闭环控制系统的动态结构图.pptx

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1、1 动态结构图的定义和组成 动态结构图也称为方块图,具有图示模型的直观，又有数学模型的精确。由三部分组成：（1）以传递函数来描述信号输入输出关系的传输方块。（2）标有信号流通方向的信号输入输出通路。（3）信号的分支点(分离点)与相加点(综合点)。控制装置被控对象给定量被控量（输入量）（输出量）干扰测量元件-第1页/共42页 信号线信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的流向，在直线旁标记信号的时间函数或：带有箭头的直线，箭头表示信号的流向，在直线旁标记信号的时间函数或象函象函 数。数。引出点（或测量点）：表示信号引出或测量的位置，从同一位置引出的信号在数值和性质方面完全相同。u(t),U(s)u

2、(t),U(s)u(t),U(s)第2页/共42页综合点（比较点、相加点）：综合点（比较点、相加点）：表示两个以上的信号进行加减运算。表示两个以上的信号进行加减运算。u(t),U(s)r(t),R(s)()()()(sRsUtrtu第3页/共42页 方框（或环节）方框（或环节）：表示对信号进行的数学变换，在方框中写入元部件或系统的：表示对信号进行的数学变换，在方框中写入元部件或系统的传递函数。传递函数。方框与实际系统中的元部件并非一一对应。u(t),U(s)G(s)c(t),C(s)第4页/共42页2 动态结构图的特性 (1)结构图是线图方式的数学模型，可以用来描述控制系统的系统结构关系。(2

3、)结构图上可以表示出系统的一些中间变量或者系统的内部信息。(3)方框图是从实际系统抽象出来的数学模型，不代表实际的物理结构，不明显表示系统的主能源。方框图是从传递函数的基础上得出来的，所以仍是数学模型，不代表物理结构。系统本身有的反映能源、有的不反映能源(如有源网络和无源网络等)，但从方框图上一般不明显表示出来。第5页/共42页(4)结构图与代数方程等价。(5)能更直观更形象地表示系统中各环节的功能和相互关系，以及信号的流向和每个环节对系统性能的影响。更直观、更形象是针对系统的微分方程而言的。(6)方框图的流向是单向不可逆的。(7)方框图不唯一。由于研究角度不一样，传递函数列写出来就不一样，方

4、框图也就不一样。(8)研究方便。对于一个复杂的系统可以画出它的方框图，通过方框图简化，不难求得系统的输入、输出关系，在此基础上，无论是研究整个系统的性能，还是评价每一个环节的作用都是很方便的。第6页/共42页3 3 系统动态结构图的绘制步骤系统动态结构图的绘制步骤(1)(1)首先按照系统的结构和工作原理，分解出首先按照系统的结构和工作原理，分解出各环节并写出它的传递函数。各环节并写出它的传递函数。(2)(2)绘出各环节的动态方框图，方框图中标明绘出各环节的动态方框图，方框图中标明它的传递函数，并以箭头和字母符号表明它的传递函数，并以箭头和字母符号表明其输入量和输出量，按照信号的传递方向其输入量

5、和输出量，按照信号的传递方向把各方框图依次连接起来，就构成了系统把各方框图依次连接起来，就构成了系统结构图。结构图。第7页/共42页写出组成系统的各个环节的微分方程 求取各环节的传递函数，画出个体方框图 从相加点入手，按信号流向依次连接成整体方框图，既系统方框图 绘制方框图的步骤第8页/共42页例：绘制如图所示 RC 电路的方框图+-+-RCiieoe第9页/共42页解：（1）写出组成系统的各环节的微分方程，求取各环节的传递函数+-+-RCiieoe第10页/共42页（2）画出个体方框图第11页/共42页E0 s()I s()1 Cs第12页/共42页E0 s()I s()1 Cs第13页/共

6、42页（3）从相加点入手，按信号流向依次连接成完整方框图。第14页/共42页例例:绘制如图所示绘制如图所示 RC无源网络的方框图：无源网络的方框图：CR1R2urucii1i2第15页/共42页2)()(RsIsUc=R2I(s)Uc(s)()()(21sIsIsI+=I(s)I1(s)I2(s)+CR1R2urucii1i2第16页/共42页CssUsI)()(12=CSI2(s)U1(s)()()(1sUsUsUcr-=U1(s)Ur(s)Uc(s)+-111)()(RsUsI=I1(s)U1(s)11RCR1R2urucii1i2第17页/共42页R2I(s)Uc(s)I(s)I1(s)

