系统连接框图的模型
2022年高中通用技术基础知识综合复习第三章系统及其设计课件苏教版必修技术与设计2
下列关于该系统的分析中,不恰当的是( ) A.该系统可分为液位检测子系统和浇注流量控制子系统 B.各子系统单独工作,都不能实现液位控制的功能,体现了系统的整 体性 C.设计该系统时,要从整体出发,以系统整体功能的最优为目的 D.选择液位仪时,既要考虑电涡流传感器,又要考虑液位显示器等, 体现了系统分析的综合性原则
答案 D 解析 系统的知识点主要在五个基本特性及三个分析原则,它们之 间的概念区分要清晰。本题中液位仪的选择要考虑与其相关联的 部件,说明系统的要素之间是相互关联的,体现相关性,但系统分析 没有相关性原则,综合性原则是考虑多个功能,统筹兼顾而不是考 虑多个组成部分,选项D错误。
1.(2019·10月浙江学考)如图是一款自发电手电筒,按压手柄,齿轮组 带动发电机发电,使小灯珠发光。下列关于该系统设计的分析不正 确的是( )
考点二系统的基本特性 (1)整体性 侧重于“部分影响整体”和“整体发挥着特有的功能”。整体性是系 统的最基本的特性,也是观察和分析系统最基本的思想和方法。 【名师点拨】 如何理解系统整体性? (1)系统是一个整体,它不是各个要素(部分)的简单相加,系统的整体 功能是各要素(部分)在孤立状态下所没有的。 (2)系统的任何一个要素(部分)发生变化或出现故障时,都会影响其 他要素(部分)或整体功能的发挥。 (3)系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。 (4)不能离开整体去分析系统中的任何一个组成部分。
(4)系统分析的主要原则 ①整体性原则 系统分析首先要着眼于系统整体,要先分析整体,再分析部分;先看 全局,后看局部;先看全过程,再看某一阶段;先看长远,再看当前。 例:田忌赛马、丁谓修复皇宫、街道各部门施工。 ②科学性原则 系统分析一方面要有严格的工作步骤,另一方面应尽可能地运用科 学方法和数学工具进行定量分析,使决策的过程和结果更具有说服 力。 例:种稻“三三进九不如二五一十”。
05第二章系统可靠性模型03
1
内容提要
§ 2—3 串联系统的可靠性模型 一、定义和特点 二、可靠性框图 三、数学模型 四、提高串联系统可靠性的措施
§2—4 并联系统的可靠性模型 一. 定义和特点 二、可靠性框图 三、数学模型 四、提高并联系统可靠性的措施
§2-5 混联系统的可靠性模型 一、 串并联系统(附加单元系统) 二、并串联系统(附加通路系统) 三、较复杂的混联系统
一、 串并联系统(附加单元系统),图2—20。 27
20
上图串联了n个组成单元,而每个组 成单元由m个基本单元并联。
28
设每个组成单元的可靠度为Ri(t),则 RS1(t):
n
Rs1(t) 1 (1 Ri (t))m (2-18) i1
(括号里为每个并联系统的可靠性)
二、并串联系统(附加通路系统),图2-21
17
求: (1) 滤网堵塞时的可靠度、失效率、
21
平均寿命;
(2) 滤网破损时的可靠度、失效率、 平均寿命。
解 :(1 ) 滤网堵塞时系统的可靠性框图2-18, 为串联系统。
18
由于 λ = 常数,所以其为指数分布。
22
故有:
2
s i 5105 1105 i1
6 10 5 h-1
RS (1000) est e61051000 e0.06 0.94176
1 2 1 2
1 5 105
1 1105
1 (5 1) 105
10333.3h
25
S
(t)
e1t 1
e2t 2
e1t e2t
(1 2 )e(12 )t
e(12 )t
5105
e51051000 1105 e11051000 (5 1) 105 e e e 51051000 11051000 61051000
自动控制原理与系统第三章 自动控制系统的数学模型
④将该方程整理成标准形式。即把与输入量有关的 各项放在方程的右边,把与输出量有关的各项放在 方程的左边,各导数项按降幂排列,并将方程中的 系数化为具有一定物理意义的表示形式,如时间常
二、微分方程建立举例
[例3-1]直流电动机的微分方程。
1.直流电动机(Direct-Current Motor)各物理量间的 关系。
②在各环节功能框的基础上,首先确定系统的 给定量(输入量)和输出量,然后从给定量开始,由
左至右,根据相互作用的顺序,依次画出各个环节, 直至得出所需要的输出量,并使它们符合各作用量 间的关系。
③然后由内到外,画出各反馈环节,最后在图上标 明输入量、输出量、扰动量和各中间参变量。
④这样就可以得到整个控制系统的框图。
①列出直流电动机各个环节的微分方程[参见 式3-1~式3-4],然后由微分方程→拉氏变换式→ 传递函数→功能框。今将直流电动机的各功能框列 于表3-1中。
②如今以电动机电枢电压作为输入量,以电动 机的角位移θ 为输出量。于是可由开始,按照电动 机的工作原理,由依次组合各环节的功能框,然后 再加上电势反馈功能框,如图3-15所示。
(或环节)的固有特性。它是系统的复数域模型,也 是自动控制系统最常用的数学模型。
3.对同一个系统,若选取不同的输出量或不同 的输入量,则其对应的微分方程表达式和传递函数 也不相同。
