第--控制系统的结构图与信号流图.ppt

1、12:06,1,项 目,2-3 控制系统的结构图与信号流图,12:06,2,本节内容,结构图的组成和绘制,结构图的等效变换求系统传递函数,信号流图的组成和绘制,MASON公式求系统传递函数,闭环系统有关传函的一些基本概念,12:06,3,一 结构图的组成和绘制 微分方程、传递函数等数学模型，都是用纯数学表达式来描述系统特性，不能反映系统中各元部件对整个系统性能的影响。 定义：由具有一定函数关系的环节组成的，并标明信号流向的系统的方框图，称为系统的结构图。 结构图又称为方框图、方块图等，控制系统的结构图是表示系统各元件特性、系统结构和信号流向的图示方法，既能描述系统中各变量间的定量关系，又能明显

2、地表示系统各部件对系统性能的影响。,12:06,4,例1 引入闭环控制后的直流电机转速控制系统,原理示意图,职能方块图,12:06,5,结构图组成 (1)信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的流向，在直线旁边标有信号的时间函数或象函数。一条信号线上的信号处处相同。,G(s),X(s),Y(s),(2)方框：表示对信号进行的数学变换，方框内的函数为元件或系统的传递函数。系统输出的象函数等于输入的象函数乘以方框中的传递函数或者频率特性。,X(s),12:06,6,(3)比较点(综合点、相加点)：表示对两个以上的信号进行加减运算，加号常省略,负号必须标出;进行相加减的量,必须具有相同的量纲。,(4)

3、引出点（分支点）:表示信号引出或测量的位置，同一位置引出的信号大小和性质完全相同。,12:06,7,结构图特点,结构图是方块图与微分方程（传函）的结合。一方面它直观反映了整个系统的原理结构（方块图优点），另一方面对系统进行了精确的定量描述（每个信号线上的信号函数均可确定地计算出来）。 能描述整个系统各元部件之间的内在联系和零初始条件下的动态性能，但不能反映非零条件下的动态性能。 结构图最重要的作用：计算整个系统的传函。 对同一系统，其结构图具有非唯一性；简化也具有非唯一性。但得到的系统传函是确定唯一的。 结构图中方块实际元部件，因为方框可代表多个元件的组合，甚至整个系统。,12:06,8,将方

4、块图中各时间域中的变量用其拉氏变换代替，各方框中元件的名称换成各元件的传递函数,这时方框图就变成了动态结构图，简称结构图，即传递函数的几何表达形式。,结构图的绘制,步骤： 1）建立控制系统各元部件的微分方程。 2）对各元件的微分方程进行拉氏变换，并作出各元件的方框图和比较点。 3）置系统输入量于左端，输出量于右端，便得到系统结构图。 4）从与系统输入量有关的比较点开始，依据信号流向，把各元部件的结构图连接起来。,12:06,9,一阶RC网络,例1画出RC电路的结构图。,结构图的绘制,12:06,10,解：利用复阻抗的概念及元件特性可得每一元件的输入量和输出量之间的关系如下：,R：,C：,绘制每

5、一元件的结构图，并把相同变量连接起来，得到系统的结构图。,1/sC,Ui(s),Uo(s),-,Uo(s),I(s),1/R,12:06,11,例2：绘制两级RC网络的结构图。,12:06,12,解：利用复阻抗的概念及元件特性可得每一元件的输入量和输出量之间的关系如下：,12:06,13,有变量相减，说明存在反馈和比较，比较后的信号一般是元件的输入信号，所以将上页方程改写如下相乘的形式：,12:06,14,1/R1,1/sC1,1/R2,1/sC2,UC(s),Ur(s),U1(s),I1(s),I2(s),-,-,U1(s),-,UC(s),绘制每一元件的结构图，并把相同变量连接起来，得到系

6、统的结构图。,I2(s),12:06,15,为了便于系统分析和设计，常常需要对系统的复杂的结构图作等价变换，或者通过变换使系统结构图简化，求取系统的总传递函数。因此，结构图变换是控制理论的基本内容。,二 结构图的等效变换,等效变换的原则 结构图的变换应按等效原则进行。所谓等效，即对结 构图的任一部分进行变换时，变换前后输入输出的数 学关系保持不变。,12:06,16,变换方法,变换方法,12:06,17,串联连接的等效变换 传递函数的串联连接，其等效传递函数为这些传递函数的积。,上述结论可以推广到多个传递函数的串联，即n个传递函数依次串联的等效传递函数，等于n个传递函数的乘积。,12:06,1

7、8,并联连接的等效变换 传递函数的并联连接，其等效传递函数为这些传递函数的和。,上述结论可以推广到多个传递函数的并联，即n个传递函数并联的等效传递函数，等于n个传递函数的和。,12:06,19,反馈连接的等效变换,G1,G2,G,H,G1,G2,G1,G2,G,G,H,1,串 联,并 联,反 馈,+,+,等效方框,+,(a),(b),(c),+,12:06,21,原则：保持移动前后封闭域输入输出关系不变。,引出点前移,比较点后移,移动的支路上乘以它所扫过方框内的传函。,12:06,22,引出点后移,比较点前移,移动的支路上乘以它所扫过方框内的传函的倒数。,12:06,23,12:06,24,1

