Bài giảng Cơ sở tự động học - Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu - Phạm Văn Tấn

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở tự động học - Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu - Phạm Văn Tấn

1. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Chương III: ĐỒ HÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU • ĐẠI CƯƠNG. • NHỮNG ĐỊNH NGHĨA. • TÓM LƯỢC NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐHTTH. • ĐẠI SỐ HỌC VỀ ĐỒ HÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU. • CÁCH VẼ ĐỒ HÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU. • ÁP DỤNG DÙNG CÔNG THỨC MASON VÀO SƠ ĐỒ KHỐI. Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.1
2. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn I. ĐẠI CƯƠNG. Đồ hình truyền tín hiệu ( signal flow graph - ĐHTTH) được giới thiệu đầu tiên bởi S.J. MASON được xem như là ký hiệu đơn giản hóa của sơ đồ khối, để trình bày mối tương quan nhân quả của một hệ tuyến tính. Bên cạnh sự khác biệt về hình trạng vật lý giữa ĐHTTH và sơ đồ khối, ta có thể thấy ĐHTTH chặc chẽ hơn về những liên hệ toán học. Nhưng những định luật dùng cho sơ đồ khối thì mềm dẻo hơn nhiều và kém rõ ràng hơn. Một ĐHTTH được định nghĩa như là một phương pháp đồ họa để miêu tả những liên hệ vào - ra giữa các biến của một tập hợp những phương trình đại số. Xem một hệ tuyến tính được diễn tả bởi tập hợp N phương trình đại số. N = . j= 1,2.3 N (3.1) y j ∑akj yk k=1 N phương trình nầy được viết dưới dạng tương quan nhân quả: N Hu quaớ thỉ j = ∑ ( li tỉỡ k n j) . (nguyn nhn thỉ k) (3.2) k=1 Hay đơn giản hơn: Output =∑ (độ lợi).(input) (3.3) Đồ hình truyền tín hiệu được vẽ dựa vào tiên đề quan trọng nhất này. Trường hợp hệ thống được mô tả bằng các phương trình vi tích phân, trước nhất ta phải biến đổi chúng thành các phương trình biến đổi Laplace và sắp xếp chúng theo dạng phương trình (3.1). N (s) = (s) (s) j=1,2, ,N (3.4) y j ∑Gkj yk k=1 Khi vẽ ĐHTTH , các điểm nối hay là nút dùng để biểu diển các biến yj hay yk . Các nút được nối với nhau bởi các đoạn thẳng gọi là nhánh, tuỳ thuộc vào các phương trình nhân quả. Các nhánh được đặc trưng bởi độ lợi nhánh và chiều. Một tín hiệu chỉ có thể truyền ngang qua nhánh theo chiều mũi tên. Thí dụ, xem một hệ tuyến tính được trình bài bởi phương trình đơn giản. y2 =a12 .y1 (3.5) Trong đó, y1 là biến s vào , y2 là biến ra và a12 là độ lợi hay độ truyền dẫn (transmittansce) giữa hai biến số. Đồ hình truyền tín hiệu biểu diển cho phương trình (3.5) được vẽ ở hình H.3_1. Nhánh nút a 12 Nút y1 y2 H.3_1 Chiều của nhánh từ nút y1 đến nút y2 chỉ sự phụ thuộc của biến ra với biến vào, và không có ngược lại. Vì thế, mặc dù phương trình (3.5) có thể viết lại: Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.2
3. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 1 = (3.6) y1 y2 a12 Nhưng ĐHTTH ở hình H.3_1 không đưa đến một tương quan như vậy. Nếu phương trình (3.6) có giá trị như là một tương quan nhân quả theo ý nghĩa vật lý, thì phải vẽ một ĐHTTH khác. Một thí dụ khác, xem tập hợp các phương trình đại số : y2 = a12 y1 + a32 y3 y3 = a23 y2 + a43 y4 y4 = a24 y2 + a34 y3 + a44 y4 (3.7) y5 = a25 y2 + a45 y4 ĐHTTH cho các phương trình này được vẽ từng bước như hình H.3_2. Các nút biểu diễn các biến y1 , y2 , y3 , y4 và y5 được đặt theo thứ tự từ trái sang phải. a) a32 a12 y1 y2 y3 y4 y5 b) a a32 43 a12 a23 y2 y1 y2 y3 y4 c) a 32 a43 a44 a12 y2 a A34 y1 y2 23 y3 y4 y y2 y3 2 y2 y2 a24 y2 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.3
4. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn d) a32 a43 a44 a 12 y a45 2 • • • • y2 • y y a23 y a34 y y 1 2 3 4 5 y y2 y y2 y y 3 2 2 2 a24 y2 a25 y2 H.3_2. : ĐHTTH của hệ phương trình (3.7) . II . NHỮNG ĐỊNH NGHĨA. 1) Nút vào (nguồn ) : Nút vào là một nút chỉ có những nhánh ra. Thí dụ nút y1 ở H.3_2 . 2) Nút ra : Nút ra là nút chỉ có những nhánh vào. Thí dụ nút y5 ở H.3_2. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có sẵn nút ra thỏa định nghĩa trên. Thí dụ ĐHTTH ở hình H.3_3a. Ở đó không có nút nào phù hợp định nghĩa. Tuy nhiên, có thể xem y3 và/hoặc y2 là nút ra nếu ta đưa vào các nhánh với độ lợi đơn vị cho các biến y3 và y2 như H.3_3b. Các nút đưa thêm vào gọi là nút giả (dummy node). a12 a23 y1 y2 y3 a 12 a23 a32 H.3_3a : ĐHTTH gốc. y2 y2 (Nt ra giả) 1 y a12 2 a23 1 y2 y1 y2 y3 y3 a 23 a32 y2 H.3_3b: ĐHTTH cải biến với 2 nút giả . Một cách tổng quát ta có thể thấy rằng, bất kỳ một nút nào không phải là nút vào đều có thể làm một nút ra theo cách trên. Tuy nhiên, ta không thể đổi một nút không phải là nút vào thành một nút vào theo cách tương tự. Thí dụ, nút y2 trong hình H.3_3a không phải là nút vào. Nhưng nếu ta cố đổi nó thành nút vào bằng cách thêm nút giả như H.3_4 thì phương trình mô tả tương quan tại nút y2 sẽ là: Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.4
5. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn y2 1 a12 a23 y1 y2 y3 H.3_4. a32 y2 = y2 + a12y1 + a32 y3 (3.8) Phương trình này khác với phương trình gốc, được viết từ hình H.3_3a: y2 = a12 y1 + a32 y3 (3.9) Trường hợp muốn chọn y2 là nút vào, ta phải viết lại phương trình nhân quả, với kiểu xếp đặt : các nguyên nhân nằm bên vế phải và hậu quả nằm bên vế trái. Sắp xếp phương trình (3.9) lại, ta có hai phương trình gốc cho ĐHTTH hình H. 3_3 như sau: 1 = − a32 (3.10) y1 y2 y3 a12 a12 y3 = a32 y2 (3.11) ĐHTTH cho hai phương trình