第三章系统的数学模型

第三章系统的数学模型第1页，课件共95页，创作于2023年2月3.1系统的微分方程3.1.1建立微分方程的基本步骤（1）确定系统或各组成元件的输入、输出量。（2）根据各变量所遵循的运动规律和物理定律，列写出信号在传递过程中各环节的动态微分方程。（3）按照系统的工作条件，忽略一些次要因素，对已建立的原始动态微分方程进行数学处理，并考虑相邻元件间是否存在负载效应。（4）消除所列动态微分方程的中间变量，得到描述系统的输入、输出量之间关系的微分方程。（5）整理所得的微分方程。第2页，课件共95页，创作于2023年2月3.1.2机械系统的微分方程在机械系统中，有些部件具有较大的惯性和刚度，而另一些部件则惯性较小、柔性较大。我们将前一类部件的弹性忽略，将其视为质量块；而把后一类部件的惯性忽略，将其视为无质量的弹簧。这样，机械系统可抽象为质量—弹簧—阻尼系统。通过牛顿第二定律将质量—弹簧—阻尼系统中的运动（位移、速度和加速度）与力联系起来，建立机械系统的动力学方程，即机械系统的微分方程。第3页，课件共95页，创作于2023年2月为了分析这个系统，首先将动力滑台连同铣刀抽象成如3.1(b)所示的质量—弹簧—阻尼系统的力学模型(其中，m为受控质量；k为弹性刚度；c为粘性阻尼系数；yo(t)为输出位移)。根据牛顿第二定律

例3－1如图3.1(a)所示的组合机床动力滑台铣平面时的情况。工件动力滑台（a)(b)图3.1组合机床动力滑台及其动力学模型第4页，课件共95页，创作于2023年2月的运动方程。例3－2如图3.2(a)所示的机械位移系统。它由弹簧K、质量块m、阻尼器c所组成。试写出在外力的作用下，质量可得将输出变量项写在等号的左边，将输入变量项写在等号的右边，并将各阶导数项按降幂排列，得上式就是组合机床动力滑台铣平面时的机械系统的数学模型，即微分方程。块m的位移第5页，课件共95页，创作于2023年2月图3.2机械位移系统(a)(b);阻位移在本题中的输入变量为外力，输出变量为质量块m的，受控对象为质量块m。

取质量块m对其进行受力分析，作用在质量块m上的力有外力;弹簧的弹力

尼器的阻尼力。由牛顿第二定律得第6页，课件共95页，创作于2023年2月为阻尼比。

，即令，。，则上式可写成（3.1）

式中，T称为时间常数，单位为秒，显然上式描述的质量块m的位移的运动方程是一个二阶线性定常微分方程。第7页，课件共95页，创作于2023年2月齿轮1和齿轮2的原动转矩及负载转矩分别是、和、。其粘性摩擦系数及转动惯量分别是、和、；例3－3试列写图3.3(a)所示的齿轮系的运动方程。图中齿轮1和齿轮2的转速、齿数和半径分别用、、和、、

表示；

(a)(b)图3.3齿轮系解：

在齿轮传动中，两个啮合齿轮的线速度相同，传送的功率亦相同，因此齿数与半径成正比，即第8页，课件共95页，创作于2023年2月可得齿轮1和齿轮2的运动方程为消去中间变量，可得

令则得齿轮系微分方程为第9页，课件共95页，创作于2023年2月解：当汽车沿着道路行驶时，轮胎的垂直位移作为一种运动激励作用在汽车的悬浮系统上。该系统的运动由质心的平移运动和围绕质心的旋转运动所组成。建立该系统的数学模型是相当复杂的。例3－4图3.4(a)表示了一个汽车悬浮系统的原理图，试求汽车在行驶过程中的数学模型。质心车体(a)(b)图3.4汽车悬浮系统及其动力学模型第10页，课件共95页，创作于2023年2月根据牛顿第二定律，可得图3.4(b)表示了经简化后的悬浮系统，只考虑车体在垂直方向的运动。

