机械控制数学模型教学课件PPT 172页

'第二章数学模型一、控制系统的运动微分方程二、非线性数学模型的线性化三、拉氏变换和拉氏反变换四、传递函数五、系统方框图六、小结○、数学模型的基本概念第二章数学模型7/21/20211 ○、数学模型的基本概念2.0.1数学模型数学模型是描述系统输入、输出量以及内部各变量之间关系的数学表达式，它揭示了系统结构及其参数与其性能之间的内在关系。静态数学模型：静态条件（变量各阶导数为零）下描述变量之间关系的代数方程。动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程。7/21/20212 2.0.2建立数学模型的方法解析法实验法依据系统及元件各变量之间所遵循的物理或化学规律列写出相应的数学关系式，建立模型。人为地对系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型进行逼近。这种方法也称为系统辨识。数学模型应能反映系统内在的本质特征，同时应对模型的简洁性和精确性进行折衷考虑。7/21/20213 2.0.3数学模型的形式时间域：微分方程（一阶微分方程组）、差分方程、状态方程复数域：传递函数、结构图频率域：频率特性7/21/20214 一、控制系统的运动微分方程2.1.1建立数学模型的一般步骤分析系统工作原理和信号传递变换的过程，确定系统和各元件的输入、输出量；从输入端开始，按照信号传递变换过程，依据各变量遵循的物理学定律，依次列写出各元件、部件的动态微分方程；消去中间变量，得到描述元件或系统输入、输出变量之间关系的微分方程；标准化：右端输入，左端输出，导数降幂排7/21/20215 2.1.2控制系统微分方程的列写机械系统机械系统中以各种形式出现的物理现象，都可简化为质量、弹簧和阻尼三个要素：质量mfm(t)参考点x(t)v(t)7/21/20216 弹簧KfK(t)fK(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)7/21/20217 阻尼CfC(t)fC(t)x1(t)v1(t)x2(t)v2(t)7/21/20218 机械平移系统mmfi(t)KCxo(t)fi(t)xo(t)00fm(t)fK(t)机械平移系统及其力学模型fC(t)静止（平衡）工作点作为零点，以消除重力的影响7/21/20219 式中，m、C、K通常均为常数，故机械平移系统可以由二阶常系数微分方程描述。显然，微分方程的系数取决于系统的结构参数，而阶次等于系统中独立储能元件（惯性质量、弹簧）的数量。7/21/202110 弹簧－阻尼系统xo(t)0fi(t)KC弹簧-阻尼系统系统运动方程为一阶常系数微分方程。7/21/202111 机械旋转系统Ki(t)o(t)00TK(t)TC(t)C粘性液体齿轮JJ—旋转体转动惯量；K—扭转刚度系数；C—粘性阻尼系数柔性轴7/21/202112 7/21/202113 电气系统电阻电气系统三个基本元件：电阻、电容和电感。Ri(t)u(t)7/21/202114 电容Ci(t)u(t)电感Li(t)u(t)7/21/202115 R-L-C无源电路网络LRCui(t)uo(t)i(t)R-L-C无源电路网络7/21/202116 一般R、L、C均为常数，上式为二阶常系数微分方程。若L=0，则系统简化为：7/21/202117 有源电网络+CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)a即：7/21/202118 小结物理本质不同的系统，可以有相同的数学模型，从而可以抛开系统的物理属性，用同一方法进行具有普遍意义的分析研究（信息方法）。从动态性能看，在相同形式的输入作用下，数学模型相同而物理本质不同的系统其输出响应相似。相似系统是控制理论中进行实验模拟的基础；7/21/202119 通常情况下，元件或系统微分方程的阶次等于元件或系统中所包含的独立储能元（惯性质量、弹性要素、电感、电容、液感、液容等）的个数；因为系统每增加一个独立储能元，其内部就多一层能量（信息）的交换。系统的动态特性是系统的固有特性，仅取决于系统的结构及其参数。7/21/202120 线性系统与非线性系统可以用线性微分方程描述的系统。