自動控制原理胡壽松第六版ppt課件

1、2-3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖,2-4 數(shù)學(xué)模型的試驗測定法,控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,2-1 控制系統(tǒng)的時域數(shù)學(xué)模型,2-2 控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型,第二章,1,2-3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖,1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制,2.結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化,3.信號流圖的組成和性質(zhì),4.信號流圖的繪制,5.梅遜增益公式,6.閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),2,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是以結(jié)構(gòu)框圖的形式，描述系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、信號傳 遞關(guān)系的圖形。它完全表述了一個系統(tǒng)。也稱為方框圖。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：由四個基本單元組成。,信號線：帶有箭頭的線段，箭頭方向表示 信號的流向，線段旁邊標(biāo)注信號相應(yīng)的變 量名。,

2、引出點（或測量點）：信號線中的一個點，表示一個 信號在這地方分成若干路，流向不同的地方，每一路 的信號完全相同。通常這種情況出現(xiàn)在信號測量處， 所以也稱為測量點。,比較點（或綜合點）：若干信號的匯合點，經(jīng)過加 （減）運算，形成一個新的信號。流入信號增加使流 出信號增加，在線段旁注“+”；流入信號增加使流出 信號減小，在線段旁注“” 。通常將“+”符號省略。,3,方框（或環(huán)節(jié)）：方框表示系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)（可 以是一個元、部件，子系統(tǒng)，但不是必須）。 方框中填入該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。一個方框的輸 入輸出與傳遞函數(shù)間滿足 。,例2-11：畫電壓測量裝置的方框圖。（系統(tǒng)原理圖教材圖2-22）,被測電壓：e1;

3、,比較電路：將被測電壓e1與電位器輸出電壓e2進(jìn)行比較，得到誤差e;,調(diào)制、放大電路：將誤差信號調(diào)制、放大，用于驅(qū)動電機(jī);,兩相伺服電機(jī)：根據(jù)輸入電壓，產(chǎn)生角位移;,4,傳動機(jī)構(gòu)：將電機(jī)的角位移，轉(zhuǎn)換為線位移;,電位器：將線位移，轉(zhuǎn)換為電壓信號;,畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步驟：,步驟1：列各元件的微分方程，并在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換。,步驟2：從包含輸入信號的方程入手，根據(jù)方程關(guān)系畫圖。,步驟3：從前一個環(huán)節(jié)的輸出，尋找一個前面未用到的方程，根據(jù) 方程關(guān)系畫圖，直到輸出信號。,步驟4：補上未完成的比較點信號。,5,畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步驟：,步驟1：列各元件的微分方程，并在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換。,步驟2：從

4、包含輸入信號的方程入手，根據(jù)方程關(guān)系畫圖。,步驟3：從前一個環(huán)節(jié)的輸出，尋找一個前面未用到的方程，根據(jù) 方程關(guān)系畫圖，直到輸出信號。,步驟4：補上未完成的比較點信號。,6,其中： 衰減器輸出， 校正電路輸出。,例2-13：畫出LZ3型函數(shù)記錄儀的方框圖。（系統(tǒng)原理圖教材圖2- 26）,工作原理：輸入的電壓信號，由衰減器進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過雙T濾波電 路過濾掉50Hz的干擾信號，再經(jīng)過調(diào)制交流放大解調(diào)直流 放大，送到直流電機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)，帶動紀(jì)錄筆按輸入電壓的 波形運動。為了保證準(zhǔn)確記錄，將紀(jì)錄筆的位移信號測量出來， 經(jīng)過微分校正電路，送回輸入端與輸入電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成反饋 控制系統(tǒng)。為保證電機(jī)回路