即第11页，课件共95页，创作于2023年2月3.1.3电气系统的微分方程

通过应用一种或同时应用两种基尔霍夫定律，就可以得到电路系统的数学模型。

电气系统所遵循的基本定律是基尔霍夫电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律(也称节点电流定律)表明，流入节点的电流之和等于流出同一节点的电流之和；基尔霍夫电压定律(也称环路电压定律)表明，在任意瞬间，在电路中沿任意环路的电压的代数和等于零。第12页，课件共95页，创作于2023年2月。输入变量，中间变量为。，输出变量为例3－5RLC无源网络如图3.5所示，图中R、L、C分别为电阻、电感、电容。试列出以为输入，为输出的微分方程。RLC图3.5RLC无源网络解设网络中的电流为忽略输出端负载效应。解

：由基尔霍夫定律得，消去中间变量，得令，，则

（3.2）又第13页，课件共95页，创作于2023年2月式中，T为时间常数，单位为秒，为阻尼比。显然上式描述的以为输入电压，为输出电压的网络微分方程是一个二阶线性定常微分方程。例3－6图3.6所示为两个形式相同的RC网络串联而成的滤波网络。试写出以输出电压和输入电压为变量的滤波网络微分方程。R2C2图3.6两级RC滤波网络C1R1解：（1）考虑负载效应时根据基尔霍夫定律，得：第14页，课件共95页，创作于2023年2月消去中间变量后得（3.3）即滤波网络微分方程。如果孤立地分别写出R1C1和R2C2这两个环节的微分方程。则对前一个环节，有（3.4）

（2）不考虑负载效应时式中，为此时前一个环节的输出与后一个环节的输入。（3.5）

对后一个环节，有第15页，课件共95页，创作于2023年2月消去中间变量，得（3.6）特别指出：负载效应是物理环节之间的信息反馈作用，相邻环节的串联，应该考虑它们之间的负载效应。对于电网络系统而言，只有当后一个环节的输入阻抗很大，对前面环节的影响可以忽略时，方可单独分别列写每个环节的微分方程。3.1.4机电系统的微分方程对于较复杂的控制系统，列写系统微分方程可采用以下步骤：分析系统的组成结构和工作原理，将系统按照其组成结构和属性划分为各组成环节，并确定各环节的输入、输出变量；

(2)根据各组成环节的属性和所遵循的运动规律和物理定律，第16页，课件共95页，创作于2023年2月例3－7在图3.7所示的机电系统中，在质量块上产生的电磁力为，为输出为输入电压，列写每一个环节的原始微分方程，并将其适当地简化；(3)按照系统的工作原理，根据信号在传递过程中能量的转换形式，找出各组成环节的相关物理量，将各组成环节的微分方程联立，消去中间变量，最后得到系统得微分方程。位移。R和L分别为铁芯线圈的电阻与电感，m为质量块的质量，k为弹簧的刚度，c为阻尼器的阻尼系数，功率放大器为一理想放大器，其增益为K。

假定铁芯线圈的反电动势为，线圈电流并设全部初始条件为零。试列写该系统的输入输出微分方程。第17页，课件共95页，创作于2023年2月图3.7机电系统RL功率放大器对于电气系统这个环节，根据基尔霍夫定律，写出原始方程：对于机械系统这个环节，根据牛顿第二定律，写出原始方程，可得消去中间变量，并整理得即为该系统的输入输出微分方程。第18页，课件共95页，创作于2023年2月例3－8试列写图3.8所示的电枢控制直流电动机的输入输出微分方程。电枢的输入电压为输为输入量，电动机转速与激磁磁通及转速成正比，方向

对于电枢回路，设电枢旋转时产生的反电动势为动机轴上的总负载转矩，设激磁磁通为常值。为折合到电出量，图中R、L分别为电枢电路的电阻和电感，负载图3.8电枢控制直流电动机原理图RL，其大小（3.7）与电枢电压相反，即根据基尔霍夫定律，得：（3.8）

解：第19页，课件共95页，创作于2023年2月对于负载而言，设f是电动机折合到电动机轴上的粘性摩擦系数，J是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量，则电动机轴上的转矩平衡方程为

（3.10）将式（3.7）～（3.10）消去中间变量，可得到电枢控制直流电动机的微分方程（3.11）在工程应用中，由于电枢电路电感L较小，通常忽略不动机的转矩系数为，则电磁回路的转矩方程（3.9）对于电磁回路，设电枢电流产生的电磁转矩为，电第20页，课件共95页，创作于2023年2月式中，是电动机的时间常数，是电动机的传递系数。

如果电枢电阻R和电动机的转动惯量J都很小，可忽略不计时，式（3.12）还可进一步简化为（3.13）成正比，于是，电与电枢电压这时，电动机的转速动机可作为测速发电机使用。（3.12）计，因而式（3.11）可简化为第21页，课件共95页，创作于2023年2月，系统微分3.2系统的传递函数对线性定常系统，若输入为