如果方程的系数为常数，则为线性定常系统；如果方程的系数是时间t的函数，则为线性时变系统；线性系统线性是指系统满足叠加原理，即：可加性：齐次性：或：7/21/202121 用非线性微分方程描述的系统。非线性系统不满足叠加原理。非线性系统为分析方便，通常在合理的条件下，将非线性系统简化为线性系统处理。实际的系统通常都是非线性的，线性只在一定的工作范围内成立。7/21/202122 液体系统节流阀节流阀qi(t)qo(t)H(t)液位系统设液体不可压缩，通过节流阀的液流是湍流。A：箱体截面积；7/21/202123 上式为非线性微分方程，即此液位控制系统为非线性系统。：由节流阀通流面积和通流口的结构形式决定的系数，通流面积不变时，为常数。7/21/202124 线性系统微分方程的一般形式式中，a1，a2，…，an和b0，b1，…，bm为由系统结构参数决定的实常数，m≤n。7/21/202125 二、非线性数学模型的线性化2.2.1线性化问题的提出线性化：在一定条件下作某种近似或缩小系统工作范围，将非线性微分方程近似为线性微分方程进行处理。非线性现象：机械系统中的高速阻尼器，阻尼力与速度的平方成反比；齿轮啮合系统由于间隙的存在导致的非线性传输特性；具有铁芯的电感，电流与电压的非线性关系等。7/21/202126 线性化的提出线性系统是有条件存在的，只在一定的工作范围内具有线性特性；非线性系统的分析和综合是非常复杂的；对于实际系统而言，在一定条件下，采用线性化模型近似代替非线性模型进行处理，能够满足实际需要。7/21/202127 2.2.2非线性数学模型的线性化泰勒级数展开法函数y=f(x)在其平衡点（x0,y0）附近的泰勒级数展开式为：7/21/202128 略去含有高于一次的增量x=x-x0的项，则：或：y-y0=y=Kx，其中：上式即为非线性系统的线性化模型，称为增量方程。y0=f(x0)称为系统的静态方程；7/21/202129 增量方程的数学含义就是将参考坐标的原点移到系统或元件的平衡工作点上，对于实际系统就是以正常工作状态为研究系统运动的起始点，这时，系统所有的初始条件均为零。对多变量系统，如：y=f(x1,x2)，同样可采用泰勒级数展开获得线性化的增量方程。7/21/202130 增量方程：静态方程：其中：7/21/202131 滑动线性化——切线法0xy=f(x)y0x0xy’y非线性关系线性化A线性化增量增量方程为：yy"=xtg切线法是泰勒级数法的特例。7/21/202132 2.2.3系统线性化微分方程的建立步骤确定系统各组成元件在平衡态的工作点；列出各组成元件在工作点附近的增量方程；消除中间变量，得到以增量表示的线性化微分方程；7/21/202133 实例：液位系统的线性化解：稳态时：非线性项的泰勒展开为：节流阀节流阀qi(t)qo(t)H(t)液位系统7/21/202134 则：由于：注意到：7/21/202135 实际使用中，常略去增量符号而写成：所以：此时，上式中H(t)和qi(t)均为平衡工作点的增量。7/21/202136 2.2.4线性化处理的注意事项线性化方程的系数与平衡工作点的选择有关；线性化是有条件的，必须注意线性化方程适用的工作范围；某些典型的本质非线性，如继电器特性、间隙、死区、摩擦等，由于存在不连续点，不能通过泰勒展开进行线性化，只有当它们对系统影响很小时才能忽略不计，否则只能作为非线性问题处理。7/21/202137 inout0近似特性曲线真实特性饱和非线性inout0死区非线性inout0继电器非线性inout0间隙非线性7/21/202138 三、拉氏变换和拉氏反变换2.3.1拉氏变换设函数f(t)(t0)在任一有限区间上分段连续，且存在一正实常数，使得：则函数f(t)的拉普拉氏变换存在，并定义为：式中：s=+j（，均为实数）；7/21/202139 称为拉普拉氏积分；F(s)称为函数f(t)的拉普拉氏变换或象函数，它是一个复变函数；f(t)称为F(s)的原函数；L为拉氏变换的符号。2.3.2拉氏反变换L－1为拉氏反变换的符号。7/21/202140 2.3.3几种典型函数的拉氏变换单位阶跃函数1(t)10tf(t)单位阶跃函数7/21/202141 指数函数（a为常数）指数函数0tf(t)17/21/202142 正弦函数与余弦函数正弦及余弦函数10tf(t)f(t)=sintf(t)=cost-1由欧拉公式，有：7/21/202143 从而：同理：7/21/202144 单位脉冲函数(t)0tf(t)单位脉冲函数1由洛必达法则：所以：7/21/202145 单位速度函数（斜坡函数）10tf(t)单位速度函数17/21/202146 单位加速度函数单位加速度函数0tf(t)函数的拉氏变换及反变换通常可以由拉氏变换表直接或通过一定的转换得到。