第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2023/4/11歡迎各位來到《自動(dòng)控制原理》課堂！2023/4/11第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1緒言

2.2線性元件的微分方程及求解2.3控制系統(tǒng)復(fù)域數(shù)學(xué)模型2.4典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)2.5控制系統(tǒng)的方塊圖2.6信號(hào)流圖與梅遜公式本章小結(jié)、重點(diǎn)和習(xí)題2023/4/112.1緒言１．本章主要內(nèi)容

本章主要討論系統(tǒng)微分方程、傳遞函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖，信號(hào)流圖、梅遜公式及其應(yīng)用。２．?dāng)?shù)學(xué)模型：是描述系統(tǒng)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)模型微分方程傳遞函數(shù)方框圖和信號(hào)流圖狀態(tài)空間模型圖2-12023/4/113．物理模型：任何元件或系統(tǒng)實(shí)際上都是很復(fù)雜的，難以對(duì)它作出精確、全面的描述，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想化。簡(jiǎn)化后的元件或系統(tǒng)為該元件或系統(tǒng)的物理模型。簡(jiǎn)化是有條件的，要根據(jù)問題的性質(zhì)和求解的精確要求，來確定出合理的物理模型。4．?dāng)?shù)學(xué)建模：從實(shí)際系統(tǒng)中抽象出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程5.建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有

：a.機(jī)理分析法：對(duì)系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，物理規(guī)律、化學(xué)規(guī)律。b.實(shí)驗(yàn)辯識(shí)法：人為施加某種測(cè)試信號(hào)，記錄基本輸出響應(yīng)。2023/4/11實(shí)驗(yàn)法：基于系統(tǒng)辨識(shí)的建模方法已知知識(shí)和辨識(shí)目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)--選擇實(shí)驗(yàn)條件模型階次--適合于應(yīng)用的適當(dāng)?shù)碾A次參數(shù)估計(jì)--最小二乘法模型驗(yàn)證—將實(shí)際輸出與模型的計(jì)算輸出進(jìn)行比較，系統(tǒng)模型需保證兩個(gè)輸出之間在選定意義上的接近黑匣子輸入（已知）輸出（已知）圖2-22023/4/11分析法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)步驟：建立物理模型。列寫原始方程。利用適當(dāng)?shù)奈锢矶伞缗ｎD定律、基爾霍夫電流和電壓定律、能量守恒定律等）選定系統(tǒng)的輸入量、輸出量及狀態(tài)變量（僅在建立狀態(tài)模型時(shí)要求），消去中間變量，建立適當(dāng)?shù)妮斎胼敵瞿Ｐ突驙顟B(tài)空間模型。2023/4/112.2線性元件的微分方程及其求解一．微分方程：是一種輸入----輸出描述，給定量和擾動(dòng)量作為系統(tǒng)輸入量，被控制量作為系統(tǒng)的輸出.（1）確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量（2）將系統(tǒng)劃分為若干環(huán)節(jié)，從輸入端開始，按信號(hào)傳遞的順序，依據(jù)各變量所遵循的物理學(xué)定律，列出各環(huán)節(jié)的線性化原始方程。（3）消去中間變量，寫出僅包含輸入、輸出變量的微分方程式。二．列寫線性系統(tǒng)微分方程的主要步驟2023/4/11三．舉例說明線性元件微分方程的建立例2-1:圖2-1為由一RC組成的四端無源網(wǎng)絡(luò)。試列寫以U1（t）為輸入量，U2(t)為輸出量的網(wǎng)絡(luò)微分方程。U1R1R2U2C1C2圖2-3RC組成的四端網(wǎng)絡(luò)

解：設(shè)回路電流i1、i2，根據(jù)基爾霍夫定律，列寫方程組如下：

(5)(4)(3)(2)(1)2023/4/11由②導(dǎo)出：

將i1、i2代入①、③，則得

由④、⑤得：(5)(4)(2)(3)(1)2023/4/11這就是RC組成的四端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，是一個(gè)二階線性微分方程。2023/4/11例2-2試證明圖2-4示(a)、(b)所示的機(jī)、電系統(tǒng)是相似系統(tǒng)(即兩系統(tǒng)具有相同的數(shù)學(xué)模型)。圖2-4電機(jī)相似系統(tǒng)

B1B2K1K2XrXc

（a）系機(jī)械統(tǒng)R2C2R1C1UrUc

(b)氣電系統(tǒng)2023/4/11

解：對(duì)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)：輸入為Xr，輸出為Xc，根據(jù)力平衡，可列出其運(yùn)動(dòng)方程式