4.典型环节的传递函数有
对一般的自动控制系统,应尽可能将它分解为 若干个典型的环节,以利于理解系统的构成和系统 的分析。
它还清楚地表明了各环节间的相互联系,因此它是 理解和分析系统的重要方法。
①全面了解系统的工作原理、结构组成和支配系统 工作的物理规律,并确定系统的输入量(给定量)和 输出量(被控量) ②将系统分解成若干个单元(或环节或部件),然后 从被控量出发,由控制对象→执行环节→功率。
第三章(第四节) 系统框图及简化 (2)
E(s)= Xi (s)? H (s)轾臌G(s)E(s)
X0 (s)= G(s)E(s) 整理得
E(s)
1
Xi (s) = 1mG(s)H (s)
称为偏差传递函数(偏差信号与输入信号之比)
前向通道传递函数
X i (s)
E(s) G(s)
X o (s)
G(s)= X0 (s) E (s)
B(s) H(s)
2) 在零初始条件下,对各元件的微分方程进 行拉氏变换。
3) 根据拉氏变换式中的因果关系,作出各元
件的框图。
4) 按照系统中信号传递的顺序,依次将各元 件的框图连接起来,得到系统的框图。
如图所示的RC电路,其微分方 R
程式为,
Ri(t)+ u0 (t) = ui (t) i(t) = C du0 (t)
n
G(s)= Õ Gi (s)= G1 (s)G2 (s)鬃?Gn (s)
i= 1
应当指出,只有当无负载效应,即前一环 节的输出量不受后面环节的影响时,上式 方才有效。
(2) 并联连接 两个或多个方框,具有同
一个输入,而以各方框输出的代数和作为总 输出。
Xi (s)
G1(s)
X1(s)
Xo (s)
步骤二、消去串联回路,得
Y (s) G1(s)G2 (s)
E1(s) 1 G2 (s)H2 (s)
X(s)
Y(s)
步骤三、整个系统闭环传递函数为:
G1(s)G2 (s)
Y(s)
1 G2 (s)H2 (s)
G1(s)G2 (s)
X (s)
1
H1
(s)
1
G1(s)G2 (s) G2 (s)H2 (s)
西工大、西交大自动控制原理 第二章 控制系统的数学模型_2
5 比较点的移动 比较点的前移:
Rs
Cs
Rs
Cs
Gs
Gs
Qs
1 Qs
Gs
若要将比较点由方框后移至方框的前面,为保持信号 的等效,要在移动后的信号线上加入一个比较点所越 过的方框的倒数。
5 比较点的移动 比较点的后移:
Rs
Cs Gs
Rs Gs
Cs
Qs
Qs
G(s)
若要将比较点由方框前移至方框的后面,为保持信号的 等效,要在移动后的信号线上加入一个比较点所越过的 方框。
2-3 控制系统的结构图与信号流图
控制系统的结构图概述
控制系统的结构图(block diagram)是描述系统各元部 件之间信号传递关系的数学图形,表示了系统中各变量 间的因果关系以及对各变量所进行的运算。通过对系统 结构图进行等效变换(equivalent transform)后,可 求出系统的传递函数。
G1(s)
-1 H(s)
R(s)=0
f
(s)
C(s) F(s)
G2 ( s) 1 G2 (s)H (s)(1)G1(s)
G2 ( s) 1 G2 (s)G1(s)H (s)
G2(s) G2(s) 1 G(s)H(s) 1 Gk (s)
单位反馈系统H(s)=1,有
f
(s)
C(s) F(s)
若令:G(s) G1(s)G2(s) 为前向通路传递函数,
则:
B(s)
Gk (s) (s) G(s)H(s)
可见:系统开环传递函数Gk(s)等于前向通路传递函 数G(s)=G1(s)G2(s)与反馈通道传递函数H(s)的乘积。
R(S) ε(s) G1(s)
F(s)
自动控制原理控制系统的结构图
比较点后移
R(s)
G(s)
比较点前移
+
Q(s)
C(s)
R(s)
+
C(s) G(s)
比较点后移
Q(s)
R(s)
+
C(s) G(s)
Q(s)
C(s) R(s)G(s) Q(s)
[R(s) Q(s) ]G(s) G(s)
R(s)
C(s) G(s)
+
Q(s)
G(s)
C(s) [R(s) Q(s)]G(s)
R(s)G(s) Q(s)G(1s6 )
(5)引出点旳移动(前移、后移)
引出点前移
R(s)
G(s)
分支点(引出点)前移
C(s) C(s)
引出点后移
R(s)
G(s)
R(s)
分支点(引出点)后移
R(s)
G(s)
C(s)
G(s)
C(s)
C(s) R(s)G(s)
G(s) R(s)
C(s) R(s)
将 C(s) E(s)G(s) 代入上式,消去G(s)即得:
E(s) R(s)
1
H
1 (s)G(s)
1
1 开环传递函数
31
N(s)
+ E(s)
++
C(s)
R(s)
G1(s)
G2 (s)
-
B(s)
H(s)
(1)
打开反馈
C(s) R(s)
1
G(s) H (s)G(s)
前向通路传递函数 1 开环传递函数
注意:进行相加减旳量,必须具有相同旳量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
2.3系统的方框图及其简化
例:求系统传递函数。
