自控原理应试法其三:图与梅逊公式
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编辑于 2022年01月15日 16:05
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阅读全文前,请先读前言。

有了传递函数模型以后,就可以把各个部分以传递函数模型表示出来,从而可以将整个系统用图的方法描述,这里的图指的是两种图,一种是结构图,一种是信号流图。这两种形式可以描述同一个系统,因此存在着关联可以相互变化。虽然梅逊增益公式是从信号流图定义的,但由于存在这种关联,所以最终要熟练掌握梅逊公式在结构图中的应用。

 

结构图:要素有四。

1. 方框:填写传递函数

2. 相加点:注意箭头所在的正负

3. 分支点:与信号流图相关联的重要的部分

4. 信号传递线:注意箭头标注在末尾而不是线上

 

 

信号流图要素有三:

1. 节点:相加点,分支点,信号传递线,输入信号,输出信号,干扰信号

2. 支路:方框(传递函数)

3. 箭头:支路上的信号流向,与结构图的标注不同

通过这种对应关系,可以把具体的结构图和信号流图一一对应,进行转化,即翻译法。 参见书中对同一个系统的绘制。

 

在使用上,有两点经验性的知识。

一是在反馈回路中,如果是负反馈,则负号要体现在反馈支路的增益上。

二是在转换过程中,如果两个节点相离太近,则两者间增益视为1,而绝不能混为一个节点。

 

 

接着是梅逊增益公式。

在说明梅逊增益公式前,需要重点了解两个概念,一个是回环,另一个是互不接触回环。

在理解公式的时候,都需要紧扣概念。

通道:从某一节点开始,沿着支路的箭头方向,连续经过一些支路而终止在某个节点(可以是同一个节点)。

回环:终点节点就是起点节点的通道。

也就是说,凡是能沿着箭头方向,从一个节点走回来的通路,就是回环。这就意味着可能存在大回环里包含着小回环的可能,还有回环与回环之间共用节点的可能。这时候就有另一个概念了。

互不接触回环:两个回环之间没有共用任何一个节点的,称为互不接触回环。

要理解互不接触回环,关键在于节点,如果有共用节点,哪怕是共用一个,都不能算作互不接触回环。

知道了这些,我们直接来看梅逊增益公式吧。

 

在说明这个公式之前说说它有什么用。其实增益就是两个信号的比值,而最特殊的两个信号,就是输入信号和输出信号,因为这两个信号的比值就是系统的总增益。梅逊增益公式是求增益的,理论上任何增益都能求出,但基本上只用来求总增益。增益的数学模型是传递函数。

这个比值有个顺序之分,在写成比值之前,需要清楚哪个信号是输入,哪个信号是输出。输入信号作分母,输出信号作分子。也就是:输出/输入。这个的比值才是增益。所以在求增益之前,一定要搞清楚输入信号和输出信号是谁,否则没有一个确定的增益。

默认用梅逊公式求总增益。

 

式中G是系统的总增益。是C(S)/R(S)的比值。

Δ是系统的特征式,只要系统确定,那么它的Δ也是确定的,来源本文不作解释,如何得出该式是梅逊公式中十分重要的难点,不可强记。

GK*ΔK是乘积,前者GK是从输入到输出的前向通路的一条,而后者则是该通路的特征式,在后文再说明。分子

如何判断前向通道和前向通道增益的计算,参见教科书,此处略去。

要正确全面地理解Δ,需要用汉字把数学语言翻译成大白话。

 

Δ=1-(回环1的开环增益+回环2的开环增益+回环3的开环增益等共a个回环的开环增益求和)+(一对互不接触回环的开环增益乘积+另一对互不接触回环+另一对,直到穷尽)-(三个互不接触的回环的开环增益乘积+另外三个互不接触回环的乘积,直到穷尽)+以此类推

 

如此一来就清楚了,在写Δ的时候,先要确定有多少个回环,把回环增益累加构成第一项;再确定有几对互不接触回环,两两相乘后,把结果再累加,构成第二项;其余同理,一般到此即可。

得出Δ后才能理解ΔK,ΔK也是特征式,但与;GK接触(也就是共用节点)的回环增益视作0,这样再计算Δ,得出的就是Δk。假如GK与全部回环都有接触,那么Δk=1