3.2.1传递函数的基本概念，输出为（3.14）方程的一般形式可表示为在零初始条件下，即当外界输入作用前，输入、输出的，，…，

初始条件和，，…，均为零时，对式（3.14）作拉氏变换得

（3.15）第22页，课件共95页，创作于2023年2月在外界输入作用前，输入、输出的初始条件为零时，线的拉氏变换与输的拉氏变换之比，称为该系统（环节或元件）的表示。

入性定常系统（环节或元件）的输出传递函数，用（3.16）则（3.17）将式（3.17）所表示的系统用方框图表示为图3.9所示。如无特别声明，一般将外界输入作用前的输出的初始条件，，…，称为系统的初始状态。，图3.9系统方框图第23页，课件共95页，创作于2023年2月传递函数分母的阶次与各项系数只取决于系统本身的与外界无关的固有特性，而分子的阶次与各项系数取决于系统与外界之间的关系。所以，传递函数的分母与分子分别反映了由系统的结构与参数所决定的系统的固有特性和系统与外界之间的联系。由于已设初始状态为零，而这一输出与系统在输入作用前的初始状态无关。

（3.18）传递函数具有如下一些主要特点：(2)当系统在初始状态为零时，对于给定的输入，系统输出的拉氏逆变换完全取决于系统的传递函数。式（3.17）通过拉氏逆变换，便可求得系统在时域中的输出第24页，课件共95页，创作于2023年2月(3)传递函数分母中s的阶次n不会小于分子中s的阶次m,即n≥m。

(4)传递函数可以有量纲，也可以是无量纲的，这取决于系统输出的量纲与输入的量纲。

(5)物理性质不同的系统、环节或元件，可以具有相同类型的传递函数。

(6)传递函数非常适用于对单输入、单输出的线性定常系统的动态特性进行描述。

第25页，课件共95页，创作于2023年2月3.2.2传递函数的零点、极点和放大系数系统的传递函数G(s)是以复变量s作为自变量的函数。通过因式分解后，传递函数G(s)可以写成如下的一般形式：

K为常数（3.19）由复变函数可知，在式（3.19）中，当s=zj(j=1,2,…,m)时，均能使传递函数G(s)＝0，称z1,z2,…,zm为传递函数G(s)的零点。当s=pi(i=1,2,…,n)时，均能使传递函数G(s)的分母等于零，即使传递函数G(s)取极值

(i=1,2,…,n)

（3.20）因此，称p1,p2,…,pn为传递函数G(s)的极点，即系统传递函数的极点也就是系统微分方程的特征根。第26页，课件共95页，创作于2023年2月如果用拉氏变换求解系统的微分方程可得系统的瞬态响应，其瞬态响应由以下形式的分量所构成，，其中，p和是系统传递函数的极点，也就是系统微分方程的特征根。假定所有的极点是负数或具有负实部的复数，即，当时，上述分量将趋近于零，瞬态响应是收敛的。在这种情况下，称系统是稳定的，也就是说系统是否稳定由系统的极点性质所决定。

同样，根据拉氏变换求解系统的微分方程可知，当系统的输入信号一定时，系统的零、极点决定着系统的动态性能，即零点对系统的稳定性没有影响，但它对瞬态响应曲线的形状有影响。第27页，课件共95页，创作于2023年2月当s=0时若系统输入为单位阶跃信号，即，根据拉氏变换的终值定理，系统的稳态输出值为所以G(0)决定着系统的稳态输出值，由式（3.16）可知，G(0)就是系统的放大系数。

由上述可知，系统传递函数的零点、极点和放大系数决定着系统的瞬态性能和稳态性能。

第28页，课件共95页，创作于2023年2月，可以用如下的形式3.2.3典型环节的传递函数对于线性定常系统的传递函数如果将上式进行因式分解，总可以分解为如下一些因式的有限组合：描述：（3.21），，，，，这些简单因式可以构成独立的控制单元，并具有各自独特的动态性能，我们称这些简单因式作为传递函数所构成的控制单元为典型环节。式（3.21）所表示的典型环节分别为：比例环节、惯性环节、微分环节、积分环节、振荡环节和延时环节。

