控制系统架构图
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2.3 控制系统的结构图方框图2
R(s)
E(s)
G(s)
－ ＋ B(s)
H(s)
（a）
C(s)
反馈连接
R(s) （b）
C(s)
上述三种基本变换是进行方框图等效变换的基础。对于 较复杂的系统,例如当系统具有信号交叉或反馈环交叉时,仅靠 这三种方法是不够的
信号相加点和信号分支点的等效变换
对于一般系统的方框图，系统中常常出现信号或反 馈环相互交叉的现象，此时可将信号相加点或信号分 支点作适当的等效移动，先消除各种形式的交叉，再 进行等效变换即可。
C(s) R(s) G1 (s) G2 (s) G3 (s) G(s)
G1(s) G2 (s)
C2 (s)
C1(s)
C(s)
G3 (s) （a）
C3 (s)
并联环节的等效传递函数等于
所有并联环节传递函数的代数和
n
G(s) Gi (s) n为相并联的环节数 i 1
（3）反馈连接 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
奉献教育店铺对于一般系统的方框图系统中常常出现信号或反馈环相互交叉的现象此时可将信号相加点或信号分支点作适当的等效移动先消除各种形式的交叉再进行等效变换即可
第二章 线性系统的数学模型
2.3 控制系统的结构图/方框图
（2）并联连接
R(s)
G1(s)C1(s)源自C2 (s) G2 (s)
R(s)
C(s)
G3 (s)
C3 (s)
（a）
G(s) （b）
C(s)
并联连接的特点： 各环节的输入信号是相同的，均为R(s)，
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) R(s) [G1 (s) G2 (s) G3 (s)]R(s)
控制系统的组成和描述.ppt.ppt
第二节 控制系统的 组成和描述
一、开环控制系统的组成和描述 二、闭环控制系统的组成和描述
回忆 飞镖的控制过程？
期望值 大脑
输入量
控制器
肢体
执行器
飞镖 落点
被控对象
输出量
1、系统的输出量仅受输入量控制 2、控制系统的输出量对系统的控制不产生任何影响 3、输入量到输出量之间的信号是单向传递。
简单开环控制系统的方框图
问题：根据空调器的工作过程，试画出其温度控制系统的方框图。
如设定温度为25oC，室内温度如果高于25oC，那么空调通 过比较，控制电路发出信号促使压缩机进行工作；
当温度达到25oC时，控制电路发出信号，压缩机停止工 作，风扇照常工作。
因此，空调温度控制系统中有从输出端返回到输入端的信息 反馈，它是闭环控制系统。
1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成
为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立
之势”。这说明该企业的创办
()
A．打破了外商对中国航运业的垄断
B．阻止了外国对中国的经济侵略
C．标志着中国近代化的起步
D．使李鸿章转变为民族资本家
解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家； 洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业 的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵 制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D 三项表述都有错误。 答案：A
(2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变 化。
3．交通通讯变化的影响 (1)新式交通促进了经济发展，改变了人们的通讯手段和 ，出行 方式转变了人们的思想观念。
(2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便 捷。
一、开环控制系统的组成和描述 二、闭环控制系统的组成和描述
回忆 飞镖的控制过程？
期望值 大脑
输入量
控制器
肢体
执行器
飞镖 落点
被控对象
输出量
1、系统的输出量仅受输入量控制 2、控制系统的输出量对系统的控制不产生任何影响 3、输入量到输出量之间的信号是单向传递。
简单开环控制系统的方框图
问题：根据空调器的工作过程，试画出其温度控制系统的方框图。
如设定温度为25oC，室内温度如果高于25oC，那么空调通 过比较，控制电路发出信号促使压缩机进行工作；
当温度达到25oC时，控制电路发出信号，压缩机停止工 作，风扇照常工作。
因此，空调温度控制系统中有从输出端返回到输入端的信息 反馈，它是闭环控制系统。
1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成
为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立
之势”。这说明该企业的创办
()
A．打破了外商对中国航运业的垄断
B．阻止了外国对中国的经济侵略
C．标志着中国近代化的起步
D．使李鸿章转变为民族资本家
解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家； 洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业 的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵 制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D 三项表述都有错误。 答案：A
