王划一_自动控制原理_2-2结构图.ppt

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1、自动控制系统是由若干元件组成的，从结构及作用原理上来看，有各种不同的元件。但从动态性能或数学模型来看，却可以分成为数不多的基本环节，这就是典型环节。一般认为典型环节有6种，分述如下：1.比例环节（杠杆，齿轮系，电位器，变压器等）运动方程式c(t)=Kr(t)传递函数G(s)=K单位阶跃响应C(s)=G(s)R(s)=K/sc(t)=K1(t)可见，当输入量r(t)=1(t)时，输出量c(t)成比例变化。2-5典型环节及其传递函数r(t)1c(t)t0K1+－22.惯性环节微分方程式：传递函数

2、：式中，T是惯性环节时间常数。惯性环节的传递函数有一个负实极点p=1/T，无零点。j01/T单位阶跃响应:30tc(t)0.6320.8650.950.9821.0T2T3T4T阶跃响应曲线是按指数上升的曲线。RCRL4kfx(t)y(t)+－JM5单位阶跃响应：r(t)t01c(t)t01T当输入阶跃函数时，该环节的输出随时间直线增长，增长速度由1/T决定。当输入突然除去，积分停止，输出维持不变，故有记忆功能。3.积分环节微分方程式：传递函数：6+－水箱的水位与水流量齿条的位移与

3、齿轮角速度加热器的温度与电功率积分调节器电容器电压与电流电动机的角位移与转速等等水箱h流入量QA7c(t)=T(t)由于阶跃信号在时刻t=0有一跃变，其他时刻均不变化，所以微分环节对阶跃输入的响应只在t=0时刻产生一个响应脉冲。传递函数为：G(s)=Ts单位阶跃响应：r(t)t01c(t)t0T4.微分环节微分方程式为：8理想的微分环节在物理系统中很少独立存在，常见的为带有惯性环节的微分特性，传递函数为：+－R1R0CPD调节器9传递函数为：或式中，T>0，0<<1，n=1/T，T称为振荡

4、环节的时间常数，为阻尼比，n为无阻尼振荡频率。振荡环节有一对位于s左半平面的共轭极点：5.振荡环节微分方程式为：10单位阶跃响应：式中，β=cos－1。响应曲线是按指数衰减振荡的，故称振荡环节。c(t)t01ns1s2jdnj011MRauaLaiaif=常数EaRCur(t)uc(t)LkmfF(t)y(t)126.延迟环节微分方程式为：c(t)=r(t)传递函数为：G(s)=es单位阶跃响应：c(t)=1(t)r(t)t01c(t)t0113v齿条电动机放

5、大器厚度测量仪d被控轧辊从动轧辊d=v142-6系统的结构图2.6.1结构图的定义及基本组成1.结构图的定义定义:由具有一定函数关系的环节组成的，并标明信号流向的系统的方框图，称为系统的结构图。例如讨论过的直流电动机转速控制系统，用方框图来描述其结构和作用原理，见图。15电动机转速给定位置功率放大器电位器+-负载扰动测速发动机ufureuaF测速发动机M功率放大器电动机负载电位器16Ka1/keTaTms2+Tms+1KfUr(s)Uf(s)Ua(s)(s)E(s)+把各元件的传递函数代入

6、方框中去，并标明两端对应的变量，就得到了系统的动态结构图。17控制阀水箱h浮子控制器伺服电动机放大器SM+-水变速箱用水量18M+-+－TG19SM可逆功率放大器－+－++－手轮雷达天线减速器位置检测io202.结构图的基本组成1）画图的4种基本元素如下：信号传递线是带有箭头的直线，箭头表示信号的传递方向，传递线上标明被传递的信号。r(t),R(s)分支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。r(t),R(s)r(t),R(s)21方框表示对信号进行的数学

7、运算。方框中写入元部件的传递函数。R(s)R(s)U(s)U(s)G(s)C(s)R(s)C(s)=G(s)R(s)+相加点对两个以上的信号进行代数运算，“+”号表示相加，可省略不写，“”号表示相减。222）结构图的基本作用：(a)简单明了地表达了系统的组成和相互联系，可以方便地评价每一个元件对系统性能的影响。(b)信号的传递严格遵照单向性原则，对于输出对输入的反作用，通过反馈支路单独表示。(c)对结构图进行一定的代数运算和等效变换，可方便地求出整个系统的传递函数。2.6.2结构图的绘制步

8、骤(1)列写每个元件的原始方程，要考虑相互间负载效应。(2)设初始条件为零，对这些方程进行拉氏变换，并将每个变换后的方程，分别以一个方框的形式将因果23关系表示出来，而且这些方框中的传递函数都应具有典型环节的形式。(3)将这些方框单元按信号流向连接起来，就组成完整的结构图。例2-15画出下图所示RC网络的结构图。RCu1u2解：(1)列写各元件的原始方程式i24(2)取拉氏变换，在零初始条件下，表示成方框形式(3)将这些方框依次连接起来得图。U2(s)1CsI(s)…1RI(s)U1(s)﹣+U