§4.06 系统方框图和信号流图

E (s)
等效系统函数为
H1 ( s)
H 2 (s)
Y (s)
H1 ( s ) H ( s) 1 H1 ( s ) H 2 ( s )
对于负反馈，总有
B( s )
X ( s)
H1 ( s ) H ( s) 1 H1 ( s ) H 2 ( s )
H1 ( s ) Y ( s) 1 H1 ( s ) H 2 ( s )
Mason公式为
P ( s)
k 1 k
M
k
( s)
( s )
其中
H ( s) ( s) Pk ( s ) k ( s)
从输入节点到输出节点之间的系统函数
特征式
( s ) 1 Li Li L j Li L j Lk
从输入节点到输出节点的第k条前向通路增益 在 ( s ) 中，将与第k条前向通路相接触 的回路所在项去掉后余下的部分 所有不同回路增益之和 所有两两互不接触回路增益乘积之和
节点: 支路:
输入节点（源点）: 仅有输出支路的节点， 一 般为系统的输入。 输出节点（阱点）: 仅有输入支路的节点，一般为系统的输出 混合节点: 既有输入支路又有输出支路的节点
信号与系统
三．Mason公式
通路: 从任一节点出发沿着支路箭头方向连续地穿过
各相连支路到达另一节点的路径称为通路。
前向通路: 从输入节点到输出节点的通路。
L LL LL L
i i i j j
k
所有三个互不接触回路增益乘积之和
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信号与系统
三．Mason公式
例：用Mason公式求图所示系统的系统函数
G1
H1
X
H2
H3
G4
X3
H5 G5
X1
G2
Y
X2
H4 X 4
解：先求环路，一共有4个环路，即
L1 H 2G2
L2 H 4G4
L3 H 5G5
L4 H 2 H 3 H 4 H 5G1
其中L1、L2，L1、L3是两两不接触的回路，没有三三不接触的回路。
信号与系统
三．Mason公式
G1
H1
X
H2
H3
G4
X3
H5 G5
X1
G2
Y
X2
H4 X 4
所以流图的特征式为
1 ( H 2G2 H 4G4 H5G5 H 2 H 3 H 4 H 5G1 ) ( H 2 H 4G2G4 H 2G2 H 5G5 )
d3 y1 (t ) d 2 y1 (t ) dy (t ) a2 a1 1 a0 y1 (t ) x(t ) dt 3 dt 2 dt
由线性时不变系统的性质知道存在下面关系
d 2 y1 (t ) dy1 (t ) y (t ) b2 b1 b0 y1 (t ) 2 dt dt
三条前向通路之(1)
X X1 X 2 X 3 X 4 Y
P1 H1 H 2 H 3 H 4 H 5
三条前向通路之(2)
1 1 0 0 1
X X1 X 4 Y
P2 H1 H 5 H 6
2 1
信号与系统
三．Mason公式
X X1 X 2 Y
信号与系统
二．信号流图
系统的信号流图是用一些点和有向线段来描述系统。变成信号流图形式 就是用线段端点代表信号，称为节点。有向线段表示信号传输的路径和方
向，一般称为支路，所以每一条支路相当于乘法器。
X (s)
H (s)
Y (s)
X 2 ( s)
H 24
H 14
H 45
H 46
X 5 (s)
X 1 (s)
信号与系统
四．系统模拟
d 3 y1 (t ) d 2 y1 (t ) d y1 (t ) a2 a1 a0 y1 (t ) x(t ) 3 2 dt dt dt
方程两边积分三次得到
d 2 y1 (t ) d y1 (t ) y1 (t ) a2 a1 a0 y1 (t ) x(t ) dt 2 dt dt 说明 y (t )是某信号积分三次得到，可以画出部分框图。 1

a2

dy1 t dt

y1 t
a1
a0
信号与系统
四．系统模拟
d 2 y1 (t ) d y1 (t ) y (t ) b2 b1 b0 y1 (t ) 2 dt dt
可以画出完整的系统框图
b2
b1
x (t )

