自動(dòng)控制原理胡壽松第六版ppt課件

1、2-3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖,2-4 數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn)測(cè)定法,控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,2-1 控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型,2-2 控制系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)模型,第二章,1,2-3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號(hào)流圖,1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制,2.結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡(jiǎn)化,3.信號(hào)流圖的組成和性質(zhì),4.信號(hào)流圖的繪制,5.梅遜增益公式,6.閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),2,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成和繪制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是以結(jié)構(gòu)框圖的形式，描述系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、信號(hào)傳 遞關(guān)系的圖形。它完全表述了一個(gè)系統(tǒng)。也稱(chēng)為方框圖。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：由四個(gè)基本單元組成。,信號(hào)線：帶有箭頭的線段，箭頭方向表示 信號(hào)的流向，線段旁邊標(biāo)注信號(hào)相應(yīng)的變 量名。,

2、引出點(diǎn)（或測(cè)量點(diǎn)）：信號(hào)線中的一個(gè)點(diǎn)，表示一個(gè) 信號(hào)在這地方分成若干路，流向不同的地方，每一路 的信號(hào)完全相同。通常這種情況出現(xiàn)在信號(hào)測(cè)量處， 所以也稱(chēng)為測(cè)量點(diǎn)。,比較點(diǎn)（或綜合點(diǎn)）：若干信號(hào)的匯合點(diǎn)，經(jīng)過(guò)加 （減）運(yùn)算，形成一個(gè)新的信號(hào)。流入信號(hào)增加使流 出信號(hào)增加，在線段旁注“+”；流入信號(hào)增加使流出 信號(hào)減小，在線段旁注“” 。通常將“+”符號(hào)省略。,3,方框（或環(huán)節(jié)）：方框表示系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)（可 以是一個(gè)元、部件，子系統(tǒng)，但不是必須）。 方框中填入該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。一個(gè)方框的輸 入輸出與傳遞函數(shù)間滿足 。,例2-11：畫(huà)電壓測(cè)量裝置的方框圖。（系統(tǒng)原理圖教材圖2-22）,被測(cè)電壓：e1;

3、,比較電路：將被測(cè)電壓e1與電位器輸出電壓e2進(jìn)行比較，得到誤差e;,調(diào)制、放大電路：將誤差信號(hào)調(diào)制、放大，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī);,兩相伺服電機(jī)：根據(jù)輸入電壓，產(chǎn)生角位移;,4,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：將電機(jī)的角位移，轉(zhuǎn)換為線位移;,電位器：將線位移，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);,畫(huà)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步驟：,步驟1：列各元件的微分方程，并在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換。,步驟2：從包含輸入信號(hào)的方程入手，根據(jù)方程關(guān)系畫(huà)圖。,步驟3：從前一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出，尋找一個(gè)前面未用到的方程，根據(jù) 方程關(guān)系畫(huà)圖，直到輸出信號(hào)。,步驟4：補(bǔ)上未完成的比較點(diǎn)信號(hào)。,5,畫(huà)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖步驟：,步驟1：列各元件的微分方程，并在零初始條件下進(jìn)行拉氏變換。,步驟2：從

4、包含輸入信號(hào)的方程入手，根據(jù)方程關(guān)系畫(huà)圖。,步驟3：從前一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出，尋找一個(gè)前面未用到的方程，根據(jù) 方程關(guān)系畫(huà)圖，直到輸出信號(hào)。,步驟4：補(bǔ)上未完成的比較點(diǎn)信號(hào)。,6,其中： 衰減器輸出， 校正電路輸出。,例2-13：畫(huà)出LZ3型函數(shù)記錄儀的方框圖。（系統(tǒng)原理圖教材圖2- 26）,工作原理：輸入的電壓信號(hào)，由衰減器進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)雙T濾波電 路過(guò)濾掉50Hz的干擾信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)制交流放大解調(diào)直流 放大，送到直流電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)紀(jì)錄筆按輸入電壓的 波形運(yùn)動(dòng)。為了保證準(zhǔn)確記錄，將紀(jì)錄筆的位移信號(hào)測(cè)量出來(lái)， 經(jīng)過(guò)微分校正電路，送回輸入端與輸入電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成反饋 控制系統(tǒng)。為保證電機(jī)回路