(2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变 化。
3．交通通讯变化的影响 (1)新式交通促进了经济发展，改变了人们的通讯手段和 ，出行 方式转变了人们的思想观念。
(2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便 捷。
自动控制原理 控制系统的结构图
其他变化（比较点的移动、引出点的移动）以此三种 基本形式的等效法则为基础。
12
（1）串联连接
R( s )
U (s) 1
G (s) 1
G (s) 2
C( s )
R(s)
C(s)
G(s)
（a）
（b）
特点：前一环节的输出量就是后一环节的输入量
U1(s) G1(s)R(s) C(s) G2 (s)U1(s) G2 (s)G1(s)R(s)
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
-
R1(s)R2(s)
X1
X2
R2(s)
X3
X1-X2 +X3 -
X2
4
(4) 引出点（分支点、测量点） 表示信号测量或引出的位置
R(s)
G (s) 1
X(s)
G (s) 2
C(s)
X(s) 引出点示意图
注意：同一位置引出的信号大小和性质完全一样
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)
C(s) R(s)
G1(s)G2
(s)
G(s)
结论：
n
G(s) Gi (s) n为相串联的环节数 i 1
串联环节的等效传递函数等于所有传递函数的乘积
13
（2）并联连接
G1 (s)
12
（1）串联连接
R( s )
U (s) 1
G (s) 1
G (s) 2
C( s )
R(s)
C(s)
G(s)
（a）
（b）
特点：前一环节的输出量就是后一环节的输入量
U1(s) G1(s)R(s) C(s) G2 (s)U1(s) G2 (s)G1(s)R(s)
注意：进行相加减的量，必须具有相同的量纲。
X1 +
+
X1+X2 R1(s)
-
R1(s)R2(s)
X1
X2
R2(s)
X3
X1-X2 +X3 -
X2
4
(4) 引出点（分支点、测量点） 表示信号测量或引出的位置
R(s)
G (s) 1
X(s)
G (s) 2
C(s)
X(s) 引出点示意图
注意：同一位置引出的信号大小和性质完全一样
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)
C(s) R(s)
G1(s)G2
(s)
G(s)
结论：
n
G(s) Gi (s) n为相串联的环节数 i 1
串联环节的等效传递函数等于所有传递函数的乘积
13
（2）并联连接
G1 (s)
控制系统的结构图与信号流图.ppt
-
C2s
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s)
-
-1
R1
R1C2 s
1 u(s)
C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s) -
14:45
1
- R1
R1C2 s
1 u(s)
C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s) -
1 R1C1s + 1
u1 ( s )
[
I1 ( s)
I2
(s)]
1 sC1
I
2
(
s)
u1(s) uC R2
(s)
uC
(s)
I2
(s)
1 sC2
i1 R1 u1 R2 i2
ur
1 sC1
1 sC2
uc
14:45
有变量相减，说明存在反馈和比较，比较后的信号一 般是元件的输入信号，所以将上页方程改写如下相乘 的形式：
等效变换： 被变换部分的输入量和输出量 之间的数学关系，在变换前后 保持不变。
14:45
（1）串联
R(s)
两个F(环s) 节串C联(s) 的R等(s)效变换：C1(s)C(s)
G1(s)
RG(s2()GsG)11((ss))GC2(1s()s)CG(Gs2()s1)(s)C(s) G2(s)
不是串C联1(s！)=R(s)G1(s也) 不是串联！
- 1/R2 UC(s)
I2(s)1/sC2
C2s
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s)
-
-1
R1
R1C2 s
1 u(s)
C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s) -
14:45
1
- R1
R1C2 s
1 u(s)
C1s
1 R2C2s +1
uo (s)
ui (s) -
1 R1C1s + 1
u1 ( s )
[
I1 ( s)
I2
(s)]
1 sC1
I
2
(
s)
u1(s) uC R2
(s)
uC
(s)
I2
(s)
1 sC2
i1 R1 u1 R2 i2
ur
1 sC1
1 sC2
uc
14:45
有变量相减，说明存在反馈和比较，比较后的信号一 般是元件的输入信号，所以将上页方程改写如下相乘 的形式：
等效变换： 被变换部分的输入量和输出量 之间的数学关系，在变换前后 保持不变。
14:45
（1）串联
R(s)
两个F(环s) 节串C联(s) 的R等(s)效变换：C1(s)C(s)
G1(s)
RG(s2()GsG)11((ss))GC2(1s()s)CG(Gs2()s1)(s)C(s) G2(s)
不是串C联1(s！)=R(s)G1(s也) 不是串联！
- 1/R2 UC(s)
I2(s)1/sC2
现代控制2-3 系统方框图
31
实例2.