Xi(s) + E(+s)
分
+
支
B(s)
点
前
移 Xi(s) + E(+s)
+
B(s)
G1 +
H2
G2
G3
H1
H2G3
G1 +
G2
G3
H1
Xo(s) Xo(s)
Xi(s) + E(+s)
+
B(s)
G1 +
H2G3 G2
H1
Xo(s) G3
Xi(s) + E(+s) G1
+
B(s)
纲也要相同。 相加点可以有多个输入,
但输出是唯一的。
C
A + A-B+C +
B
(3) 分支点
分支点表示同一信号向不同方向的传递。只传递信号, 不传递能量。
在分支点引出的信号不仅量纲相同,而且数值也相 等。
X(s) X(s) X(s)
2、系统方框图的建立步骤
(1) 建立系统(或元件)的
;
(2) 对这些原始微分方程进行
函数无量纲,而且H(s)的量纲是G(s)的量纲的倒数。
小小总结:
前述三种基本连接形式:串联、并联、反馈
G(s)
①两个环 Xi(s)
节相串联
G1(Gs) 1 ( sX)1G(s)2 (Gs)2(s)
Xo(s)
②两个环节 G(s)
相并联
G1(s) Xo1(s)
Xi(s)
G1(s)
G2
+
(s) +_
G2 (s) Xo2(s)
用例模型——绘制系统顺序框图(SSD)
arameters it is an abstraction representing the system event of entering the payment data by some mechanism
total with taxes
makePayment(amount)
:System
loop,until all book are recorded
endRental() Lental
用例名:记录预约 餐馆预约系统 参与者:接待员 前置条件:接待员已获得系统授权 后置条件:系统记录预约 主要成功场景: 1. 接待员输入要预约的日期 2. 系统显示该日的预约 3. 有合适的餐桌,接待员输入顾客的姓名和电 话号码、预约时间、用餐人数和餐桌号。 4. 系统记录并显示预约
ta xL in e Ite m s = g e tT a xe s ( sa le )
用例简述 顾客在购物网站上输入注册信息,成为网站会员。
基本事件流 1 顾客在会员注册画面,输入用户编号、密码、用户姓 名、电子邮件地址和联系电话等信息,提交注册请 求。 2 系统对顾客的信息进行检查,并保存顾客的信息。 4 系统提示顾客注册成功。
enteritemitemidquantityendsalemakepaymentamountdescriptiontotaltotaltaxeschangeduereceiptmakenewsalemoreitemsloopprocesssalescenario通过系统事件获得所有系统操作system系统事件及其相关的操作应该表达意图而不是物理输入介质或窗口界面以最高层次或最终极的目标命名操作ssd从uc文本中识别每个参与者生成的系统外部事件在图中表示出来创建系统顺序图案例
第三章 系统可靠性模型
对于串联系统:A=A1 A2 ... An
求系统可靠度:P(A) P(A1 ) P(A 2 ) ... P(A n ) P(A i )
i 1 n
即系统可靠度与单元可靠度的关系为:
R S (t) P(A) R1 (t) R 2 (t) ... R n (t) R i (t)
3. R12345678 t R12345 t R67 t R8 t
如何计算 ( ) , s ? s t
Rs t s t Rs t
s Rs t dt
0
2.串并联系统模型
特征:图2-7所示串—并联系统是由n个(列)子系统
i 1 n
4. 特例( 1):假定各单元寿命服从指数分布,n 个单元失效
都属于偶然失效。令单元失效率为 (常数),单元可靠度为 i Ri (t ) e it .则:
n it n n it 系统可靠度RS (t ) e e i1 (令s i )
i 1
2.当阀1与阀2处于闭合状态时,不能截 流为系统失效,其中包括阀门泄露。
4.系统逻辑模型分类
分类依据:单元在系统中所处的状态及其对系统 的影响。
3.2 串联系统的可靠性模型
1.模型:一个系统由N个单元逻辑串联组成。
2.特点:任意一个单元失效则整个系统失效;
只有N个单元均正常工作系统才正常工作。
3.怎样求串联系统的可靠度
e
t
t 2
t
n 3时,可以自行推导
2 e t
6.推导n个相同单元并联情况
08-系统可靠性框图模型
2013-11-17
6
可靠性模型与预测
可靠性模型最理想的状态是对产品的可靠性规律从整体 上进行描述
统一建模——难! 客观世界的复杂性
依据还原论的思想,基于产品的分解结构:
首先获得单个组成部分(单元)的故障规律 然后根据组成部分之间的关系,去推测系统的故障规律
1. 首先建立产品组成单元的可靠性模型
功能分析 确定特定任务或功能下产品的工作模式以及是否存在替代工作模
(2)确定工
式。例如,通常超高频发射机可以用于替代甚高频发射机
作模式
发射信息,是一种替代工作模式。如果某项任务需要甚高
频与超高频发射机同时工作,则不存在替代工作模式。
1.
