• No results found

chapter 10-REDUCTION BLOCK DIAGRAM

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "chapter 10-REDUCTION BLOCK DIAGRAM"

Copied!
14
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

10.1 INTRODUCTION

     

Block Diagram

: Pictorial representation of functions performed by each component of a  system and that of flow of signals.   

( )

C s

( )

R s

( )

( ) ( )

C s

=

G s R s

( )

G s

    Figure 10‐1. Single block diagram representation.       

Components for Linear Time Invariant System(LTIS)

:         Figure 10‐2. Components for Linear Time Invariant Systems (LTIS). 

Chapter 10: 

Time‐Domain Analysis and Design of 

Control Systems: Block Diagram Reduction

A. Bazoune 

(2)

Terminology:

  

  ( ) C s ( ) R s G

( )

s 1 G2

( )

s

( )

H s

( )

Disturbance U s ( ) b s ± E s( )=R s( )±b s( ) m s( )   Figure 10‐3.   Block Diagram Components.     

1. Plant:  A  physical  object  to  be  controlled.  The  Plant 

G

2

( )

s

,  is  the  controlled  system,  of  which  a  particular quantity or condition is to be controlled. 

 

2. Feedback  Control  System  (Closed‐loop  Control  System):  A  system  which  compares  output  to  some  reference input and keeps output as close as possible to this reference. 

3. Open‐loop Control System: Output of the system is not feedback to the system.   

4. Control  Element G1

( )

s ,  also  called  the controller,  are  the  components  required  to  generate  the  appropriate control signal M

( )

s  applied to the plant. 

 

5. Feedback Element H s( ) is the component required to establish the functional relationship between  the primary feedback signal B s

( )

 and the controlled output C s

( )

 

6. Reference  Input  R s

( )

  is  an  external  signal  applied  to  a  feedback  control  system  in  order  to  command a specified action of the plant. It often represents ideal plant output behavior. 

 

7. The Controlled Output C s

( )

 is that quantity or condition of the plant which is controlled.   

8. Actuating Signal E s

( )

, also called the error or control action, is the algebraic sum consisting of the  reference input R s

( )

 plus or minus (usually minus) the primary feedback B s

( )

 

9. Manipulated  Variable  M

( )

s   (control  signal)  is  that  quantity  or  condition  which  the  control  elements G1

( )

s  apply to the plant G2

( )

s

 

10. Disturbance U

( )

s   is  an  undesired  input  signal  which  affects  the  value  of  the  controlled  output 

( )

C s . It may enter the plant by summation with M

( )

s , or via an intermediate point, as shown in  the block diagram of the figure above. 

 

11. Forward Path is the transmission path from the actuating signal E s

( )

 to the output C s

( )

.   

(3)

12. Feedback Path is the transmission path from the output C s

( )

 to the feedback signal 

B s

( )

.   

13. Summing Point: A circle with a cross is the symbol that indicates a summing point. The 

( )

+  or 

( )

−   sign at each arrowhead indicates whether that signal is to be added or subtracted.    14. Branch Point: A branch point is a point from which the signal from a block goes concurrently to other  blocks or summing points.     

Definitions 

  •

G s

( )

≡Direct transfer function = Forward transfer function.  •

H s

( )

Feedback transfer function.  •

G s H s

( ) ( )

≡ Open‐loop transfer function.  •

C s

( ) ( )

R s

 Closed‐loop transfer function = Control ratio 

C s

( ) ( )

E s

 Feed‐forward transfer function.   

( )

C s

( )

R s

G s

( )

( )

H s

( )

B s

Output Input

( )

E s

    Figure 10‐4  Block diagram of a closed‐loop system with a feedback element.     

10.2 BLOCK DIAGRAMS AND THEIR SIMPLIFICATION 

 

Cascade (Series) Connections 

      Figure 10‐5  Cascade (Series) Connection.   

(4)

Parallel Connections 

      Figure 10‐5  Parallel Connection.     

Closed Loop Transfer Function (Feedback Connections)

 

  ( ) C s ( ) R s G s

( )

( )

H s ( ) B s ( ) E s   Figure 10.4 (Repeated)    Feedback connection   

For the system shown in Figure 10‐4, the output C s

( )

 and input R s

( )

 are related as follows:   

( )

=

( ) ( )

C s G s E s   where 

( )

=

( )

( )

=

( )

( ) ( )

E s R s B s R s H s C s   Eliminating E s

( )

 from these equations gives 

( )

=

( ) ( )

[

( ) ( )

]

C s G s R s H s C s   This can be written in the form 

( ) ( )

[

1+G s H s

] ( )

C s =G s R s

( ) ( )

  or 

( )

( )

( )

( ) ( )

C s G s s R s +G H s = 1  

The Characteristic  equation  of  the  system  is  defined  as  an  equation  obtained  by  setting  the 

denominator  polynomial  of the transfer  function to zero. The Characteristic equation for the above  system is  

( ) ( )

(5)

Block Diagram Algebra for Summing Junctions 

     

(

)

= +

C = G +R ± X

GR ± GX

     

(

)

=

+

C = GR ± X

G R ± X G

  Figure 10‐6  Summing junctions.   

Block Diagram Algebra for Branch Point 

      Figure 10‐7  Summing junctions.      

