機(jī)械控制工程第二章課件

機(jī)械控制工程第二章課件3)數(shù)學(xué)模型的建立方法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有兩種方法：分析法和實驗法,本章僅就分析法進(jìn)行討論。(1)分析法:根據(jù)系統(tǒng)和元件所遵循的有關(guān)定律來推導(dǎo)出數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而建立數(shù)學(xué)模型。(2)實驗法:對于復(fù)雜系統(tǒng)，需要通過實驗，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，擬合出比較接近實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。4)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)定義：描述系統(tǒng)的輸入和輸出之間動態(tài)關(guān)系的微分方程，如

如果系數(shù)均為常數(shù)，則式(2-1)為線性定常微分方程，簡稱常微分方程。相應(yīng)的動態(tài)系統(tǒng)稱為線性定常系統(tǒng)。大多數(shù)物理系統(tǒng)均屬于這一類，這是我們研究的重點。若是時間t的函數(shù)，則該方程為線性時變的，相應(yīng)的系統(tǒng)也稱為線性時變系統(tǒng)；例如，宇宙飛船控制系統(tǒng)便是一個時變系統(tǒng)，因為隨著宇宙飛船上燃料的消耗，飛船質(zhì)量發(fā)生變化，而且當(dāng)飛船遠(yuǎn)離地球后，重力也在發(fā)生變化。

若中有系數(shù)依賴于或它們的導(dǎo)函數(shù)，則該方程就是非線性的，相應(yīng)的系統(tǒng)也稱為非線性系統(tǒng)。線性及非線性這一特性并不隨系統(tǒng)的表示方法而改變，它是系統(tǒng)本身的固有特性。線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：線性系統(tǒng)滿足疊加原理，

而非線性系統(tǒng)則不滿足疊加原理。線性化：為了分析研究非線性系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)將一些非線性因素忽略，近似地用線性數(shù)學(xué)模型來代替，這便是所謂數(shù)學(xué)模型的線性化。

本質(zhì)非線性系統(tǒng)：例如電氣系統(tǒng)中某些元件存在繼電特性、飽和、死區(qū)和磁滯等現(xiàn)象，只能采取非線性方法進(jìn)行分析與設(shè)計。這方面內(nèi)容，本課程不作要求。

可加性：齊次性：2.1系統(tǒng)的微分方程一．用分析法（解析法）列寫微分方程的一般方法(1)確定系統(tǒng)或各元件的輸入、輸出變量。系統(tǒng)的給定輸入量或擾動輸入量都是系統(tǒng)的輸入量，而被控制量則是輸出量；(2)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略次要因素?3)從系統(tǒng)的輸入端開始，按照信號的傳遞順序，根據(jù)各變量所遵循的物理定理，列寫出在運動過程中的各個環(huán)節(jié)的動態(tài)微分方程；(4)消除中間變量，寫出只含有輸入、輸出變量的微分方程；(5)標(biāo)準(zhǔn)化。整理所得微分方程， 輸出量降冪排列＝輸入量降冪排列 一般將與輸出量有關(guān)的各項放在方程左側(cè)，與輸入量有關(guān)的各項放在方程的右側(cè)，各階導(dǎo)數(shù)項按降冪排列。

例1圖示為兩個形式相同的RC電路串聯(lián)而成的濾波網(wǎng)絡(luò)，試寫出以輸出電壓和輸入電壓為變量的濾波網(wǎng)絡(luò)的微分方程。解：列寫系統(tǒng)微分方程輸入:電壓 輸出:電壓中間變量簡化(3)根據(jù)克希荷夫定律，可寫出下列原始方程式：1部件的數(shù)學(xué)模型電路分析的基本方法

----基爾霍夫定律(1)基爾霍夫第一定律(基爾霍夫電流定律KCL)：

在電路任何時刻，對任一結(jié)點，所有支路電流的代數(shù)和恒等于零，即流出結(jié)點的取+號，流入結(jié)點的取-號。N為支路數(shù)。

(2)基爾霍夫第二定律(克希荷夫電壓定律KVL)：

在電路任何時刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零，即電壓的參考方向與指定的繞行方向一致的取+號，相反的取-號。N為支路數(shù)。