7/21/202147 2.3.4拉氏变换的主要定理叠加定理齐次性：L[af(t)]=aL[f(t)]，a为常数；叠加性：L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)]a，b为常数；显然，拉氏变换为线性变换。7/21/202148 实微分定理证明：由于即：7/21/202149 所以：同样有：式中，f"(0)，f""(0)，……为函数f(t)的各阶导数在t=0时的值。7/21/202150 当f(t)及其各阶导数在t=0时刻的值均为零时（零初始条件）：7/21/202151 当f(t)在t=0处具有间断点时，df(t)/dt在t=0处将包含一个脉冲函数。故若f(0+)f(0－)，则：7/21/202152 复微分定理若L[f(t)]=F(s)，则除了F(s)的极点之外，有：7/21/202153 积分定理当初始条件为零时：若f(0+)f(0－)，则：7/21/202154 延迟定理设当t<0时，f(t)=0，则对任意0，有：函数f(t-)0tf(t)f(t)f(t-)7/21/202155 位移定理例：7/21/202156 初值定理证明：初值定理建立了函数f(t)在t=0+处的初值与函数sF(s)在s趋于无穷远处的终值间的关系。7/21/202157 终值定理若sF(s)的所有极点位于左半s平面，即：存在。则：证明：7/21/202158 终值定理说明f(t)稳定值与sF(s)在s=0时的初值相同。又由于：即：7/21/202159 时间比例尺的改变例：7/21/202160 2.3.5求解拉氏反变换的部分分式法部分分式法如果f(t)的拉氏变换F(s)已分解成为下列分量：F(s)=F1(s)+F2(s)+…+Fn(s)假定F1(s),F2(s),…，Fn(s)的拉氏反变换可以容易地求出，则：L-1[F(s)]=L-1[F1(s)]+L-1[F2(s)]+…+L-1[Fn(s)]=f1(t)+f2(t)+…+fn(t)7/21/202161 在控制理论中，通常：为了应用上述方法，将F(s)写成下面的形式：式中，p1，p2，…，pn为方程A(s)=0的根的负值，称为F(s)的极点；ci=bi/a0(i=0,1,…,m)。此时，即可将F(s)展开成部分分式。7/21/202162 F(s)只含有不同的实数极点式中，Ai为常数，称为s=-pi极点处的留数。于是：7/21/202163 例：求的原函数。解：7/21/202164 即：7/21/202165 F(s)含有共轭复数极点假设F(s)含有一对共轭复数极点-p1、-p2，其余极点均为各不相同的实数极点，则：式中，A1和A2的值由下式求解：上式为复数方程，令方程两端实部、虚部分别相等即可确定A1和A2的值。7/21/202166 注意，此时F(s)仍可分解为下列形式：由于p1、p2为共轭复数，因此，A1和A2的也为共轭复数。7/21/202167 例：求的原函数。解：令：，则：7/21/202168 根据：有：即：由上式两边实部和虚部分别相等，得：7/21/202169 而：所以：7/21/202170 查拉氏变换表得：令，即：于是：7/21/202171 例：求的原函数。解：7/21/202172 即：所以：7/21/202173 7/21/202174 查拉氏变换表得：7/21/202175 F(s)含有重极点设F(s)存在r重极点-p0，其余极点均不同，则：式中，Ar+1，…，An利用前面的方法求解。7/21/202176 ……7/21/202177 注意到：所以：7/21/202178 例：求的原函数。解：7/21/202179 于是：7/21/202180 2.3.6应用拉氏变换解线性微分方程求解步骤将微分方程通过拉氏变换变为s的代数方程；解代数方程，得到有关变量的拉氏变换表达式；应用拉氏反变换，得到微分方程的时域解。