trên, vẽ ở hình H.3_5. a23 y2 y1 y3 1/a12 - a32/a12 H.3_5: ĐHTTH với y2 là nút vào. 3) Đường(path): Là sự nối tiếp liên tục theo một hướng của các nhánh , mà dọc theo nó không có một nút nào được đi qua quá một lần. 4) Đường trực tiếp (forward path): Là đường từ nút vào đến nút ra. Thí dụ ở ĐHTTH hình H.3_2d, y1 là nút vào, và có 4 nút ra khả dĩ : y2 , y3 , y4 và y5 . Đường trực tiếp giữa y1 và y2: là nhánh giữa y1 và y2. Có hai đường trực tiếp giữa y1 và y3: Đường 1, gồm các nhánh từ y1 đến y2 đến y3. Đường 2, gồm các nhánh từ y1 đến y2 đến y4 (ngang qua nhánh có độ lợi a24) và rồi trở về y3(ngang qua nhánh có độ lợi a43). Người đọc có thể xác định 2 đường trực tiếp từ y1 đến y4. Tương tự, có 3 đường trực tiếp từ y1 đến y5. 5) Vòng(loop): Là một đường xuất phát và chấm dứt tại cùng một nút, dọc theo nó không có nút nào khác được bao quá một lần. Thí dụ, có 4 vòng ở ĐHTTH ở hình H.3_2d. Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.5
6. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn a44 a32 a43 y y 2 3 y3 y4 a23 a23 y4 a43 a32 y2 y3 y4 a 24 H.3_6: 4 vòng ở ĐHTTH của hình H.3_2d. 6) Độ lợi đường (path Gain) : Tích số độ lợi các nhánh được nằm trên một đường. Thí dụ, độ lợi đường của đường y1- y2- y3- y4 trong hình H.3_2d là a12 a23 a34. 7) Độ lợi đường trực tiếp ( forward_path Gain) : Độ lợi đường của đường trực tiếp. 8) Độ lợi vòng (loop Gain) : Độ lợi đường của một vòng. Thí du, độ lợi vòng của vòng y2 - y3 - y4 - y2 trong hình H.3_2d là a24 a43 a32. III. TÓM LƯỢC NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐHTTH. 1. ĐHTTH chỉ áp dụng cho các hệ tuyến tính . 2. Các phương trình, mà dựa vào đó để vẽ ĐHTTH, phải là các phương trình đại số theo dạng hậu quả là hàm của nguyên nhân. 3. Các nút để biểu diễn các biến. Thông thường, các nút được sắp xếp từ trái sang phải, nối tiếp những nguyên nhân và hậu quả ngang qua hệ thống. 4. Tín hiệu truyền dọc theo nhánh, chỉ theo chiều mũi tên của nhánh. 5. Chiều của nhánh từ nút yk đến yj biểu diễn sự phụ thuộc của biến yj vào yk, nhưng không ngược lại. 6. Tín hiệu yk truyền dọc một nhánh giữa nút yk và yj thì được nhân bởi độ lợi của nhánh akj sao cho một tín hiệu akjyk nhận được tại nút yj . IV. ĐẠI SỐ HỌC VỀ ĐỒ HÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU. Dựa trên những tính chất của ĐHTTH, ta có thể tóm lược như sau: 1) Trị giá cuả biến được biểu diển bằng một nút thì bằng tổng của tất cả tín hiệu đi vào nút. Như vậy, đối với ĐHTTH ở H.3_7, trị giá của y1 bằng tổng của các tín hiệu được truyền ngang qua mọi nhánh vào : y1= a21 y2 + a31 y3 + a41 y4 + a51 y5 (3.12) Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.6
7. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn y3 y4 y2 a41 a31 a21 a18 y8 y1 a17 y5 a51 a16 y7 y6 H.3_7: Nút như là một điểm tổng, và như là một điểm phát . 2) Trị giá của biến số được biểu diễn bởi một nút thì được truyền ngang qua tất cả các nhánh rời khỏi nút. Trong ĐHTTH hình H.3_7 , ta có : y6 = a16 y1 y7 = a17 y1 (3.13) y8 = a18 y1 3) Các nhánh song song theo cùng một chiều giữa hai nút có thể được thay bởi một nhánh duy nhất với độ lợi bằng tổng các độ lợi của các nhánh ấy. Thí dụ ở hình H.3_8. a b a+b+c c y2 y1 y2 y1 H.3_8 : Sự tương đương của các nhánh song song. 4) Sự nối tiếp nhiều nhánh, như hình H.3_9, có thể được thay bởi một nhánh duy nhất với độ lợi bằng tích các độ lợi nhánh. a a a a a a a a 12 23 34 45 12 23 34 45 y1 y2 y3 y4 y5 y1 y5 H.3_9 : Sự tương đương của các nhánh nối tiếp. Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.7
8. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn V. CÁCH VẼ ĐỒ HÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU. 1) ĐHTTH của một hệ tự kiểm tuyến tính mà các thành phần của nó chỉ rõ bởi các hàm chuyển thì có thể được vẽ một cách trực tiếp bằng cách tham khảo sơ đồ khối của hệ. Mỗi một biến của sơ đồ khối sẽ là một nút. Mỗi khối sẽ là một nhánh. Thí dụ 3.1: Từ sơ đồ khối dưới dạng chính tắc của một hệ thống tự kiểm như hình H.3_10, ta có thể vẽ ĐHTTH tương ứng ở hình H.3_11. R(s) + E C(s) G(s) m H(s) H.3_10 : Sơ đồ khối chính tắc của một hệ tự kiểm. R(s) 1 E(s) G(s) C(s) 1 C(s) m H(s) H.3_11 : ĐHTTH tương ứng của hệ. Nhớ là dấu - hay + của điểm tổng thì được kết hợp với H. Từ H.3_11, viết phương trình cho tín hiệu tại các nút E và C : E(s) = R(s) m H(s).C(s) (3.14) và C(s) = G(s).E(s) (3.15) Hàm chuyển vòng kín : (hay tỷ số điều khiển) C(s) G(s) (3.16) = R(s) 1± G(s)H (s) 2) Đối với các hệ được mô tả bằng phương trình vi phân, ta vẽ ĐHTTH theo cách sau đây: a.Viết hệ phương trình vi phân dưới dạng : X1 = A11` X1 + A 12X2 + + A 1nXn X2 = A21X1 + A22X2 + + A2nXn (3.17) . . . . . . . . . . X m= Am1 X1 + Am2X2 + + AmnXn Nếu X1 là nút vào, thì không cần một phương trình cho nó. b. Sắp xếp các nút từ trái sang phải sao cho không gây trở ngại cho các vòng cần thiết . c. Nối các nút với nhau bằng các nhánh A11, A12 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.8
9. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn d. Nếu muốn vẽ một nút ra, thì thêm nút giả có độ lợi nhánh bằng 1 . e. Sắp xếp lại các nút và /hoặc các vòng để có một đồ hình rõ ràng nhất. Thí dụ 3.2 : Hãy vẽ ĐHTTH cho một mạch điện vẽ ở hình H.3_12 : R R2 1 2 + + v1 i1 R4 V3 i2 - R3 H.3_12. - Có 5 biến số : v1, v2, v3, i1 và i2 . Trong đó v1 đã biết. Ta có thể viết 4 phương trình độc lập từ các định luật Kirchhoff về thế và dòng. ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ = ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ i1 ⎜ ⎟v1 ⎜ ⎟v2 ⎝ R1 ⎠ ⎝ R1 ⎠ = − v2 R3 i1 R3 i 2 (3.18) ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞ = ⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ i2 ⎜ ⎟v2 ⎜ ⎟v3 ⎝ R2 ⎠ ⎝ R2 ⎠ = v3 R4 i2 Đặt 5 nút nằm ngang nhau với v1 là một nút vào, nối các nút bằng những nhánh. Nếu muốn v3 là một nút ra, ta phải thêm vào một nút giả và độ lợi nhánh bằng 1. -1/R1 -R3 -1/R2 1/R1 R3 1/R2 R4 1 v1 i1 v2 i2 v3 v3 H.3_13 VI. CÔNG THỨC MASON. Ở chương trước, ta có thể rút gọn các sơ đồ khối của những mạch phức tạp về dạng chính tắc và sau đó tính độ lợi của hệ thống bằng công thức: C G = R 1 + GH Và ở phần trên, ta cũng có thể dùng đồ đồ hình truyền tín hiệu để ít tốn thì giờ hơn. Và ở đây, ta lại có thể dùng công thức Mason, như là công thức tính độ lợi tổng quát cho bất kỳ một đồ hình truyền tín hiệu nào. ∑ p i ∆ i T = i (3.19) ∆ Độ lợi : yout/yin ; yout: biến ra, yin: biến vào. pi : độ lợi đường trực tiếp thứ i. Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.9
10. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn ∆ = 1 − ∑ p j1 +∑ p j2 − ∑ p j3 + j jj =1-( tổng các độ lợi vòng)+(tổng các tích độ lợi 2 vòng không chạm) - (tổng các tích độ lợi của 3 vòng không chạm)+ ∆I = trị của ∆ tính với các vòng không chạm với các đường trực tiếp thứ i. ( Hai vòng, hai đường hoặc 1 vòng và 1 đường gọi là không chạm (non_touching) nếu chúng không có nút chung). Thí dụ : xem lại ĐHTTH của 1 hệ điều khiển dạnh chính tắc ở H.3_11. Chỉ có một đường trực tiếp giữa R(s) và C(s). Vậy : P1=G(s) P2=P3= =0. - Ch cọ 1 voìng . Vy: P11= ± G(s).H(s) Pjk=0; j≠1, k≠1. Vy, ∆=1-P11=1± G(s).H(s), Vaì, ∆1=1-0=1 Cuối cùng, C(s) p ∆ G(s) T = = 1 1 = (3.20) R(s) ∆ 1 ± G(s)H(s) Rõ ràng, ta đã tìm lại được phương trình (3.16). Thí dụ : Xem lại mạch điện ở VD3.2, mà ĐHTTH của nó vẽ ở hình H.3_13. Dùng công thức mason để tính độ lợi điện thế T= v3/v1. -1/R1 -R3 -1/R2 1/R1 R3 1/R2 R4 1 v1 i1 v2 i2 v3 v3 H.3_14.(vòng 1 ) (vòng 2) (vòng 3) - Chỉ có một đường trực tiếp. Độ lợi đường trực tiếp: R 3 R 4 p1 = R1R 2 - Chỉ có 3 vòng hồi tiếp. Các độ lợi vòng: R 3 R 3 R 4 p11 = − ; p 21 = − ; p 31 = − . R1 R 2 R 2 - Có hai vòng không chạm nhau (vòng 1 và vòng 3). Vậy: P12 = tích độ lợi của 2 vòng không chạm nhau: R 3 R 4 p12 = p11 p 31 = R1R 2 -Không có 3 vòng nào không chạm nhau. Do đó: ∆=1- ( P11+ P21+ P31)+ P12 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.10
11. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn R R R R R R R + R R + R R + R R + R R ∆= 1 + 3 + 3 + 4 + 3 4 = 1 2 1 3 1 4 2 3 3 4 R1 R2 R2 R1 R2 R1 R2 Vì tất cả các vòng đều chạm các đường trực tiếp ( duy nhất), nên: ∆1 =1- 0 =1 v R R Cuối cùng 3 = 3 4 (3.21) v 1 R1R 2 + R1R 3 + R1R 4 + R 2 R 3 + R 3 R 4 VII. ÁP DỤNG CÔNG THỨC MASON VÀO SƠ ĐỒ KHỐI. Do sự tương tự giữa Sơ đồ khối và ĐHTTH, công thức độ lợi tổng quát có thể được dùng để xác định sự liên hệ vào ra của chúng. Một cách tổng quát, từ sơ đồ khối của 1 hệ tuyến tính đã cho, ta có thể áp dụng công thức độ lợi tổng quát MASON trực tiếp vào đó. Tuy nhiên, để có thể nhận dạng tất cả các vòng và các phần không chạm một cách rõ ràng, đôi khi cần đến sự giúp đỡ của ĐHTTH. Vậy cần vẽ ĐHTTH cho sơ đồ khối trước khi áp dụng công thức. Nếu G(s) và H(s) là một thành phần của dạng chính tắc, thì từ công thức Mason ta suy ra: Hàm chuyển đường trực tiếp G(s)= ∑ p i ∆ i (3.22) i Hàm chuyển đường vòng G(s).H(s) = ∆ - 1 (3.23) Thí dụ: Xác định tỉ số điều khiển C/R và dạng chính tắc của một hệ điều kiểm ở thí dụ 2.1. G 3 R + + + C + G G G2 1 4 + - H 1 H2 Hình 3_15: ĐHTTH là : G3 y G G 2 R 1 1 4 y2 1 y2 y2 y2 G2 C y2 y2 -H H.3_16. 2 a25 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.11
12. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn - Có 2 đường trực tiếp : P1 = G1.G2.G4 P2 = G1.G3.G4 - Cọ 3 voìng hưi tip : P11 = G1.G4.H1 P21 = - G1.G4.G2.H2 P31 = - G1.G3.G4.H2 ∆ = 1 - ( G1.G4.H1 - G1.G2.H4.H2 - G1.G3.G4.H2) Không có vòng không chạm nhau, và tất cả các vòng đều chạm với các đường trực tiếp. Vậy : ∆1 = 1 ; ∆2 = 1 Do đó tỷ số điều khiển là: C P ∆ + P ∆ T = = 1 1 2 2 R ∆ (3.24) G G (G + G ) T = 1 4 2 3 1 − G1G 4 H1 + G1G 2 G 4 H 2 + G1G 3G 4 H 2 Từ phương trình (3.23) và (3.24), ta có: G=G1G4(G2+G3) Và: GH=G1G4(G3H2+G2H2-H1) (3.25) GH (G + G )H − H Vậy: H = = 2 3 2 1 (3.26) G G 2 + G 3 Sơ đồ dạng chính tắc được vẽ ở hình H.3_17. + C R G1G 4(G2+ G3) - (G2+ G3)H2-H1 G2+ G3 Hình H.3_17. Dấu trừ ở điểm tổng, là kết quả việc dùng dấu cộng trong công thức tính GH ở trên. Thí dụ: Xác định tỷ số điều khiển (hoặc hàm chuyển vòng kín) C/R của một hệ có sơ đồ khối như hình H.3_18. Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.12
13. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn G4 y2 + E + y3 y1 C R + + + G1 G2 G3 _- - _- H2 H1 Hình H.3_18: Đồ hình truyền tín hiệu của hệ được vẽ ở hình H.3_19: G 4 y 2 R 1 E 1 y G y G y G C 1 C 3 1 2 2 1 3 y -H2 y -H 1 y2 y Hìnha H.3_19. y Có hai đường trực tiếp: -1 P1= G1G2G3 ; P2= G1G4. y2 Có 5 vòng hồi tiếp : P11= - G1G2H1 ; P21= - G2G3H2 ; P31= - G4H2 ; P41= - G1G2G3 ; P51= - G1G4. Vậy: ∆= 1- ( P11+ P21+ P31+ P41+ P51) Và ∆1 = ∆2 = 1. C P1∆1 + P2∆2 G1G2G3 + G1G4 => = = R ∆ 1+ G1G2G3 + G1G2H1 + G2G3H2 + G4H2 + G1G4 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.13
14. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn BÀI TẬP CHƯƠNG III 3.1 : Hãy xác định tỷ số C/R và dạng sơ đồ khối chính tắc của một hệ điều khiển sau đây: G3 + R + C + G1 G4 G 2 + - - H1 H 2 3.2 : Xác định hàm chuyển cho sơ đồ khối sau đây, bằng kỹ thuật dùng ĐHTTH: H2 C R + - + + G 1 G2 G3 - + + H1 G 4 3.3 : Xem TD2.4, giải bài toán bằng ĐHTTH. u1 + C + R + G1 G2 + + H1 H2 + u2 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.14
15. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 3.4 : Tìm hàm chuyển C/R của hệ thống sau đây, với k là hằng số. R + C 1/(s+a) 1/s K - + S2 + 0.1 3.6 : Dùng kỹ thuật ĐHTTH để giải bài tập 2.13. 3.7 : Tìm C/R cho hệ điều khiển sau đây: G 4 + R + + + + + C G 1 G2 G3 - + + H H 1 2 3.8 : Vẽ ĐHTTH cho mạch điện sau: αi1 R1 αi1 1 2 1 R2 2 + + i2 i1 2 2 V2 V3 output - input R3 R4 voltage 1 1 - source Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.15
16. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 3.9 : Vẽ ĐHTTH cho mạch điện sau: R1 2 R2 3 R1 4 R2 + 1 2 1 2 1 2 1 2 + 1 1 1 1 V1 i1 i2 i3 i4 R3 R4 R3 R4 2 2 2 - - 2 3.10 : Vẽ ĐHTTH cho mạch điện sau, tính độ lợi: R R2 1 + + C2 i2 vi ii v3 C1 - - - Gợi ý: 5 biến v1, i1, v2, i2, v3. Với v1 là input. Cần 4 phương trình độc lập. GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG III 3.1 : Đồ hình truyền tín hiệu: G3 1 R 1 G1G4 1 C G2 1 H1 1 -H2 1 Dùng công thức Mason để xác định C/R. Có hai đường trực tiếp: P1= G1G2G4 ; P2=G1G3G4 Có 3 vòng: P11=G1G4H1; P21= - G1G2G4H2 ; P31= - G1G3 G4H2 Không có vòng không chạm. Và tất cả các vòng đều chạm cả hai đường trực tiếp. Vậy: ∆1= 1 ; ∆2= 1 Do đó, tỷ số C/R: C P ∆ + P ∆ T = = 1 1 2 2 R ∆ Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.16
17. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Với ∆= 1 - (P11+P21+P31). Suy ra: C G G (G + G ) = 1 4 2 3 R 1 - G1G 4 H 1 + G1G 2 G 4 H 2 + G1G 3 G 4 H 2 C G G G + G G G = 1 2 4 1 3 4 R 1 - G1G 4 H 1 + G1G 2 G 4 H 2 + G1G 3 G 4 H 2 Từ ( 3.25 ) và (3.26) , ta có: G = G1G4(G2 + G3) Và : GH = G1G4(G3H2 +G2H2 - H1) GH (G + G )H − H ⇒ H = = 2 3 2 1 G G 2 + G 3 Dạng chính tắc của sơ đồ khối của hệ thống : C R + G1G4(G2+G3) (G2+G3)H2-H1 (G2+G3) Dấu trừ tại điểm tổng là do việc dùng dấu cộng trong công thức tính GH ở trên. Sơ đồ khối ở trên có thể đưa về dạng cuối cùng như trong VD2.1 bằng cách dùng các định lý biến đổi khối. 3.2 : Đồ hình truyền tín hiệu vẽ trực tiếp từ sơ đồ khối: -H2 -H1 R 1 R 1 G G 1 1 C 1 3 G2 H1 G4 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.17
18. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Có hai đường trực tiếp, độ lợi là : P1 = G1G2G3 ; P2 = G4 Có 3 vòng hồi tiếp,độ lợi vòng là: P11 = - G2H1 ; P21 = G1G2H1 ; P31 = - G2G3H2 Không có vòng nào không chạm, vậy: ∆ = 1 - (P11 + P21 + P31) + 0 Và ∆1 = 1 Vì cả 3 vòng đều chạm với đường 1. Vì không có vòng nào chạm với các nút đường trực tiếp thứ nhì, nên: ∆2= ∆ ( Cả 3 vòng đều không chạm với đường trực tiếp thứ 2). Vậy: P ∆ +P ∆ T 1 1 2 2 ∆ G G G +G +G G H -G G G H +G G G H T = 1 2 3 4 2 4 1 2 1 4 1 2 3 4 2 1+G H -G G H +G G H 2 1 1 2 1 2 3 2 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.18
19. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 3.3 : ĐHTTH vẽ trực tiếp từ sơ đồ khối. u 1 1 1 G C R G1 2 H2 H1 1 Với u1 = u2 = 0. Ta có: u 2 R 1 G1G2 1 CR H1H2 P1 = G1G2 ; P11 = G1G2H1H2 ∆ = 1- P11 ; ∆1 = 1 Vậy: CR P ∆ T= = 1 1 R ∆ P1∆1R G1G2R CR = = ∆ 1− G1G2H1H 2 Với u2 = R =0, Ta có: u1 1 G2 1 C P1 = G2 ; G1H1H2 P11 = G1G2H1H2 ∆ = 1 - G1G2H1H2 ; ∆1 = 1 G2u1 C2 = Tu2 = 1− G1G2H1H 2 Với R = u1 = 0 u2 1 H1G1G2 1 C Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.19 H2
20. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn P1 = G1G2H1 ; P11 = G1G2H1H2 ∆ = 1 - P11 ; ∆1 = 1 P1∆1u2 G1G2H1u2 C2 = Tu2 = = ∆ 1− G1G2H1H2 Cuối cùng, ta có: G G R + G u + G G H u C = 1 2 2 1 1 2 1 2 1− G1G2H1H 2 3.4 : C G + G a) = 1 2 R 1− G1H1 − G2H 2 C G + G b ) = 1 2 R 1− G1H1 C G + G (1− G H c) = 1 2 1 1 R 1− G1H1 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.20
21. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 3.5 : ĐHTTH vẽ trực tiếp từ sơ đồ khối: R 1/(s+a) 1/s K C - -s2 ⎛ 1 ⎞⎛1 ⎞ k P1 = ⎜ ⎟⎜ ⎟k = -0.1 ⎝ s + a ⎠⎝ s ⎠ s(s + a) ⎛1 ⎞ 2 0.1k P11 = ⎜ ⎟()− s = −s; P21 = − ⎝ s ⎠ s ∆ = 1− (P11 + P21);∆1 = 1 C P ∆ k = 1 1 = R ∆ (s + a)(s 2 + s + 0.1k ) 3.6 : 1 k 1/(s+1) 1 RE C V -s -0.1 R 1 k 1/(1+s) 1 C k k(s + 0.1) -(s+0.1) P = ; P = − 1 s + 1 11 s + 1 k(s + 0.1) ∆ = 1 + ; ∆ = 1 s + 1 1 P ∆ R kR c = TR = 1 1 = ∆ (1 + k )s + 1 + 0.1k Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.21
22. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn 3.7 : ĐHTTH vẽ từ sơ đồ khối: H1 G4 G1 1 1 G G3 R 2 1 C H 2 -1 Có 2 vòng chuyển tiếp: P1= G1G2G3 ; P2 = G1G4 Có 5 vòng hồi tiếp: P11 = G1G2H1 ; P21 = G2G3H2 ; P31 = - G1G2G3 P41 = G4H2 ; P51 = - G1G4 ∆ = 1 - (P11 + P21 + P31 + P41 + P51) ; ∆1 = ∆2 = 1 Cuối cùng: C P∆ + P ∆ G G G + G G = 1 1 2 2 = 1 2 3 1 4 R ∆ 1+ G1G2G3 − G1G2H1 − G2G3H2 − G4H2 + G1G4 3.10 : 5 biến v1, i1, v2, i2, v3. Với v1 là input, cần 4 phương trình độc lập. t t 1 v2 1 1 i1 = v1 − ;v2 = i1dt − i2 dt ∫0 ∫0 R1 R1 C1 C1 t 1 v3 1 i2 = v2 − ; v3 = i2 dt ∫0 R2 R2 C2 1 − dt -1/R1 c ∫ -1/R2 1 1/R1 1/R2 v 1 t i1 1 v2 i2 v3 i dt 1 C ∫ 1 dt 1 0 ∫ c2 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.22
23. Cơ Sở Tự Động Học Phạm Văn Tấn Biến đổi Laplace: -1/R2 -1/C1S -1/R2 1/R1 1/SC1 -1/R2 -1/SC2 V1 v I1 V2 I2 I3 Độ lợi: 3 Tính theo công thức Mason. v 1 Chương III: Đồ hình truyền tín hiệu Trang III.23