「自控原理」2.3 方框图的绘制及化简
方框图不仅可以表示系统结构,还可以填入各环节传递函数,用来表示系统的输入输出关系。系统的结构图是系统数学模型的一种图解表示方法。根据微分方程可以画出系统的函数方框图,可以根据方框图等效变换的各规则将复杂系统的方框图化简为最简形式。从而通过各个环节的传递函数,经由方框图,得到整个系统的传递函数。
本节引入了函数方框图,并介绍其绘制方法
本节介绍了方框图的等效化简方法,可以将由多个环节连接成的复杂系统化简成一般形式
方框图在第1.1节已经接触过。
把元件的名称或实现的物理功能写在方框内,称为结构方框图。是对于具体系统的图解表示。
把一个元件或环节的传递函数写在方框内,称为函数方框图。函数方框图可以表达各环节的数学模型及各变量间的相互关系,可以认为是系统数学模型的一种图解表示。
「也有教材叫结构方框图为“方框图”,叫函数方框图为“结构图”或“方块图”,在本文中兼而有之」
方框图的绘制
方法一:绘制结构方框图,再将每一个环节的传递函数填入,就得到了函数方框图。
下面用函数记录仪为例:

方法二:
有时难以从实际系统直接抽象出结构方框图,因此可以由微分方程来代数求取
- 列微分方程,拉氏变换,分别解出各个环节的传递函数,画出各个环节的方框图
- 根据信号流向,依次连接各个环节成整体的结构图

方框图等效变换规则

这些变换规则,可以从基础的运算规则里面推导
比如比较点前移:
C ( s ) = A G − B = ( A − B ⋅ 1 G ) G C(s)=AG-B=(A-B\cdot \frac{1}{G})G C(s)=AG−B=(A−B⋅G1)G
这样就能够比较容易理解了
接下来的等效规则需要一点点记忆
反馈等效可以通过之前的内容推导出来:
C ( s ) = [ R ( s ) ± C ( s ) G 2 ] G 1 展开移项可以解出传递函数: Φ ( s ) = C ( s ) R ( s ) = G 1 1 ∓ G 1 G 2 C(s)=[R(s)\pm C(s)G_2]G_1\\ 展开移项可以解出传递函数:\\ \Phi(s)=\frac{C(s)}{R(s)}=\frac{G_1}{1\mp G_1G_2} C(s)=[R(s)±C(s)G2]G1展开移项可以解出传递函数:Φ(s)=R(s)C(s)=1∓G1G2G1
方框图等效变换举例
最后需要化简成比例环节或反馈环节的形式
看以下结构图:(实际是前例中函数记录仪的结构图)
- 利用串联、并联等效完成初步化简

- 移动比较点和引出点
一般来说后移比较点前移引出点会比较简便,因为是乘法
(重复第一步)
- 减少内反馈回路
把小的反馈利用反馈等效解决掉
然后进一步做一些化简的就可以:
有一个小窍门:拿到图之后首先观察比较点和引出点的分布,如果是同类相邻就可以利用串联并联等效化简,如果是二者交错(就是比较点-引出点-比较点这样),就需要交换比较点与引出点
结构图的化简步骤比较繁琐所以一般用得比较少。更加常用的是梅逊增益公式,将在下一节进行介绍
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