7/21/202181 原函数（微分方程的解）象函数微分方程象函数的代数方程拉氏反变换拉氏变换解代数方程拉氏变换法求解线性微分方程的过程7/21/202182 实例设系统微分方程为：若xi(t)=1(t)，初始条件分别为x"o(0)、xo(0)，试求xo(t)。解：对微分方程左边进行拉氏变换：7/21/202183 即：7/21/202184 对方程右边进行拉氏变换：从而：7/21/202185 7/21/202186 所以：查拉氏变换表得：当初始条件为零时：零状态响应零输入响应7/21/202187 应用拉氏变换法求解微分方程时，由于初始条件已自动地包含在微分方程的拉氏变换式中，因此，不需要根据初始条件求积分常数的值就可得到微分方程的全解。如果所有的初始条件为零，微分方程的拉氏变换可以简单地用sn代替dn/dtn得到。由上述实例可见：系统响应可分为两部分：零状态响应和零输入响应7/21/202188 作业：2-3（3,7,8,13,17）2-4(2,3)7/21/202189 四、传递函数2.4.1传递函数的概念和定义传递函数在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换与引起该输出的输入量的拉氏变换之比。零初始条件：t<0时，输入量及其各阶导数均为0；输入量施加于系统之前，系统处于稳定的工作状态，即t<0时，输出量及其各阶导数也均为0；7/21/202190 传递函数求解示例质量-弹簧-阻尼系统的传递函数所有初始条件均为零时，其拉氏变换为：按照定义，系统的传递函数为：7/21/202191 R-L-C无源电路网络的传递函数所有初始条件均为零时，其拉氏变换为：7/21/202192 几点结论传递函数是复数s域中的系统数学模型，其参数仅取决于系统本身的结构及参数，与系统的输入形式无关。若输入给定，则系统输出特性完全由传递函数G(s)决定，即传递函数表征了系统内在的固有动态特性。传递函数通过系统输入量与输出量之间的关系来描述系统的固有特性。即以系统外部的输入－输出特性来描述系统的内部特性。7/21/202193 传递函数的一般形式考虑线性定常系统当初始条件全为零时，对上式进行拉氏变换可得系统传递函数的一般形式：7/21/202194 令：则：N(s)=0称为系统的特征方程，其根称为系统的特征根。特征方程决定着系统的动态特性。N(s)中s的最高阶次等于系统的阶次。2.4.2特征方程、零点和极点特征方程7/21/202195 式中，K称为系统的放大系数或增益。当s=0时：G(0)=bm/an=K从微分方程的角度看，此时相当于所有的导数项都为零。因此K反应了系统处于静态时，输出与输入的比值。7/21/202196 零点和极点将G(s)写成下面的形式：N(s)=a0(s-p1)(s-p2)…(s-pn)=0的根s=pj(j=1,2,…,n)，称为传递函数的极点；式中，M(s)=b0(s-z1)(s-z2)…(s-zm)=0的根s=zi(i=1,2,…,m)，称为传递函数的零点；系统传递函数的极点就是系统的特征根。零点和极点的数值完全取决于系统的结构参数。7/21/202197 零、极点分布图将传递函数的零、极点表示在复平面上的图形称为传递函数的零、极点分布图。图中，零点用“O”表示，极点用“×”表示。G(s)=S+2(s+3)(s2+2s+2)的零极点分布图012312-1-2-3-1-2j7/21/202198 2.4.3传递函数的几点说明传递函数是一种以系统参数表示的线性定常系统输入量与输出量之间的关系式；传递函数的概念通常只适用于线性定常系统；传递函数是s的复变函数。传递函数中的各项系数和相应微分方程中的各项系数对应相等，完全取决于系统结构参数；7/21/202199 传递函数是在零初始条件下定义的，即在零时刻之前，系统对所给定的平衡工作点处于相对静止状态。因此，传递函数原则上不能反映系统在非零初始条件下的全部运动规律；传递函数只能表示系统输入与输出的关系，无法描述系统内部中间变量的变化情况。一个传递函数只能表示一个输入对一个输出的关系，只适合于单输入单输出系统的描述。7/21/2021100 2.4.4脉冲响应函数初始条件为0时，系统在单位脉冲输入作用下的输出响应的拉氏变换为：即：g(t)称为系统的脉冲响应函数（权函数）。系统的脉冲响应函数与传递函数包含关于系统动态特性的相同信息。7/21/2021101 注意到复数域相乘等同于时域内卷积，因此，由：知线性系统在任意输入作用下，其时域输出：式中，当t<0时，g(t)=x(t)=0。