5、工作性能，采用了內(nèi)反饋。,雙T濾波電路：屬無源網(wǎng)絡(luò)。,比較電路：,各環(huán)節(jié)的信號傳遞關(guān)系如下：,其中： 濾波器輸出。,7,調(diào)制器與交流放大：,其中： 交流放大器輸出， 放大器增益， 時間常數(shù)。,解調(diào)與直流放大電路：,其中： 直流放大器輸出， 內(nèi)回路反饋電壓。,直流電動機(jī)： 電動機(jī)的轉(zhuǎn)角。,其中： 測速電機(jī)轉(zhuǎn)換系數(shù)， 分壓系數(shù)。,內(nèi)回路反饋電壓：,齒輪系： ；繩輪：,測量電路：,微分校正電路：參見例2-13。,8,9,結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化,化簡：用簡單的結(jié)構(gòu)圖表示復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖。,等效變換：用另外一種方式，畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，但保持系統(tǒng)傳遞關(guān)系 不變，即系統(tǒng)的輸入輸出傳遞函數(shù)保持不變。,為避免發(fā)生錯誤，

6、在變換過程中應(yīng)遵循的原則：,目的：通過等效變換，使一個復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成簡單的結(jié)構(gòu)， 便于求出其傳遞函數(shù)。,作用：對復(fù)雜系統(tǒng)，可以避免解線性方程組求傳遞函數(shù)。,前向通道各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積保持不變；,閉合回路各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積保持不變；,1）串聯(lián)環(huán)節(jié)的簡化：多個環(huán)節(jié)串聯(lián)的作用等于一個環(huán)節(jié)的作用。 這個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)等于這幾個串聯(lián)環(huán)節(jié)的乘積。,10,2）并聯(lián)環(huán)節(jié)的簡化：多個環(huán)節(jié)并聯(lián)的作用等于這些環(huán)節(jié)的傳遞函 數(shù)和的作用。,3）反饋回路的簡化：,11,4）比較點之間的移動：,5）比較點沿信號傳遞方向移過一個環(huán)節(jié)：,6）比較點逆信號傳遞方向移過一個環(huán)節(jié)：,12,7）引出點沿信號傳遞方向移過一個環(huán)

7、節(jié)：,8）引出點逆信號傳遞方向移過一個環(huán)節(jié)：,9）比較點沿信號傳遞方向移過一個引出點：,13,10）比較點逆信號傳遞方向移過一個引出點：,11）負(fù)號在通路上的移動：,注意：一般若能避免引出點與比較點之間移動，則盡量避免。,14,例2-14：簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1,15,2,3,4,16,5,6,例2-15：簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,17,1,2,3,18,4,5,6,19,例2-16：簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1,2,20,3,4,5,6,21,信號流圖的組成及性質(zhì),信號流圖是以點和有向線段，描述系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、信號傳 遞關(guān)系的圖形。它完全表述了一個系統(tǒng)。,信號流圖：由兩個基本單元組成。,節(jié)點：用小圓點表示。節(jié)點表

8、示系統(tǒng)中的 一個信號。信號的名稱標(biāo)注在節(jié)點旁。,支路：用一條有向線段表示。支路表示系統(tǒng) 中的一個環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)標(biāo)注在支路 的旁邊。,信號流圖：由節(jié)點和支路構(gòu)成的圖。支路用于連接各節(jié)點，支路 的方向表示信號傳遞的方向。信號之間的傳遞關(guān)系由支路的傳遞 函數(shù)確定。,22,信號流圖常用的名詞術(shù)語,源節(jié)點（輸入節(jié)點）：只有信號輸出支路的節(jié)點。,阱節(jié)點（輸出節(jié)點）：只有信號輸入支路的節(jié)點。,混合節(jié)點：有輸入支路又有輸出支路的節(jié)點。,前向通路：從源節(jié)點出發(fā)，沿箭頭方向，每個節(jié)點只通過一次，到達(dá)阱節(jié)點，形成的通路。,回路：從一個節(jié)點出發(fā)，沿箭頭方向，每個節(jié)點只通過一次，回 到出發(fā)的節(jié)點，形成的通路。,不

