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1、2.4 结构图与信号流图信号流图及梅逊公式2.4.3 信号流图的组成及性质结构图是一种很有用的图示法。但是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。Mason提出的信号流图，既能表示系统的特点，而且还能直接应用梅逊公式方便的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。1.1.信号流图的组成信号流图的组成 信号流图起源于梅森利用图示法描述信号流图起源于梅森利用图示法描述一个或一组线性代数方程，它是由一个或一组线性代数方程，它是由节点节点和和支路支路组成的一种信号传递网络。组成的一种信号传递网络。（1）节点：）节点：“”，代表一个变量。，代表一个变量。（2）支路：）
2、支路：“”，表示信号的传递方向。，表示信号的传递方向。（3）支路增益：表示方程式中两个变量的因果）支路增益：表示方程式中两个变量的因果关系。关系。输入：输入：R输出：输出：C 支路增益：支路增益：a即：即：CRa例例1:1:信号流图信号流图 由信号流图得描述五个变量因果关系的代数由信号流图得描述五个变量因果关系的代数方程式为：方程式为：信号流图适用于线性系统。支路表示一个信号对另一个信号的函数关系，信号只能沿支路上的箭头指向传递。在节点上可以把所有输入支路的信号叠加，并把相加后的信号送到所有的输出支路。具有输入和输出节点的混合节点，通过增加一个具有单位增益的支路把它作为输出节点来处理。对于一个
3、给定的系统，信号流图不是唯一的，由于描述同一个系统的方程可以表示为不同的形式。2.2.信号流图的性质信号流图的性质源节点(输入节点)：只有输出支路的节点。图中的x1。3.信号流图的有关术语信号流图的有关术语混合节点：既有输入支路又有输出支路的节点。混合节点：既有输入支路又有输出支路的节点。阱节点阱节点(输出节点输出节点)：仅有输入支路的节点。：仅有输入支路的节点。有有时信号流图中没有一个节点是仅具有输入支路时信号流图中没有一个节点是仅具有输入支路的。只要定义信号流图中任一变量为输出变量，的。只要定义信号流图中任一变量为输出变量，然后从该节点变量引出一条增益为然后从该节点变量引出一条增益为1的支
4、路，的支路，即可形成一输出节点，如图中的即可形成一输出节点，如图中的x5。通路通路：沿支路箭头的方向顺序：沿支路箭头的方向顺序穿过各相连支路的路径穿过各相连支路的路径。前向通路前向通路：开始于输入节点，沿支路箭头方：开始于输入节点，沿支路箭头方向，每个节点只经过一次，最终到达输出节向，每个节点只经过一次，最终到达输出节点的通路点的通路。前向通路前向通路增益增益：前向通路上各支路增益之乘前向通路上各支路增益之乘积。用积。用pk表示表示回路回路(闭通路闭通路)：起点和终点在同一节点，并与：起点和终点在同一节点，并与其它节点相遇仅一次的通路。其它节点相遇仅一次的通路。回路增益回路增益：回路中所有支路
5、增益的乘积。用：回路中所有支路增益的乘积。用La表示表示。(3条条)不接触回路不接触回路：回路之间没有公共节点时，这种：回路之间没有公共节点时，这种回路叫做不接触回路。在信号流图中，可以有回路叫做不接触回路。在信号流图中，可以有两个或两个以上不接触回路。例如图中有两对两个或两个以上不接触回路。例如图中有两对互不接触回路。互不接触回路。2.4.4 信号流图的绘制1.由系统微分方程绘制信号流图(课本P67 例2-23)步骤：(1)建立系统微分方程组(2)取拉普拉斯变换(3)按各方程的输入输出关系将节点连接起来。或绘制系统结构图，再由结构图得信号流图2.由系统结构图绘制信号流图由系统结构图绘制信号流
6、图解：解：用小圆圈表示用小圆圈表示各变量对应的节点各变量对应的节点 在比较点之在比较点之后后的引出点只需在比较的引出点只需在比较点后设置一个节点便可。点后设置一个节点便可。在比较点之前的引出点，需设置两个节在比较点之前的引出点，需设置两个节点，分别表示引出点和比较点点，分别表示引出点和比较点不可以合并为一个节点不可以合并为一个节点例例2:2:2.4.5 梅森公式(梅逊公式)系统总增益（总传递函数）系统总增益（总传递函数）前向通路数前向通路数 第第k条前向通路总增益条前向通路总增益不与第不与第k条前向通路相接触的那一部分条前向通路相接触的那一部分信号流图的信号流图的 值，称为第值，称为第k条前向
7、通条前向通路特征式的余因子。路特征式的余因子。用用梅逊公式可不必简化信号流图而直接求得梅逊公式可不必简化信号流图而直接求得从输入节点到输出节点之间的总传输。从输入节点到输出节点之间的总传输。(即总传递函数即总传递函数)信号流图特征式，它是信号流图所表示信号流图特征式，它是信号流图所表示的方程组的系数矩阵的行列式。的方程组的系数矩阵的行列式。所有单独回路增益之和；所有单独回路增益之和；两个互不接触回路增益乘积之和；两个互不接触回路增益乘积之和；m个不接触回路增益乘积之和。个不接触回路增益乘积之和。其中：其中：例例3 3：利用：利用梅森公式求如图所示系统闭环传递函数梅森公式求如图所示系统闭环传递函
