控制系统的数学模型
图2-10信号流图及其简化 |
梅逊公式 用梅逊公式可以直接求信号流图的传输。表示为
(2-18) |
式中,Pk=第k条前向通道的通道增益或传输;
Δ=流图的特征式
=1-(所有不同回路的增益之和)+(每两个互不接触回路增益乘积之和)
-(每三个互不接触回路增益乘积之和)+…
Δk=在除去与第k条前向通道相接触的回路的流图中,第k条前向通道特征式的余因子。
总之,熟悉了梅逊公式之后,根据它去求解系统的传输,远比用方块图变换方法简便有效,对于复杂的多环系统和多输入、多输出系统尤其明显。因此,信号流图得到了广泛的实际应用,并常用于控制系统的计算机辅助设计。
例2-4 将图2-11所示的系统方框图化为信号流图之。求系统传递函数C(s)/R(s)。
图2-11 多回路系统 |
图2-12 图2-11所示系统的信号流图 |
在这个系统中,输入量R(s)和输出量C(s)之间,只有一条前向通道。前向通道的增益为
P1=G1G2G3
从图2-12可以看出,这里有三个单独的回路。这些回路的增益为
L1=G1G2H1
L2=-G2G3H2
L3=-G1G2G3
应当指出,因为所有三个回路具有一条公共支路,所以这里没有不接触的回路。因此,特征式Δ为
Δ=1-(L1+L2+L3)
=1-G1G2H1+G2G3H2+G1G2G3
沿联接输入节点和输出节点的前向通道,特征式的作因子Δ1,可以通过除去与该通道接触的回路的方法而得到。因为通道P1与三个回路都接触,所以得到
Δ1=1
因此,输入量R(s)和输出量C(s)之间的总增益,或闭环传递函数为
这与通过方块图简化所得到的闭环传递函数完全相同。这样,利用梅逊公式,不必对流图进行简化,就能够求得总增益C(s)/R(s)。
例2-5 根据梅逊公式求图2-13的信号流图的总传输。
图2-13 例2-5中系统的信号流图 |
解 此系统有六个回环,即ab、cd、ef、ij和kfdb,因此
两个互不接触的回环有七种组合,即abef、abgh、abij、cdgh、cdij、efij及kfdbij,所以
三个互不接触的回环只有ab、ef和ij,故
由此可求特征式
从源点到阱点有两条前向通道。一条为acegi,它与所有的回环均有接触,因此
P1=acegi
Δ1=1
另一条前向通道为kgi它不与回环cd接触,所以
P2=kgi
Δ2=1-cd
将以上结果代入式(2-18),可得总传输
例2-6 已知RC电路如图2-14所示,请画出其结构图。
图2-14 例2-6题图 |
解:根据电路的特性,由图可知
中间回路:
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由(2-19)式知:
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由(2-21)式知:
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由(2-20)式知:
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则由(2-22)、(2-23)、(2-24)式求出结构图如下:
图2-15 系统结构图 |
在这一类系统结构图的求解过程中,需要注意的是,其解不是唯一的。
状态空间模型的简介
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