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22.5 : 梅森公式

梅森公式是控制系统和信号处理中的一种强大工具。它简化了从信号流图计算传递函数的过程。该方法利用各种元素(包括环路增益、前向路径增益和非接触环路)来高效确定传递函数。

环路增益是通过识别并追踪从节点回到自身的路径来确定的。这涉及计算环路沿线分支增益的乘积。每个环路的增益对于进一步的计算至关重要,并有助于整个系统的行为。

前向路径增益是通过追踪从输入节点到输出节点的路径来计算的。与环路增益一样,它涉及沿此路径的增益的乘积。前向路径表示输入对输出的直接影响,对于确定传递函数至关重要。

非接触环路是信号流图中不共享任何公共节点的环路。非接触环路的增益是各个环路增益的乘积。这些非接触环路非常重要,因为它们会影响梅森公式中使用的行列式 Delta (Δ) 的计算。

Delta (Δ) 是通过对环路增益和两个或多个非接触环路增益进行交替求和而得出的。从数学上讲,它可以表示为:

Equation1

Δ_k 是 Δ 的修正版本,排除了与第 k 条前向路径相交的环路增益。这种排除对于准确确定系统的传递函数至关重要。

要使用梅森公式计算系统的传递函数,请遵循以下步骤:

  1. 确定从输入到输出的所有前向路径增益(T_k)。
  2. 评估所有环路增益(L_i)并识别非接触环路。
  3. 按照所述,通过对环路增益和非接触环路增益的乘积进行求和和相减来计算 Δ。
  4. 对于每条前向路径,通过排除相交的环路增益来计算 Δ_k。
  5. 将这些值代入梅森公式,得出:

Equation2

通过这些步骤,梅森公式提供了一种有组织的、系统的方法来推导复杂系统的传递函数,使其成为控制理论和信号处理中不可或缺的一部分。

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Mason s RuleControl SystemsSignal ProcessingTransfer FunctionSignal flow GraphsLoop GainsForward path GainsNon touching LoopsDeltaComputation StepsSystem BehaviorTransfer Function CalculationControl Theory

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