7/21/2021102 作业：2－4(2,3)2－62－10（b,d）7/21/2021103 2.4.5典型环节及其传递函数环节具有某种确定信息传递关系的元件、元件组或元件的一部分称为一个环节。经常遇到的环节称为典型环节。任何复杂的系统总可归结为由一些典型环节所组成。7/21/2021104 环节的分类假设系统有b个实零点，c对复零点，d个实极点，e对复极点和v个零极点，由线性系统传递函数的零、极点表达式：可见：b+2c=mv+d+2e=n7/21/2021105 对于实零点zi=i和实极点pj=j，其因式可以变换成如下形式：7/21/2021106 对于复零点对zℓ=ℓ+jℓ和zℓ+1=ℓjℓ，其因式可以变换成如下形式：式中，7/21/2021107 对于复极点对pk=k+jk和pk+1=kjk，其因式可以变换成如下形式：式中，7/21/2021108 于是，系统的传递函数可以写成：式中，为系统放大倍数。7/21/2021109 由上式可见，传递函数表达式包含六种不同的因子，即：一般，任何线性系统都可以看作是由上述六种因子表示的典型环节的串联组合。上述六种典型环节分别称为：7/21/2021110 比例环节：K一阶微分环节：s+1二阶微分环节：积分环节：惯性环节：振荡环节：7/21/2021111 实际系统中还存在纯时间延迟现象，输出完全复现输入，但延迟了时间，即xo(t)=xi(t-)，此时：或：因此，除了上述六种典型环节外，还有一类典型环节——延迟环节。7/21/2021112 典型环节示例比例环节输出量不失真、无惯性地跟随输入量，两者成比例关系。其运动方程为：xo(t)=Kxi(t)xo(t)、xi(t)—分别为环节的输出和输入量；K—比例系数，等于输出量与输入量之比。7/21/2021113 比例环节的传递函数为：z1z2ni(t)no(t)齿轮传动副R2R1ui(t)uo(t)运算放大器7/21/2021114 惯性环节凡运动方程为一阶微分方程：形式的环节称为惯性环节。其传递函数为：T—时间常数，表征环节的惯性，和环节结构参数有关式中，K—环节增益（放大系数）；7/21/2021115 如：弹簧-阻尼器环节xi(t)xo(t)弹簧-阻尼器组成的环节KC7/21/2021116 微分环节输出量正比于输入量的微分。运动方程为：传递函数为：式中，—微分环节的时间常数在物理系统中微分环节不独立存在，而是和其它环节一起出现。7/21/2021117 如：测速发电机uo(t)i(t)测速发电机式中，Kt为电机常数。无负载时：7/21/2021118 RCui(t)uo(t)i(t)无源微分网络无源微分网络显然，无源微分网络包括有惯性环节和微分环节，称之为惯性微分环节，只有当|Ts|<<1时，才近似为微分环节。7/21/2021119 除了上述纯微分环节外，还有一类一阶微分环节，其传递函数为：微分环节的输出是输入的导数，即输出反映了输入信号的变化趋势，从而给系统以有关输入变化趋势的预告。因此，微分环节常用来改善控制系统的动态性能。7/21/2021120 积分环节输出量正比于输入量对时间的积分。运动方程为：传递函数为：式中，T—积分环节的时间常数。7/21/2021121 积分环节特点：输出量取决于输入量对时间的积累过程。且具有记忆功能；具有明显的滞后作用。积分环节常用来改善系统的稳态性能。如当输入量为常值A时，由于：输出量须经过时间T才能达到输入量在t=0时的值A。7/21/2021122 如：有源积分网络+CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)a7/21/2021123 液压缸Aqi(t)xo(t)7/21/2021124 振荡环节含有两个独立的储能元件，且所存储的能量能够相互转换，从而导致输出带有振荡的性质，运动方程为：传递函数：7/21/2021125 式中，T—振荡环节的时间常数—阻尼比，对于振荡环节，0<<1K—比例系数振荡环节传递函数的另一常用标准形式为（K=1）：n称为无阻尼固有频率。7/21/2021126 如：质量-弹簧-阻尼系统传递函数：式中，当时，为振荡环节。