自动控制原理：第5讲（第二章 控制系统的结构图和信流图）.pptx

《自动控制原理：第5讲——控制系统的结构图和信流图》 自动控制理论是现代工程领域中的重要学科，它涉及到系统分析、设计和优化等多个方面。在本讲中，我们将聚焦于控制系统的一种可视化表达方式——结构图和信流图，这两种图形工具在理解和描述复杂的控制系统动态行为时具有显著的优势。 我们来了解结构图的基本概念。结构图，也被称为函数结构图或方块图，是一种用于表示系统中各个变量间数学关系的图形化表示方式。以一个简单的例子为例，如电位器控制的系统，其结构图由一个方块表示，传递函数为Y(s)=X(s)G(s)，其中X(s)是输入，Y(s)是输出，G(s)是传递函数。在结构图中，每个方块代表一个独立的环节，信号线则指示信号的传递方向，比较点用于信号的加减运算，而分支点则表示信号的引出或测量位置。 在构建结构图时，遵循一定的规则。方块代表的是系统中的元件或环节，其输出是输入信号与内部传递函数的乘积；信号线带有箭头，指示信号的流动路径；比较点可以执行加法或减法操作；分支点则是信号的复制点，意味着从该点引出的信号具有相同的数值和特性。例如，无源网络的结构图构建就是通过基尔霍夫电压定律，将网络中的每一个元件转换为方块，然后用信号线连接，表示信号的传递。 接下来，我们讨论结构图的绘制。以一个电压测量装置为例，这个装置同时包含了比较电路、机械调制器、放大器、伺服电机以及指针机构。在绘制结构图时，我们需要识别系统的各个组成部分及其功能，例如，比较电路用于检测误差电压，调制器和放大器用于信号处理，伺服电机则是执行机构。通过拉氏变换，我们可以将这些元件的动态特性转化为传递函数，并构建出完整的结构图，清晰地展示出信号在系统中的流动路径。 结构图虽然直观，但对于非常复杂的系统，它的绘制和分析可能变得相当繁琐。这时，信流图作为一种更为简洁的表示方式应运而生。信流图通过节点和有向边来表示系统的结构，它更加适合于计算机辅助分析和仿真，如MATLAB的Simulink工具，使得复杂的系统动态分析变得更为便捷。 控制系统的结构图和信流图是理解和分析控制系统的有力工具。它们将系统的数学模型转化为直观的图形，便于我们对系统的行为进行建模、仿真和优化。在实际工程应用中，这些图形化表示方法极大地提升了设计效率，降低了理解复杂系统动态特性的难度。