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1、第三节结构图及等效变换1/10/20231本讲稿第一页，共二十三页结构图的基本概念结构图的基本概念一、结构图的基本概念：一、结构图的基本概念：我们可以用结构图表示系统的组成和信号流向。在引入传递函数后，可以把环节的传递函数标在结构图的方块里，并把输入量和输出量用拉氏变换表示。这时Y(s)=G(s)X(s)的关系可以在结构图中体现出来。定义定义：表示变量之间数学关系的方块图称为函数结构图或方块图。X(t)Y(t)电位器电位器例：结构：结构图：微分方程：y(t)=kx(t)若已知系统的组成和各部分的传递函数，则可以画出各个部分的结构图并连成整个系统的结构图。X(s)G(s)=KY(s)1/10/2
2、0232本讲稿第二页，共二十三页结构图的基本概念结构图的基本概念例2-10.求例2-6所示的速度控制系统的结构图。各部分传递函数见例2-8，罗列如下：比较环节：运放：运放：功放环节：1/10/20233本讲稿第三页，共二十三页 将上面几部分按照逻辑连接起来，形成下页所示的完整结构图。反馈环节：返回例返回例2-8电动机环节：-1/10/20234本讲稿第四页，共二十三页 在结构图中，不仅能反映系统的组成和信号流向，还能表示信号传递过程中的数学关系。系统结构图也是系统的数学模型，是复域的数学模型。结构图的基本概念结构图的基本概念-1/10/20235本讲稿第五页，共二十三页结构图的等效变换结构图的
3、等效变换二、结构图的等效变换：二、结构图的等效变换：定义定义：在结构图上进行数学方程的运算。类型类型：环节的合并；-串联 -并联 -反馈连接 信号分支点或相加点的移动。原则原则：变换前后环节的数学关系保持不变。1/10/20236本讲稿第六页，共二十三页（一）环节的合并：（一）环节的合并：有串联、并联和反馈三种形式。有串联、并联和反馈三种形式。环节的并联：环节的并联：反馈联接：反馈联接：环节的合并环节的合并 环节的串联：环节的串联：1/10/20237本讲稿第七页，共二十三页（二）信号相加点和分支点的移动和互换（二）信号相加点和分支点的移动和互换：如果上述三种连接交叉在一起而无法化简，则要考虑
4、移动某些信号的相加点和分支点。信号相加点的移动：信号相加点的移动：把相加点从环节的输入端移到输出端信号相加点的移动信号相加点的移动1/10/20238本讲稿第八页，共二十三页信号相加点的移动和互换信号相加点的移动和互换 把相加点从环节的输出端移到输入端：1/10/20239本讲稿第九页，共二十三页信号分支点的移动：信号分支点的移动：分支点从环节的输入端移到输出端信号分支点的移动和互换信号分支点的移动和互换1/10/202310本讲稿第十页，共二十三页信号相加点和分支点的移动和互换信号相加点和分支点的移动和互换 分支点从环节的输出端移到输入端：注意：相临的信号相加点位置可以互换；见下例1/10/
5、202311本讲稿第十一页，共二十三页信号相加点和分支点的移动和互换信号相加点和分支点的移动和互换 同一信号的分支点位置可以互换：见下例 相加点和分支点在一般情况下，不能互换。常用的结构图等效变换见表2-1 所以，一般情况下，相加点向相加点移动，分支点向分支点移动。1/10/202312本讲稿第十二页，共二十三页结构图等效变换例子结构图等效变换例子|例例2-11例2-11利用结构图等效变换讨论两级RC串联电路的传递函数。解：不能把左图简单地看成两个RC电路的串联,有负载效应。根据电路定理，有以下式子：-1/10/202313本讲稿第十三页，共二十三页结构图等效变换例子结构图等效变换例子|例例2
6、-11总的结构图如下：为了求出总的传递函数，需要进行适当的等效变换。一个可能的变换过程如下：-1/10/202314本讲稿第十四页，共二十三页结构图等效变换例子结构图等效变换例子|例例2-11-1/10/202315本讲稿第十五页，共二十三页结构图等效变换例子结构图等效变换例子|例例2-12解：结构图等效变换如下：例2-12系统结构图如下，求传递函数 。-+相加点移动-+1/10/202316本讲稿第十六页，共二十三页-+结构图等效变换例子结构图等效变换例子|例例2-121/10/202317本讲稿第十七页，共二十三页闭环系统的传递函数闭环系统的传递函数三、闭环系统的传递函数：三、闭环系统的传
7、递函数：闭环控制系统（也称反馈控制系统）的典型结构图如下图所示：-+图中，为输入、输出信号，为系统的偏差，为系统的扰动量，这是不希望的输入量。由于传递函数只能处理单输入、单输出系统，因此，我们分别求 对 和 对 的传递函数，然后叠加得出总的输出量 。1/10/202318本讲稿第十八页，共二十三页给定输入作用下的闭环系统的传递函数给定输入作用下的闭环系统的传递函数（一）给定输入作用下的闭环系统：（一）给定输入作用下的闭环系统：令 ，则有：-输出量为：上式中，称为前向通道传递函数，前向通道指从输入端到输出端沿信号传送方向的通道。前向通道和反馈通道的乘积称为开环传递函数 。含义是主反馈通道断开时从
8、输入信号到反馈信号 之间的传递函数。1/10/202319本讲稿第十九页，共二十三页又若单位反馈系统H(s)=1，则有：开环传递函数=前向通道传递函数。系统的偏差E(s)=R(s)-B(s)=R(s)-C(s)就是系统误差。系统偏差传递函数：-给定输入作用下的闭环系统的传递函数给定输入作用下的闭环系统的传递函数1/10/202320本讲稿第二十页，共二十三页扰动输入作用下的闭环系统的传递函数扰动输入作用下的闭环系统的传递函数（二）扰动作用下的闭环系统：此时R(s)=0,结构图如下：输出对扰动的传递函数为：输出为：一般要求由扰动量产生的输出量应为零。系统的误差为-C(s),偏差E(s)=0-B(
9、s)=-H(s)C(s)，扰动作用下偏差传递函数为：-+1/10/202321本讲稿第二十一页，共二十三页给定输入和扰动输入作用下的闭环系统的传递函数给定输入和扰动输入作用下的闭环系统的传递函数(三）给定输入和扰动输入同时作用下的闭环系统三）给定输入和扰动输入同时作用下的闭环系统根据线性迭加原理：输出：偏差：提示：各个传递函数 都具有相同的分母，分母称为控制系统的特征表达式。作业：2-8，2-9，2-111/10/202322本讲稿第二十二页，共二十三页小结小结结构图的概念和绘制方法；结构图的等效变换（环节的合并和分支点、相加点的移动）；闭环系统的传递函数（给定作用和扰动作用共同下）；特征表达式（特征方程）。1/10/202323本讲稿第二十三页，共二十三页