合肥工业大学自动控制理论课件2-5概要.ppt

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合肥工业大学自动控制理论课件2-5概要

2.5 控制系统的信号流图 2.5.2 信号流图的绘制 2.5.3 信号流图的等效变换 2.5.4 梅逊增益公式 信号流图与结构图一样,都是用图形来描述控制系统中信号传递关系,但符号更简单,便于绘制和应用。 2.5.1 信号流图的概念 信号流图是由节点和支路组成的信号传递网络,是一种表示联立线性代数方程组的图。 例:线性代数方程组 可用4个节点和6条支路组成的信号流图表示: 信号流图中的几个术语 节点:用来表示变量和信号,用符号“o”表示。 输入节点(源节点):只有输出支路的节点。输入节点对应系统的输入变量; 输出节点(汇节点):只有输入支路的节点,输出节点对应系统的输出变量; 混合节点:既有输入支路,又有输出支路的节点。 支路:连接两个节点的定向线段,具有确定的增益(支路增益),增益可以是常数 (增益为1时,可以省略),也可以是传递函数。信号按照箭头方向从支路的 一个节点乘以增益后流向另一节点。 通路:从一个节点沿支路箭头方向到达另一节点所经过的各相连支路叫通路(通道)。 前向通路:从输入节点到输出节点的通路,且通过任何节点不多于一次。 回路:如果通路的终点就是通路的起点,且通过任何节点不多于一次,称为回路。 自回路:只有一条支路的回路称为自回路。 不接触回路:如果一些回路之间没有公共节点则称它们为不接触回路。 前向通路增益:前向通路中,各支路增益的乘积。 回路增益:回路中各支路增益的乘积。 (1)节点变量是所有流向该节点的信号之和,而从同一节点流向各支路的信号均用该节点变量表示。 (2)支路表示了一个节点信号到另一个节点信号的传输关系,信号只能沿着支路上的箭头方向传递。 (3)在混合节点上,增加一条具有单位增益的支路,可把混合节点变为输出节点,即可以分离出系统的输出变量。需要注意的是,用这种方法不能将混合节点变为输入节点。 (4)对于给定系统,信号流图不是唯一的。 (5)信号流图只适用于线性系统(而结构图可用于非线性系统)。 2.关于信号流图的几点说明 信号流图可以由控制系统的微分方程直接绘制,也可以由动态结构图转化获得。 1.由系统的微分方程绘制信号流图 例2-17 绘制图示电路的信号流图。已知电容初始电压为 解: 列写微分方程如下: 在考虑初始条件 的情况下进行拉式变换,得 2.由系统结构图绘制信号流图 1)用“o”在结构图的信号线上标出信号流图的节点。具体说,在结构图的输入量和输出量信号线上、综合点之后的信号线上、方框之后的信号线上分别标出节点。信号线上有引出点时,节点标在引出点之前。 2)将节点按顺序自左向右排列,用与结构图相应的支路连接节点,方框中的传递函数为信号流图中的支路增益,综合点处的“—”号用负增益表示。 3)略去只有一个输入支路和一个输出支路的节点(因为流入流出这些节点的信号相同),注意新的支路增益是与所略去节点有关的支路增益的乘积。 信号流图与结构图的对应关系:信号流图的节点对应结构图的信号线,信号流图的支路和支路增益对应结构图的方框。 例2-18 绘制图示结构图的信号流图。 解: 1.首先在结构图上标出节点. 按顺序自左向右排列节点. 2. 用支路连接节点,标出支路增益。 3. 略去只有一个输入支路和一个输出支路的节点. 规则2:并联支路的简化 规则3:混合节点的消除 规则1:串联支路的简化 规则4 :回路的消除 n个同方向的并联支路可用一个等效支路代替,等效支路增益等于并联支路增益之和。 n个同方向的串联支路可用一个等效支路代替,等效支路增益等于串联支路增益的乘积 。 式中 ——从输入至输出的前向通路数 —— 特征式 —— 余因子式。在信号流图中除去与第k条前向通路相接触的 回路后求得的特征式。 ——所有回路增益之和 ——所有每两个互不接触回路增益乘积之和 ——所有每三个互不接触的回路增益乘积之和 其中 ——从输入到输出的第k条前向通路的通路增益 梅逊公式给出了一种直接由信号流图或结构图计算系统传递函数的方法。 例2-21 试用梅逊公式求图示信号流图的传递函数 。 解: 有4个回路,回路增益: ② ① ③ ④ 两两互不接触回路: 三个互不接触回路: 特征式: 从R到C的前向通路: 4条。 通路增益分别为: 各前向通路的余子式:

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