7/21/2021127 二阶微分环节式中，—时间常数—阻尼比，对于二阶微分环节，0<<1K—比例系数运动方程：传递函数：7/21/2021128 延迟环节惯性环节从输入开始时刻起就已有输出，仅由于惯性，输出要滞后一段时间才接近所要求的输出值；运动方程：传递函数：式中，为纯延迟时间。延迟环节从输入开始之初，在0~时间内,没有输出，但t=之后，输出完全等于输入。延迟环节与惯性环节的区别：7/21/2021129 ALvhi(t)ho(t)轧制钢板厚度测量7/21/2021130 小结环节是根据微分方程划分的，不是具体的物理装置或元件；一个环节往往由几个元件之间的运动特性共同组成；同一元件在不同系统中作用不同，输入输出的物理量不同，可起到不同环节的作用。7/21/2021131 五、系统方框图和信号流图2.5.1系统方框图系统方框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。注意：即使描述系统的数学关系式相同，其方框图也不一定相同。7/21/2021132 方框图的结构要素信号线带有箭头的直线，箭头表示信号的传递方向，直线旁标记信号的时间函数或象函数。X(s),x(t)信号线7/21/2021133 信号引出点（线）表示信号引出或测量的位置和传递方向。同一信号线上引出的信号，其性质、大小完全一样。引出线X(s)X(s)X(s)X(s)X(s)X(s)7/21/2021134 函数方框(环节)G(s)X1(s)X2(s)函数方框函数方框具有运算功能，即：X2(s)=G(s)X1(s)传递函数的图解表示。7/21/2021135 求和点（比较点、综合点）信号之间代数加减运算的图解。用符号“”及相应的信号箭头表示，每个箭头前方的“+”或“-”表示加上此信号或减去此信号。相邻求和点可以互换、合并、分解，即满足代数运算的交换律、结合律和分配律。X1(s)X2(s)X1(s)X2(s)7/21/2021136 ABA-BCA-B+CA+C-BBCAA+CABA-B+CCA-B+C求和点可以有多个输入，但输出是唯一的。7/21/2021137 求和点函数方框函数方框引出线Ui(s)U(s)I(s)Uo(s)方框图示例任何系统都可以由信号线、函数方框、信号引出点及求和点组成的方框图来表示。7/21/2021138 系统方框图的建立步骤建立系统各元部件的微分方程,明确信号的因果关系（输入/输出）。对上述微分方程进行拉氏变换，绘制各部件的方框图。按照信号在系统中的传递、变换过程，依次将各部件的方框图连接起来，得到系统的方框图。7/21/2021139 示例RCui(t)uo(t)i(t)无源RC电路网络无源RC网络拉氏变换得：7/21/2021140 从而可得系统各方框单元及其方框图。Ui(s)Ui-UoI(s)Uo(s)(a)Uo(s)I(s)(b)7/21/2021141 Ui(s)U(s)I(s)Uo(s)无源RC电路网络系统方框图7/21/2021142 机械系统m1fi(t)K1Cx(t)0m2K2xo(t)0m1fi(t)m2fK1fK2fm1fm2fC7/21/2021143 m1fi(t)m2fK1fK2fm1fm2fCx(t)0xo(t)07/21/2021144 7/21/2021145 Fi(s)X(s)FC(s)FK1(s)(a)K1X(s)Xo(s)FK1(s)CsFC(s)(b)7/21/2021146 Xo(s)FC(s)FK2(s)FK1(s)(c)K2Xo(s)FK2(s)(d)7/21/2021147 Fi(s)X(s)FC(s)FK1(s)Xo(s)FK2(s)K1Xo(s)FK1(s)CsFC(s)K2机械系统方框图7/21/2021148 系统方框图的简化方框图的运算法则串联连接G1(s)G2(s)Gn(s)Xi(s)X1(s)X2(s)Xn-1(s)Xo(s)...G(s)=G1(s)G2(s)···Gn(s)Xi(s)Xo(s)7/21/2021149 并联连接Xo(s)G1(s)+Xi(s)G2(s)++Gn(s)...Xi(s)Xo(s)G1(s)+G2(s)++Gn(s)7/21/2021150 反馈连接G(s)H(s)Xi(s)Xo(s)B(s)E(s)Xi(s)Xo(s)7/21/2021151 方框图的等效变换法则求和点的移动G(s)ABC±求和点后移G(s)ABC±求和点前移G(s)ABCG(s)±G(s)ABC±7/21/2021152 引出点的移动引出点前移G(s)ACC引出点后移G(s)ACAG(s)ACG(s)CG(s)ACA7/21/2021153 由方框图求系统传递函数基本思路：利用等效变换法则，移动求和点和引出点，消去交叉回路，变换成可以运算的简单回路。