第29页，课件共95页，创作于2023年2月1.比例环节

也称为放大环节，无惯性环节，零阶环节。凡输出量与输入量成正比，输出不失真也不延迟，而按比例反映输入量的环节称为比例环节。其输入输出方程为（3.22）为比例环节的放大系数或式中，为输出，为输入，增益。其传递函数为：用方框图表示图3.10比例环节方框图第30页，课件共95页，创作于2023年2月为输出电压；R1、R2为电阻。为输入电压，图3.11运算放大器R2R1例3－9求如图3.11所示的运算放大器的传递函数。其中，的关系为解输入电压与输出电压经拉氏变换后，得则运算放大器的传递函数第31页，课件共95页，创作于2023年2月若齿轮副无传动间隙，且传动系统的刚性为无穷大。那分别为输入和输出轴的转速，z1、z2为齿轮的齿数。例3－10求如图3.12所示的齿轮传动副的传递函数。、图3.12齿轮传动副解，故有，就会产生输出转速么，一旦有输入转速经拉氏变换后，得则齿轮传动副的传递函数式中，K为齿轮副的传动比。第32页，课件共95页，创作于2023年2月2.惯性环节也称为一阶惯性环节。凡在时域中，如果输入、输出量可表达为如下一阶微分方程：形式的环节称为惯性环节。设初始状态为零，将上式两边同时进行拉氏变换，得则

（3.23）式中，K为惯性环节的增益或放大系数，T为惯性环节的时间常数。惯性环节的方框图第33页，课件共95页，创作于2023年2月图3.16微分环节方框图在惯性环节中，总是含有一个储能元件，对于突变形式的输入，其输出不能立即复现，输出总是落后于输入。例3－11求如图3.14所示的质量—弹簧—阻尼系统的传递函为输入位移，为输出位移，k为弹簧的刚度，c为阻数。尼器的阻尼系数。图3.14忽略质量的阻尼—弹簧系统解若质量块的质量m相对很小，可以忽略其影响。根据牛顿第二定律，有经拉氏变换后，得第34页，课件共95页，创作于2023年2月电压，为电流，R为电阻，C为电容。求系统的传递函数。为输出故传递函数为：式中，T为惯性系统的时间常数，且。RC图3.15无源滤波网络例3－12图3.15为无源滤波网络，为输入电压，解根据基尔霍夫定律，有消去中间变量，得

第35页，课件共95页，创作于2023年2月正比于输入量经拉氏变换后，得

故传递函数为：式中，T＝RC为惯性系统的时间常数。凡在时域中，如果输出量的微分，3.微分环节即具有形式的环节称为微分环节。将上式两边同时进行拉氏变换，第36页，课件共95页，创作于2023年2月则传递函数为：式中，T为微分环节的时间常数。微分环节的方框图

（3.24）图3.16微分环节方框图

微分环节的输出反映了输入的微分关系，当输入为单位阶跃函数时，输出在理论上将是一个幅值为无穷大而时间宽度为零的脉冲函数，这在实际中是不可能的。这也证明了传递函数中分子的阶次不可能高于分母的阶次。因此，微分环节不可能单独存在，它是与其他环节同时存在的。因此，式（3.24）定义的微分环节称为理想的微分环节。第37页，课件共95页，创作于2023年2月例3－13图3.17是机械液压阻尼器的原理图。图中A为活塞面积，k为弹簧刚度，R为液体流过节流阀上阻尼小孔时的液阻，p1、p2分别为液压缸左右腔单位面积上的压力。输入量是活塞，输出量是液压缸的位移。求系统的传递函数。位移图3.17机械液压阻尼器解液压缸的力平衡方程为通过节流阀上阻尼小孔的流量方程为以上二式中消去p1、p2，得到第38页，课件共95页，创作于2023年2月为输入电压，即