B1B2K1K2XrXc

（a）系機(jī)械統(tǒng)2023/4/11對(duì)電氣網(wǎng)絡(luò)(b)，列寫電路方程如下：②

③

④1

R2C2R1C1UrUc

(b)氣電系統(tǒng)2023/4/11利用②、③、④求出

代入①將①兩邊微分得2023/4/11力-電壓相似機(jī)系統(tǒng)（a）和電系統(tǒng)（b）具有相同的數(shù)學(xué)模型，故這些物理系統(tǒng)為相似系統(tǒng)。（即電系統(tǒng)為機(jī)系統(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)）相似系統(tǒng)揭示了不同物理現(xiàn)象之間的相似關(guān)系。為我們利用簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)（如電的系統(tǒng)）去研究機(jī)械系統(tǒng)......因?yàn)橐话銇碚f，電的或電子的系統(tǒng)更容易，通過試驗(yàn)進(jìn)行研究。1/C21/C1電阻R2電阻R1電氣彈性系數(shù)K2彈性系數(shù)K1阻尼B2阻尼B1機(jī)械圖2-52023/4/11四線性微分方程的求解2.數(shù)學(xué)工具－拉普拉斯變換與反變換(.1.經(jīng)典解法:ω(t)=ωp(t)+ωh(t)

特解

通解還可分為ω(t)=ω∞(t)+ωt(t)

穩(wěn)態(tài)解暫態(tài)解a2[s2(s)–sω(0)-]+a1[s(s)–

ω(0)]+a0(s)=b1[sUg(s)–ug(0)]+b0Ug(s)整理，

得

(s)=1(s)+2(s)

=Ug(s)+∴

ω(t)=ω1(t)+ω2(t)

零狀態(tài)解零輸入解（自由響應(yīng)）2023/4/111。求解所用數(shù)學(xué)工具－拉普拉斯變換與反變換⑴拉氏變換定義設(shè)函數(shù)f(t)滿足①t<0時(shí)f(t)=0②t>0時(shí)，f(t)分段連續(xù)

則f(t)的拉氏變換存在，其表達(dá)式記作：⑵拉氏變換基本定理線性定理

位移定理延遲定理終值定理2023/4/11初值定理微分定理積分定理⑶拉氏反變換：F(s)化成下列因式分解形式：a．F(s)中具有不同的極點(diǎn)時(shí)，可展開為2023/4/11

c.F(s)含有多重極點(diǎn)時(shí)，可展開為其余各極點(diǎn)的留數(shù)確定方法與上同。b.F(s)含有共扼復(fù)數(shù)極點(diǎn)時(shí)，可展開為2023/4/112.3控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型一．傳遞函數(shù)１．定義：線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，定義為零初使條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。系統(tǒng)微分方程的一般形式為：設(shè)R(s)=L[r(t)],C(s)=L[c(t)],當(dāng)初始條件均為0時(shí),有

(sn+a1sn-1+…+an-1s+an)C(s)=(b0sm+b1sm-1+…+bm-1s+bm)R(s)

即傳遞函數(shù):

2023/4/11（５）與微分方程的區(qū)別及聯(lián)系微分方程是在時(shí)域中描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型，在給定輸入和初始條件下，解微分方程可以得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化時(shí)分析較麻煩。用拉氏變化法求解微分方程時(shí)，可以得到控制系統(tǒng)在復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型－傳遞函數(shù)。二．幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）傳遞函數(shù)是由微分方程在初始條件為零時(shí)進(jìn)行拉氏變換得到的（2）如果已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和輸入信號(hào),則可根據(jù)式（2-36）求得初始條件為零時(shí)輸出量的拉氏變換式C（S）,再求C（S）的拉氏反變換可得到系統(tǒng)的響應(yīng)

