閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1、 2.3 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié) 構(gòu)圖構(gòu)圖2 2.3.1 .3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的圖解形式，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的圖解形式，可以形象直觀地描述系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系及其可以形象直觀地描述系統(tǒng)中各元件間的相互關(guān)系及其功能以及信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞、變換過程。功能以及信號(hào)在系統(tǒng)中的傳遞、變換過程。 控制系統(tǒng)都是由一些元部件組成的，根據(jù)不同的控制系統(tǒng)都是由一些元部件組成的，根據(jù)不同的功能，可將系統(tǒng)劃分為若干環(huán)節(jié)（也叫做子系統(tǒng)），功能，可將系統(tǒng)劃分為若干環(huán)節(jié)（也叫做子系統(tǒng)），每個(gè)環(huán)節(jié)的性能可以用一個(gè)單相的函數(shù)方框來表示，每個(gè)環(huán)節(jié)的性

2、能可以用一個(gè)單相的函數(shù)方框來表示，方框中的內(nèi)容為這個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)中信方框中的內(nèi)容為這個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)中信息的傳遞方向，將各個(gè)環(huán)節(jié)的函數(shù)方框圖用信號(hào)線依息的傳遞方向，將各個(gè)環(huán)節(jié)的函數(shù)方框圖用信號(hào)線依次連接起來，就構(gòu)成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖實(shí)次連接起來，就構(gòu)成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖實(shí)際上是每個(gè)元件的功能和信號(hào)流向的圖解表示。系統(tǒng)際上是每個(gè)元件的功能和信號(hào)流向的圖解表示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖又稱之系統(tǒng)的方框圖。的結(jié)構(gòu)圖又稱之系統(tǒng)的方框圖。1 1 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的定義和組成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的定義和組成 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖也稱為方塊圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖也稱為方塊圖, ,具有圖示模型的直觀，具有圖示模型的直觀

3、，又有數(shù)學(xué)模型的精確。又有數(shù)學(xué)模型的精確。由三部分組成：由三部分組成： （1 1）以傳遞函數(shù)來描述信號(hào)輸入輸出關(guān)系的傳輸）以傳遞函數(shù)來描述信號(hào)輸入輸出關(guān)系的傳輸方塊。方塊。 （2 2）標(biāo)有信號(hào)流通方向的信號(hào)輸入輸出通路。）標(biāo)有信號(hào)流通方向的信號(hào)輸入輸出通路。 （3 3）信號(hào)的分支點(diǎn)）信號(hào)的分支點(diǎn)( (分離點(diǎn)分離點(diǎn)) )與相加點(diǎn)與相加點(diǎn)( (綜合點(diǎn)綜合點(diǎn)) )?？刂蒲b置控制裝置被控對(duì)象被控對(duì)象給定量給定量被控量被控量（輸入量）（輸入量）（輸出量）（輸出量）干擾干擾測(cè)量元件測(cè)量元件- - 信號(hào)線信號(hào)線：帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的：帶有箭頭的直線，箭頭表示信號(hào)的流向，在直線旁標(biāo)記信號(hào)的時(shí)間函數(shù)或

4、象函流向，在直線旁標(biāo)記信號(hào)的時(shí)間函數(shù)或象函 數(shù)。數(shù)。 引出點(diǎn)（或測(cè)量點(diǎn)）引出點(diǎn)（或測(cè)量點(diǎn)）：表示信號(hào)引出或測(cè)：表示信號(hào)引出或測(cè)量的位置，從同一位置引出的信號(hào)在數(shù)值量的位置，從同一位置引出的信號(hào)在數(shù)值和性質(zhì)方面完全相同。和性質(zhì)方面完全相同。u(t),U(s)u(t),U(s)u(t),U(s)u(t),U(s)u(t),U(s)u(t),U(s)綜合點(diǎn)（比較點(diǎn)、相加點(diǎn)）：綜合點(diǎn)（比較點(diǎn)、相加點(diǎn)）：表示兩個(gè)以上表示兩個(gè)以上的信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算。的信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算。u(t),U(s)u(t),U(s)r(t),R(s)r(t),R(s)()()()(sRsUtrtu 方框（或環(huán)節(jié)）方框（或環(huán)節(jié)）：表示

