При переносе узла по ходу сигнала добавляется звено с передаточной функцией, равной обратной передаточной функции звена, через которое переносится узел (рисунок 6 а). При переносе узла против хода сигнала добавляется звено с передаточной функцией, равной передаточной функции звена, через которое переносится узел (рисунок 6 б).
а | |
б |
Рисунок 6 – Перенос узла
Докажем эквивалентность преобразования, приведенного на рисунке 6 а. Составим уравнение относительно выходного сигнала до переноса узла:
.
Составим уравнение относительно выходного сигнала после переноса узла по ходу движения сигнала:
Очевидно, что выражения равны.
Перестановка сумматоров.
Сумматоры можно переставлять местами и объединять. Перестановка двух сумматоров соответствует переносу одного сумматора через другой и подчиняется правилу переноса сумматора через звено.
Перестановка узлов.
Узлы можно переставлять между собой и объединять.
Перенос узла через сумматор и наоборот.
При переносе узла через сумматор необходимо добавлять элемент сравнения (рисунок 7 а), а при переносе сумматора через узел – сумматор (рисунок 7 б).
а | |
б |
Рисунок 7 – Перенос узла через сумматор и сумматора через узел
При эквивалентных преобразованиях одной и той же структурной схему могут быть получены различные передаточные функции по разным входам и выходам. Чаще всего при исследовании систем используются передаточные функции по управляющему и возмущающему воздействию. Обозначаются такие передаточные функции с указанием учитываемого входного и выходного сигнала, и соответственно.
Рисунок 8– Структурная схема системы с управляющим и возмущающим воздействием
При вычислении передаточной функции по управляющему воздействию полагают . Тогда для одноконтурной системы, структурная схема которой приведена на рисунке 8, получим:
.
При вычислении передаточной функции по возмущающему воздействию полагают . Тогда передаточная функция системы по возмущающему воздействию будет иметь вид:
.
Возможно также нахождения передаточных функций по ошибке, т.е. по выходу e, передаточные функции при этом записываются как и .
Метод Мейсона
Граф прохождения сигнала, или сигнальный граф, разработал Мейсон для наглядного представления и описания связей в системе [1,3]. Граф удобен тем, что он позволяет вычислять передаточные функции многоконтурных систем без предварительного преобразования их структурных схем.
Опр. 9: Графом называется совокупность множества V точек, называемых вершинами, и множества R простых (т.е. самонепересекающихся) кривых, называемых ребрами, удовлетворяющих следующим условиям:
1) каждое незамкнутое ребро содержит ровно две точки множества V, которые являются граничными точками ребра;
2) каждое замкнутое ребро содержит только одну точку из V (граничные точки совпадают);
3) ребра не имеют общих точек, за исключением точек из множества V.
При построении графа системы управления по ее структурной схеме нужно исходную схему представить так, чтобы в сумматорах все переменные складывались с положительным знаком. Далее руководствуются следующими правилами:
1) каждый сумматор заменяется вершиной, которой ставится в соответствие выходная переменная заменяемого сумматора;
2) каждое звено заменяется дугой с оператором, равным оператору заменяемого звена; если выходная переменная подается на сумматор с отрицательным знаком, то оператор дуги записывается с противоположным знаком;
3) каждой переменной соответствует своя вершина.
Пример построения графа управления по заданной структурной схеме приведен на рисунке 9.
Рисунок 9 – Построение графа системы управления
Дадим определение основным компонентам графа управления [4]:
Узел-источник – это узел, из которого сигналы только вытекают.
Узел-сток – это узел, в который все сигналы только втекают.
Путь – это непрерывная последовательность ветвей от узла к узлу, причем стрелки на всех ветвях направлены в одну сторону, т.е. сигналы распространяются в одном направлении.
Контур – это замкнутый путь, в котором стрелки на всех ветвях направлены в одну сторону и каждый узел встречается не более одного раза.
Прямой путь – это путь от узла-источника к узлу-стоку, в котором ни один узел не встречается более одного раза.
Коэффициент передачи пути/контура – произведение передаточных функций всех ветвей, образующих путь/контур.
Несоприкасающиеся контуры – контуры, не имеющие общих узлов.
Используя данные определения, приведем формулу Мейсона, по которой определяется передаточная функция от узла-источника к узлу-стоку:
, (5)
где - коэффициент передачи прямого пути;
p – число прямых путей;
- определитель подграфа, получающийся из исходного графа при удалении дуг и вершин k-го простого пути;
- определитель графа:
, (6)
где - сумма коэффициентов передачи всех контуров;
и - сумма произведений двух, трех и т.д. коэффициентов передачи контуров, не соприкасающихся друг с другом.
Порядок вычисления передаточной функции системы методом Мейсона следующий:
1) построить граф системы управления по заданной структурной схеме;
2) записать коэффициенты передачи всех контуров, определить пары, тройки и т.д. несоприкасающихся контуров;
3) по формуле (6) записать определитель графа системы;
4) записать все прямые пути графа, определители подграфов;
5) вычислить передаточную функцию системы по формуле (5).