(比较点、综合点)和分支点(引出点、测量点)。第6页,共63页,编辑于2022年,星期二n n相相加加点点 如如图图(a a)所所示示,它它是是系系统统的的比比较较元元件件,表表示示两两个个以以上信号的上信号的代数运算代数运算。uu箭头指向的
5、信号流线表示它的输入信号,箭头离开它的信号流线表示它的输出信号;uu附近的、号表示信号之间的运算关系是相加还是相减。图图2 26 6 结构图的相加点结构图的相加点(a)和分支点和分支点(b)第7页,共63页,编辑于2022年,星期二n n在在框框图图中中,可可以以从从一一条条信信号号流流线线上上引引出出另另一一条条或或几几条条信信号号流流线线,而而信信号号引引出出的的位位置置称称为为分分支支点点或或引引出出点点(如图(如图(b b)所示)。所示)。n n需需要要注注意意的的是是,无无论论从从一一条条信信号号流流线线或或一一个个分分支支点点引引出出多多少少条条信信号号流流线线,它它们们都都代代表
6、表一一个个信信号号,即即原原始始信信号号的的大小。大小。系系统统结结构构图图是是由由表表示示系系统统各各个个元元件件的的传传递递函函数数方方框框,根据信号之间的相互关系连接构成的图形。根据信号之间的相互关系连接构成的图形。第8页,共63页,编辑于2022年,星期二uu建立控制系统各部件的微分方程(注意相邻元件之间的负载效应影响);uu对各微分方程在零初始条件下进行拉氏变换,并作出各元件的方块图;uu按照系统中各变量的传递顺序,依次将各元件的框图连接起来,便得到系统结构图。二、系统结构图的建立二、系统结构图的建立第9页,共63页,编辑于2022年,星期二例例2-82-8 在图在图2-7(2-7(
7、a a)中,电压中,电压u u1 1(t t)、u u2 2(t t)分别为输入量和输出分别为输入量和输出量,绘制系统的结构图。量,绘制系统的结构图。图图2 27 7 RC RC滤波电路滤波电路解解:把电路中的电阻、电感和电容全换成运算阻抗,把电流:把电路中的电阻、电感和电容全换成运算阻抗,把电流和电压全换成相应的拉氏变换式,把运算阻抗当作普通电阻。和电压全换成相应的拉氏变换式,把运算阻抗当作普通电阻。这样从形式上看,在零初始条件下,电路中的运算阻抗和电这样从形式上看,在零初始条件下,电路中的运算阻抗和电流、电压的拉氏变换式之间的关系满足各种电路定律,如欧流、电压的拉氏变换式之间的关系满足各种
8、电路定律,如欧姆定律、基尔霍夫定律。姆定律、基尔霍夫定律。第10页,共63页,编辑于2022年,星期二 图图2-7(2-7(a a)对应的运算电路如图对应的运算电路如图2-7(2-7(b b)所示。设中间变量所示。设中间变量I I1 1(s s)、I I2 2(s s)和和U U3 3(s s)。从输出量。从输出量U U2 2(s s)开始按上述步骤列写系统开始按上述步骤列写系统方程式方程式:图图2-2-7 7 RCRC滤波电路结构图滤波电路结构图第11页,共63页,编辑于2022年,星期二 按照上述方程的顺序,从输出量开始绘制系统的结构按照上述方程的顺序,从输出量开始绘制系统的结构图,其绘制
9、结果如图图,其绘制结果如图2 27(c)7(c)所示(注意这是一个还没有所示(注意这是一个还没有经过简化的系统结构图)。经过简化的系统结构图)。注意:一个系统可以具有不同的结构图,但由结构图得注意:一个系统可以具有不同的结构图,但由结构图得到的输出和输入信号的关系都是相同的。到的输出和输入信号的关系都是相同的。第12页,共63页,编辑于2022年,星期二 式式中中E E(s s)和和B B(s s)分分别别为为偏偏差差信信号号和和反反馈馈信信号号的的拉拉氏氏变变换换,H H(s s)为闭环系统中的为闭环系统中的反馈传递函数反馈传递函数。图图2 28 8 闭环系统结构图(无干扰作用)闭环系统结构
10、图(无干扰作用)三、闭环系统的结构图三、闭环系统的结构图图中各信号之间的关系为:图中各信号之间的关系为:第13页,共63页,编辑于2022年,星期二l l开环传递函数开环传递函数:反馈信号:反馈信号B B(s s)与偏差信号与偏差信号E E(s s)之比。即之比。即n n前向传递函数前向传递函数:输出量:输出量C C(s s)和偏差信号和偏差信号E E(s s)之比。即之比。即n n单单位位反反馈馈系系统统:如如果果反反馈馈传传递递函函数数等等于于1 1,那那么么开开环环传传递递函函数数和和前前向向传传递递函函数数相相同同,并并称称这这时时的的闭闭环环反反馈馈系系统统为为单位反馈系统。单位反馈
11、系统。第14页,共63页,编辑于2022年,星期二l l闭环传递函数闭环传递函数:系统输出量:系统输出量C C(s s)和输入量和输入量R R(s s)之间的关系:之间的关系:消去消去E E(s s)可得:可得:上式就是系统输出量上式就是系统输出量C C(s s)和输入量和输入量R R(s s)之间的传递函数,称之间的传递函数,称为闭环传递函数。为闭环传递函数。第15页,共63页,编辑于2022年,星期二l l闭闭环环传传递递函函数数将将闭闭环环系系统统的的动动态态特特性性与与前前向向通通道道环环节节和反馈通道环节的动态特性联系在一起。和反馈通道环节的动态特性联系在一起。可见,闭环系统的输出量
