自动控制原理结构图及等效变换.ppt

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Friday,May26,2023,1,第三节结构图及其等效变换,Friday,May26,2023,2,结构图的基本概念,我们可以用方块图表示系统的组成和信号流向。

在引入传递函数后，可以把环节的传递函数标在方块图的方块里，并把输入量和输出量用拉氏变换表示。

这时Y（s）=G（s）X（s）的关系可以在结构图中体现出来。

定义：

表示变量之间数学关系的方块图称为动态结构图或结构图。

一、结构图的基本概念：

若已知系统的组成和各部分的传递函数，则可以画出各个部分的结构图并连成整个系统的结构图。

Friday,May26,2023,3,结构图的基本概念,例2-10求例2-5所示的速度控制统的结构图。

各部分传递函数见例2-6.,Friday,May26,2023,4,将上面几部分按照逻辑连接起来，形成下页所示的完整结构图。

反馈环节：

Friday,May26,2023,5,在结构图中，不仅能反映系统的组成和信号流向，还能表示信号传递过程中的数学关系。

系统结构图也是系统的数学模型，是复域的数学模型。

结构图的基本概念,Friday,May26,2023,6,结构图的等效变换,定义：

在结构图上进行数学方程的代数运算。

二、结构图的等效变换：

类型：

环节的合并；-串联-并联-反馈连接信号分支点或相加点的移动。

原则：

变换前后环节的数学关系保持不变。

Friday,May26,2023,7,环节的合并,环节的串联：

（一）环节的合并：

有串联、并联和反馈三种形式。

Friday,May26,2023,8,如果上述三种连接交叉在一起而无法化简，则要考虑移动某些信号的相加点和分支点。

信号相加点的移动：

把相加点从环节的输入端移到输出端,信号相加点的移动,

（二）信号相加点和分支点的移动和互换：

Friday,May26,2023,9,信号相加点的移动和互换,把相加点从环节的输出端移到输入端：

Friday,May26,2023,10,信号分支点的移动：

分支点从环节的输入端移到输出端,信号分支点的移动和互换,Friday,May26,2023,11,信号相加点和分支点的移动和互换,分支点从环节的输出端移到输入端：

注意：

相临的信号相加点位置可以互换；见下例,Friday,May26,2023,12,信号相加点和分支点的移动和互换,同一信号的分支点位置可以互换：

见下例,相加点和分支点在一般情况下，不能互换。

所以，一般情况下，相加点向相加点移动，分支点向分支点移动。

Friday,May26,2023,13,结构图的化简,应注意以下两点:

化简的关键是解除环路与环路的交叉,或形成大环套小环的形式.解除交叉连接的有效方法是移动相加点或分支点.,Friday,May26,2023,14,结构图等效变换例子|例2-11,解：

不能把左图简单地看成两个RC电路的串联,有负载效应。

根据电路定理，有以下式子：

例2-11利用结构图等效变换讨论两级RC串联电路的传递函数。

Friday,May26,2023,15,结构图等效变换例子|例2-11,总的结构图如下：

为了求出总的传递函数，需要进行适当的等效变换。

一个可能的变换过程如下：

Friday,May26,2023,16,结构图等效变换例子|例2-11,Friday,May26,2023,17,结构图等效变换例子|例2-12,解：

结构图等效变换如下：

例2-11系统结构图如下，求传递函数。

Friday,May26,2023,18,结构图等效变换例子|例2-12,Friday,May26,2023,19,闭环系统的传递函数,闭环控制系统（也称反馈控制系统）的典型结构图如下图所示：

图中，为输入、输出信号，为系统的偏差，为系统的扰动量，这是不希望的输入量。

由于传递函数只能处理单输入、单输出系统，因此，我们分别求对和对的传递函数，然后叠加得出总的输出量。

第四节自动控制系统的传递函数：

Friday,May26,2023,20,给定输入作用下的闭环系统的传递函数,令，则有：

上式中，称为前向通道传递函数，前向通道指从输入端到输出端沿信号传送方向的通道。

前向通道和反馈通道的乘积称为开环传递函数。

含义是主反馈通道断开时从输入信号到反馈信号之间的传递函数。

（一）给定输入作用下的闭环系统：

Friday,May26,2023,21,给定输入作用下的闭环系统的传递函数,Friday,May26,2023,22,扰动输入作用下的闭环系统的传递函数,此时R（s）=0,结构图如下：

一般要求由扰动量产生的输出量应为零。

系统的误差为-C（s）,偏差E（s）=0-B（s）=-H（s）C（s），扰动作用下偏差传递函数为：

（二）扰动作用下的闭环系统：

Friday,May26,2023,23,给定输入和扰动输入作用下的闭环系统的传递函数,根据线性迭加原理：

提示：

各个传递函数都具有相同的分母，分母称为控制系统的特征表达式。

（三）给定输入和扰动输入同时作用下的闭环系统,Friday,May26,2023,24,小结,结构图的概念和绘制方法；结构图的等效变换（环节的合并和分支点、相加点的移动）；闭环系统的传递函数（给定作用和扰动作用共同下）；特征表达式（特征方程）。

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