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第二章 控制系统的数学模型 系统结构图包含四个基本单元: (1)信号线:用带箭头的直线表示,箭头表示信号流 向,直线旁标记表示信号的时间函数或象函数。图(a) 方块图表示的三种常见形式 (2) 并联方框的简化(等效) (4) 比较点和引出点的移动 ①. 比较点前移 比较点前移,比较环节除以被越过环节的传递函数。 ②.比较点后移 比较点后移时,比较环节乘以被越过环节的传递函数。 (4) 最后,将G1, G23和H1组成的反馈回路简化便求得系统的传递函数为: G1 G23 H1 R(s) C(s) 例2-15 简化图2-34系统结构图,并求系统传递函数C(s)/R(s). 解: (1) 按引出点后移规则将G2(s)之前的引出点后移 R(s) H1(s) G2(s) G1(s) C(s) R(s) H1(s) G2(s) G1(s) C(s) 1/G2(s) (2) 按比较点前移规则将G1(s)后的比较点前移 R(s) H1(s) G2(s) G1(s) C(s) 1/G2(s) R(s) H1(s) G2(s) G1(s) C(s) 1/G2(s) 1/G1(s) (3) 按并联等效规则进一步简化 R(s) H1(s) G2(s) G1(s) C(s) 1/G2(s) 1/G1(s) R(s) G2(s) G1(s) C(s) (4) 按反馈等效规则便求得系统的传递函数 R(s) G2(s) G1(s) C(s) 作业:P67 2-17 (d) (e) (f) 2-18 (a) * * 典型环节的传递函数: 任何一个复杂的控制系统都可分解成由几个简单的环节组成,称为典型环节。 (1) 比例环节 又称放大环节。 运算关系: 传递函数为: (2) 惯性环节 惯性环节的输出响应需要一定的时间才能达到稳态值,故称为惯性环节,又称非周期环节。 其传递函数为: 微分方程 (3) 积分环节: 符合积分运算关系的环节称为积分环节。 传递函数为: 微分方程: (4) 微分环节:符合微分运算关系的环节称为微分环节 传递函数为: 微分方程: (5) 二阶环节 传递函数为: (6) 延迟环节:具有纯时间延迟传递关系的环节称为延迟环节。 延迟环节的传递函数为: 又称为振荡环节。 微分方程 运算关系: 计算电气网络传递函数的简便方法—复阻抗法 C sL jωL L R R R 复阻抗 交流阻抗 元件 2-1 控制系统的时域数学模型 2-2 控制系统的复数域数学模型 2-3 控制系统的结构图与信号流图 2-4 控制系统建模实例 2-3 系统结构图与信号流图 1. 系统结构图的组成和绘制 2. 结构图的等效变换和简化 3. 信号流图的组成及性质 4. 信号流图的绘制 5. 梅森增益公式 6. 闭环系统的传递函数 1. 系统结构图的组成和绘制 系统结构图(方块图,方框图):是由许多对信号进行单向运算的方框和一些信号流向线组成。 将系统中所有的环节用方框来表示,按照系统中各个环节之间的联系,将各方框连接起来构成的; 方框的一端为相应环节的输入信号,另一端为输出信号,用箭头表示信号传递的方向,并在方框内标明相应环节的传递函数。 表明了系统的组成、信号的传递方向; 表示出了系统信号传递过程中的数学关系; 可揭示、评价各环节对系统的影响; 易构成整个系统,并简化写出整个系统的传递函数; 直观、方便(图解法)。 u(t), U(s) (a) (2)引出点:表示信号引出或测量的位置。 u(t), U(s) u(t), U(s) (b) (3)比较点:表示对二个以上信号进行加加、减运算 (c) (4)方框(或环节):方框表示对信号进行的数学变换,方框中写入元件的传递函数。 如何绘制结构图: 1)考虑负载效应,分别列出系统各元件的微分方程或传递函数,并将它们用方框表示。 2)根据各元部件的信号流向用信号线依次将各方框连接起来。 注意:结构图中方框与实际系统元件并非绝对一一对应,有时一个实际元件可以用一个方框或几个方框表示,而一个方框也可以代表几个元件或一个子系统,或是一个大的复杂系统。 例2-11 试绘制图2-24无源网络的结构图。 R1 ui uo R2 C i i2 i1 图2-24 RC无源网络 解: 设电路中各变量如图中所示,应用复阻抗概念,根据基尔霍夫定律写出以下方程: (a) (b) (c) (d) - 1/R1 Ui(s) Uo(s) I1(s)R1 I1(s) (a) (b) R1 I2(s) I1(s) Cs (c) I1(s) I2(s) I(s) R2 I(s) Uo(s)
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