经拉氏变换后，得

故传递函数为：

令，得、为电流，和为电阻，C为电容，例3－14图3.18也是一个具有惯性的微分环节。图中R1、R2为输出电压。求其传递函数。第39页，课件共95页，创作于2023年2月CR1图3.18具有惯性的微分环节R2解根据基尔霍夫定律，有代入将、中，得对、进行拉氏变换，分别得到第40页，课件共95页，创作于2023年2月消去中间变量则传递函数为式中，称为时间常数。而当时，经拉氏变换后，得故传递函数函数为式中，称为时间常数。第41页，课件共95页，创作于2023年2月如对一比例环节Kp施加一速度函数，即单位斜坡函数作为输入，则当Kp＝1时，此环节在时域中的输出即为45°斜线，如图3.19所示；若对此比例环节再并联一个微分环节KpTs，则系统的传递函数为（如图3.20(b)所示）:在控制系统中，微分环节主要用来改善系统的动态性能，其控制作用如下所述：0图3.19比例环节(Kp＝1)的输入输出曲线即系统并联了微分环节（在Kp＝1时）它所增加的输出（1）使系统的输出提前，即对系统的输入有预测作用。第42页，课件共95页，创作于2023年2月，故微分环节所增加的输出为：因为原输出(a)

(b)

0图3.20微分环节的控制作用新输出第43页，课件共95页，创作于2023年2月（2）增加系统的阻尼。如图3.21(a)所示，系统的传递函数为：(a)图3.21微分环节增加系统的阻尼(b)

对系统的比例环节Kp并联微分环节KpTds化简后，其传递函数为：第44页，课件共95页，创作于2023年2月

G1(s)与G2(s)均为二阶系统的传递函数，其分母中的第二项s前的系数与阻尼有关，G1(s)的系数为1，而G2(s)的系数为1＋KpKTd>1。所以，采用微分环节后，系统的阻尼增加。（3）具有强化系统噪声的作用。

4.积分环节凡在时域中，如果输出量正比于输入量的积分，即具有形式的环节称为积分环节。显然，其则传递函数为：（3.25）式中，T为积分环节的时间常数。积分环节的方框图如图3.22所示。第45页，课件共95页，创作于2023年2月当系统的输入为单位阶跃信号时，经拉氏逆变换后，积分环节的输出图3.22积分环节方框图图3.23积分环节的输入输出关系0对阶跃输入，输出要在t=T时才能等于输入，故有滞后作用。经过一段时间的累积后，当输入变为零时，输出量不再增加，但保持该值不变，具有记忆功能。其特点是输出量为输入量对时间的累积，输出的幅值呈线性增长，如图3.23所示。第46页，课件共95页，创作于2023年2月为输出量。试求此机构的为输入量，齿条的位移量例3－15图3.24示出了一齿轮齿条传动机构。齿轮的转速解齿轮齿条的转速关系为传递函数。图3.24齿轮齿条传动机构式中，D为齿轮的节圆直径。对上式取拉氏变换后，得其传递函数为时，这个环节变为比例环节。倍。若输出为速度时，输出上式表示，当输入为转速为输入的积分的第47页，课件共95页，创作于2023年2月例3－16图3.25所示出为有源积分网络，为输出电压，R为电阻，C为电容。求网络的传递函数。为输入电压，解由图可得图3.25有源积分网络CR故其传递函数为：式中，。第48页，课件共95页，创作于2023年2月振荡环节也称二阶振荡环节，它是一个二阶环节。凡在时域中，如果输出量与输入量可用下列微分方程表示5.振荡环节的环节称为振荡环节。将上式两边同时进行拉氏变换，得则传递函数为：令，式（3.26）可化为：（3.27）

（3.26）第49页，课件共95页，创作于2023年2月式中，为无阻尼固有频率，T为振荡环节的时间常数，为阻尼比，且0≤<1。图3.26振荡环节方框图（1）当0≤<1时，系统的输出为一振荡过程，此时二阶环对于二阶环节作阶跃输入时，系统的输出有两种情况：节为振荡环节。即第50页，课件共95页，创作于2023年2月其输出曲线如图3.27(b)所示，是一条按指数衰减振荡的曲线。0图3.27振荡环节中单位阶跃输入输出曲线0(a)(b)（2）当≥1时，系统的输出为一指数上升曲线而不振荡，最后达到常值输出。振荡环节一般含有两个储能元件和一个耗能元件，由于两个储能元件之间有能量交换，使系统的输出发生振荡。

第51页，课件共95页，创作于2023年2月为输入位移，例3－17求图3.28所示的质量—阻尼—弹簧系统的传递函数。为输出位移，k为弹簧的刚度，m为质量块的质量，c为质量块与支撑面间的阻尼系数。解根据牛顿第二定律，写出系统的动力学方程如下经拉氏变换后，得故传递函数为式中，，。当0≤<1时，系统为一振荡环节。