(4)消去中間變量

式（2.1.1）就是系統(tǒng)的微分方程。

注意雖然電路由兩個RC電路所組成，但不能把它看作兩個獨立的RC電路的連接。因為第二級電路的i2要影響第一級電路的u1，列寫方程式應(yīng)考慮這個影響。這種后一級對前一級的影響叫做負(fù)載效應(yīng)。存在負(fù)載效應(yīng)時，必須把全部元件作為整體加以考慮。本例如果不考慮負(fù)載效應(yīng)時，有：第一級：第二級：消去中間變量得到：顯然與前面得到的結(jié)果不同。例2圖示為電樞控制式直流電機(jī)原理圖，設(shè)為電樞兩端的控制電壓，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，為折合到電機(jī)軸上的總的負(fù)載力矩。當(dāng)激磁不變時，用電樞控制的情況下，為給定輸入，為干擾輸入，為輸出。系統(tǒng)中ed為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時電樞兩端的反電勢；為電動機(jī)的電樞電流；為電動機(jī)的電磁力矩。

(1)輸入變量為電壓；輸出變量為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度;中間變量;(2)根據(jù)基爾霍夫定律，電機(jī)電樞回路的方程為式中，L，R分別為電感與電阻。當(dāng)磁通固定不變時，與轉(zhuǎn)速成正比，即式中，為反電勢常數(shù)。這樣（2.1.5）式為根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的運動方程為(2.1.5)(2.1.6)(2.1.7)式中，J為轉(zhuǎn)動部分折合到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量。當(dāng)激磁磁通固定不變時，電動機(jī)的電磁力矩與電樞電流成正比。即式中，km為電動機(jī)電磁力矩常數(shù)（3）消除中間變量將（2.1.8）式代入（2.1.7）式得上式略去了與轉(zhuǎn)速成正比的阻尼力矩。應(yīng)用（2.1.6）式和（2.1.9）式消去中間變量ia，可得令，則上式為

式（2.1.11）即為電樞控制式直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由式可見，轉(zhuǎn)速ω既由ua控制，又受ML影響。(2.1.8)(2.1.9)

(2.1.10)

(2.1.11)二．微分方程的增量化表示前面從數(shù)學(xué)角度討論了系統(tǒng)的模型。下面是考慮工程實際進(jìn)一步討論模型。(1)電動機(jī)處于平衡狀態(tài)，變量各階導(dǎo)數(shù)為零，微分方程變?yōu)榇鷶?shù)方程：此時，對應(yīng)輸入輸出量可表示為：

則有這就是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

（2.1.12）

（2.1.13）（2）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)并不能長期穩(wěn)定，閉環(huán)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是要系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，輸出量相應(yīng)變化，輸入輸出量可以記為：則式（2.1.11）可記為：考慮到，上式可變?yōu)?.14式的意義是：對于定值控制系統(tǒng)，總是工作在設(shè)定值即穩(wěn)態(tài)或平衡點附近，將變量的坐標(biāo)原點設(shè)在該平衡點，則微分方程轉(zhuǎn)換為增量方程，它同樣描述了系統(tǒng)的動態(tài)特性，但它由于不考慮初始條件，求解及分析時方便了許多。

(2.1.14)三．非線性微分方程的線性化某些非線性系統(tǒng)，可以在一定條件下，進(jìn)行線性化。圖2.1.3是一個液壓伺服系統(tǒng)，下面通過它討論線性化問題。(1)輸入變量為閥心位移x；輸出變量為活塞位移y;中間變量(2)按照液壓原理建立動力學(xué)方程負(fù)載動力學(xué)方程為流量連續(xù)性方程為q與p一般為非線性關(guān)系

(2.1.18)

(2.1.19)(2.1.20)（3）線性化處理將(2.17)在工作點領(lǐng)域做泰勒展開，當(dāng)偏差很小時，可略去展開式的高階項，保留一次項，并取增量關(guān)系，有：式中則(2.1.21)可以寫成

當(dāng)系統(tǒng)在預(yù)定工作條件，，下工作即分別為q,x,p,故（2.1.22）可以寫為(2.1.21)

(2.1.22)

(2.1.23)