12、取决于闭环传递函数和输入量的性可见,闭环系统的输出量取决于闭环传递函数和输入量的性质。质。第16页,共63页,编辑于2022年,星期二 如如果果有有扰扰动动存存在在,根根据据线线性性系系统统满满足足叠叠加加性性原原理理的的性性质质,可可以以先先对对每每一一个个输输入入量量单单独独地地进进行行处处理理,然然后后将将每每个个输输入入量量单单独独作作用用时时相相应应的的输输出出量量进进行行叠叠加加,就就可可得到系统的总输出量。得到系统的总输出量。图图2 29 9 扰动作用下的闭环系统结构图扰动作用下的闭环系统结构图n n扰动作用下的闭环系统结构图扰动作用下的闭环系统结构图第17页,共63页,编辑于2
13、022年,星期二 参参考考输输入入量量R R(s s)和和扰扰动动量量N N(s s)同同时时作作用用于于系系统统时时,系系统统的的响响应(总输出)应(总输出)C C(s s)为为 :系统对参考输入量R(s)的响应CR(s)为:系统对扰动系统对扰动N N(s s)的响应的响应C CN N(s s)为:为:第18页,共63页,编辑于2022年,星期二uu结结构构图图表表示示了了系系统统中中各各信信号号之之间间的的传传递递与与运运算算的的全全部部关系;关系;uu有时结构图比较复杂,需简化后才能求出传递函数;有时结构图比较复杂,需简化后才能求出传递函数;uu等等效效原原则则:对对结结构构图图任任何何
14、部部分分进进行行变变换换时时,变变换换前前后后该该部部分分的的输输入入量量、输输出出量量及及其其相相互互之之间间的的数数学学关关系系应应保保持持不变。不变。四、结构图的简化和变换规则四、结构图的简化和变换规则第19页,共63页,编辑于2022年,星期二n个环节(每个环节的传递函数为Gi(s),i=1,2,3,)串联的等效传递函数等于各传递函数相乘。1.串联环节的简化串联环节的简化图图2 210 10 串联环节的简化串联环节的简化第20页,共63页,编辑于2022年,星期二2.并联环节的简化并联环节的简化任意任意n n个环节并联系统的等效传递函数是各个环节并联系统的等效传递函数是各环节传递环节传
15、递函数的代数和。函数的代数和。图图2 211 11 并联环节的简化并联环节的简化第21页,共63页,编辑于2022年,星期二3.反馈回路的简化反馈回路的简化图图2 212 12 反馈回路的简化反馈回路的简化第22页,共63页,编辑于2022年,星期二4.相加点和分支点的移动相加点和分支点的移动图图2 213 13 相加点前移相加点前移n n相加点前移相加点前移相加点前移相加点前移第23页,共63页,编辑于2022年,星期二图图2 214 14 相加点后移相加点后移n n相加点后移相加点后移相加点后移相加点后移第24页,共63页,编辑于2022年,星期二图图2 215 15 分支点前移分支点前移
16、n n分支点前移分支点前移分支点前移分支点前移第25页,共63页,编辑于2022年,星期二图图2 216 16 分支点后移分支点后移n n分支点后移分支点后移分支点后移分支点后移第26页,共63页,编辑于2022年,星期二图图2 217 17 相邻相加点的移动相邻相加点的移动图图2 218 18 相邻分支点的移动相邻分支点的移动第27页,共63页,编辑于2022年,星期二总之,根据实际系统中各环节(子系统)的结构图和总之,根据实际系统中各环节(子系统)的结构图和信息流向,可建立系统的结构图。在确定输入量和输信息流向,可建立系统的结构图。在确定输入量和输出量后,经对结构图的简化和运算,就能求出系
17、统的出量后,经对结构图的简化和运算,就能求出系统的传递函数。传递函数。应当指出,在结构图简化过程中,应当指出,在结构图简化过程中,两个相邻的相加点和两个相邻的相加点和分支点不能轻易交换。分支点不能轻易交换。第28页,共63页,编辑于2022年,星期二采用结构图变换方法求取传递函数的步骤:采用结构图变换方法求取传递函数的步骤:uu观察结构图,适当移动相加点和分支点,将结构图变换成三种典型连接形式(串联、并联和反馈)。uu对于多回路的结构图,先求内回路的等效变换方框图,再求外回路的等效变换方框图。uu求出传递函数。第29页,共63页,编辑于2022年,星期二例例2-92-9 试简化图试简化图2 2
18、1919系统的结构图,并求系统的传递函数系统的结构图,并求系统的传递函数C C(s s)/)/R R(s s)。图图2-2-1919 例例2-92-9系统结构图系统结构图解:解:首先首先首先首先,利用分支点后移规则,将,利用分支点后移规则,将G G3 3(s s)和和G G4 4(s s)之间的之间的分支点移到分支点移到G G4 4(s s)方框的输出端,变换结果如图方框的输出端,变换结果如图2-20(2-20(a a)所所示;示;第30页,共63页,编辑于2022年,星期二 然后然后,再将G2(s)、G34(s)、H2(s)和1/G4(s)组成的内反馈回路简化(见图220(c))。其等效传递
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