c(t)。所以傳遞函數(shù)和微分方程、傳遞函數(shù)與時(shí)域響應(yīng)之間都具有密切聯(lián)系

（3）傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式即為微分方程的特征多項(xiàng)式

（4）同一系統(tǒng)的輸出對(duì)不同的輸入量有不同的傳遞函數(shù)，但特征多項(xiàng)式相同

2023/4/11--》機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)例2-5

求例2-2機(jī)械系統(tǒng)與電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

和解：--》電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2023/4/11性質(zhì)1傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理真分式函數(shù)，m≤n，且所具有復(fù)變量函數(shù)的所有性質(zhì)。三．傳遞函數(shù)的幾點(diǎn)性質(zhì)性質(zhì)2G(s)取決于系統(tǒng)或元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，與輸入量的形式（幅度與大?。o關(guān)。性質(zhì)3G(s)雖然描述了輸出與輸入之間的關(guān)系，但它不提供任何該系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵S多不同的物理系統(tǒng)具有完全相同的傳遞函數(shù)。性質(zhì)4如果G(s)已知，那么可以研究系統(tǒng)在各種輸入信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)。性質(zhì)5如果系統(tǒng)的G(s)未知，可以給系統(tǒng)加上已知的輸入，研究其輸出，從而得出傳遞函數(shù)，一旦建立G(s)可以給出該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的完整描述。性質(zhì)6傳遞函數(shù)與微分方程之間有關(guān)系。2023/4/11性質(zhì)7傳遞函數(shù)G(s)的拉氏反變換是脈沖響應(yīng)g(t)

脈沖響應(yīng)（脈沖過渡函數(shù)）g(t)是系統(tǒng)在單位脈沖輸入時(shí)的輸出響應(yīng)。例2-6在例2-1中，設(shè)當(dāng)輸入為單位階躍函數(shù),即時(shí),求輸出解：根據(jù)例1得到的微分方程。2023/4/112023/4/11四．傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)輸出的影響

極點(diǎn)是微分方程的特征根，因此，決定了所描述系統(tǒng)自由運(yùn)動(dòng)的模態(tài)。為傳遞函數(shù)的零點(diǎn)為傳遞函數(shù)的極點(diǎn)2023/4/11零點(diǎn)距極點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，該極點(diǎn)所產(chǎn)生的模態(tài)所占比重越大零點(diǎn)距極點(diǎn)的距離越近，該極點(diǎn)所產(chǎn)生的模態(tài)所占比重越小如果零極點(diǎn)重合－該極點(diǎn)所產(chǎn)生的模態(tài)為零，因?yàn)榉肿臃帜赶嗷サ窒?/p>

2023/4/112.4典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)

由微分方程直接得出的傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式。對(duì)于實(shí)際物理系統(tǒng)，傳遞函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式的所有系數(shù)均為實(shí)數(shù)，而且分母多項(xiàng)式的階次n不低于分子多項(xiàng)式的階次m，分母多項(xiàng)式階次為n的傳遞函數(shù)稱為n階傳遞函數(shù)，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為n階系統(tǒng)

。傳遞函數(shù)可表示成復(fù)變量s的有理分式:傳遞函數(shù)可表示成零、極點(diǎn)表示：2023/4/11

系統(tǒng)傳遞函數(shù)有時(shí)還具有零值極點(diǎn)，設(shè)傳遞函數(shù)中有個(gè)零值極點(diǎn),并考慮到零極點(diǎn)都有實(shí)數(shù)和共軛復(fù)數(shù)的情況,則傳遞函數(shù)的后兩種表示的一般形式為：可見，系統(tǒng)傳遞函數(shù)是由一些常見基本因子,如式上中的(js+1)、1/(Tis+1)等組成。即系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示為上式時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)是這些常見基本因子的乘積。這些常見基本因子代表的環(huán)節(jié)稱為典型環(huán)節(jié)。任何復(fù)雜的系統(tǒng)都可以用若干典型環(huán)節(jié)構(gòu)成。具有相同基本因子傳遞函數(shù)的元件，可以是不同的物理元件，但都具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2023/4/111.比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)又稱放大環(huán)節(jié)，其輸出與輸入成比例關(guān)系K：比例系數(shù)或放大系數(shù)，增益其傳遞函數(shù)：2023/4/112．慣性環(huán)節(jié)

慣性環(huán)節(jié)又稱為非周期環(huán)節(jié)，其輸入量和輸出量之間的關(guān)系可用下列微分方程來描述：式中T——慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)

K——比例系數(shù)。2023/4/113．積分環(huán)節(jié)輸出量與輸入量的積分成比例，系數(shù)為K。積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程為：積分環(huán)節(jié)具有一個(gè)零值極點(diǎn)，即極點(diǎn)位于S平面上的坐標(biāo)原點(diǎn)處。T稱為積分時(shí)間常數(shù)。從傳遞函數(shù)表達(dá)式易求得在單位階躍輸入時(shí)的輸出為：

C（t）=Kt上式說明，只要有一個(gè)恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié)，其輸出量就與時(shí)間成比例地?zé)o限增加。2023/4/114．振蕩環(huán)節(jié)