规定
(3)规定性 能参数
产
及范围
规定产品及其分系统的性能参数及容许上、下限。如输出功率、 信道容量的上下限等。
可靠性模型
从对系统故障规律认知的角度,对系统及其组成单元的故障特征规 律进行描述
图形 数学
2013-1类繁多:
可靠性框图模型 网络可靠性模型 故障树模型 事件树模型 马尔可夫模型 Petri网模型 GO图模型
可靠性建模是开展可靠性设计分析的基础,也是 进行系统维修性和保障性设计分析的前提。
2013-11-17
8
任务可靠性模型
任务可靠性模型
用以估计产品在执行任务过程中完成规 定功能的概率(在规定任务剖面中完成 规定任务功能的能力),描述完成任务 过程中产品各单元的预定作用,用以度 量工作有效性的一种可靠性模型。
系统中储备单元越多,则其任务可靠 性越高。
2013-11-17
2.建立 可
依照产品定义,采用方框图的形式直观地表示出在
第三节 系统动态结构图
13
(5)两个分支点、相加点之间可以互换:
(6)相加点和分支点之间一般不能互换(互换时要注意).
2015-5-27 14
例:试求下图所示的多环系统的传递函数
2015-5-27
15
作业
2015-5-27
16
(1)串联连接
R(s) G1 (s) U1 (s) G2 (s) U 2 ( s) C(s) G3 (s)
R(s) G(s) (b)
C(s)
(a)
特点:前一环节的输出量就是后一环节的输入量。
U 1 ( s) G1 ( s) R( s) U 2 ( s) G2 ( s)U 1 ( s) G2 ( s)G1 ( s) R( s) C ( s) G3 ( s)U 2 ( s) G3 ( s)G2 ( s)G1 ( s) R( s)
2015-5-27 4
2015-5-27
5
三 系统结构图的建立步骤
建立系统方框图的:
(1)建立系统(或元件)的原始微分方程; (2)对微分方程进行Laplace变换,并根据各Laplace变换 式中的因果关系,绘出相应的方框图; (3)按照信号在系统中传递或变换的过程,依次将各传递 函数方框图连接起来(同一变量的信号通路连接在一起),系 统输入量置于左端,输出量置于右端。
R(s)
G(s) (b)
C(s)
特点:各环节的输入信号是相同的,输出C(s)为各环节的输出之和
C ( s) C1 ( s) C2 (s) C3 ( s) G1 ( s) R(s) G2 ( s) R( s) G3 (s) R( s) [G1 ( s) G2 ( s) G3 (s)]R( s)
2.678第二章 系统的数学模型--第六、七、八节 系统的方框图及其变换法则
G1 (s) G1 (s)G2 (s) 1 G1 (s)H2 (s)H3 (s) G1 (s)H1 (s) G1 (s)G2 (s)H1 (s)
1 G4 (s )
1 G4 (s )
G3 ( s )G4 (s ) 1 G3 ( s )G4 (s ) H 4 (s )
1 G4 (s ) 1 G4 (s )
CN(s) G2(s)
GR ( s )
R(s)
CR ( s ) G1 ( s)G2 ( s) R ( s ) 1 G1 ( s)G2 ( s ) H ( s )
C GR G G G
1
R(s)
2
C(s) G(s)=G1(s) G2(s)
2、并联
C1 G1R C2 G2 R C C C 1 2
3、 反馈
R(s)
基本术语
C(s) G(s) R(s) C(s)
E(s)
B(s) H(s)
G( s) 1 G( s) H ( s)
GR ( s ) CR ( s) G1 ( s)G2 ( s) R ( s) 1 G1 ( s )G2 ( s ) H ( s)
显然:系统输出C(s),是由R(s)和N(s)共同作用的结果。
C(s)= CR(s)+ CN(s)
N(s)作用下系统的闭环传递函数GN(s)
N(s)
G1(s)
特别 注意
C G1 R G2 R GR G G G
1
C ( s ) G ( s ) E ( s ) E ( s ) R ( s ) B ( s ) C ( s ) G ( s ) R ( s ) G ( s ) H ( s )C ( s ) B( s ) H ( s )C ( s ) C ( s) G (s) R( s) ( s) R (s) 1 G( s) H ( s)
自动控制原理(2-2)2.5 框图及其化简方法
2.5 框图及其化简方法
• 引言
• 结构图的组成