（4）消除中間變量由(2.1.23)可得

整理后可得線性化后的動力學(xué)方程為：(2.1.25)(2.1.26)圖2.1.4q,p,x三者線性關(guān)系小偏差線性化時要注意以下幾點：（1）必須明確系統(tǒng)工作點，因為不同的工作點所得線性化方程的系數(shù)不同。本題中參數(shù)在預(yù)定工作點的值均為零

（2）如果變量在較大范圍內(nèi)變化，則用這種線性化方法建立的數(shù)學(xué)模型，在除工作點外的其它工況勢必有較大的誤差。所以非線性模型線性化是有條件的，即變量偏離預(yù)定工作點很小。（3）如果非線性函數(shù)是不連續(xù)的（即非線性特性是不連續(xù)的），則在不連續(xù)點附近不能得到收斂的泰勒級數(shù)，這時就不能線性化。（4）線性化后的微分方程是以增量為基礎(chǔ)的增量方程。1、傳遞函數(shù)的概念和定義

傳遞函數(shù)

在零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比。

零初始條件：

t<0時，輸入量及其各階導(dǎo)數(shù)均為0；

輸入量施加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即t<0時，輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)也均為0；2.2系統(tǒng)傳遞函數(shù)Laplace變換設(shè)函數(shù)f(t)(t0)在任一有限區(qū)間上分段連續(xù)，且存在一正實常數(shù)，使得：則函數(shù)f(t)的拉普拉氏變換存在，并定義為：式中：s=+j（，均為實數(shù)）；稱為拉普拉氏積分；F(s)稱為函數(shù)f(t)的拉普拉氏變換或象函數(shù)，它是一個復(fù)變函數(shù)；f(t)稱為F(s)的原函數(shù)；L為拉氏變換的符號。2、拉氏反變換L－1為拉氏反變換的符號。幾種典型函數(shù)的拉氏變換

單位階躍函數(shù)1(t)10tf(t)單位階躍函數(shù)

指數(shù)函數(shù)（a為常數(shù)）指數(shù)函數(shù)0tf(t)1

正弦函數(shù)與余弦函數(shù)正弦及余弦函數(shù)10tf(t)f(t)=sintf(t)=cost-1由歐拉公式，有：

從而：同理：

單位脈沖函數(shù)(t)0tf(t)單位脈沖函數(shù)1由洛必達(dá)法則：所以：常用拉氏變換表5、拉氏變換的主要定理

疊加定理

齊次性：L[af(t)]=aL[f(t)]，a為常數(shù)；疊加性：L[af1(t)+bf2(t)]=aL[f1(t)]+bL[f2(t)]

a，b為常數(shù)；顯然，拉氏變換為線性變換。

積分定理實微分定理延遲定理設(shè)當(dāng)t<0時，f(t)=0，則對任意0，有：函數(shù)f(t-)0tf(t)f(t)f(t-)

位移定理

初值定理

終值定理

數(shù)學(xué)說明：線性定常系統(tǒng)微分方程如下：

輸入、輸出的初始條件均為零時，作Laplace變換可得：

由定義可得：

將式（2.2.3）畫成方框圖，如圖2.2.1所示。

圖2.2.1系統(tǒng)框圖則：(2.2.4)(2.2.1)(2.2.2)(2.2.3)幾點結(jié)論

傳遞函數(shù)是復(fù)數(shù)s域中的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其參數(shù)僅取決于系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，與系統(tǒng)的輸入形式無關(guān)。

若輸入給定，則系統(tǒng)輸出特性完全由傳遞函數(shù)G(s)決定，即傳遞函數(shù)表征了系統(tǒng)內(nèi)在的固有動態(tài)特性。

傳遞函數(shù)通過系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系來描述系統(tǒng)的固有特性。即以系統(tǒng)外部的輸入－輸出特性來描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性。零點、極點考慮線性定常系統(tǒng)當(dāng)初始條件全為零時，對上式進(jìn)行拉氏變換可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般形式：則：N(s)=0稱為系統(tǒng)的特征方程，其根稱為系統(tǒng)的特征根。特征方程決定著系統(tǒng)的動態(tài)特性。N(s)中s的最高階次等于系統(tǒng)的階次。2、特征方程、零點和極點