图3.28质量—阻尼—弹簧系统第52页，课件共95页，创作于2023年2月为输入电压，例3－18图3.29所示为电感L、电阻R与电容C的串、并联电路，解根据基尔霍夫定律，有为输出电压。试求该系统的传递函数。而将后两式代入第一式并整理，得经拉氏变换后，得C图3.29RLC电路RL第53页，课件共95页，创作于2023年2月延时环节也称延迟环节。凡在时域中，如果输出量滞后输入时间而不失真地反映输入量的环节称为延时环节。具有延时环节的系统称为延时系统。传递函数为：式中，为电路的固有振荡频率，为电路的阻尼比。

6.延时环节延时环节的输入量与输出量之间有如下的关系：第54页，课件共95页，创作于2023年2月式中，为延迟时间。（3.28）

延时环节也是线性环节，它符合叠加原理。根据式（3.28）,可得延时环节的传递函数为：（3.29）延时环节的方框图如图3.30所示。图3.30延时环节方框图。内并无输出，在时刻起就已有了输出。而延时环节在输入开始之初的时间

延时环节与惯性环节不同。惯性环节的输出需要延迟一段时间才接近于所要求的输出量，但它从输入开始后，输出就完全等于从一开始起的输入，第55页，课件共95页，创作于2023年2月且不再有其他滞后过程；即输出等于输入，只是在时间上延迟了一段时间间隔。当输入阶跃信号时，延时环节的输入输出特性如图3.31所示。0图3.31延时环节的输入输出关系1第56页，课件共95页，创作于2023年2月（图中为。若测厚仪与机架的距离为L，带钢的速度为v，则延迟想厚度）。但是，这一厚度偏差在到达B点时才被测厚仪所检测到。测厚仪检测到的带钢厚度偏差为例3－19图3.32所示为轧钢时的带钢厚度检测示意图。带钢，h为要求的理，即为其输出信号。故测厚仪输出信号与厚度偏差这一输入信号之间有如下关系：在A点轧出时，产生厚度偏差时间因而有图3.32轧钢时带钢厚度检测示意图第57页，课件共95页，创作于2023年2月控制系统传递函数列写的一般方法如下：（1）首先列写出控制系统的输入输出微分方程。

（2）对所列写出的控制系统输入输出微分方程的两边分别对输入量和输出量进行拉氏变换，并整理、化简成传递函数的标准形式，即可得到系统的传递函数。（1）传递函数框图中的环节是根据运动微分方程来划分的，一个环节并不一定代表一个具体的物理元件，一个具体的物理元件也不一定就是一个传递函数环节；

在列写系统的传递函数时，还有几点需要强调是：（2）不要把表示系统结构情况的物理框图与分析系统的传递函数框图混淆起来。

第58页，课件共95页，创作于2023年2月所示的物理框图表示。为输入，例如，对于图3.6所示的两级RC滤波网络，其结构可用图3.33为输出时，它的正确的（3.30）传递函数由式（3.3）可知为：但不考虑负载效应，R1与C1的子系统R2与C2的子系统图3.33两级RC网络的物理框图R2C2图3.6两级RC滤波网络C1R1（3.31）

（3.32）第59页，课件共95页，创作于2023年2月直接将式（3.31）和式（3.32）代入到图3.33中，由此作出的系统传递函数框图如图3.34所示，并由此得到的系统传（3.33）显然是错误的。只有组成整个系统的物理元件（物理环节或子系统）之间无负载效应时，上述代入才是正确的。物理框图与传递函数框图才是一致的。

图3.34两级RC网络的传递函数框图（未考虑负载效应）递函数为：第60页，课件共95页，创作于2023年2月

，取速度，则有如果输入为位移作为输入例如，微分环节的微分方程和传递函数分别为：显然，该环节就成为一个比例环节。（3）同一个物理元件（物理环节或子系统）在不同系统中的作用不同时，其传递函数也可能不同，因为传递函数同所选择的输入、输出物理量的类型有关，并不是不可改变的。第61页，课件共95页，创作于2023年2月3.3系统方块框图及其简化一个系统可由若干个环节按一定的关系所组成，将这些环节用方框来表示，其间用相应的变量及其信号流向联系起来，这就构成了系统的方框图。根据系统方框图，通过一定的运算变换可求得系统的传递函数。