a2

a1
a0

y1 t
y(t )
b0
信号与系统
四．系统模拟
对应的信号流图为
1
X
1 s
b2
1 s
a1
b1
1 s
Y1
1
a2
a0
Y
b0
其中
1 s
表示积分器（拉普拉斯变换的性质）
H4 H2
H3
X2
H5
X4
Y
X1
G1
解：先求环路，一共有4个环路，即
G2
L1 ( X 3 X 4 X 3 ) H 4G1
L2 ( X1 X 2 X 3 X 4 Y X1 ) H 2 H3 H 4 H 5G2
L3 ( X1 X 4 Y X1 ) H5 H 6G2
系统函数为
H1H 2 H 3 H 4 H 5 H 1 H 2G2 H 4G4 H 5G5 H 2 H 3 H 4 H 5G1 H 2 H 4G2G4 H 2G2 H 5G5
信号与系统
三．Mason公式
H6
H1
X
例： 用Mason公式求图所示系统的系统函数
H7 X3
X 4 (s)
X (s)
H (s)
Y (s)
X 3 s
H 34
多输入多输出节点
X 6 (s)
信号流图中的节点可以有很多信号输入，它们是相加的关系， 而且可以有不同方向输出。
X 4 X 1 H14 X 2 H 24 X 3 H 34
信号与系统
三．Mason公式
表示系统中的变量或信号的点称为节点。 连接两节点间的有向线段称为支路。 支路增益就是两节点间的增益。
例： 用加法器、标量乘法器和积分器三种部件模拟下面微分方程描
述的系统
d3 y (t ) d 2 y (t ) dy (t ) d 2 x(t ) dx(t ) a2 a1 a0 y (t ) b2 b1 b0 x(t ) 3 2 2 dt dt dt dt dt
解：首先考虑下面的系统

d 2 y1 t dt 2

dy1 t dt

y1 t
信号与系统
四．系统模拟
第一个积分器的输入信号实际是
可以画出部分系统框图
d 2 y1 (t ) d y1 (t ) x(t ) a2 a1 a0 y1 (t ) 2 dt dt
d 2 y1 t dt 2
x t
信号与系统
四．系统模拟
系统模拟指用一些标准的部件通过一定的连接方式实现同样的
系统函数。
对于连续时间动态LTI系统的模拟，通常由加法器、标量乘法 器和积分器三种部件构成。
系统模拟可以理解为就是用这三种部件画出系统的信号流图或
是系统的方框图，使得流图或方框图实现了同样的系统函数。
信号与系统
四．系统模拟
Y (s)
H1 ( s )
X (s)
Y1 ( s )
H 2 (s)
X (s)
H1 ( s )
H 2 (s)
Y1 ( s )
Y ( s)
Y2 ( s )
Y ( s)
Y (s)
H1 ( s ) H 2 ( s )
X (s)
H1 ( s ) H 2 ( s )
信号与系统
一．系统方框图
（3）反馈
X (s)
三条前向通路之(3)
P3 H 1 H 2 H 7
所以系统函数为
3 1 H 4G1
H 1 H 2 H 3 H 4 H 5 H 1 H 5 H 6 H 1 H 2 H 7 1 H 4G1 H 1 H 4G1 H 2 H 3 H 4 H 5G2 H 5 H 6G2 H 2 H 7G2 H 2 H 4 H 7G1G2
前向通路中通过任何节点不多于一次。 开通路: 如果通路与任一节点相遇不多于一次，则称 为开通路。 闭通路: 如果通路的终点就是通路的起点，而且与其余节点相遇不多 于一次，则称为闭通 路、回路、环路 或简称为环。 不接触环路: 环路之间没有公共节点。
信号与系统
三．Mason公式
Y ( s) H ( s) X ( s)
L4 ( X1 X 2 Y X1 ) H 2 H 7G2
其中L1、L4是两两不接触的回路
信号与系统
三．Mason公式
可以求得流图的特征式
1 H 4G1 H 2 H 3 H 4 H 5G2 H 5 H 6G2 H 2 H 7G2 H 2 H 4 H 7G1G2
信号与系统
§4.6 系统方框图 和信号流图
信号与系统
一．系统方框图
一个系统的方框图可由许多子系统的框图作适当联接组成。 子系统的基本联接方式有级联、并联和反馈三种。 （1）级联 （2）并联 等效系统函数为 等效系统函数为
H (s) H1 (s) H 2 ( s)
X (s)
H (s) H1 (s) H 2 (s)
前向通路只有一条，即 所有回路都和这条前向通路接触，所以
X X1 X 2 X 3 X 4 Y
P1 H1 H 2 H 3 H 4 H 5
1 1 0 0 1
信号与系统
三．Mason公式
G1
H1
X
H2
H3
G4
X3
H5 G5
X1
G2
Y
X2
H4 X 4