7、I2(s)+CSI2(s)U1(s)U1(s)Ur(s)Uc(s)+-I1(s)U1(s)11R第18页/共42页将上面的各环节（元件）的部分综合有：将上面的各环节（元件）的部分综合有：U1(s)Ur(s)+-11RCsR2+I1(s)I2(s)I(s)Uc(s)第19页/共42页 例 设有一RC两级滤波网络如图。其输入信号为 ,输出信号为 ,试求两级串联后传递函数。ie0e第20页/共42页解：（1）不计负载效应 第一级滤波器的输入信号是 ，输出信号是 ，其传递函数为ieabe第21页/共42页第二级滤波器的输入信号是 输出信号为 ，其传递函数为abe0e第22页/共42页动态结构图为动态结

8、构图为Ei(s)E0(s)G1(s)G2(s)Ei(s)G1(s)Eab(s)Eab(s)G1(s)E0(s)第23页/共42页（2）考虑负载效应采用复数阻抗法顺序写出各算子代数方程和方块图B.1/R1UR1IR1A.)()()(1sUsUsURc1i=-)(1)(11sIR1RsUR=UiUR1Uc1+-第24页/共42页C.IR1IR2Ic1-+)()()(c1R2sIsIsIR1=-D.1/C1sIc1Uc1)(1)(1c1sUsCsIc1=第25页/共42页1/R2UR2IR2F.E.Uc1UR2Uo+)()()(2sUsUsURoc1=-)(1)(R222sIRsUR=1/C2sIR

9、2UoG.)(1)(2R2sUsCsIo=第26页/共42页1/R1UR1IR1UiUR1Uc1+-IR1IR2Ic1-+1/C1sIc1Uc11/R2UR2IR2Uc1UR2Uo+1/C2sIR2Uo第27页/共42页Ui(s)1/R1-+1/C1s1/R21/C2sUo(s)+将各基本环节按照信号流通的方向连结起来就可以得到系统的方块图:第28页/共42页 比较（1）、（2）两式可知，考虑负载效应时，传递函数 的分母中多了一项 。它表示了两个简单 RC 电路的相互影响。因此，在求串联环节的等效传递函数时应考虑环节间的负载效应，否则容易得出错误的结果。所以提出两点注意：1）多个环节相串联在求

10、其总传递函数时要考虑负载效应；2）后一级的输入阻抗为无限大（或很大）时，可以不考虑它对前级的影响。G(s)R1C2s第29页/共42页若重新选择一组中间变量，会有什么结果呢？若重新选择一组中间变量，会有什么结果呢？(刚才中间变量为刚才中间变量为i1,u1,i2，现在改为，现在改为I,I1,I2)从右到左列方程：-=+=-=1111221122211)()()()()()()()()(1)()(RsCsIsusIsCRsIsusIsIsIsIsCsIsurcc第30页/共42页这个结构与前一个不一样，这个结构与前一个不一样，因为选择不同的中间因为选择不同的中间变变量，结构图也不一样，但是整个系统

11、的输入输出量，结构图也不一样，但是整个系统的输入输出关关系是不会变的。系是不会变的。绘图第31页/共42页例例:速度控制系统速度控制系统,输入输入ur，输出转速，输出转速n第32页/共42页解：（解：（1 1）比较环节和速度调节器环节）比较环节和速度调节器环节r+I=cIfI第33页/共42页式中：第34页/共42页式中：第35页/共42页则比较环节和速度调节器环节的结构图为则比较环节和速度调节器环节的结构图为式中整理得 第36页/共42页（2 2）电动机及功率放大装置）电动机及功率放大装置Uk(s)KsUd(s)功率放大装置的结构图为：第37页/共42页（3）直流电动机装置直流电动机的结构图为：Ud(s)n(s)第38页/共42页（4 4）速度反馈的传递函数）速度反馈的传递函数 式中：为速度反馈系数 c fKn(s)KcfUf(s)则速度反馈的结构图为：第39页/共42页Uk(s)KsUd(s)Ud(s)n(s)n(s)KcfUf(s)第40页/共42页（5 5）系统的动态结构）系统的动态结构图图 -第41页/共42页感谢您的观看。第42页/共42页