Block Diagram Reduction Rules

   

In  many  practical  situations,  the  block  diagram  of  a  Single  Input‐Single  Output  (SISO),  feedback  control  system  may  involve  several  feedback  loops  and  summing  points.  In  principle,  the  block  diagram  of  (SISO)  closed  loop  system,  no  matter  how  complicated  it  is,  it  can  be  reduced  to  the  standard single loop form shown in Figure 10‐4. The basic approach to simplify a block diagram can be  summarized in Table 1: 

   

(6)

TABLE 10‐1  Block Diagram Reduction Rules    1.  Combine all cascade blocks  2.  Combine all parallel blocks  3.  Eliminate all minor (interior) feedback loops  4.  Shift summing points to left  5.  Shift takeoff points to the right  6.  Repeat Steps 1 to 5 until the canonical form is obtained    TABLE 10‐2.  Some Basic Rules with Block Diagram Transformation    G 1 u 2 u y 1/ G 1 u 1 y G u u y G = = y=Gu G u u y

(

)

2 1 2 e =G uu G u y y G G 1 u 2 u y u1 G 2 u y G u y y G u y 1/G G u G 2 u y y=Gu1u2 u

(

)

1 2 y= GG u 1 G y 2 1/ G 2 G ( ) Y= GG X1 2 1 G G2 Y X ( ) Y=G G X1± 2 1 G 2 G X Y ± 1 2 G G X Y 1± 2 G G X Y     █  Example 1: A feedback system is transformed into a unity feedback system   

( )

R s

( ) ( ) G s H s C s

( )

( ) 1 H s

( )

R s

( )

G s

C s

( )

( )

H s

  = ± ⋅ = ± = GH GH H GH G R C 1 1 1 Closed‐loop Transfer function 

(7)

█  Example 2:     Reduce the following block diagrams         

(8)

█  Example 3:     █  Example 4        

G

1

 and G

2

 are in series

     

H

1

 and H

2

 and H

3

 are in 

parallel

     

G

1

 is in series with the 

feedback configuration.  

         

█  Example  5: The  main  problem  here  is  the  feed‐forward  of  V3(s).  Solution  is  to  move  this 

pickoff point forward.   

(

)

3 2 1 3 2 1 2 3

G G

C(s)

= G

R(s)

1 + G G

H - H + H

(9)

           

(10)

█  Example 6:    

(11)

█  Example 7     Use block diagram reduction to simplify the block diagram below into a single block relating 

( )

Y s  to R s

( )

.    █  Solution            █  Example 8     Use block diagram algebra to solve the previous example.   

(12)

█  Solution      

Multiple‐Inputs cases

    In feedback control system, we often encounter multiple inputs (or even multiple output cases). For a  linear  system,  we  can  apply  the  superposition  principle  to  solve  this  type  of  problems,  i.e.  to  treat  each  input  one  at  a  time  while  setting  all  other  inputs  to  zeros,  and  then  algebraically  add  all  the  outputs as follows:    TABLE 10‐3: Procedure For reducing Multiple Input Blocks    Set all inputs except one equal to zero Transform the block diagram to solvable form.  Find the output response due to the chosen input action alone  Repeat Steps 1 to 3 for each of the remaining inputs.  Algebraically sum all the output responses found in Steps 1 to 5    █  Example 9 :  We shall determine the output C of the following system:   

( )

R s

( )

D s

( )

1 G s G s2

( )

C s( )  

(13)

█  Solution     Using the superposition principle, the procedure is illustrated in the following steps:   

Step1

:

   Put D s

( )

≡0 as shown in Figure (a).   

Step2

:  

The  block  diagrams  reduce  to  the  block  shown in Figure. b 

 

Step 3

:  

The  output  CR  due  to  input  R s

( )

  is 

shown  in  Figure  (c)  and  is  given  by  the  relationship  R G G G G CR ⋅ + = 2 1 2 1 1  

Step 4

:   Put R s

( )

≡0 as shown in Figure (d).   

Step  5

:  Put ‐1  into  a  block,  representing  the negative feedback effect. (Figure d) 

Step  6

:  Rearrange  the  block  diagrams  as  shown in Figure (e). 

 

Step 7

: Let the ‐1 block be absorbed into  the, summing point as shown in Figure (f).   

Step 8

: By Equation (7.3), the output CU  due to input U is :  U G G G CU ⋅ + = 2 1 2 1    

Step 9

: The total output is C: 

[

]

1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 2 1 1 1 R U G G G C C C R U G G G G G G R U G G = + = ⋅ + ⋅ + + = ⋅ + +    

( )

R s

( )

1 G s G s2

( )

( )

C s   Figure (a)   

( )

R s

( ) ( )

1 2 G s G s C s( )   Figure (b)   

( )

R s

( ) ( )

( ) ( )

1 2 1 2

1+

G s G s

G s G s

( )

C s

  Figure (c) 

( )

1 G s G s2

( )

( )

D C s

1

( )

D s   Figure (d)   

( )

2

G s

( )

D s

C s

D

( )

1

G s

1

( )

Figure (e)   

( )

2

G s

( )

D s

C s

D

( )

( )

1

G s

Figure (f)  █  Example 10:    

(14)

References

Related documents

Cruise control illustrates the dynamic behavior of closed loop feedback systems in action—the slowdown error as the system climbs a grade, the gradual reduction of that error due

Cruise control illustrates the dynamic behavior of closed loop feedback systems in action—the slowdown error as the system climbs a grade, the gradual reduction of that error due

In this paper, we consider control strategies that employ a mixture of closed-loop control (actively controlling the system based on state feedback) and open-loop control (executing

Cruise control illustrates the dynamic behavior of closed loop feedback systems in action—the slowdown error as the system climbs a grade, the gradual reduction of that error due

With cruise control, ordinary people experienced the dynamic behavior of closed loop feedback systems in action—the slowdown error as the system climbs a grade, the gradual reduction

Cruise control illustrates the dynamic behavior of closed loop feedback systems in action—the slowdown error as the system climbs a grade, the gradual reduction of that error due

In a closed-loop control system the actuating error signal, which is the difference between the input signal and the feedback signal (which may be the output signal itself or a

Physicochemical Properties of Long Rice Grain Varieties in Relation to Gluten Free Bread 1 .. Quality