《自动控制原理》第二章传递函数省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

反向通道函数反向通道函数偏偏 差差前向通道函数前向通道函数引出点引出点输输 入入输输 出出比较点比较点第五节第五节 控制系统方框图及其等效变换控制系统方框图及其等效变换 控制系统结构图是描述系统各组成元件之间信号传递关系数控制系统结构图是描述系统各组成元件之间信号传递关系数学图形学图形原理图元件数学模型。特点：直观。原理图元件数学模型。特点：直观。一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第1页中国矿业大学信电学院 1方块图和信号方块图和信号流图流图（1）方框（方块）方框（方块）:表示输入到输出单向传输间表示输入到输出单向传输间 函数关系。函数关系。G G(s s)R R(s s)C C(s s)图图2 2-1 11 1 方方框框图图中中方方框框信信号号线线方方框框r(t)c(t)(2)信号线：带有箭头直线，箭头表信号线：带有箭头直线，箭头表示信号流向，在直线旁标识信号时间示信号流向，在直线旁标识信号时间函数或象函数。函数或象函数。方框图（结构图）四要素：方框图（结构图）四要素：一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第2页中国矿业大学信电学院 2方块图和信号方块图和信号流图流图+X X1 1X X1 1+X X2 2X X2 2+X X1 1X X1 1X X2 2+X X2 2-X X3 3比比较较点点示示意意图图X X3 3-（3）比较点（汇合点、综合点）比较点（汇合点、综合点）两个或两个以上输入信号进行加减比较元件。两个或两个以上输入信号进行加减比较元件。“+”表示相加，表示相加，“-”表示相减。表示相减。“+”号可省略不号可省略不写。写。注意：进行相加减量，必须含有相同量纲。注意：进行相加减量，必须含有相同量纲。一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第3页中国矿业大学信电学院 3方块图和信号方块图和信号流图流图(4)引出点（分支点、测量点）引出点（分支点、测量点）表示信号测量或引出位置表示信号测量或引出位置 分分支支点点示示意意图图)X X(s s)X X(s s)R R(s s)C C(s s)(1sG)(2sG尤其要注意：尤其要注意：同一位置同一位置引出信号大小和性质引出信号大小和性质完完全一样全一样。一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第4页中国矿业大学信电学院 4方块图和信号方块图和信号流图流图例例2.19 试推导并绘制如图所表示试推导并绘制如图所表示RC滤波网路方框图滤波网路方框图一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第5页中国矿业大学信电学院 5方块图和信号方块图和信号流图流图一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第6页中国矿业大学信电学院 6方块图和信号方块图和信号流图流图一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第7页中国矿业大学信电学院 7方块图和信号方块图和信号流图流图建立方框图步骤：建立方框图步骤：建立步骤微分方程，要注意负载效应。在零初始条件下求建立步骤微分方程，要注意负载效应。在零初始条件下求各步骤传递函数。若是电路系统，用各步骤传递函数。若是电路系统，用 表示复阻抗，可直接得表示复阻抗，可直接得到到 域代数方程，求传递函数更方便。域代数方程，求传递函数更方便。画出各个步骤函数方框。画出各个步骤函数方框。按信号传输方向连接各函数方框。按信号传输方向连接各函数方框。一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第8页中国矿业大学信电学院 8方块图和信号方块图和信号流图流图怎样从复杂方框图写出系统怎样从复杂方框图写出系统传递函数传递函数来呢来呢一、控制系统方框图组成一、控制系统方框图组成第9页中国矿业大学信电学院 9方块图和信号方块图和信号流图流图 为了由系统方块图方便地写出它闭环传递函数，通常需要对方块图进行等效变换。方块图等效变换必须恪守一个标准，方块图等效变换必须恪守一个标准，即变换前即变换前后各变量之间传递函数保持不变后各变量之间传递函数保持不变。在控制系统中，任何复杂系统方框图都主要由在控制系统中，任何复杂系统方框图都主要由串联、并联和反馈串联、并联和反馈三种基本形式连接而成。三种基本形式连接而成。三种基本形式等效法则一定要掌握。其它改变三种基本形式等效法则一定要掌握。其它改变（比较点移动、引出点移动）都是以此为基础。