振蕩環(huán)節(jié)的微分方程是：相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

式中T——時(shí)間常數(shù)；——阻尼系數(shù)（阻尼比），且0＜＜1。

振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)具有一對(duì)共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn),在復(fù)平面S上的位置見右圖所示,傳遞函數(shù)可改寫為：n=1/T——無阻尼自然振蕩頻率。共軛復(fù)數(shù)極點(diǎn)為：2023/4/115．微分環(huán)節(jié)

微分是積分的逆運(yùn)算,按傳遞函數(shù)的不同,微分環(huán)節(jié)可分為三種：理想微分環(huán)節(jié)、一階微分環(huán)節(jié)（也稱為比例加微分環(huán)節(jié)）和二階微分環(huán)節(jié)。相應(yīng)的微分方程為：相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：

2023/4/116．延遲環(huán)節(jié)延遲環(huán)節(jié)又稱為純滯后環(huán)節(jié)、時(shí)滯環(huán)節(jié)。延遲環(huán)節(jié)的輸出是一個(gè)延遲時(shí)間后，完全復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，即：式中——純延遲時(shí)間。單位階躍輸入時(shí)，延遲環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)如右圖示．根據(jù)拉氏變換的延遲定理，可得延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：2023/4/11一．方框圖的基本概念１．控制系統(tǒng)的方塊圖是系統(tǒng)各元件特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)流向的圖解表示法。2.5控制系統(tǒng)的方塊圖2023/4/11前述幾種典型環(huán)節(jié)的方框圖如下圖所示：2023/4/11（1）方塊（BlockDiagram）:表示輸入到輸出單向傳輸間的函數(shù)關(guān)系。G(s)R(s)C(s)

圖2-12

方塊圖中的方塊信號(hào)線方塊r(t)c(t)二．方塊圖元素2023/4/11（2）比較點(diǎn)（合成點(diǎn)、綜合點(diǎn)）SummingPoint

兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入信號(hào)進(jìn)行加減比較的元件?！?”表示相加，“-”表示相減?！?”號(hào)可省略不寫。+Υ1Υ1+Υ2Υ2+-)()(21sRsR-)(1sR)(2sRΥ1Υ1-Υ2+Υ3Υ2-Υ3注意：進(jìn)行相加減的量，必須具有相同的量剛。圖2-132023/4/11(3)分支點(diǎn)（引出點(diǎn)、測(cè)量點(diǎn)）BranchPoint表示信號(hào)測(cè)量或引出的位置(4)信號(hào)線：帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的流向，在直線旁標(biāo)記信號(hào)的時(shí)間函數(shù)或象函數(shù)。2023/4/11(1)前向通道傳遞函數(shù)--假設(shè)N(s)=0,打開反饋后，輸出C(s)與R(s)之比。等價(jià)于C(s)與誤差E(s)之比(2)反饋回路傳遞函數(shù)假設(shè)N(s)=0,主反饋信號(hào)B(s)與輸出信號(hào)C(s)之比。++H(s)-+R(s)E(s)B(s)N(s)打開反饋)(1sG)(2sGC(s)圖2-15反饋控制系統(tǒng)方塊圖

三．幾個(gè)基本概念及術(shù)語2023/4/11(3)開環(huán)傳遞函數(shù)Open-loopTransferFunction假設(shè)N(s)=0

主反饋信號(hào)B(s)與誤差信號(hào)E(s)之比。++H(s)-+R(s)E(s)B(s)N(s))(1sG)(2sGC(s)圖2-15反饋控制系統(tǒng)方塊圖2023/4/11(4)閉環(huán)傳遞函數(shù)Closed-loopTransferFunction假設(shè)N(s)=0

輸出信號(hào)C(s)與輸入信號(hào)R(s)之比。推導(dǎo)：因?yàn)?/p>

右邊移過來整理得

即

請(qǐng)記住2023/4/11(5)誤差傳遞函數(shù)假設(shè)N(s)=0

誤差信號(hào)E(s)與輸入信號(hào)R(s)之比。代入上式，消去G(s)即得：將**++H(s)-+R(s)E(s)B(s)N(s))(1sG)(2sGC(s)圖2-15反饋控制系統(tǒng)方塊圖2023/4/11-N(s)C(s)H(s))(2sG)(1sG圖2-16輸出對(duì)擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)利用公式**，直接可得：(6)輸出對(duì)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)假設(shè)R(s)=0**++H(s)-+R(s)E(s)B(s)N(s))(1sG)(2sGC(s)圖2-15反饋控制系統(tǒng)方塊圖2023/4/11（7）誤差對(duì)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)假設(shè)R(s)=0