5、對(duì)信號(hào)進(jìn)行的數(shù)學(xué)：表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換，在方框中寫入元部件或系統(tǒng)的傳遞變換，在方框中寫入元部件或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。函數(shù)。 方框與實(shí)際系統(tǒng)中的元部件并非一一對(duì)應(yīng)。方框與實(shí)際系統(tǒng)中的元部件并非一一對(duì)應(yīng)。u(t),U(s)u(t),U(s)G(s)G(s)c(t),C(s)c(t),C(s)2 2 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的特性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的特性 (1)(1)結(jié)構(gòu)圖是線圖方式的數(shù)學(xué)模型，可以用結(jié)構(gòu)圖是線圖方式的數(shù)學(xué)模型，可以用來描述控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系。來描述控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系。 (2)(2)結(jié)構(gòu)圖上可以表示出系統(tǒng)的一些中間變結(jié)構(gòu)圖上可以表示出系統(tǒng)的一些中間變量或者系統(tǒng)的內(nèi)部信息。量或者系統(tǒng)的內(nèi)部信息。 (

6、3) (3) 方框圖是從實(shí)際系統(tǒng)抽象出來的數(shù)學(xué)模方框圖是從實(shí)際系統(tǒng)抽象出來的數(shù)學(xué)模型，不代表實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)，不明顯表示系統(tǒng)型，不代表實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)，不明顯表示系統(tǒng)的主能源。方框圖是從傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上得出的主能源。方框圖是從傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上得出來的，所以仍是數(shù)學(xué)模型，不代表物理結(jié)構(gòu)。來的，所以仍是數(shù)學(xué)模型，不代表物理結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)本身有的反映能源、有的不反映能源系統(tǒng)本身有的反映能源、有的不反映能源( (如有如有源網(wǎng)絡(luò)和無源網(wǎng)絡(luò)等源網(wǎng)絡(luò)和無源網(wǎng)絡(luò)等) )，但從方框圖上一般不明，但從方框圖上一般不明顯表示出來。顯表示出來。 (4) (4)結(jié)構(gòu)圖與代數(shù)方程等價(jià)。結(jié)構(gòu)圖與代數(shù)方程等價(jià)。 (5) (5)能更直

7、觀更形象地表示系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能和相能更直觀更形象地表示系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能和相互關(guān)系，以及信號(hào)的流向和每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響?；リP(guān)系，以及信號(hào)的流向和每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。更直觀、更形象是針對(duì)系統(tǒng)的微分方程而言的。更直觀、更形象是針對(duì)系統(tǒng)的微分方程而言的。 (6) (6)方框圖的流向是單向不可逆的。方框圖的流向是單向不可逆的。 (7) (7)方框圖不唯一。由于研究角度不一樣，傳遞函數(shù)方框圖不唯一。由于研究角度不一樣，傳遞函數(shù)列寫出來就不一樣，方框圖也就不一樣。列寫出來就不一樣，方框圖也就不一樣。 (8) (8)研究方便。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以畫出它的方研究方便。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以畫出

8、它的方框圖，通過方框圖簡(jiǎn)化，不難求得系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)框圖，通過方框圖簡(jiǎn)化，不難求得系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，無論是研究整個(gè)系統(tǒng)的性能，還是評(píng)系，在此基礎(chǔ)上，無論是研究整個(gè)系統(tǒng)的性能，還是評(píng)價(jià)每一個(gè)環(huán)節(jié)的作用都是很方便的。價(jià)每一個(gè)環(huán)節(jié)的作用都是很方便的。3 3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制步驟系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的繪制步驟(1)(1)首先按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分解出各首先按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分解出各環(huán)節(jié)并寫出它的傳遞函數(shù)。環(huán)節(jié)并寫出它的傳遞函數(shù)。 (2)(2)繪出各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方框圖，方框圖中標(biāo)明它繪出各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方框圖，方框圖中標(biāo)明它的傳遞函數(shù)，并以箭頭和字母符號(hào)表明其輸?shù)膫鬟f函數(shù)，并以箭