5、工作性能，采用了內(nèi)反饋。,雙T濾波電路：屬無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。,比較電路：,各環(huán)節(jié)的信號(hào)傳遞關(guān)系如下：,其中： 濾波器輸出。,7,調(diào)制器與交流放大：,其中： 交流放大器輸出， 放大器增益， 時(shí)間常數(shù)。,解調(diào)與直流放大電路：,其中： 直流放大器輸出， 內(nèi)回路反饋電壓。,直流電動(dòng)機(jī)： 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角。,其中： 測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)換系數(shù)， 分壓系數(shù)。,內(nèi)回路反饋電壓：,齒輪系： ；繩輪：,測(cè)量電路：,微分校正電路：參見(jiàn)例2-13。,8,9,結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡(jiǎn)化,化簡(jiǎn)：用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)圖表示復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖。,等效變換：用另外一種方式，畫(huà)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，但保持系統(tǒng)傳遞關(guān)系 不變，即系統(tǒng)的輸入輸出傳遞函數(shù)保持不變。,為避免發(fā)生錯(cuò)誤，

6、在變換過(guò)程中應(yīng)遵循的原則：,目的：通過(guò)等效變換，使一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)， 便于求出其傳遞函數(shù)。,作用：對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，可以避免解線性方程組求傳遞函數(shù)。,前向通道各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積保持不變；,閉合回路各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積保持不變；,1）串聯(lián)環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化：多個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)的作用等于一個(gè)環(huán)節(jié)的作用。 這個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)等于這幾個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)的乘積。,10,2）并聯(lián)環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化：多個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)的作用等于這些環(huán)節(jié)的傳遞函 數(shù)和的作用。,3）反饋回路的簡(jiǎn)化：,11,4）比較點(diǎn)之間的移動(dòng)：,5）比較點(diǎn)沿信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)：,6）比較點(diǎn)逆信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)：,12,7）引出點(diǎn)沿信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)環(huán)

7、節(jié)：,8）引出點(diǎn)逆信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)：,9）比較點(diǎn)沿信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)引出點(diǎn)：,13,10）比較點(diǎn)逆信號(hào)傳遞方向移過(guò)一個(gè)引出點(diǎn)：,11）負(fù)號(hào)在通路上的移動(dòng)：,注意：一般若能避免引出點(diǎn)與比較點(diǎn)之間移動(dòng)，則盡量避免。,14,例2-14：簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1,15,2,3,4,16,5,6,例2-15：簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,17,1,2,3,18,4,5,6,19,例2-16：簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1,2,20,3,4,5,6,21,信號(hào)流圖的組成及性質(zhì),信號(hào)流圖是以點(diǎn)和有向線段，描述系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、信號(hào)傳 遞關(guān)系的圖形。它完全表述了一個(gè)系統(tǒng)。,信號(hào)流圖：由兩個(gè)基本單元組成。,節(jié)點(diǎn)：用小圓點(diǎn)表示。節(jié)點(diǎn)表

8、示系統(tǒng)中的 一個(gè)信號(hào)。信號(hào)的名稱(chēng)標(biāo)注在節(jié)點(diǎn)旁。,支路：用一條有向線段表示。支路表示系統(tǒng) 中的一個(gè)環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)標(biāo)注在支路 的旁邊。,信號(hào)流圖：由節(jié)點(diǎn)和支路構(gòu)成的圖。支路用于連接各節(jié)點(diǎn)，支路 的方向表示信號(hào)傳遞的方向。信號(hào)之間的傳遞關(guān)系由支路的傳遞 函數(shù)確定。,22,信號(hào)流圖常用的名詞術(shù)語(yǔ),源節(jié)點(diǎn)（輸入節(jié)點(diǎn)）：只有信號(hào)輸出支路的節(jié)點(diǎn)。,阱節(jié)點(diǎn)（輸出節(jié)點(diǎn)）：只有信號(hào)輸入支路的節(jié)點(diǎn)。,混合節(jié)點(diǎn)：有輸入支路又有輸出支路的節(jié)點(diǎn)。,前向通路：從源節(jié)點(diǎn)出發(fā)，沿箭頭方向，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過(guò)一次，到達(dá)阱節(jié)點(diǎn)，形成的通路。,回路：從一個(gè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，沿箭頭方向，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過(guò)一次，回 到出發(fā)的節(jié)點(diǎn)，形成的通路。,不