• 系统结构图的建立
• 闭环系统的结构图
• 结构图的简化和变换规则
引 言
根据不同的功能,可将系统划分为若干环节或者 叫子系统,每个子系统的功能都可以用一个单向 性的函数方块来表示。 方块中填写表示这个子系统的传递函数,输入量 加到方块上,那么输出量就是传递结果。
按照上述方程的顺序,从输出量开始绘制系统的
结构图,其绘制结果如图2-7(c)所示(注意这是一个 还没有经过简化的系统结构图)。 注意:一个系统可以具有不同的结构图,但由结 构图得到的输出和输入信号的关系都是相同的。
三、闭环系统的结构图
R( s)
+ -
E ( s)
C (s)
G( s)
B( s ) H ( s)
图2-9 扰动作用下的闭环系统结构图
如果有扰动存在,根据线性系统满足叠加性原理的 性质,可以先对每一个输入量单独地进行处理,然后
将每个输入量单独作用时相应的输出量进行叠加,就
二、系统结构图的建立
–
建立控制系统各部件的微分方程(注意相邻 元件之间的负载效应影响);
–
对各微分方程在零初始条件下进行拉氏变换,
并作出各元件的方块图; 按照系统中各变量的传递顺序,依次将各元 件的框图连接起来,便得到系统结构图。
–
例2-8 在图2-7(a)中,电压u1(t)、u2(t)分别为输入量和 输出量,绘制系统的结构图。
根据系统中信息的传递方向,将各个子系统的函数 方块用信号线顺次连接起来,就构成了系统的结构 图,又称系统的方块图。 系统的结构图实际上是系统原理图与数学方程的 结合,因此可以作为系统数学模型的一种图示。
系统的模拟图及框图
6-4 系统的模拟图与框图 一、 三种运算器系统模拟中应用的运算器有三种:加法器、数乘器(也称标量乘法器)和积分器。
三种运算器的表示符号及其时域、s 域中输入与输出的关系,如表6 - 3中所示。
二、系统模拟的定义与系统的模拟图在实验室中用三种运算器:加法器、数乘器和积分器来模拟给定系统的数学模型——微分方程或系统函数H(s),称为线性系统的模拟,简称系统模拟。
经过模拟而得到的系统称为模拟系统。
从系统模拟的定义可看出,所谓系统模拟,仅是指数学意义上的模拟。
模拟的不是实际的系统,而是系统的数学模型——微分方程或系统函数H(s)。
这就是说,不管是任何实际系统,只要它们的数学模型一样,那么它们的模拟系统就一样,就可以在实验室里用同一个模拟系统对系统的特性进展研究。
例如当系统参数或输入信号改变时,系统的响应如何变化,系统的工作是否稳定,系统的性能指标能否满足要求,系统的频率响应如何变化,等等。
所有这些都可用实验仪器直接进展观测,或在计算机的输出装置上直接显示出来。
模拟系统的输出信号,就是系统微分方程的解,称为模拟解。
这不仅比直接求解系统的微分方程来得简便,而且便于确定系统的最正确参数和最正确工作状态。
这正是系统模拟的重要实用意义和理论价值。
在工程实际中,三种运算器:加法器、数乘器和积分器,都是用含有运算放大器的电路来实现,这在电路根底课程中已进展了研究,不再赘述。
系统模拟一般都是用模拟计算机或数字计算机实现,也可在专用的实验设备上实现。
由加法器、数乘器和积分器连接而成的图称为系统模拟图,简称模拟图。
模拟图与系统的微分方程(或系统函数H(s))在描述系统特性方面是等价的。
三、常用的模拟图形式常用的模拟图有四种形式:直接形式、并联形式、级联形式和混联形式。
它们都可以根据系统的微分方程或系统函数H(s)画出。
在模拟计算机中,每一个积分器都备有专用的输入初始条件的引入端,当进展模拟实验时,每一个积分器都要引入它应有的初始条件。
控制工程基本系统框图及简化
3.相邻引出点之间的移动
若干个引出点相邻,表明同一信号要送到许多 地方去。因此,引出点之间相互交换位置,不会 改变引出信号的性质,不需要作传递函数的变换。
比较点合并
l 注意:比较点和引出点之间一般不宜交换 其位置。
l 由方框图求系统传递函数的基本思路:利用等效 变换法则,移动比较点和引出点,消去交叉回路, 变换成可以运算的简单回路。
s
ê注意:等效传递函数等于前向通道传递函数除以1加(减) 前向通道传递函数与反馈通道传递函数乘积
误差传递函数
X0 (s)= G(s)E(s)
B(s)= H (s)X0 (s)
Es Xi s H sGsEs
EE(ss)= XXii(ss)±BB(ss)
整理得
E(s) Xi (s)=
1
1±G(s)H (s)
G1s G2 s G3s
并联的补充说明