7/21/2021154 例：求下图所示系统的传递函数。H1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2(s)BH2(s)A7/21/2021155 H1(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)G2(s)Xo(s)H2(s)G3(s)解：1、A点前移；7/21/2021156 2、消去H2(s)G3(s)反馈回路H1(s)Xo(s)G1(s)G3(s)H3(s)+Xi(s)7/21/2021157 Xi(s)Xo(s)H3(s)Xi(s)Xo(s)3、消去H1(s)反馈回路4、消去H3(s)反馈回路7/21/2021158 2-8按信息传递和转换过程，绘出图示两机械系统的方框图。K1B2xom输出K2abfi(t)输入KB1xiB2xom输入输出作业：2－8、2－10、2－117/21/2021159 2-10绘出图示无源电网络的方框图，并求各自的传递函数。R1C1C2R2uiuob)C1R1R2uo(t)ui(t)C2d)7/21/2021160 2-11基于方框图简化法则，求图示系统的闭环传递函数。Xi(s)G1G2G3H2H1G4Xo(s)a)7/21/2021161 2.5.2控制系统的传递函数考虑扰动的闭环控制系统G1(s)H(s)Xi(s)Xo(s)B(s)(s)G2(s)N(s)++Xi(s)到Xo(s)的信号传递通路称为前向通道；Xo(s)到B(s)的信号传递通路称为反馈通道；7/21/2021162 闭环系统的开环传递函数闭环系统的开环传递函数也可定义为反馈信号B(s)和偏差信号(s)之间的传递函数，即：将闭环控制系统主反馈通道的输出断开，即H(s)的输出通道断开，此时，前向通道传递函数与反馈通道传递函数的乘积G1(s)G2(s)H(s)称为该闭环控制系统的开环传递函数。记为GK(s)。7/21/2021163 xi(t)作用下系统的闭环传递函数令n(t)=0，此时在输入xi(t)作用下系统的闭环传递函数为：G1(s)H(s)Xi(s)Xo1(s)B(s)(s)G2(s)xi(t)作用下的闭环系统7/21/2021164 输入作用下系统的偏差传递函数1H(s)Xi(s)G1(s)G2(s)(s)偏差信号与输入信号之间的关系令n(t)=0，此时系统输入Xi(s)与偏差(s)之间的传递函数称为输入作用下的偏差传递函数。用表示。7/21/2021165 n(t)作用下系统的闭环传递函数令xi(t)=0，此时在扰动n(t)作用下系统的闭环传递函数（干扰传递函数）为：G1(s)H(s)N(s)Xo2(s)G2(s)n(t)作用下的闭环系统7/21/2021166 扰动作用下系统的偏差传递函数令xi(t)=0，此时系统在扰动作用下的偏差传递函数（称扰动偏差传递函数）。-1N(s)G1(s)(s)偏差信号与干扰信号之间的关系G2(s)H(s)+7/21/2021167 结论系统的闭环传递函数、、及具有相同的特征多项式：1+G1(s)G2(s)H(s)其中G1(s)G2(s)H(s)为系统的开环传递函数。即闭环传递函数的极点相同。系统的固有特性与输入、输出的形式、位置均无关；同一个外作用加在系统不同的位置上，系统的响应不同，但不会改变系统的固有特性；7/21/2021168 系统的总输出根据线性系统的叠加原理，系统在输入xi(t)及扰动n(t)共同作用下的总输出为：7/21/2021169 若且，则：上式表明，采用反馈控制的系统，适当选择元部件的结构参数，可以增强系统抑制干扰的能力。7/21/2021170 2-14系统方框图如下，图中Xi(s)为输入，N(s)为扰动。求传递函数Xo(s)/Xi(s)和Xo(s)/N(s)。若要消除扰动对输入的影响(即Xo(s)/N(s)=0)，试确定G0(s)值。_K4N(s)K1G0(s)Xi(s)Xo(s)+_7/21/2021171 六、小结数学模型基本概念数学模型形式微分方程传递函数控制系统的图形化描述方框图信号流图闭环控制系统的传递函数脉冲响应函数7/21/2021172'