8、2:06,25,12:06,26,12:06,27,1 变换目的：是为了得到系统的传递函数。与传递函数的代数运算等价，通过代数运算也可以得到同样的结果。,需要说明的两点：,在走投无路时，记住等效代数化简是最根本的方法，它可以解决你在图形变换法中解决不了的各种疑难问题。,12:06,28,（1）用最少的步骤将系统结构图化成由三种基本结构组成的图形，然后通过串联和并联变换化简信号通道，通过反馈回路变换化简回路（记住公式）。,2 变换思路,（2）通过比较点和引出点的移动(向同类移动,并利用可交换性法则）,解除回路之间互相交连的部分,从而简化结构图。,12:06,29,变换技巧一：向同类移动 引出点向

9、引出点移动，比较点向比较点移动。移动后再将它们合并，以减少结构图中引出点和比较点的数目。一般适用于前向通道。,变换技巧,12:06,30,引出点移动,G1,G2,G3,G4,H3,H2,H1,a,b,向同类移动,12:06,31,比较点移动,G2,无用功,向同类移动,G1,12:06,32,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,33,变换技巧二：作用分解 同一个变量作用于两个比较点，或者是两个变量作用于同一个方框，可以把这种作用分解成两个单独的回路，用以化解回路之间的相互交连。一般适用于反馈通道。,12:06,34,作用分解,12:06,35,注意图形等效后面的代数辅助运算,先简化红线框

10、,例2 求系统传函。,12:06,36,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,37,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,38,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,39,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,40,注意图形等效后面的代数辅助运算,12:06,41,反思：有没有更好的方法？,12:06,42,12:06,43,G1,G2,+,+,+,+,-,R,C,例3 求系统传递函数。,P,M,N,12:06,44,用代数运算法求解,由结构图列写方程式： 消去中间变量，可得系统传递函数：,解：,12:06,45,结构图化简方法小结,1.三个法则 移动法则：向同类移动

11、互换法则：相邻比较点可互换、相邻引出点可互换 分解法则：作用分解 2.利用代数运算求系统传函。,12:06,46,三 信号流图的组成和绘制,对于复杂的控制系统，结构图的简化过程仍较复杂，且易出错。,信号流图：表示系统的结构和变量传送过程中的数学关系的图示方法。,优点：直接应用梅逊公式就可以写出系统的传递函数，无需对信号流图进行化简和变换。,12:06,47,由节点、支路组成,基本组成：,节点：节点表示信号，输入节点表示输入信号，输出节点表示输出信号。 支路：连接节点之间的线段为支路。支路上箭头方向表示信号传送方向。传递函数标在支路上箭头的旁边，称支路传输(增益)。,12:06,48,a,b,c

12、,d,e,f,有关术语,源节点：输入节点。它只有输出支路。 汇节点：输出节点。它只有输入支路。 混合节点：既有输入支路又有输出支路的节点。相当于结构图中的信号比较点和引出点。它上面的信号是所有输入支路引进信号的叠加。,12:06,49,a,b,c,d,e,f,通路：沿支路箭头方向穿过各个相连支路的路线，起始点和终点都在节点上。 回路：通路与任一节点相交不多于一次，但起点和终点为同一节点的通路称为(单独)回路。 不接触回路：各回路之间没有公共节点的回路。 前向通路：信号从输入节点到输出节点传递时，每个节点只通过一次的通路。,g,12:06,50,回路增益：回路中所有支路增益的乘积。一般用La表示

13、。 前向通路增益：前向通路上各支路增益的的乘积。一般用Pk来表示。,a,b,c,d,e,f,g,12:06,51,和,和,单独回路(7个),不接触回路(2组),12:06,52,1 信流图是线性代数方程组结构的一种图形表示，两者一一对应。,说明,12:06,53,2 对于一个给定的系统，由于描述同一个系统的方程可以表示为不同的形式，因此信号流图不是唯一的。 3 混合节点可以通过增加一个增益为1的支路变成为输出节点,且两节点的变量相同。,x5,1,12:06,54,信号流图的绘制,由原理图绘制信号流图 (1)列写系统原理图中各元件的原始微分方程式。 (2)将微分方程组取拉氏变换，并考虑初始条件，

14、转换成代数方程组。 (3)将每个方程式整理成因果关系形式。 (4)将变量用节点表示，并根据代数方程所确定的关系，依次画出连接各节点的支路。,12:06,55,例 绘制RC电路的信号流图，设电容初始电压为u1(0)。,12:06,56,1 列写网络微分方程式如下：,2 方程两边进行拉氏变换：,12:06,57,3 按照因果关系，将各变量重新排列得方程组(如右)：,12:06,58,4 按照方程组绘制信流图,12:06,59,由系统结构图绘制信号流图,信号流图包含了结构图所包含的全部信息，在描述系统性能方面，其作用是相等的。但是，在图形结构上更简单方便。,信流图：,源节点,混合节点,支路,汇节点,