l 这表明几个环节并联时,可以用一个等效环节去取代, 等效环节的传递函数为各环节传递函数的代数和。写成一 般形式为
n
Gs Gi s i 1
(3)反馈
X(s)
Gz
s
1
Gs GsH
s
Y(s)
H
n 如果将系统或环节的输出反馈到输入端与输入信号进行比
较,就构成了反馈连接,如 上图 所示。其中 G1(s) G2(s) 可以是等效方框图,即它们可以是由若干元件方框串、并
若反馈通道传递函数H (S)= 1时,称为单位反馈系统,
此时:
F
(s)=
G (s) 1 G (s)
任何复杂系统的框图,都无非是由串联、并 联和反馈三种基本连接方式组成的,但要实现 上述三种运算,必须先将复杂的交织状态变换 为可运算状态,即进行框图的等效变换。
第二章系统的数学模型
2.2 控制系统的复数域数学模型(传递函数)
一.传递函数
1.线性定常系统的传递函数定义为:
零初始条件下,系统输出量的拉氏变换与输入 量的拉氏变换之比。
R(s) G(s) C(s)
传递函数
输出的拉氏变换 输入的拉氏变换
|零初始条件
C(s) R(s)
G(s)
零初始条件
➢ 零初始条件指的是输入、输出初始条件均为零,即
在给定工作点 ( x0,y0 )附近,将上式展开泰勒级数:
y
f (x)
df f ( x0 ) dx
1 d2 f x x0 ( x x0 ) 2! dx2
(x x0 )2
x x0
若在工作点 ( x0,y0 ) 附近增量 x x0 的变化很小,则可略去式中 ( x x0 )2 项及其后面所有的高阶项,这样,上式近似表示为:
l
s
1)
G(s)
i 1 d
l 1 e
sv (Tjs 1) (Tk2s2 2 kTk s 1)
j 1
k 1
纯微分环节
s
es
积分环节
惯性环节
振荡环节
延迟环节
典型环节
➢ 比例环节的传递函数为:
Proportional element (link)
C(s) G(s) K R(s)
齿轮传动
方框图为:
➢ 频域数学模型:
频率特性
2.1 线性系统的时域数学模型
本节主要研究描述 线性、定常、集总参量控制系统的微分方程的
建立和求解方法
线性元件的微分方程
一.微分方程:
给定量和扰动量作为系统输入量,被控制量作为系统输出 的一种系统描述方法
控制系统的方框图
绘制注意事项:
在方框图中,沿信号传递的方向。 在绘制动态结构图时,一般先按从左到右的顺 序绘制出前向通路的结构图,然后再绘制反馈 通路的结构图。
例2-5:画出图所示电路的方框图。
Ui
R C
Uo
解:根据电路列出如下方程: 在零初始条件下得:
Ui(s)
Uo(s) I(s) 1/Cs
I(s) 1/R
U s ) U ( s ) i( o I( s ) R
G6
例:
R(s) G1 G2 G3 G5 G7 G4
C(s)
分析方框图中,出现三个环且其中两环出现交叉。 如解除交叉,则可方便简化 可见:移动G6分支所在取出点,则可使问题简化。
解:
R(s) G1
G6
G2
1/G4 C(s) G3 G5 G4
G7
G6/G4
R(s)
G1
G2
G3G4 1+G3G4G5
3. 反馈联接
R(s)
E(s) B(s)
G(s)
C(s)
H(s)
主通道:由输入信号开始经G(S)到输出通道称为主 通道,也称前向通道。 反馈通道:由取出点经反馈装置到主反馈 B(S)的通 道称为反馈通道,也称反馈通路。 可见:E(S)=R(S)-B(S)为偏差信号
几个定义: 开环传递函数:主反馈信号与偏差信号之比 GK(S)=B(S)/E(S)
B(S)=H(S)y(S)= H(S)G(S)E(S) B(S)/E(S)=H(S)G(S)=G(S)H(S)
前向通路的传递函数:输出信号与偏差信号之比
C ( s ) G s ) B( R ( s ) C ( s ) G ( s ) E ( s ) G ( s )( R ( s ) B ( s )) G ( s ) R ( s ) G ( s ) H ( s ) C ( s ) [ 1 G ( s ) H ( s )] C ( s ) G ( s ) R ( s ) G C ( s ) G O R ( s ) ! G ( s ) H ( s ) 1 G K
网络的OSI七层模型
一、网络的OSI七层模型:A.概述为了解决不同系统的互连问题,ISO(International Organization for Standardization,国际标准化组织)于1977年提出了一种不基于特定机型、操作系统或公司的网络体系结构,即“开放系统互连参考模型”OSI(Open System Interconnection)。