8、数解：系统共有回路解：系统共有回路2 2条：条：L L1 1G G2 2H H；L L2 2G G1 1H H前向通道前向通道3 3条：条：所以系统闭环传函为：所以系统闭环传函为：例例4 4：利用：利用梅森公式求如图所示系统闭环传递函数梅森公式求如图所示系统闭环传递函数解：系统有单个回路解：系统有单个回路:两两互不接触回路两两互不接触回路:三个互不接触回路三个互不接触回路:前向通道前向通道:4 4条条4 4组组1 1组组4 4条条例例4 4：利用：利用梅森公式求如图所示系统闭环传递函数梅森公式求如图所示系统闭环传递函数例例5 5：利用：利用梅森公式求如图所示系统闭环传递函数梅森公式求如图所示系
9、统闭环传递函数解：系统有单个回路解：系统有单个回路 条条,两两互不接触回路两两互不接触回路 组组,三三个互不接触回路个互不接触回路 组组:前向通道前向通道2 2条：条：例例6 6：求如图所示系统传递函数求如图所示系统传递函数解：根据系统结构图画出信号流图如下：求 ：单个回路3条，两两互不接触回路1组，前向通道2条：求求 ：单个回路单个回路3 3条条,两两互不接触回路两两互不接触回路1 1组，组，注意：上面两注意：上面两 不变！不变！是流图特征式，也就是是流图特征式，也就是传递函数的特征表达式。对于一个给定的系统，特传递函数的特征表达式。对于一个给定的系统，特征表达式总是不变的。征表达式总是不变
10、的。前向通道前向通道2 2条：条：梅森公式梅森公式所有单独回路增益之和；所有单独回路增益之和；两个互不接触回路增益乘积之和；两个互不接触回路增益乘积之和；m个不接触回路增益乘积之和。个不接触回路增益乘积之和。系统总增益系统总增益前向通路数前向通路数 第第k条前向通路总增益条前向通路总增益 信号流图特征式信号流图特征式第第k条前向通路特征式的余因子。条前向通路特征式的余因子。例例7 7：求如图所示系统传递函数求如图所示系统传递函数解：系统向通道：解：系统向通道：单个回路：单个回路：两两互不接触回路：两两互不接触回路：4条条9条条6组组三个互不接触回路：三个互不接触回路：1组组例例2:2:回路回路
11、5 5条条,前向通道前向通道4 4条条2.4.6 闭环系统的传递函数闭环系统的传递函数典型线性反馈控制系统结构图及信号流图：典型线性反馈控制系统结构图及信号流图：R(s)：输入信号：输入信号C(s)：系统输出：系统输出N(s)：扰动信号：扰动信号E(s)：误差信号：误差信号当当H(s)1时，系统为单位反馈系统。时，系统为单位反馈系统。(1)输入信号下的闭环传函：输入信号下的闭环传函：N(s)=0(2)扰动信号下的闭环扰动信号下的闭环传函：传函：R(s)=0 所以当输入信号和扰动信号同时作用时，所以当输入信号和扰动信号同时作用时，系统系统输出输出为：为：(3)闭环系统的误差传递函数闭环系统的误差
12、传递函数(以以E(s)为输为输出的传递函数出的传递函数)：2.5 2.5 数学模型的实验数学模型的实验 测定法测定法v 数学模型的实验测定的主要方法数学模型的实验测定的主要方法1.时域测定法时域测定法(1)输入阶跃信号，绘制输出随时间变化的响应输入阶跃信号，绘制输出随时间变化的响应曲线。曲线。(2)输入脉冲信号，绘制输出随时间变化的脉冲输入脉冲信号，绘制输出随时间变化的脉冲响应曲线。响应曲线。分析响应与输入的关系，确定系统传递函数。分析响应与输入的关系，确定系统传递函数。优缺点：设备简单，工作量小；但精度不高优缺点：设备简单，工作量小；但精度不高2.频域测定法频域测定法 输入端施加不同频率的正
13、弦波信号，输入端施加不同频率的正弦波信号，测出输出信号与输入信号在幅值、相位上测出输出信号与输入信号在幅值、相位上的差别，从而确定系统的频率特性。的差别，从而确定系统的频率特性。优缺点：数据处理简单，测试精度高；优缺点：数据处理简单，测试精度高；测试设备复杂，工作量大。测试设备复杂，工作量大。3.统计相关测定法统计相关测定法 输入端施加某种随机信号，根据被测输入端施加某种随机信号，根据被测对象各种参数的变化，采样统计相关法测对象各种参数的变化，采样统计相关法测定系统的动态性能。定系统的动态性能。优缺点：测试精度高；优缺点：测试精度高；测试设备更复杂测试设备更复杂(专用仪器、计算机专用仪器、计算机)工作量很大。工作量很大。本章主要内容本章主要内容1.建立系统时域数学模型建立系统时域数学模型(微分方程微分方程 和差和差分方程分方程)2.建立系统建立系统s域数学模型域数学模型(传递函数传递函数)3.系统结构图及其化简系统结构图及其化简4.信号流图及梅森公式信号流图及梅森公式5.闭环系统传递函数闭环系统传递函数6.拉普拉斯变换、逆变换及性质拉普拉斯变换、逆变换及性质本章作业：本章作业：P802-62-72-11（f）2-13（d）（）（e）2-15（c）（）（e）