H(s)N(s)E(s)＋)(1sG)(2sG-1圖2-17誤差對(duì)擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖

利用公式**，直接可得：**++H(s)-+R(s)E(s)B(s)N(s))(1sG)(2sGC(s)圖2-15反饋控制系統(tǒng)方塊圖2023/4/11線性系統(tǒng)滿足疊加原理，當(dāng)控制輸入Ｒ(Ｓ)與擾動(dòng)Ｎ(Ｓ)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出及誤差可表示為：注意：由于N(s)極性的隨機(jī)性，因而在求E(s)時(shí)，不能認(rèn)為利用N(s)產(chǎn)生的誤差可抵消R(s)產(chǎn)生的誤差。2023/4/11（1）考慮負(fù)載效應(yīng)分別列寫系統(tǒng)各元部件的微分方程或傳遞函數(shù)，并將它們用方框（塊）表示。（2）根據(jù)各元部件的信號(hào)流向，用信號(hào)線依次將各方塊連接起來，便可得到系統(tǒng)的方塊圖。系統(tǒng)方塊圖-也是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一種。

四．方塊圖的繪制2023/4/11RCi（a）iuou圖2-18一階RC網(wǎng)絡(luò)

解：由圖2-20，利用基爾霍夫電壓定律及電容元件特性可得：對(duì)其進(jìn)行零初始條件下的拉氏變換得：

例１：畫出下列RC電路的方塊圖。2023/4/11

將圖（b）和(c)組合起來即得到圖(d)，圖(d)為該一階RC網(wǎng)絡(luò)的方塊圖。（b）I(s))(sUi)(sUoI(s)（c）)(sUo圖2-19（d）－I(s))(sUo)(sUo)(sUi圖2-202023/4/11例２：畫出下列R-C網(wǎng)絡(luò)的方塊圖

分析：由圖2-21清楚地看到，后一級(jí)R2-C2網(wǎng)絡(luò)作為前級(jí)R1-C1網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，對(duì)前級(jí)R1-C1網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓產(chǎn)生影響，這就是負(fù)載效應(yīng)。2023/4/11解：（1）根據(jù)電路定理列出方程，寫出對(duì)應(yīng)的拉氏變換，也可直接畫出該電路的運(yùn)算電路圖如圖(b)；（2）根據(jù)列出的4個(gè)式子作出對(duì)應(yīng)的框圖；（3）根據(jù)信號(hào)的流向?qū)⒏鞣娇蛞来芜B接起來。例２2023/4/112023/4/11如果在這兩極R-C網(wǎng)絡(luò)之間接入一個(gè)輸入阻抗很大而輸出阻抗很小的隔離放大器，如圖2-22所示。則此電路的方塊圖如圖(b)所示。2023/4/11

方框圖的等效變換相當(dāng)于在方框圖上進(jìn)行數(shù)學(xué)方程的運(yùn)算。常用的方框圖等效變換方法可歸納為兩類。環(huán)節(jié)的合并;信號(hào)分支點(diǎn)或相加點(diǎn)的等效移動(dòng)。

方框圖變換必須遵循的原則是：變換前、后的數(shù)學(xué)關(guān)系保持不變，因此方框圖變換是一種等效變換，同時(shí)由于傳遞函數(shù)和變量的方程是代數(shù)方程，所以方框圖變換是一些簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算。（－）環(huán)節(jié)的合并環(huán)節(jié)之間互相連接有三種基本形式：串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接。五.方框圖的等效變換2023/4/111．環(huán)節(jié)的串聯(lián)

特點(diǎn):前一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)就是后一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，下圖所示為三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)的例子。圖中，每個(gè)環(huán)節(jié)的方框圖為：要求出第三個(gè)環(huán)節(jié)的輸出與第一個(gè)環(huán)節(jié)的輸入之間的傳遞函數(shù)時(shí)2023/4/11

上式表明，三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)可以用一個(gè)等效環(huán)節(jié)來代替。這種情況可以推廣到有限個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)（各環(huán)節(jié)之間無負(fù)載效應(yīng)）的情況，等效環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)等于各個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的乘積，如有n個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)則等效傳遞函數(shù)可表示為：2023/4/112.環(huán)節(jié)的并聯(lián)