OSI定义了异种机连网的标准框架,为连接分散的“开放”系统提供了基础,既任何两个遵守OSI标准的系统可以进行互连。
OSI采用分层结构化技术,将整个网络的通信功能分为7层(Layer),由低层到高分别是:物理层(Physical Layer)、数据链路层(Data Link layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)。
该模型层次的划分是从逻辑上将功能分组,每一层完成一特定功能,功能类似或相关的归于一层,各层功能明确且易于管理;每一层的真正功能是为其上一层提供服务。
OSI参考模如图所示。
B.OSI各层的基本功能:1、物理层提供为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能和规程的特性;提供有关在传输介质上传输非结构的位流及物理链路故障检测指示。
2、数据链路层为网络层实体提供点到点无差错帧传输功能,并进行流控制。
3、网络层为传输层实体提供端到端的交换网络数据传送功能,使得传输层摆脱路径选择、交换方式、拥挤控制等网络传输细节;可以为传输层实体建立、维持和拆除一条或多条通信路径;对网络传输中发生的不可恢复的差错予以报告。
4、传输层为会话层实体提供透明的、可靠的数据传输服务,保证端到端的数据完整性;选择网络层能提供的最适宜的服务;提供建立、维护和拆除传输连接功能。
5、会话层为彼此合作的表示层实体提供建立、维护和结束会话连接的功能。
3-6 系统连接框图的模型
g1=tf(1,[0.01,1]);g2=tf([0.17,1],[0.085,0]);g3=g1; g4=tf([0.15,1],[0.051,0]);g5=tf(70,[0.0067,1]); g6=tf(0.21,[0.15,1]);g7=tf(130,[1,0]);g8=0.212; g9=tf([0.1,0],130*[0.01,1]);g10=0.0044*g1; gg1=feedback(g7*g6,g8); %paths6~8 gg2=feedback(gg1*g5*g4,g9); %paths4~9 G=feedback(gg2*g3*g2,g10)*g1; %overall system zpk(G)
G=connect(a,b,c,d,Q,INPUTS,OUTPUTS)
若采用下面的命令,可得到系统的零极点 若采用下面的命令, 增益模型
[A,B,C,D]=connect(a,b,c,d,Q, INPUTS,OUTPUTS); zpk(ss(A,B,C,D))
习题
系统结构图如图所示, 系统结构图如图所示,用MATLAB语句 语句 编程求所示系统的闭环传递函数。 编程求所示系统的闭环传递函数。
3.输入连接矩阵 、输入向量 输入连接矩阵Q、输入向量INPUTS和输出向 输入连接矩阵 和输出向 量OUTPUTS; ; 输入连接矩阵Q的规则为 的规则为: 输入连接矩阵 的规则为: 矩阵应该有nblocks行; ①Q矩阵应该有 矩阵应该有 行 矩阵第1列应为相应模块的方框编号 ②Q矩阵第 列应为相应模块的方框编号; 矩阵第 列应为相应模块的方框编号; 矩阵第i行的第 ③Q矩阵第 行的第 列及以后的元素应包含进 矩阵第 行的第2列及以后的元素应包含进 入第i个模块的所有方框信息 个模块的所有方框信息。 入第 个模块的所有方框信息。 输入向量INPUTS由输入信号所进入模块 输入向量 由输入信号所进入模块 的编号构成;输出向量OUTPUTS由输出信号 的编号构成;输出向量 由输出信号 流出的模块编号构成。 流出的模块编号构成。
系----统
1.1
什么是系统
系统
所谓“系统”就是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有某 种特定功能的整体。这种高度概括的定义有着极为丰富的蕴含,它包含 了诸如电气、机械、水力、声学等所有的物理系统及财政、金融、交通 运输、行政管理等所有的经济学、社会学系统;它还包含着高科技的人 造卫星系统、宇宙飞船系统(如我国的神五、神六、神七及嫦娥一号 等)、自然界中的太阳系统、人和动物的神经系统等。
1.数学模型描述 由实际系统结构、元件特性、基本定律寻找系统输出与输入之间的数学 运算关系式,称之为对系统建模,其找到的数学运算关系式即方程式, 称作系统的数学模型。