3.3.1系统传递函数的方框图表示（1）函数方框

1.方框图的结构要素函数方框是传递函数的图解表示。

图3.35系统传递函数框图指向方框的箭头表示输入信号的拉氏变换；离开方框的箭头表示输出信号的拉氏变换；方框中表示的是该环节的第62页，课件共95页，创作于2023年2月传递函数。所以，方框输出的拉氏变换等于方框中的传递函数乘以其输入的拉氏变换，即输出信号的量纲等于输入信号的量纲与传递函数量纲的乘积。相加点是信号之间代数求和运算的图解表示。在相加点处，输出信号等于各输入信号的代数和，每一个指向相加点的箭头前方（2）相加点图3.36相加点示意图的＋号或－号表示该输入信号在代数运算中的符号。在相加点处加减的信号必须是同种变量，运算时的量纲也要相同。相加点可以有多个输入，但输出是唯一的。第63页，课件共95页，创作于2023年2月分支点表示同一信号向不同方向的传递。在分支点引出的信号不仅量纲相同，而且量值也相同。（3）分支点图3.37分支点示意图（1）根据系统的工作原理和特性将系统划分为若干个环节；（2）建立各个环节的原始微分方程；（3）对所建立的各个环节原始微分方程进行拉氏变换，分别建立其传递函数和绘制环节的方框图；（4）按照信号在系统中传递、变换的关系，依次将各传递函2.系统方框图的建立建立系统方框图的一般步骤为：第64页，课件共95页，创作于2023年2月数方框图连接起来（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，便可得到系统的传递函数方框图。方框图中的方框与实际系统的物理元部件并非一一对应。

强调指出：

R2C2图3.38两级RC滤波网络C1R1例3－20图3.38所示的两级RC滤波网络的方框图。（1）将整个系统作为一个环节解

根据基尔霍夫定律可列写出系统的微分方程：第65页，课件共95页，创作于2023年2月（3.34）

在零初始条件下对上式取拉氏变换消去中间变量（3.35）其中，分母的项就是由于两级RC电路之间的负载效应而产生的。图3.39两级RC网络的方框图第66页，课件共95页，创作于2023年2月（2）将整个系统划分为若干个无负载效应的环节由式（3.34）可将该系统划分为若干个无负载效应的环节取拉氏变换并令初始条件等于零，则可得各环节的传递函数为

或

环节Ⅰ：

环节Ⅱ：

环节Ⅲ：

环节Ⅳ：

第67页，课件共95页，创作于2023年2月环节Ⅴ：

图3.40两级RC电路的另一种形式的方框图(a)(b)(d)(c)(e)(f)绘制各环节的方框图，分别如图3.40(a)-(e)所示。将各环节的方框图按照信号的传递关系联接起来，即可得到系统的方框图如图3.40(f)所示，

第68页，课件共95页，创作于2023年2月结论：

（1）系统的方框图不是唯一的。

（2）各环节的方框图间应无负载效应。

3.3.2传递函数方框图的化简等效变换原则是：变换前后前向通道中的传递函数的乘积应保持不变，回路中传递函数的乘积应保持不变。即变换前后整个系统的输入输出传递函数保持不变。前一环节的输出为后一环节的输入的联接方式称为环节的串联。当各环节之间不存在（或可忽略）负载效应时，则串联联接后的传递函数为：1.串联环节的等效变换规则第69页，课件共95页，创作于2023年2月（3.36）

故环节串联时等效传递函数等于各串联环节的传递函数之积。图3.41串联环节等效变换2.并联环节的等效变换规则各环节的输入相同，输出为各环节输出的代数和，这种联接方式称为环节的并联，如图3.42所示。则并联联接后的传递函数为：图3.42并联环节等效变换第70页，课件共95页，创作于2023年2月

（3.37）故环节并联时等效传递函数等于各并联环节的传递函数之和。3.反馈联接及其等效变换规则图3.43反馈环节等效变换图3.43中，G(s)称为前向通道传递函数，它是输出Xo(s)与偏差E(s)之比，即

（3.38）第71页，课件共95页，创作于2023年2月H(s)称为反馈回路传递函数，即（3.39）前向通道传递函数G(s)与反馈回路传递函数H(s)之积定义为系统的开环传递函数GK(s)，它也是反馈信号B(s)与偏差E(s)之比，即（3.40）开环传递函数可以理解为：

封闭回路在相加点断开以后，以E(s)作为输入，经G(s)、H(s)而产生输出B(s)，此时，输出与输入的比值B(s)/E(s)，可以认为是一个无反馈的开环系统的传递函数。由于B(s)与E(s)在相加点的量纲相同，因此，开环传递函数无量纲，而且H(s)的量纲是G(s)的量纲的倒数。