9、接觸回路：沒有公共節(jié)點的回路。,前向通路總增益：前向通路各環(huán)節(jié)增益的乘積。,回路：回路各環(huán)節(jié)增益的乘積。,23,說明,：節(jié)點表示一個信號，相當(dāng)于微分方程中的一個變量，方框圖中 的一個有向線段,：支路表示一個環(huán)節(jié)，相當(dāng)于微分方程中變量的系數(shù)，方框圖中 的方框。所以支路相當(dāng)于一個乘法器。,：從混合節(jié)點引出的信號，等于這個節(jié)點所有輸入信號的和。節(jié) 點旁注的節(jié)點名也是這個節(jié)點所有輸入信號的和。,：節(jié)點表示的信號，并不一定要是微分方程的一個變量。,24,信號流圖的繪制,由微分方程繪制信號流圖：參照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的畫法,例2-17：繪制例2-12（圖2-24）RC網(wǎng)絡(luò)的信號流圖,由例2-12，RC網(wǎng)絡(luò)的微分方

10、程（拉氏變換,u1(0)0）為,25,由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖繪制信號流圖,例：繪制例2-11電壓測量裝置的信號流圖,26,例2-18：繪制圖2-43所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對應(yīng)的信號流圖,27,梅遜增益公式,Pk第k條前向通道的增益。,hi第i個回路的增益。,H1各回路的增益和。,H2兩兩互不接觸回路增益乘積的和。,回路i與回路j互不接觸。,Hn：n個互不接觸回路增益乘積的和。,回路 、 、 互不接觸。,信號流圖的特征式。,k第k條前向通道的余因子：去除中與第K條前向通道相接觸的 回路后的剩余部分 。,梅遜增益公式,28,例2-19：用梅遜公式求例2-14系統(tǒng)的傳遞函數(shù),29,例2-20：用梅遜公式求圖2-47系

11、統(tǒng)的傳遞函數(shù),信號流圖的特征式。,前向通道1的余式,前向通道2的余式,30,例2-21：用梅遜公式求圖2-48系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 及,不接觸回路h1h3，增益乘積,信號流圖的特征式：,前向通道1：,余式：,前向通道2：,余式：,前向通道1：,余式：,31,例2-22：求圖2-49系統(tǒng)的傳遞函數(shù),回路1,回路2,回路3,回路4,信號流圖的特征式：,前向通道1：,余式：,前向通道2：,余式：,前向通道3：,余式：,余式：,前向通道4：,32,閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),輸入信號下的閉環(huán)傳遞函數(shù),擾動作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù),閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù),這些傳遞函數(shù)相同點：分母相同，是信號流圖的特征式。,33,2-4

12、數(shù)學(xué)模型的實驗測定法,1.數(shù)學(xué)模型試驗測定的主要方法,2.輸入測試信號的選擇,3.測定試驗注意事項,4.實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理,復(fù)雜系統(tǒng)，無法通過推衍的方法得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)時，用實驗法測定。,34,數(shù)學(xué)模型實驗測定的主要方法,數(shù)學(xué)模型實驗測定的基礎(chǔ)：不同的系統(tǒng)，在不同的輸入作用下，會 有不同的輸出。同樣的系統(tǒng)，在同樣的條件下（包括初始條件和 外加激勵）有相同的響應(yīng)。,數(shù)學(xué)模型實驗測定的方法：給系統(tǒng)施加一個外加激勵，觀測系統(tǒng)輸 出，進(jìn)而推斷系統(tǒng)模型。根據(jù)施加的外加激勵及分析的領(lǐng)域不 同，由三種方法。,時域測定法：給系統(tǒng)施加一個確定性輸入，根據(jù)輸入輸出信號隨 時間的變化關(guān)系，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。,頻域測定法：給系統(tǒng)施加一個頻率信號，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān) 系隨頻率的變化，推斷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,統(tǒng)計相關(guān)測定法：給系統(tǒng)施加一個隨機(jī)信號，根據(jù)系統(tǒng)的輸入響 應(yīng)，用統(tǒng)計方法，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。,35,輸入測試信號的選