1.3
系统的描述
系统
2.系统的框图模型 有时为了分析、研究问题形象具体,又常将式 表述的数学运算关系用 定 义的理想运算部件组合连接成图表征,这样所画出的框图称为系统的框 图模型。
1.2
系统的分类
系统
6.稳定系统与非稳定系统
若系统对任意的有界输入其零状态响应也是有界的,这样的系统称为稳 定系统,又可称为有界输入有界输出 稳定。否则,称为非稳定系统。对于BIBO稳定的定义亦可给出如下数学 定义式。 若对所有的输入信号
则其系统的零状态响应亦有
1.3
系统的描述
系统
不同类型的系统都有着各自的特点,有着特定的用途,但最简单、最基 础的是线性时不变系统,即LTI系统。
若系统在任意时刻
时刻的输出信号值与该时刻以
前
的输入信号无关,则称为无记忆系
统,否则,称为记忆系统.还可进一步理解为,无记忆系统不能记忆系统过
去的工作状态(“历史”情况)相反,记忆系统就能如此.
在电路基础课中讨论的电阻电路和动态电路,若从系统的观点看,前者
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上图中的三个传递函数为
24
50351024247)(234231+++++++=s s s s s s s s G
求闭环系统的传递函数。
G1=tf([1,7,24,24],[1,10,35,50,24]);
G2=tf([10,5],[1,0]);
H=tf([1],[0.01,1]);
G=feedback(G*G2,H)
在实际应用中,整个系统闭环传递函数的求解有时必须采用计算机辅助的方式进行求解。
控制系统工具箱提供了一个M 函数 connect ( ) 和一个M 文件 blkbuild 来求取含有相互连接模块结构的状态方程模型。
求取系统数学模型的过程
用户首先需要用 blkbuild 程序建立起原始模型的增广状态方程模型(a ,b ,c ,d ),然后输入各个模块的连接关系,即建立 Q 矩阵,最后调用connect ( )函数来获得系统总的状态方程模型。
基本步骤
1.方框排号;
2.用MATLAB 语句输入每个方框的信息;
3.输入连接矩阵Q 、输入向量INPUTS 和输出向量OUTPUTS ;
4.构造整个系统的模型,整个系统的模型由下面的函数调用,即可得到系统的状态方程。
G =connect (a ,b ,c ,d ,Q ,INPUTS ,OUTPUTS )
若采用下面的命令,可得到系统的零极点增益模型
[A ,B ,C ,D ]=connect (a ,b ,c ,d ,Q , INPUTS ,OUTPUTS );
zpk (ss (A ,B ,C ,D ))
1
01.01)(510)(2+=+=s s H s s s G
1.方框排号;
2.用MATLAB语句输入每个方框的信息;
nblocks=10;
n1=1;d1=[0.01,1];n2=[0.17,1];d2=[0.085,0];
n3=1;d3=[0.01,1];n4=[0.15,1];d4=[0.051,0];
n5=70;d5=[0.0067,1];n6=0.21;d6=[0.15,1];
n7=130;d7=[1,0];n8=-0.212;d8=1;
n9=-0.1;d9=[0.01,1];n10=-0.0044;d10=[0.01,1];
blkbuild
3.输入连接矩阵Q、输入向量INPUTS和输出向量OUTPUTS;
输入连接矩阵Q的规则为:
①Q矩阵应该有nblocks行;
②Q矩阵第1列应为相应模块的方框编号;
③Q矩阵第i行的第2列及以后的元素应包含进入第i个模块的所有方框信息。
输入向量INPUTS由输入信号所进入模块的编号构成;输出向量OUTPUTS由输出信号流出的模块编号构成。
Q=[1,0,0;
2,1,10;
3,2,0;
4,3,9;
5,4,0;
6,5,8;
7,6,0;
8,7,0;
9,6,0;
10,7,0];
INPUTS=1;OUTPUTS=7;
4.构造整个系统的模型,整个系统的模型由下面的函数调用,即可得到系统的状态方程。
G=connect(a,b,c,d,Q,INPUTS,OUTPUTS)
若采用下面的命令,可得到系统的零极点增益模型
[A,B,C,D]=connect(a,b,c,d,Q, INPUTS,OUTPUTS);
zpk(ss(A,B,C,D))。