R(s) G(s)
＋
C(s) 比较点后移 Q(s)
C(s) R(s) Q(s) G(s)
＋
G(s)
C ( s ) = [ R ( s ) ± Q ( s )]G ( s ) = R ( s )G ( s ) ± Q ( s )G ( s )
32
实例3.
R(s) G(s) C(s) C(s)
2
干扰 温度 给定值 控制器 温度测量值 温度传感器 调节阀 加热水箱 输出
干扰 温度 给定值 输出
Gc(s)
温度测量值
Gv(s)
Gp(s)
Gf(s)
3
2.3.1 结构图的组成
控制系统的结构图由许多对信号进行单向运算 的方框和一些信号流向线组成 (1)信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的流 向，在直线旁标记信号的时间函数或象函数。
V2(s) R(s) V2(s) R(s) E1(s) (-) V1(s) R(s) C(s) 或 V2(s) C(s) (-) V1(s) C(s) (-) V1(s)
34
（6）负号的移动
负号可以在回路中任意移动，但不能越过 任何一个引出点或比较点。 R(s)
∓
E(s)
G(s) H(s)
C(s)
-1
35
原则
变换前后，要保证信号的等效性（传递函数不变性）
结构图等效变换方法
三种典型结构可直接用公式 相邻综合点可互换位置、可合并… 相邻引出点可互换位置、可合并…
注意
不要试图交换引出点和比较点的位置
36
【例2.3.4】根据结构图求传递函数C(s)/R(s) H2 R(s) G1 G2 G3 H3 H1
39
实例2.
R(s) G(s)
＋
C(s) 比较点后移 Q(s)
C(s) R(s) Q(s) G(s)
＋
G(s)
C ( s ) = [ R ( s ) ± Q ( s )]G ( s ) = R ( s )G ( s ) ± Q ( s )G ( s )
32
实例3.
R(s) G(s) C(s) C(s)
2
干扰 温度 给定值 控制器 温度测量值 温度传感器 调节阀 加热水箱 输出
干扰 温度 给定值 输出
Gc(s)
温度测量值
Gv(s)
Gp(s)
Gf(s)
3
2.3.1 结构图的组成
控制系统的结构图由许多对信号进行单向运算 的方框和一些信号流向线组成 (1)信号线：带有箭头的直线，箭头表示信号的流 向，在直线旁标记信号的时间函数或象函数。
V2(s) R(s) V2(s) R(s) E1(s) (-) V1(s) R(s) C(s) 或 V2(s) C(s) (-) V1(s) C(s) (-) V1(s)
34
（6）负号的移动
负号可以在回路中任意移动，但不能越过 任何一个引出点或比较点。 R(s)
∓
E(s)
G(s) H(s)
C(s)
-1
35
原则
变换前后，要保证信号的等效性（传递函数不变性）
结构图等效变换方法
三种典型结构可直接用公式 相邻综合点可互换位置、可合并… 相邻引出点可互换位置、可合并…
注意
不要试图交换引出点和比较点的位置
36
【例2.3.4】根据结构图求传递函数C(s)/R(s) H2 R(s) G1 G2 G3 H3 H1
39
自动控制原理控制系统的结构图
I1(s)
I2 (s)
CR1s
7
i2
C
i
i1 R1
ui
R2
uo
（3）
I(s) I1(s) I2 (s)
I2 (s)
I (s)
I1(s)
（4）U o (s) R2 I (s)
I (s)
Uo (s)
R2
8
（1）Ui (s)
（3）
- Uo(s)
I2 (s)
（2）
1
I1(s)
I1(s)
I2 (s)
－ Uo (s)
（d）
将图（b）和(c)组合起来即得到图(d)，图(d)为该 一阶RC网络的方框图。
11
2.3.3 系统结构图的等效变换和简化
为了由系统的方框图方便地写出它的闭环传递函 数，通常需要对方框图进行等效变换。
方框图的等效变换必须遵守一个原则，即： 变换前后各变量之间的传递函数保持不变
在控制系统中，任何复杂系统的方框图都主要由 串联、并联和反馈三种基本形式连接而成。
u
o
idt c
对其进行拉氏变换得：
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
10
I (s)
U
o
(s)
U
i (s)
I (s) sC