9、頭和字母符號(hào)表明其輸入量和輸出量，按照信號(hào)的傳遞方向把各方入量和輸出量，按照信號(hào)的傳遞方向把各方框圖依次連接起來，就構(gòu)成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?？驁D依次連接起來，就構(gòu)成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 繪制方框圖的步驟繪制方框圖的步驟例：例：繪制如圖所示繪制如圖所示 RC 電路的方框圖電路的方框圖+-+-RCiieoe解：（解：（1 1）寫出組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的微分方程，求）寫出組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的微分方程，求取各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)取各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)ioeeiR1oeidtCioE sE sI sR( )( )( )oI sE sCs( )( )+-+-RCiieoe（2 2）畫出個(gè)體方框圖）畫出個(gè)體方框圖ioE sE sI s

10、R( )( )( )E0 s ()I s ( )1 CsoI sE sCs( )( )E0 s ()I s ( )1 Cs（3 3）從相加點(diǎn)入手，按信號(hào)流向依次連接成完整）從相加點(diǎn)入手，按信號(hào)流向依次連接成完整方框圖。方框圖。 例例: : 繪制如圖所示繪制如圖所示 RC無源網(wǎng)絡(luò)的方框圖：無源網(wǎng)絡(luò)的方框圖：CR1R2urucii1i22)()(RsIsUc R R2 2I(s)I(s)U Uc c(s)(s)()()(21sIsIsI+ + I I(s)(s)I I1 1(s)(s)I I2 2(s)(s)+ + +CR1R2urucii1i2CssUsI)()(12 CSCSI I2 2(s)

11、(s)U U1 1(s)(s)()()(1sUsUsUcr U1(s)Ur(s)Uc(s)+ +- -111)()(RsUsI I I1 1(s)(s)U U1 1(s)(s)11RCR1R2urucii1i2R R2 2I(s)I(s)U Uc c(s)(s)I I(s)(s)I I1 1(s)(s)I I2 2(s)(s)+ + +CSCSI I2 2(s)(s)U U1 1(s)(s)U1(s)Ur(s)Uc(s)+ +- -I I1 1(s)(s)U U1 1(s)(s)11R將上面的各環(huán)節(jié)（元件）的部分綜合有：將上面的各環(huán)節(jié)（元件）的部分綜合有：U U1 1(s)(s)U Ur r(

12、s)(s)+ +- -11RCsCsR R2 2+ + +I I1 1(s)(s)I I2 2(s)(s)I I(s)(s)U Uc c(s)(s)ie0e解：（解：（1 1）不計(jì)負(fù)載效應(yīng)）不計(jì)負(fù)載效應(yīng) 第一級(jí)濾波器的輸入信號(hào)是第一級(jí)濾波器的輸入信號(hào)是 ，輸出信號(hào)是，輸出信號(hào)是 ，其傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)為為1111111111abiEsC sG sRC sE sRC s+( )( )( )ieabe第二級(jí)濾波器的輸入信號(hào)是第二級(jí)濾波器的輸入信號(hào)是 輸出信號(hào)為輸出信號(hào)為 ，其傳遞函數(shù)為，其傳遞函數(shù)為2222121111oabE sC sG sR C sEsRC s+( )( )( )abe0e動(dòng)

13、態(tài)結(jié)構(gòu)圖為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為Ei(s)E0(s)G1(s)G2(s)Ei(s)G1(s)Eab(s)Eab(s)G1(s)E0(s)（2 2）考慮負(fù)載效應(yīng)）考慮負(fù)載效應(yīng)采用復(fù)數(shù)阻抗法順序?qū)懗龈魉阕哟鷶?shù)方程和方塊圖采用復(fù)數(shù)阻抗法順序?qū)懗龈魉阕哟鷶?shù)方程和方塊圖B.1/R1UR1IR1A.)()()(1sUsUsURc1i )(1)(11sIR1RsUR UiUR1Uc1+-C.IR1IR2Ic1-+)()()(c1R2sIsIsIR1 D.1/C1sIc1Uc1)(1)(1c1sUsCsIc1 1/R2UR2IR2F.E. Uc1UR2Uo+)()()(2sUsUsURoc1 )(1)(R222sIRs