（比较点移动、引出点移动）都是以此为基础。二、系统方框图等效变换和化简第10页中国矿业大学信电学院 10方块图和信号方块图和信号流图流图特点：前一步骤输出量就是后一步骤输入量。特点：前一步骤输出量就是后一步骤输入量。结论：串联步骤等效传递函数等于全部传递函数乘积。结论：串联步骤等效传递函数等于全部传递函数乘积。n n为相串联步骤数为相串联步骤数 R(s)C(s)（a）)(1sU)(1sG)(2sG（1 1）串联连接）串联连接 二、系统方框图等效变换和化简第11页中国矿业大学信电学院 11方块图和信号方块图和信号流图流图结论：并联步骤等效传递函数等于并联步骤传递函数代数和。结论：并联步骤等效传递函数等于并联步骤传递函数代数和。n为相并联步骤数，当然还有为相并联步骤数，当然还有“-”情况。情况。特点：输入信号是相同，特点：输入信号是相同，输出输出C(s)为各步骤输出之和为各步骤输出之和.（a）R(s)C(s)(2sG)(1sG)(2sC)(1sC（2 2）并联连接）并联连接二、系统方框图等效变换和化简第12页中国矿业大学信电学院 12方块图和信号方块图和信号流图流图（3 3）反馈连接（）反馈连接（闭环控制系统闭环控制系统）推导推导(负反馈负反馈)：右边移过来整理得右边移过来整理得 即即：重点内容重点内容二、系统方框图等效变换和化简第13页中国矿业大学信电学院 13方块图和信号方块图和信号流图流图假如没有假如没有A A点引出线点引出线它很讨厌！它很讨厌！二、系统方框图等效变换和化简第14页中国矿业大学信电学院 14方块图和信号方块图和信号流图流图 （4）比较点移动（前移、后移）比较点移动（前移、后移）“前移前移”、“后移后移”定义：按定义：按信号流向信号流向定义，也即信号定义，也即信号从从“前面前面”流向流向“后面后面”，而不是位置上前后。，而不是位置上前后。二、系统方框图等效变换和化简第15页中国矿业大学信电学院 15方块图和信号方块图和信号流图流图（5）引出点（分支点）移动（前移、后移）引出点（分支点）移动（前移、后移）“前移前移”、“后移后移”定义：按定义：按信号流向信号流向定义，也即信号定义，也即信号从从“前面前面”流向流向“后面后面”，而不是位置上前后。，而不是位置上前后。二、系统方框图等效变换和化简第16页中国矿业大学信电学院 16方块图和信号方块图和信号流图流图（7）引出点之间互移）引出点之间互移（6）比较点之间互移）比较点之间互移（8）比较点和引出点之间不能互移）比较点和引出点之间不能互移X(s)Y(s)Z(s)C(s)X(s)Y(s)Z(s)C(s)X(s)Y(s)Z(s)C(s)X(s)Y(s)Z(s)C(s)ababX(s)Z(S)=C(s)Y(s)C(s)X(s)Y(s)C(s)X二、系统方框图等效变换和化简第17页中国矿业大学信电学院 17方块图和信号方块图和信号流图流图补充结论：控制系统方块图简化标准补充结论：控制系统方块图简化标准1.利用串联、并联和反馈结论进行简化利用串联、并联和反馈结论进行简化2.变成大闭环路套小闭环路变成大闭环路套小闭环路3.解除交叉点（同类互移）解除交叉点（同类互移）比较点移向比较点：比较点之间能够互移比较点移向比较点：比较点之间能够互移 引出点移向引出点：引出点之间能够互移引出点移向引出点：引出点之间能够互移注：注：比较点和引出点之间不能互移比较点和引出点之间不能互移二、系统方框图等效变换和化简第18页中国矿业大学信电学院 18方块图和信号方块图和信号流图流图引出点移动引出点移动G1G2G3G4H3H2H1abG1G2G3G4H3H2H1G41第19页中国矿业大学信电学院 19方块图和信号方块图和信号流图流图G2H1G1G3比较点移动比较点移动G1G2G3H1错错！G2向同类移动向同类移动G1第20页中国矿业大学信电学院 20方块图和信号方块图和信号流图流图G1G4H3G2G3H1作用分解作用分解H1H3G1G4G2G3H3H1前移后移后移第21页中国矿业大学信电学院 21方块图和信号方块图和信号流图流图 用方框图等效法则，求如图所表示系统传递函数C(s)/R(s)解：这是一个含有交叉反馈多回路系统，假如不对它作适解：这是一个含有交叉反馈多回路系统，假如不对它作适当变换，就难以应用串联、并联和反馈连接等效变换公式当变换，就难以应用串联、并联和反馈连接等效变换公式进行化简。进行化简。本题求解方法是把图中点本题求解方法是把图中点A先前移至先前移至B点，化简点，化简后，再后移至后，再后移至C点，然后从内环到外环逐步化简，其简化点，然后从内环到外环逐步化简，其简化过程以下列图。过程以下列图。例例2.212.21二、系统方框图等效变换和化简第22页中国矿业大学信电学院 22方块图和信号方块图和信号流图流图二、系统方框图等效变换和化简第23页中国矿业大学信电学院 23方块图和信号方块图和信号流图流图 反馈反馈 串联和并联串联和并联二、系统方框图等效变换和化简第24页中国矿业大学信电学院 24方块图和信号方块图和信号流图流图