控制系统的传递函数及信号流图和梅逊公式课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自动控制理论,2.1,列写系统微分方程式的一般方法,2.2,非线性数学模型的线性化,2.3,传递函数,2.4,系统框图及其等效变换,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,2,控制系统的数学模型,2.5,控制系统的传递函数,2.1 列写系统微分方程式的一般方法2.2 非线性数学模,1,设系统如图,2-38,所示,图中,R(s),参数输入,D(s),扰动,1.,开环传递函数,系统反馈量,B(s),与误差信号,E(s),的比值称为开环传递函数。即,图,2-38,控制系统的框图,2.5,控制系统的传递函数,设系统如图2-38所示,图中R(s)参数输入,D(s),2,2.,参考输入作用下的闭环传递函数,和 分别为,R(s),作用的输出和误差。系统的输出,与参考输出,R(s),之比，称为在参考输入作用下的闭环传递函数，即为,2.5,控制系统的传递函数,2.参考输入作用下的闭环传递函数和 分别为R(s)作,3,参考输入误差的传递函数为,2.5,控制系统的传递函数,参考输入误差的传递函数为2.5 控制系统的传递函数,4,3.,扰动,D(s),作用下的闭环传递函数,表示由扰动作用引起的系统输出。与,D(s),的比值，称,为扰动作用下的闭环传递函数，即为,2.5,控制系统的传递函数,3.扰动D(s)作用下的闭环传递函数 表示由扰动作用引起的系,5,系统框图是应用最为广泛的图解描述反馈系统的方法。但当系统的回环增多时，对框图的简化和推导它的传递函数就很麻烦，且易出错。由梅逊（,SJMason,）提出的信号流图，不仅具有框图表示系统的特点，而且还能直接应用梅逊公式方便地写出系统的传递函数，因此，信号流图在控制工程中也被广泛地应用。,信号流图是线性方程组中变量间关系的一种图示法。把它应用于线性系统时，必须将系统的微分方程变成以,s,为变量的代数方程组，且把每个方程改写为下列的因果形式，即,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,系统框图是应用最为广泛的图解描述反馈系统的方法。但当,6,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,信号流图的基本组成单元有两个：节点和支路。,两变量间的因果关系又称增益，标明在相应的支路旁。,节点表示系统中的变量；,两变量之间的因果关系用一被称为支路的有向线段来表示，支路的方向用箭头标明，信号只能沿箭头指向单向传递。,2.6 信号流图和梅逊公式的应用信号流图的基本组成单元有两,7,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,绘制信号流图的过程,当所有方程式的信号流图绘制完毕后，即得系统的信号流图。,首先按照节点的次序绘出各节点；,然后根据各方程式绘制各支路；,2.6 信号流图和梅逊公式的应用绘制信号流图的过程当所有方,8,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,2.6 信号流图和梅逊公式的应用,9,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,1,）节点,代表系统中的变量,等于所有流入该节点的信号之和。,2,）支路,信号在支路上按箭头指向由一个节点流向另一个节点,3,）输入节点或源点,相当于自变量，它只有输出支路,4,）输出节点或阱点,它是只有输入支路的节点，对应于因变量,5,）通路,沿着支路的箭头方向穿过各相连支路的途径，称为通,路,开通路,通路与任一节点相交不多于一次,信号流图的术语和性质,2.6 信号流图和梅逊公式的应用1）节点代表系统中的变量,10,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,闭通路,通路的终点也是通路的起点，并且与任何其它节,点相交不多于一次,6,）前向通路,从输入节点到输出节点的通路上，通过任何节,点不多于一次，此通路自然保护区为前向通路,7,）回路,就是闭环通路,8,）不接触回路,如果一些回路间没有任何公共节点,9,）前向通路增益,在前向通路中多支路增益的乘积。,10,）回路增益,回路中多支路增益的乘积。,2.6 信号流图和梅逊公式的应用 闭通路通路的终点也,11,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,(1),信号流图只适用于线性系统。,(2),支路表示一个信号对另一个信号的函数关系；信 号只能沿着支路上的箭头指向传递,(3),在节点上可以把所有输入支路的信号叠加，并把相加后的信号传送到所有的输出支路。,(4),具有输入和输出支路的混合节点，通过增加一个具有单位增益的支路，可以把它作为输出节点来处理。,(5),对于一个给定的系统，其信号流图不是唯一的，这是由于描述的方程可以表示为不同的形式。,信号流图的性质,2.6 信号流图和梅逊公式的应用(1)信号流图只适用于线性,12,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,信号流图 结构图,源节点 输入信号,阱节点 输出信号,混合节点 比较点，引出点,支路 环节,支路增益 环节传递函数,前向通路,回路,互不接触回路,2.6 信号流图和梅逊公式的应用 信号流图,13,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,输入节点与输出节点间的传输等于着两个节点之间的总增益或总传输。计算总增益的梅逊公式为,为不与第,k,条前向通路相接触的那一部分信号流图的 值，,式中，,T,为系统的总增益；为第,k,条前向通路的增益或传输；,称为第,k,条前向通路特征式的余因子；为信号流图的特征式。,按下式计算,=1-,（所有不同回路增益之和）,+,（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）,+,2.6 信号流图和梅逊公式的应用 输入节点与输出节点,14,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,2.6 信号流图和梅逊公式的应用,15,图,2-45,例,2-7,图,例,2-7,试用梅逊公式求系统的闭环传递函数,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,图2-45 例2-7图例2-7 试用梅逊公式求系统的闭环传,16,解：,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,解：2.6 信号流图和梅逊公式的应用,17,例,2-8,：,画出信号流图，并用梅逊公式求传递函数,C(s)/R(s),。,解：,信号流图,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,例2-8：画出信号流图，并用梅逊公式求传递函数C(s)/R(,18,注意：图中,C,位于比较点的前面，为了引出,C,处的信号要用一个传输为,1,的支路把,C,、,D,的信号分开。单独回路有,L,1,、,L,2,和,L,3,，互不接触回路有,L,1,L,2,：,前向通路只有一条，即,所以,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,注意：图中C位于比较点的前面，为了引出C处的信号要,19,例,2-9,利用梅逊公式，求：,C,（,s,）,/R,（,s,）,解：画出该系统的信号流程图,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,例2-9 利用梅逊公式，求：C（s）/R（s）解：画出该系,20,该系统中有四个独立的回路：,L,1,=-G,4,H,1,，,L,2,=-G,2,G,7,H,2,，,L,3,=-G,6,G,4,G,5,H,2,，,L,4,=-G,2,G,3,G,4,G,5,H,2,互不接触的回路有一个,L,1,L,2,。所以，特征式,=1-,（,L1+L2+L3+L4,）,+L1 L2,该系统的前向通道有三条：,P,1,=G,1,G,2,G,3,G,4,G,5,1,=1,P,2,=G,1,G,6,G,4,G,5,2,=1,P,3,=G,1,G,2,G,7,3,=1-L,1,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,该系统中有四个独立的回路：2.6 信号流图和梅逊公式的应用,21,因此，系统的闭环系统传递函数,C(s)/R(s),为,2.6,信号流图和梅逊公式的应用,因此，系统的闭环系统传递函数C(s)/R(s)为2.6 信,22,小 结,小 结,23,谢 谢,谢 谢,24,