2.3闭环控制系统的 动态结构图.ppt

2.3 控制系统的动态结  构图 2.3.1 控制系统的结构图 控制系统的结构图是系统数学模型的图解形式，可以形象直观地描述系统中各元件间的相互关系及其功能以及信号在系统中的传递、变换过程。 控制系统都是由一些元部件组成的，根据不同的功能，可将系统划分为若干环节（也叫做子系统），每个环节的性能可以用一个单相的函数方框来表示，方框中的内容为这个环节的传递函数。根据系统中信息的传递方向，将各个环节的函数方框图用信号线依次连接起来，就构成了系统的结构。系统的结构图实际上是每个元件的功能和信号流向的图解表示。系统的结构图又称之系统的方框图。 信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的流向，在直线旁标记信号的时间函数或象函 数。 综合点（比较点、相加点）：表示两个以上的信号进行加减运算。 方框（或环节）：表示对信号进行的数学变换，在方框中写入元部件或系统的传递函数。 3 系统动态结构图的绘制步骤 (1)首先按照系统的结构和工作原理，分解出各环节并写出它的传递函数。 (2)绘出各环节的动态方框图，方框图中标明它的传递函数，并以箭头和字母符号表明其输入量和输出量，按照信号的传递方向把各方框图依次连接起来，就构成了系统结构图。 例: 绘制如图所示 RC无源网络的方框图： 将上面的各环节（元件）的部分综合有： 动态结构图为 若重新选择一组中间变量，会有什么结果呢？ (刚才中间变量为i1,u1,i2，现在改为I, I1, I2) 这个结构与前一个不一样，因为选择不同的中间变 量，结构图也不一样，但是整个系统的输入输出关 系是不会变的。 例: 速度控制系统,输入ur，输出转速n 解：（1）比较环节和速度调节器环节 则比较环节和速度调节器环节的结构图为 （2）电动机及功率放大装置 （4）速度反馈的传递函数 （5）系统的动态结构图 比较（1）、（2）两式可知，考虑负载效应时，传递函数 的分母中多了一项 。它表示了两个简单 RC 电路的相互影响。因此，在求串联环节的等效传递函数时应考虑环节间的负载效应，否则容易得出错误的结果。所以提出两点注意： 1）多个环节相串联在求其总传递函数时要考虑负载效应； 2）后一级的输入阻抗为无限大（或很大）时，可以不考虑它对前级的影响。 G(s) R1C2s 从右到 左列方程： ? ? ? ? ? ? ? í ì × × - = × × + = - = × = 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 2 1 ] 1 ) ( ) ( [ ) ( ] ) ( ) ( [ ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( R sC s I s u s I sC R s I s u s I s I s I s I sC s I s u r c c 绘图 r + I = c I f I 式中： 式中： 式中 整理得 Uk(s) Ks Ud(s) 功率放大装置的结构图为： （3）直流电动机装置 直流电动机的结构图为： Ud(s) n(s) 式中： 为速度反馈系数 c f K n(s) Kcf Uf(s) 则速度反馈的结构图为： * 1 动态结构图的定义和组成 动态结构图也称为方块图,具有图示模型的直观，又有数学模型的精确。由三部分组成： （1）以传递函数来描述信号输入输出关系的传输方块。 （2）标有信号流通方向的信号输入输出通路。 （3）信号的分支点(分离点)与相加点(综合点)。 控制装置 被控对象 给定量 被控量 （输入量） （输出量） 干扰 测量元件 - 引出点（或测量点）：表示信号引出或测 量的位置，从同一位置引出的信号在数值 和性质方面完全相同。 u(t),U(s) u(t),U(s) u(t),U(s) u(t),U(s) r(t),R(s) ) ( ) ( ) ( ) ( s R s U t r t u ± ± ± 方框与实际系统中的元部件并非一一对应。 u(t),U(s) G(s) c(t),C(s) 2 动态结构图的特性 (1)结构图是线图方式的数学模型，可以用来描述控制系统的系统结构关系。 (2)结构图上可以表示出系统的一些中间变量或者系统的内部信息。 (3) 方框图是从实际系统抽象出来的数学模型，不代表实际的物理结构，不明显表示系统的主能源。方框图是从传递函数的基础上得出来的，所以仍是数学模型，不代表物理结构。系统本身有的反映能源、有的不反映能源(如有源网络和无源网络等)，但从方框图上一般不明显表示出来。 (4)结构图与代数方程等价。 (5)能更直观更形象地表示系统中各环节的功能和相互关系，以及信号的流向和每个环节对系统性能的影响。更直观、