9、接觸回路：沒(méi)有公共節(jié)點(diǎn)的回路。,前向通路總增益：前向通路各環(huán)節(jié)增益的乘積。,回路：回路各環(huán)節(jié)增益的乘積。,23,說(shuō)明,：節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)信號(hào)，相當(dāng)于微分方程中的一個(gè)變量，方框圖中 的一個(gè)有向線段,：支路表示一個(gè)環(huán)節(jié)，相當(dāng)于微分方程中變量的系數(shù)，方框圖中 的方框。所以支路相當(dāng)于一個(gè)乘法器。,：從混合節(jié)點(diǎn)引出的信號(hào)，等于這個(gè)節(jié)點(diǎn)所有輸入信號(hào)的和。節(jié) 點(diǎn)旁注的節(jié)點(diǎn)名也是這個(gè)節(jié)點(diǎn)所有輸入信號(hào)的和。,：節(jié)點(diǎn)表示的信號(hào)，并不一定要是微分方程的一個(gè)變量。,24,信號(hào)流圖的繪制,由微分方程繪制信號(hào)流圖：參照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的畫(huà)法,例2-17：繪制例2-12（圖2-24）RC網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)流圖,由例2-12，RC網(wǎng)絡(luò)的微分方

10、程（拉氏變換,u1(0)0）為,25,由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖繪制信號(hào)流圖,例：繪制例2-11電壓測(cè)量裝置的信號(hào)流圖,26,例2-18：繪制圖2-43所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對(duì)應(yīng)的信號(hào)流圖,27,梅遜增益公式,Pk第k條前向通道的增益。,hi第i個(gè)回路的增益。,H1各回路的增益和。,H2兩兩互不接觸回路增益乘積的和。,回路i與回路j互不接觸。,Hn：n個(gè)互不接觸回路增益乘積的和。,回路 、 、 互不接觸。,信號(hào)流圖的特征式。,k第k條前向通道的余因子：去除中與第K條前向通道相接觸的 回路后的剩余部分 。,梅遜增益公式,28,例2-19：用梅遜公式求例2-14系統(tǒng)的傳遞函數(shù),29,例2-20：用梅遜公式求圖2-47系

11、統(tǒng)的傳遞函數(shù),信號(hào)流圖的特征式。,前向通道1的余式,前向通道2的余式,30,例2-21：用梅遜公式求圖2-48系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 及,不接觸回路h1h3，增益乘積,信號(hào)流圖的特征式：,前向通道1：,余式：,前向通道2：,余式：,前向通道1：,余式：,31,例2-22：求圖2-49系統(tǒng)的傳遞函數(shù),回路1,回路2,回路3,回路4,信號(hào)流圖的特征式：,前向通道1：,余式：,前向通道2：,余式：,前向通道3：,余式：,余式：,前向通道4：,32,閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),輸入信號(hào)下的閉環(huán)傳遞函數(shù),擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù),閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù),這些傳遞函數(shù)相同點(diǎn)：分母相同，是信號(hào)流圖的特征式。,33,2-4

12、數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)定法,1.數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)測(cè)定的主要方法,2.輸入測(cè)試信號(hào)的選擇,3.測(cè)定試驗(yàn)注意事項(xiàng),4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理,復(fù)雜系統(tǒng)，無(wú)法通過(guò)推衍的方法得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)時(shí)，用實(shí)驗(yàn)法測(cè)定。,34,數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定的主要方法,數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)：不同的系統(tǒng)，在不同的輸入作用下，會(huì) 有不同的輸出。同樣的系統(tǒng)，在同樣的條件下（包括初始條件和 外加激勵(lì)）有相同的響應(yīng)。,數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法：給系統(tǒng)施加一個(gè)外加激勵(lì)，觀測(cè)系統(tǒng)輸 出，進(jìn)而推斷系統(tǒng)模型。根據(jù)施加的外加激勵(lì)及分析的領(lǐng)域不 同，由三種方法。,時(shí)域測(cè)定法：給系統(tǒng)施加一個(gè)確定性輸入，根據(jù)輸入輸出信號(hào)隨 時(shí)間的變化關(guān)系，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。,頻域測(cè)定法：給系統(tǒng)施加一個(gè)頻率信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān) 系隨頻率的變化，推斷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。,統(tǒng)計(jì)相關(guān)測(cè)定法：給系統(tǒng)施加一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)的輸入響 應(yīng)，用統(tǒng)計(jì)方法，推斷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。,35,輸入測(cè)試信號(hào)的選