特征方程式中，K稱為系統(tǒng)的放大系數(shù)或增益。當(dāng)s=0時：

G(0)=b0/a0=KM(s)=N(s)=從微分方程的角度看，此時相當(dāng)于所有的導(dǎo)數(shù)項都為零。因此K反應(yīng)了系統(tǒng)處于靜態(tài)時，輸出與輸入的比值。

零點和極點將G(s)寫成下面的形式：N(s)=0的根s=pj

(j=1,2,…,n)，稱為傳遞函數(shù)的極點；決定系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)曲線的收斂性，即穩(wěn)定性式中，M(s)=0的根s=zi(i=1,2,…,m)，稱為傳遞函數(shù)的零點；影響瞬態(tài)響應(yīng)曲線的形狀，不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性系統(tǒng)傳遞函數(shù)的極點就是系統(tǒng)的特征根。零點和極點的數(shù)值完全取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

零、極點分布圖

將傳遞函數(shù)的零、極點表示在復(fù)平面上的圖形稱為傳遞函數(shù)的零、極點分布圖。圖中，零點用“O”表示，極點用“×”表示。

G(s)=S+2(s+3)(s2+2s+2)的零極點分布圖012312-1-2-3-1-2j3、傳遞函數(shù)的幾點說明

傳遞函數(shù)是一種以系統(tǒng)參數(shù)表示的線性定常系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系式；傳遞函數(shù)的概念通常只適用于線性定常系統(tǒng)；

傳遞函數(shù)是

s的復(fù)變函數(shù)。傳遞函數(shù)中的各項系數(shù)和相應(yīng)微分方程中的各項系數(shù)對應(yīng)相等，完全取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；

傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，即在零時刻之前，系統(tǒng)對所給定的平衡工作點處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。因此，傳遞函數(shù)原則上不能反映系統(tǒng)在非零初始條件下的全部運動規(guī)律

傳遞函數(shù)只能表示系統(tǒng)輸入與輸出的關(guān)系，無法描述系統(tǒng)內(nèi)部中間變量的變化情況。

一個傳遞函數(shù)只能表示一個輸入對一個輸出的關(guān)系，只適合于單輸入單輸出系統(tǒng)的描述。三．典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)，振蕩環(huán)節(jié)和延時環(huán)節(jié)。系統(tǒng)總可以分解為典型環(huán)節(jié)組成。下面介紹這些環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其推導(dǎo)：

1．比例環(huán)節(jié)（或稱放大環(huán)節(jié)，無慣性環(huán)節(jié)，零階環(huán)節(jié)）輸出不失真也不延遲而按比例反映輸入的環(huán)節(jié)稱為比例環(huán)節(jié)，其動力學(xué)方程為：K為環(huán)節(jié)的放大系數(shù)或增益。其傳遞函數(shù)為：（2.2.5）

R2R1ui(t)uo(t)運算放大器z1z2ni(t)no(t)齒輪傳動副2、慣性環(huán)節(jié)（或一階慣性環(huán)節(jié)）

動力學(xué)方程為一階微分方程的環(huán)節(jié)為慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：式中，K為放大系數(shù)；T為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，慣性環(huán)節(jié)的方框圖如圖2.2.4所示。（2.2.6）

圖2.2.4慣性環(huán)節(jié)如：彈簧-阻尼器環(huán)節(jié)xi(t)xo(t)彈簧-阻尼器組成的環(huán)節(jié)KC3．微分環(huán)節(jié)

具有輸出正比于輸入的微分，即具有的環(huán)節(jié)稱為微分環(huán)節(jié)，顯然，其傳遞函數(shù)為：式中，T為微分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，微分環(huán)節(jié)的方框圖如圖2.2.7所示（2.2.7）圖2.2.7微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)在物理系統(tǒng)中微分環(huán)節(jié)不獨立存在，而是和其它環(huán)節(jié)一起出現(xiàn)。微分環(huán)節(jié)的輸出是輸入的導(dǎo)數(shù)，即輸出反映了輸入信號的變化趨勢，從而給系統(tǒng)以有關(guān)輸入變化趨勢的預(yù)告。因此，微分環(huán)節(jié)常用來改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。4、積分環(huán)節(jié)