14、UR 1/C2sIR2UoG.)(1)(2R2sUsCsIo 1/R1UR1IR1UiUR1Uc1+-IR1IR2Ic1-+1/C1sIc1Uc11/R2UR2IR2Uc1UR2Uo+1/C2sIR2UoUi(s)1/R1 -+1/C1s1/R21/C2sUo(s)+ 將各基本環(huán)節(jié)按照信號(hào)流通的方向連結(jié)起來就可以將各基本環(huán)節(jié)按照信號(hào)流通的方向連結(jié)起來就可以得到系統(tǒng)的方得到系統(tǒng)的方塊圖塊圖: : 比較（比較（1 1）、（）、（2 2）兩式可知，考慮負(fù)載效應(yīng)）兩式可知，考慮負(fù)載效應(yīng)時(shí)，傳遞函數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù) 的分母中多了一項(xiàng)的分母中多了一項(xiàng) 。它。它表示了兩個(gè)簡(jiǎn)單表示了兩個(gè)簡(jiǎn)單 RC RC 電路的相

15、互影響。因此，在電路的相互影響。因此，在求串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)時(shí)應(yīng)考慮環(huán)節(jié)間的負(fù)求串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)時(shí)應(yīng)考慮環(huán)節(jié)間的負(fù)載效應(yīng)，否則容易得出錯(cuò)誤的結(jié)果。所以提出兩載效應(yīng)，否則容易得出錯(cuò)誤的結(jié)果。所以提出兩點(diǎn)注意：點(diǎn)注意： 1 1）多個(gè)環(huán)節(jié)相串聯(lián)在求其總傳遞函數(shù)時(shí)要）多個(gè)環(huán)節(jié)相串聯(lián)在求其總傳遞函數(shù)時(shí)要考慮負(fù)載效應(yīng)；考慮負(fù)載效應(yīng)； 2 2）后一級(jí)的輸入阻抗為無限大（或很大）后一級(jí)的輸入阻抗為無限大（或很大）時(shí)，可以不考慮它對(duì)前級(jí)的影響。時(shí)，可以不考慮它對(duì)前級(jí)的影響。 G(s)R1C2s若重新選擇一組中間變量，會(huì)有什么結(jié)果呢？若重新選擇一組中間變量，會(huì)有什么結(jié)果呢？( (剛才中間變量為剛才中間變

16、量為i1,u1,i2，現(xiàn)在改為，現(xiàn)在改為I, I1, I2) )rucu1C2C1R2R1I2II從右到從右到左列方程：左列方程： + + 1111221122211)()()()()()()()()(1)()(RsCsIsusIsCRsIsusIsIsIsIsCsIsurcc這個(gè)結(jié)構(gòu)與前一個(gè)不一樣，這個(gè)結(jié)構(gòu)與前一個(gè)不一樣，因?yàn)檫x擇不同的中間變因?yàn)檫x擇不同的中間變量，結(jié)構(gòu)圖也不一樣，但是整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)量，結(jié)構(gòu)圖也不一樣，但是整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是不會(huì)變的。系是不會(huì)變的。11R21sC2R1sC11sC+)(sur)(suc)(1sI)(2sI)(sI繪圖繪圖1)(1)()()(2122

17、1122121+sCRCRCRsCCRRsususGrc例例: : 速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng), ,輸入輸入ur，輸出轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)速n解：（解：（1 1）比較環(huán)節(jié)和速度調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)）比較環(huán)節(jié)和速度調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)r+IcIfI式中：式中：111RC 0rrUsIsR 1111111kkcUsUssIss RRC s+00000000000001( )( )111212122( )( )11114ffffUsC sIsC sRC sRRC sRUsRUsT sRR C s+式中：式中：00014TR C則比較環(huán)節(jié)和速度調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖為則比較環(huán)節(jié)和速度調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖為式中式中 110111kCrfsUsKUUssT s+10cRKR整理得整理得 （2 2）電動(dòng)機(jī)及功率放大裝置）電動(dòng)機(jī)及功率放