第72页，课件共95页，创作于2023年2月输出信号Xo(s)与输入信号Xi(s)之比，定义为系统的闭环传递函数GB(s)，即（3.41）由图3.43可知

由此可得（3.42）故反馈联接时，其等效传递函数等于前向通道传递函数除以1加（或减）前向通道传递函数与反馈回路传递函数的乘积。注意：若相加点的B(s)处为负号，则第73页，课件共95页，创作于2023年2月此时，式（3.42）变为

若相加点的B(s)处为正号，则此时，式（3.42）变为

但是，闭环系统的反馈是正反馈还是负反馈，与反馈信号在相加点取正号还是负号是两回事。

闭环传递函数的量纲决定于Xo(s)与Xi(s)的量纲，两者可以相同也可以不相同。

第74页，课件共95页，创作于2023年2月若反馈回路传递函数H(s)＝1，称为单位反馈。此时的系统称为单位反馈系统，其传递函数：（3.43）

4.分支点移动规则若分支点由方框之后移到该方框之前，为了保持移动后分支信号X3(s)不变，应在分支路上串入具有相同传递函数的方框，如图3.44(a)所示。若分支点由方框之前移到该方框之后，为了保持移动后分支信号X3(s)不变，应在分支路上串入具有相同传递函数的倒数的方框，如图3.44(b)所示。第75页，课件共95页，创作于2023年2月5.相加点移动规则若相加点由方框之前移到该方框之后，为了保持总的输出信号X3(s)不变，应在移动的支路上串入具有相同传递函数的方框，如图3.45(a)所示。若相加点由方框之后移到该方框之前，应在移动的支路上串入具有相同传递函数的倒数的方框，如图3.45(b)所示。第76页，课件共95页，创作于2023年2月分支点、相加点间的相互移动，均不改变原有的传递函数关系，因此，可以相互移动，如图3.46(a)、(b)所示，但分支点相加点之间不能相互移动，因为这种移动不是等效移动。

6.分支点之间、相加点之间相互移动规则第77页，课件共95页，创作于2023年2月第78页，课件共95页，创作于2023年2月序号原方框图等效方框图12345表3.1常用传递函数方框图的等效简化规则第79页，课件共95页，创作于2023年2月序号原方框图等效方框图6789或第80页，课件共95页，创作于2023年2月例3－21运用方框图简化规则化简图3.47(a)所示的方框图，并求系统的闭环传递函数。解

（4）最后消去单位反馈回路，得到单一向前传递函数，即系统的闭环传递函数。（1）相加点前移;

（2）将小回路化为单一向前传递函数;

（3）再消去第二个闭环回路，使之成为单位反馈的单环回路;图3.47传递函数框图简化第81页，课件共95页，创作于2023年2月说明：方框图的简化途经并不是唯一的。

传递函数简化的一般步骤：（1）确定系统的输入量和输出量。

（2）若方框图中有无交叉的多个回路，则按照先里后外的原则，逐个化简，直到简化成一个方框的形式为止。

则可以直接用下列公式求得：（3.44）

若方框图中有交叉的联接：方法一：若系统的传递函数方框图同时满足以下两个条件条件1，整个系统方框图中只有一条前向通道；条件2，各局部反馈回路间存在公共的传递函数方框。第82页，课件共95页，创作于2023年2月方法二：若系统的传递函数方框图不同时满足以上两个条件，通过相加点、分支点的前后移动等规则，将系统传递函数方框图化为同时满足以上两个条件的形式，然后应用公式

（3.44）即可。

方法三：对于更为复杂的系统传递函数方框图，可利用梅森增益公式进行简化。

例3－22简化图3.48所示的方框图，并求系统的闭环传递函数。

(a)图3.48传递函数方框图的简化第83页，课件共95页，创作于2023年2月系统有两个独立的局部反馈回路，其间没有公共的方框。若直接用式（3.44），则会错误地得出传递函数：

应先将两局部反馈回路分别简化成两个方框图，然后，将这两个方框串联：，才是正确的传递函数。第84页，课件共95页，创作于2023年2月(b)

图3.48传递函数方框图的简化系统的两个反馈回路间有公共的传递函数方框可直接利用式（3.44）得出传递函数,因此，或先将局部反馈回路的传