具有輸出正比于輸入對時間的積分，即具有的環(huán)節(jié)稱為積分環(huán)節(jié)，顯然，其傳遞函數(shù)為：式中，T為積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，積分環(huán)節(jié)的方框圖如圖2.3.13所示。圖2.2.13積分環(huán)節(jié)（2.2.8）

如：有源積分網(wǎng)絡(luò)

+CRi1(t)ui(t)uo(t)i2(t)a積分環(huán)節(jié)特點：

輸出量取決于輸入量對時間的積累過程。且具有記憶功能；

具有明顯的滯后作用。積分環(huán)節(jié)常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。如當(dāng)輸入量為常值A(chǔ)時，由于：輸出量須經(jīng)過時間T才能達(dá)到輸入量在t=0時的值A(chǔ)。5、振蕩環(huán)節(jié)（或稱二階振蕩環(huán)節(jié)）

振蕩環(huán)節(jié)是二階環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：或?qū)懗?/p>

為無阻尼固有頻率；T為振蕩環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，為阻尼比。方框圖見圖2.2.17。

階躍輸入時，輸出有兩種情況：

（1）當(dāng)0≤ξ<1時，輸出為一振蕩過程，即為振蕩環(huán)節(jié)；（2）當(dāng)ξ≥1時，輸出為一指數(shù)上升曲線而不振蕩，最后達(dá)到常值輸出。此時，二階環(huán)節(jié)不是振蕩環(huán)節(jié)，而是兩個一階慣性環(huán)節(jié)的組合。當(dāng)T很小，ξ較大時，由式（2.2.10），可知可忽略不計，故分母變?yōu)橐浑A，二階環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)。圖2.2.176、延時環(huán)節(jié)（或稱遲延環(huán)節(jié)）

延時環(huán)節(jié)是輸出滯后輸入時間，但不失真地反映輸入的環(huán)節(jié)。一般與其他環(huán)節(jié)同時共存，不單獨存在。延時環(huán)節(jié)的輸入與輸出之間有如下關(guān)系（τ為延遲時間）：（2.2.11）運動方程：

延時環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)區(qū)別：慣性環(huán)節(jié)的輸出需要延遲一段時間才接近于所要求的輸出量，但它從輸入開始時刻起就已有了輸出；延時環(huán)節(jié)在輸入開始之后，延時時間內(nèi)并無輸出，延時時間之后，輸出就完全等于輸入；簡言之，輸出等于輸入，只是在時間上延時了一段時間間隔。

小結(jié)

環(huán)節(jié)是根據(jù)微分方程劃分的，不是具體的物理裝置或元件；

一個環(huán)節(jié)往往由幾個元件之間的運動特性共同組成；

同一元件在不同系統(tǒng)中作用不同，輸入輸出的物理量不同，可起到不同環(huán)節(jié)的作用。2.3系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖及其簡化一.傳遞函數(shù)方框圖一個系統(tǒng)可由若干個環(huán)節(jié)組成，將這些環(huán)節(jié)以方框表示，其間用相應(yīng)的變量聯(lián)系起來，就構(gòu)成系統(tǒng)的方框圖。它是系統(tǒng)的一種圖解表示方法。如圖2.3.1所示。方框圖表示有如下優(yōu)點：（1）可以形象地表示系統(tǒng)的內(nèi)部情況及各環(huán)節(jié)、各變量之間的關(guān)系；（2）可以由局部環(huán)節(jié)的方框聯(lián)成整個系統(tǒng)的方框圖，再將方框圖簡化，就易于寫出整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；（3）可以揭示和評價每個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響。1.方框圖結(jié)構(gòu)要素(1)函數(shù)方框

函數(shù)方框是傳遞函數(shù)的圖解表示，方框中表示的是該輸入輸出之間的環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。所以，方框的輸出應(yīng)是方框中的傳遞函數(shù)乘以其輸入，即(2)相加點

相加點是信號之間代數(shù)求和運算的圖解表示，如圖2．3．2所示。1.相加點處，輸出信號(離開相加點的箭頭表示)等于各輸入信號(指向相加點的箭頭表示)的代數(shù)和；2.“十”號或“一”號表示該輸入信號代數(shù)運算中的符號；3.在相加點處加減的信號必須是同種變量，且量綱相同；4.相加點可以有多個輸入，但輸出是唯一的。