環(huán)節(jié)并聯(lián)的特點(diǎn)是各環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)相同，輸出信號(hào)相加（或相減），下圖所示為三個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)，圖中含有信號(hào)相加點(diǎn)。從圖中可見:等效傳遞函數(shù)為：2023/4/11

以上結(jié)論可推廣到一般情況，當(dāng)有n個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)時(shí)，其輸出信號(hào)相加則有等效傳遞函數(shù)2023/4/113．反饋連接

將系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)反饋到輸入端，并與原輸入信號(hào)進(jìn)行比較后再作為輸入信號(hào)，即為反饋連接，如下圖所示。負(fù)反饋：反饋信號(hào)與給定輸入信號(hào)符號(hào)相反的反饋。正反饋：反饋信號(hào)與給定輸入信號(hào)符號(hào)相同的反饋。2023/4/11

上述三種基本變換是進(jìn)行方框圖等效變換的基礎(chǔ)。對(duì)于較復(fù)的系統(tǒng),例如當(dāng)系統(tǒng)具有信號(hào)交叉或反饋環(huán)交叉時(shí),僅靠這三種方法是不夠的。

（二）信號(hào)相加點(diǎn)和信號(hào)分支點(diǎn)的等效變換

對(duì)于一般系統(tǒng)的方框圖，系統(tǒng)中常常出現(xiàn)信號(hào)或反饋環(huán)相互交叉的現(xiàn)象，此時(shí)可將信號(hào)相加點(diǎn)（匯合點(diǎn)）或信號(hào)分支點(diǎn)（引出點(diǎn)）作適當(dāng)?shù)牡刃б苿?dòng)，先消除各種形式的交叉，再進(jìn)行等效變換即可。2023/4/11信號(hào)相加點(diǎn)的移動(dòng)分兩種情況：前移和后移。有關(guān)移動(dòng)中，“前”、“后”的定義：按信號(hào)流向定義，也即信號(hào)從“前面”流向“后面”，而不是位置上的前后。

2023/4/112023/4/11信號(hào)分支點(diǎn)（取出點(diǎn)）的移動(dòng)也分前移和后移兩種情況。2023/4/11

此外，兩個(gè)相鄰的信號(hào)相加點(diǎn)和兩個(gè)相鄰的信號(hào)分支點(diǎn)可以互換位置。但必須注意，相鄰的相加點(diǎn)與分支點(diǎn)的位置不能簡(jiǎn)單互換。

2023/4/11下表列出了信號(hào)相加點(diǎn)和信號(hào)分支點(diǎn)等效變換的各種方法。2023/4/11例：求傳遞函數(shù)分支點(diǎn)A后移，比較點(diǎn)B前移。---CB①②A（c）方塊圖11sC21sC)(1sUC)(sUr)(1sI)(sUc)(sUc)(2sI11R21R)(1sUC比較點(diǎn)1和2交換。2023/4/112023/4/11例：用方塊圖的等效法則，求圖2-28所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)C(s)/R(s)。解：這是一個(gè)具有交叉反饋的多回路系統(tǒng)，如果不對(duì)它作適當(dāng)?shù)淖儞Q，就難以應(yīng)用串聯(lián)、并聯(lián)和反饋連接的等效變換公式進(jìn)行化簡(jiǎn)。本題的求解方法是把圖中的點(diǎn)A先前移至B點(diǎn)，化簡(jiǎn)后，再后移至C點(diǎn)，然后從內(nèi)環(huán)到外環(huán)逐步化簡(jiǎn)，其簡(jiǎn)化過程如下圖。

2023/4/112023/4/112.6信號(hào)流圖與梅遜公式

信號(hào)流圖和方框圖類似，都可用來表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳送過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系。因而信號(hào)流圖也是一種數(shù)學(xué)模型。

框圖及其等效變換雖然對(duì)分析系統(tǒng)很有效，但是對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)，方框圖的變換和化簡(jiǎn)過程往往顯得繁瑣、費(fèi)時(shí)，并易于出錯(cuò)。如采用信號(hào)流圖，則可利用梅遜公式，不需作變換而直接得出系統(tǒng)中任何兩個(gè)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。－）基本概念