U R
o
(s)
(1) (2)
Ui (s)
I(s)
（b）
Uo (s)
I(s)
（c）
Uo (s)
Ui (s)
I(s)
Uo (s)
控制系统的方框图
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
信号只能沿箭头方向流通，即信号的传递具有单向性。
引出点：信号引出或测量的位置
表示信号从该点取出。注意，从同一信号 线上取出的信号，大小和性质完全相同。 比较点： 表示两个或两个以上信号在该点相加 （+）或相减（-）。 注意，比较点处信号的运算符号（正、负）必须 标明，一般不标明则取正号。 方框：（环节） 表示输入、输出信号之间的动态传递关系，有 运算关系： Y（S）=G（S）X（S）
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)
① N（s）=0时（无扰动）
E（s）=R（s）-B（s） = R（s）-H（s）C（s） = R（s）-H（s）G1（s）G2（s）E（s）
E( s) B( s) H ( s)C( s) H ( s)G2( s)[N ( s) G 1 ( s) E( s)] E2 ( s) H ( s)G2( s) N ( s) 1 G 1 G2H ( s)
第2章第4节控制系统的结构图
R（s） G1(s) U（s） G2(s) C（s） R（s） G1(s) G2(s) C（s）
C ( s ) = G 2 ( s )U ( s ) = G 2 ( s )G1 ( s ) R ( s ) = G ( s ) R ( s ) G( s) = G1 ( s)G2 ( s)
推广到n个方框串联连接
+ ψ 电位器1 up 放大器 电动机 If 励磁绕组 电位器2 Ia 发电机原动机 发电机 齿轮传 动机构 φ 负载
J.Z. Xiao, CEIE, HBU
随动系统原理结构图
6
（1）电位器组：
u p = k p (ψ − ϕ)
ψ(s) -
U p ( s ) = k pψ ( s ) − k p ϕ ( s )
ψ(s) kp
UP(s) ka -
I f (s) 1 R f (Tf s + 1)
kg
1 kd (TaTm s 2 + Tm s + 1)
kp
ω(s)
kt s
φ(s)
J.Z. Xiao, CEIE, HBU
随动系统结构框图
9
三、结构图的等效变换
等效变换原则： 变换前后各变量之间的传递关系保持不变。 三种基本连接形式： 串联、并联和反馈 1、串联连接的等效传递函数
§2.4 控制系统的结构图(方框图)
结构图的组成 结构图的绘制 结构图的等效变换
由代数关系，是否可将复杂系统视为其 各子系统间的输入输出连接形式呢？
R1
L
C1
R2
ui (t )
′ uo (t )
ui′(t )
C2
uo (t )
组合后的 系统模型 是什么？
C ( s ) = G 2 ( s )U ( s ) = G 2 ( s )G1 ( s ) R ( s ) = G ( s ) R ( s ) G( s) = G1 ( s)G2 ( s)
推广到n个方框串联连接
+ ψ 电位器1 up 放大器 电动机 If 励磁绕组 电位器2 Ia 发电机原动机 发电机 齿轮传 动机构 φ 负载
J.Z. Xiao, CEIE, HBU
随动系统原理结构图
6
（1）电位器组：
u p = k p (ψ − ϕ)
ψ(s) -
U p ( s ) = k pψ ( s ) − k p ϕ ( s )
ψ(s) kp
UP(s) ka -
I f (s) 1 R f (Tf s + 1)
kg
1 kd (TaTm s 2 + Tm s + 1)
kp
ω(s)
kt s
φ(s)
J.Z. Xiao, CEIE, HBU
随动系统结构框图
9
三、结构图的等效变换
等效变换原则： 变换前后各变量之间的传递关系保持不变。 三种基本连接形式： 串联、并联和反馈 1、串联连接的等效传递函数
§2.4 控制系统的结构图(方框图)
结构图的组成 结构图的绘制 结构图的等效变换
由代数关系，是否可将复杂系统视为其 各子系统间的输入输出连接形式呢？
R1
L
C1
R2
ui (t )
′ uo (t )
ui′(t )
C2
uo (t )
组合后的 系统模型 是什么？