(3)分支點分支點表示同一信號向不同方向的傳遞，如圖2．3．3所示，在分支點引出的信號：量綱相同，數(shù)值相等.2.方框圖的建立

建立系統(tǒng)方框圖的步驟：(1)建立系統(tǒng)(或元件)的原始微分方程；(2)對微分方程進(jìn)行Laplace變換，并根據(jù)各Laplace變換式中的因果關(guān)系，繪出相應(yīng)的方框圖；(3)按照信號在系統(tǒng)中傳遞或變換的過程，依次將各傳遞函數(shù)方框圖連接起來(同一變量的信號通路連接在一起)，系統(tǒng)輸入量置于左端，輸出量置于右端。示例：(1)輸入變量為閥心位移x；輸出變量為活塞位移y;中間變量(2)按照液壓原理建立動力學(xué)方程負(fù)載動力學(xué)方程為流量連續(xù)性方程為例2圖示為電樞控制式直流電機(jī)原理圖，設(shè)為電樞兩端的控制電壓，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，為折合到電機(jī)軸上的總的負(fù)載力矩。當(dāng)激磁不變時，用電樞控制的情況下，為給定輸入，為干擾輸入，為輸出。系統(tǒng)中ed為電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時電樞兩端的反電勢；為電動機(jī)的電樞電流；為電動機(jī)的電磁力矩。

運動微分方程為：二.傳遞函數(shù)方框圖的等效變換

實際自動控制系統(tǒng)：通常用多回路的方框圖表示，如大環(huán)回路套小環(huán)回路，其方框圖甚為復(fù)雜。為便于分析和計算，可基于下述的等效原則對方框圖加以簡化。1．串聯(lián)環(huán)節(jié)的等效變換規(guī)則串聯(lián)：前一環(huán)節(jié)的輸出為后一環(huán)節(jié)的輸入的聯(lián)接方式稱為環(huán)節(jié)的串聯(lián)，如圖2．3．8所示。串聯(lián)后的傳遞函數(shù)為：故環(huán)節(jié)串聯(lián)時等效傳遞函數(shù)等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)之積

2.并聯(lián)環(huán)節(jié)的等效變換規(guī)則各環(huán)節(jié)的輸入相同，輸出為各環(huán)節(jié)輸出的代數(shù)和，這種聯(lián)接方式稱為環(huán)節(jié)的并聯(lián)，如圖2.3.9所示。則有環(huán)節(jié)并聯(lián)時等效傳遞函數(shù)等于各并聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)之和3．方框圖的反饋聯(lián)接及其等效規(guī)則

如下圖所示稱為反饋聯(lián)接，它也是閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖的最基本形式。單輸入作用的閉環(huán)系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)方框圖總可以簡化成圖2．3．10所示的基本形式。

圖2．3．10中，稱為前向通道傳遞函數(shù)，它是輸出與偏差之比，即稱為反饋回路傳遞函數(shù)，即

前向通道傳遞函數(shù)與反饋回路傳遞函數(shù)之乘積定義為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),它也是反饋信號與偏差之比，即（2.3.1）

（2.3.2）（2.3.3）輸出信號與輸入信號又之比，定義為系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，即

可以推出:若反饋回路傳遞函數(shù)H(S)=1,稱為單位反饋。此時有

（2.3.4）

（2.3.5）4．分支點移動規(guī)則

若分支點由方框之后移到該方框之前，為了保持移動后分支信號不變，應(yīng)在分支路上串人具有相同傳遞函數(shù)的方框，如圖2．3．11(a)所示。

若分支點由方框之前移到該方框之后，為了保持移動后分支信號X3不變，應(yīng)在分支路上串人具有相同傳遞函數(shù)的倒數(shù)的方框，如圖2．3．1l(b)所示。5．相加點移動規(guī)則