信號(hào)流圖是一種將線性代數(shù)方程組用圖形來表示的方法。例如：一.信號(hào)流圖及其等效變換2023/4/11

信號(hào)流圖中，用小圓圈“O”表示變量，并稱其為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間用加權(quán)的有向線段連接，稱為支路。通常在支路上標(biāo)明前后兩個(gè)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此支路的權(quán)又稱為傳輸或者增益。2023/4/11（二）常用術(shù)語；信號(hào)流圖中除有節(jié)點(diǎn)和支路外，還常用到下述術(shù)語。（1）出支路：離開節(jié)點(diǎn)的支路。（2）入支路：進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的支路。（3）源節(jié)點(diǎn)：只有出支路的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于自變量或外部輸人，因此也稱為輸入節(jié)點(diǎn)。（4）匯節(jié)點(diǎn)(阱，坑)

：只有入支路的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于因變量，有時(shí)也稱為輸出節(jié)點(diǎn)。（5）混合節(jié)點(diǎn)：既有入支路，又有出支路的節(jié)點(diǎn)。2023/4/11（6）通道：又稱為路徑，是指從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，沿著支路的箭號(hào)方向相繼經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的支路，一個(gè)信號(hào)流圖可以有多條通道。（7）開通道：如果通道從某個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，終止于另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，并且通道中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一次，則稱這樣的通道為開通道。2023/4/11（8）閉通道：如果通道的終點(diǎn)就是通道的起始點(diǎn)，并且通道中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一次，則該通道稱為閉通道或回路、回環(huán)等。如果一個(gè)通道從一個(gè)節(jié)點(diǎn)開始，只經(jīng)過一個(gè)支路又回到該節(jié)點(diǎn)，則稱這樣的通道為自回環(huán)。

（9）前向通道：從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)到匯節(jié)點(diǎn)終止，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過一次的通道稱為前向通道。前向通道可以有多個(gè)。2023/4/11（10）互不接觸回環(huán)：如果一些回路沒有任何公共節(jié)點(diǎn)和回路，就稱它們?yōu)榛ゲ唤佑|回環(huán)。（11）通道傳輸：指沿通道各支路傳輸?shù)某朔e，也稱為通道增益。

（12）回環(huán)傳輸：又稱為回環(huán)增益，指閉通道中各支路傳輸?shù)某朔e。

2023/4/11（三）信號(hào)流圖的基本性質(zhì)

（1）用節(jié)點(diǎn)表示變量，源節(jié)點(diǎn)代表輸入量，匯節(jié)點(diǎn)代表輸出量，用混合節(jié)點(diǎn)表示變量或信號(hào)的匯合。在混合節(jié)點(diǎn)處，所有出支路的信號(hào)（即混合節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變量）等于各支路引入信號(hào)的代數(shù)和。

（2）以支路表示變量或信號(hào)的傳輸和變換過程，信號(hào)只能沿著支路的箭頭方向傳輸。在信號(hào)流圖中每經(jīng)過一條支路，相當(dāng)于在方框圖中經(jīng)過一個(gè)用方框表示的環(huán)節(jié)。

（3）增加一個(gè)具有單位傳輸?shù)闹?，可把混合?jié)點(diǎn)為匯節(jié)點(diǎn)。

（4）對(duì)于同一系統(tǒng)，信號(hào)流圖的形式不是唯一的。（四）信號(hào)流圖的繪制①用小圓圈表示各變量對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)2023/4/11②在比較點(diǎn)之后的引出點(diǎn)，只需在比較點(diǎn)后設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)便可。也即可以與它前面的比較點(diǎn)共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)。③在比較點(diǎn)之前的引出點(diǎn)B，需設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別表示引出點(diǎn)和比較點(diǎn)，注意圖中的e1，e2。

2023/4/11（五）信號(hào)流圖的簡(jiǎn)化

（l）串聯(lián)支路的總傳輸?shù)扔诟髦穫鬏數(shù)某朔e。（2）并聯(lián)支路的總傳輸?shù)扔诟髦穫鬏斨?。?）混合節(jié)點(diǎn)可以用移動(dòng)支路的方法消去。（4）回環(huán)可以用方框圖中反饋連接的規(guī)則化為等效支路。

2023/4/11下表列出了信號(hào)流圖的等效變換規(guī)則:2023/4/11例題

試將下圖所示的系統(tǒng)方框圖化為信號(hào)流圖并進(jìn)行簡(jiǎn)化，求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

解（a）所示的方框圖可化為圖(b)所示的信號(hào)流圖，注意：方框圖中比較環(huán)節(jié)的正負(fù)號(hào)在信號(hào)流圖中表現(xiàn)在支路傳輸?shù)姆?hào)上。圖2-31表示了信號(hào)流圖的簡(jiǎn)化過程。2023/4/11求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)（總傳輸）為:

2023/4/11二、梅遜公式及其應(yīng)用－Mason’sGainFormula

式中G(s)為從源節(jié)點(diǎn)到匯節(jié)點(diǎn)之間的總傳輸，n為從源節(jié)點(diǎn)到匯節(jié)點(diǎn)之間前向通道的總數(shù)，Pk為第K條前向通道的傳輸。為信號(hào)流圖特征式，是信號(hào)流圖所表示的代數(shù)方程組的系數(shù)行列式,k為第K條前向通道的信號(hào)流圖特征式的余子式，即從中除去與第K條前向通道相接觸的回環(huán)后余下的部分。的計(jì)算公式為：

式中L1——信號(hào)流圖中所有不同回環(huán)的傳輸之和；

L2——所有兩個(gè)互不接觸回環(huán)傳輸?shù)某朔e之和；

L3——所有三個(gè)互不接觸回環(huán)傳輸?shù)某朔e之和；

……………

Lm——所有m個(gè)互不接觸回環(huán)傳輸?shù)某朔e之和；

信號(hào)流圖上從源節(jié)點(diǎn)（輸入節(jié)點(diǎn)）到匯節(jié)點(diǎn)（輸出節(jié)點(diǎn)）的總傳輸公式，即梅遜公式為：2023/4/11

利用梅遜公式求系統(tǒng)總傳輸時(shí),只要求出信號(hào)流圖中的n、Pk、和K,代入公式計(jì)算即可。例題2：試用梅遜公式計(jì)算下圖系統(tǒng)的總傳輸。例題22023/4/11=1-L1=1+G2G3G6+G3G4G5+G1G2G3G7三個(gè)回環(huán)均與前向通道P1接觸，所以1=1根據(jù)梅遜公式，系統(tǒng)總傳輸為：

解源節(jié)點(diǎn)R(s)和匯節(jié)點(diǎn)C(s)之間只有一條前向通道n=1。通道傳輸為：P1=G1G2G3G4三個(gè)回環(huán)的傳輸之和為：L1=-G2G3G6-G3G4G5-G1G2G3G7三個(gè)回環(huán)之間都有公共節(jié)點(diǎn)，流圖特征式為：2023/4/11例題3：試?yán)妹愤d公式求圖2-33所示信號(hào)流的總傳輸。

例題32023/4/11L3=abefij

=1-L1+L2-L3

第一條前向通道與所有回環(huán)均有接觸，所以1=1第二條前向通道與回環(huán)cd不接觸，所以2=1-cd

解

首先確定信號(hào)流圖中由源節(jié)點(diǎn)到匯節(jié)點(diǎn)間的前向通道數(shù),從圖中可知

n=2,第一條前向通道的傳輸為P1=acegi。第二條前向通道的傳輸為

P2=kgi。

L1=ah＋cd＋ef＋gh＋ij＋kfdbL2=abef+abgh+abij+cdgh+cdij+efij+kfdbij

2023/4/11本章重點(diǎn)：傳遞函數(shù)的建立（求?。┓娇驁D的化簡(jiǎn)用信號(hào)流圖求總傳輸2023/4/11Matlab中控制系統(tǒng)模型的建立?Transferfunctions(TF),forexample,1)num=[1,2];den=[1,1,10];G=tf(num,den)Org=tf([1,2],[1,1,10])2023/4/112)num=4*conv([1,2],conv([1,6,6],[1,6,6]));den=conv([1,0],conv([1,1],conv([1,1],conv([1,1],[1,3,2,5]))));G=tf(num,den)2023/4/11?Zero-pole-gain(ZPK)models,forexample,>>z=[0-6-5]'>>p=[-1,-2,-3+4*j,-3-4*j]'>>k=1Sys2=zpk(z,p,k)2023/4/11ConvertingBetweenModeRepresentationstf2zp：transferfunctionmodeltoZero-pole-gain(ZPK)modelszp2tf：Zero-pole-gain(ZPK)modelstotransferfunctionmodelz=[-3];p=[-1,-2,-5];k=6;》[num,den]=zp2tf(z,p,k)》num=00618den=181710printsys(num,den,'s')2023/4/112023/4/11ConvertbetweenpartialfractionexpansionandtransferfunctionsResidue考慮下列傳遞函數(shù)將求出多項(xiàng)式B(S)和A(S)之比的部分分式展開式中的留數(shù)、極點(diǎn)和余項(xiàng)。B(S)/A(S)的部分分式展開式由下式給出：2023/4/112023/4/11利用留數(shù)命令，由部分分式展開式