15、12:06,60,由系统结构图绘制信号流图的步骤,1）将方框图的所有信号(变量)换成节点，并按方框图的顺序分布好； 2）用标有传递函数的线段(支路)代替结构图中的方框。,12:06,61,解：画出系统的信流图。,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,12:06,62,注意：引出点和比较点相邻的处理,12:06,63,例 绘制下图所示系统结构图对应的信号流图。,12:06,64,1 将结构图的变量换成节点，并按结构图的顺序分布好；,解：,2 用标有传递函数的线段(支路)代替结构图中的函数方框。,a,b,c,12:06,65,输入与输出两个节点间的传递函数可用下面的梅森公式来求

16、取：,式中：信流图的特征式 =1-(所有单独回路增益之和)+(所有两个互不接触回路增益乘积之和)(所有三个互不接触回路增益乘积之和)+,四 梅森公式,12:06,66,Pk N条前向通路中第k条前向通路的增益； k第k条前向通路余因式，即与第k条前向通路不接触部分的值； N 前向通路的总数。,12:06,67,例 利用梅森公式，求：C(s)/R(s)。,12:06,68,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),该系统中有四个独立的回路：,用梅森公式,12:06,69,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,

17、R(s),C(s),该系统中有四个独立的回路：,用梅森公式,12:06,70,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),该系统中有四个独立的回路：,用梅森公式,12:06,71,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),该系统中有四个独立的回路：,用梅森公式,12:06,72,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),该系统中有四个独立的回路：,用梅森公式,互不接触的回路L1 L2。,所以，特征式,12:06,73,G1,G6,G7,G2,

18、G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),前向通道有三个：,12:06,74,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),前向通道有三个：,12:06,75,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),前向通道有三个：,12:06,76,G1,G6,G7,G2,G3,G5,-H1,-H2,G4,a,b,c,d,R(s),C(s),前向通道有三个：,12:06,77,得系统的传递函数C(s)/R(s)为,=1-(L1+L2+L3+L4)+L1L2 P1= G1G2G3G

19、4G5 1=1 P2= G1G6G4G5 2=1 P3= G1G2G7 3=1-L1,将,代入,12:06,78,e,1,a,b,c,d,f,g,h,C(s),R(s),C(s),R(s),=,1,+,+,例1：求系统传递函数。,例2 求系统传函。,1,1,R,Y,G1,x1,x2,x3,x4,G2,G3,G4,1,-1,-H1,-H2,单独回路5条，没有互不接触回路，前向通路2条。,x5,12:06,80,例3：求系统的传递函数,a,b,c,d,e,f,g,h,i,12:06,81,a,b,c,d,e,f,g,h,i,12:06,82,G1,G2,-,R,C,例4 用梅森公式求系统传递函数。

20、,12:06,83,解：由结构图绘制出信号流图。,12:06,84,单独回路有5条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,85,单独回路有5条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,86,单独回路有5条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,87,单独回路有5条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,88,单独回路有5条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,89,单独回路有5条：,没有互不接触回

21、路。前向通路有4条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,90,单独回路有5条：,没有互不接触回路。前向通路有4条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,91,单独回路有5条：,没有互不接触回路。前向通路有4条：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,92,单独回路有5条：,没有互不接触回路。前向通路有4条：,由梅森公式，得：,G1,G2,R(s),-1,x1,x2,x3,x4,x5,x6,12:06,93,原理图、原理方框图、微分方程、传递函数、动态结构图、信号流图（梅逊公式

22、）等表达形式是各有千秋，各有自己的应用特点，但同时他们又相辅相成，并共同组成了描述系统的体系，只有将他们有机地结合在一起统一研究，才能对系统有更深入、更全面的认识。,12:06,94,小结：求传函的方法,12:06,95,五 闭环系统传递函数的几个重要概念,反馈通路传递函数：,前向通路传递函数：,控制系统常采用反馈结构，又称闭环控制系统。通常，控制系统会受到两类外作用信号的影响。一类是有用信号，或称为输入信号、给定值、参考输入等，常用r(t)表示；另一类则是扰动，或称为干扰、噪声等，常用n(t)表示。,闭环系统的典型结构图,12:06,96,闭环系统的开环传递函数简称开环传递函数 定义：反馈信号B(s)与偏差信号E(s)之比（假设断开反馈）,开环传递函数并不是第一章所述的开环系统的传递函数，而是指闭环系统在开环时的传递函数。,12:06,97,闭环传递函数 定义：系统的主反馈回路接通以后，输出量与输入量之间的传递函数，通常用(s)表示。,系统的输入信号有两种：给定信号和扰动信号。,12:06,98,表明系统的闭环传递函数只与H(S)有关，与被包围的,1）给定闭环传递函数 定义：设扰动信号N(s)=0, 给