若相加點由方框之前移到該方框之后，為了保持總的輸出信號X3不變，應(yīng)在移動的支路上串入具有相同傳遞函數(shù)的方框，如圖2．3．1l(c)所示。

若相加點由方框之后移到該方框之前，應(yīng)在移動的支路上串入具有相同傳遞函數(shù)的倒數(shù)的方框，如圖2．3．1l(d)所示。6．分支點之間、相加點之間相互移動規(guī)則

分支點、相加點間的相互移動，均不改變原有的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，可以相互移動，如圖2．3．12(a)、(b)。但分支點相加點之間不能直接移動，因為它們并不等效?；喌姆椒ㄖ饕峭ㄟ^移動分支點或相加點，消除交叉聯(lián)接，使其成為獨立的小回路，以便用串、并聯(lián)和反饋聯(lián)接的等效規(guī)則進(jìn)一步化簡，一般應(yīng)先解內(nèi)回路，再逐步向外回路，一環(huán)環(huán)簡化，最后求得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。例：如圖2．3．13所示，應(yīng)用上述規(guī)則來簡化一個三環(huán)回路的方框圖，并求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。圖2.3.13(a)

化簡過程可按如下步驟進(jìn)行：(1)由(a)相加點前移得（b）;

圖2.3.13(b)

(2)將（b）中，中間小環(huán)回路化為單一向前傳遞函數(shù),得（c）；圖2.3.13(c)(3)再消去(c)中第二個閉環(huán)回路，使之成為單位反饋的單環(huán)回路，得(d)；圖2.3.13(d)(4)去掉（d）中單位反饋回路，得到單一向前傳遞函數(shù)，即原系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。圖2.3.13(e)方框圖的等效變換及簡化途徑不是唯一的

除了簡化求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)，含有多個局部反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)，還可直接用梅遜增益公式求解：括號內(nèi)每一項的符號是這樣決定的：在相加點處，反饋信號為“相加”時取負(fù)號；反饋信號為“相減”時取正號。

(2.3.7)

依此可直接由(a)作出（e），要特別注意，在應(yīng)用式（2.3.7）時，必須要具備以下兩個條件：（1）整個方框圖只有一條前向通道；（2）各局部反饋回路間存在公共的傳遞函數(shù)方框。如圖2.3.14（a）中，系統(tǒng)有兩個獨立的局部反饋回路，其間沒有公共的方框。不能若直接用式（2.3.7），應(yīng)先將兩局部反饋回路分別簡化成兩個方框，然后，將此兩方框串聯(lián)，得傳遞函數(shù)在圖2.3.14（b）中，系統(tǒng)的兩個反饋回路間有公共的傳遞函數(shù)方框，因此，可直接用式(2.3.7)得出傳遞函數(shù)：若系統(tǒng)不能滿足使用式（2.3.7）的兩個條件，可先將其方框圖化成滿足使用條件的形式，然后，再應(yīng)用式（2.3.7）求出閉環(huán)傳遞函數(shù)。2．4反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

控制系統(tǒng)一般會受到兩類輸人作用，一類是有用輸入，或稱給定輸入、參考輸入以及理想輸入等；另一類則是擾動，或稱干擾。給定輸入通常加在控制裝置的輸人端，也就是系統(tǒng)的輸入端；而干擾一般作用在被控對象上。為了消除干擾對系統(tǒng)輸出的影響，一般采用反饋控制的方式，將系統(tǒng)設(shè)計成閉環(huán)系統(tǒng)。典型結(jié)構(gòu)可用圖2.4.1(a)所示的方框圖表示。圖2.4.1(a)反饋控制系統(tǒng)的典型框圖

應(yīng)用疊加原理可分別求出在輸入信號和由擾動作用時，反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即閉環(huán)傳遞函數(shù)。輸入信號作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)此時令擾動為零，可把圖2.4.1(a)簡化為圖2.4.1(b)，圖2.4.1(b)輸入作用下的系統(tǒng)框圖

根據(jù)有反饋連接時的方塊圖等效，可求得輸出量與輸入量之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)為式中，稱為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。它是主反饋回路斷開時，反饋信號與輸入信號之間的傳遞函數(shù)。由2.4.1式可求得系統(tǒng)在輸入作用下的輸出為表明系統(tǒng)的輸出響應(yīng)取決于閉環(huán)傳遞函數(shù)和輸入信號的形式。