Block Diagram Reduction V2

14
ME 413 Systems Dynamics & Control Chapter 10: TimeDomain Analysis and Design of Control Systems 1/14 10.1 INTRODUCTION Block Diagram: Pictorial representation of functions performed by each component of a system and that of flow of signals. () Cs () Rs () () () Cs GsRs = ( ) Gs Figure 101. Single block diagram representation. Components for Linear Time Invariant System(LTIS): Figure 102. Components for Linear Time Invariant Systems (LTIS). Chapter 10: TimeDomain Analysis and Design of Control Systems: Block Diagram Reduction A. Bazoune

Transcript of Block Diagram Reduction V2

Page 1: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

1/14

 

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 

Page 2: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

2/14

Terminology:   

( )C s( )R s ( )G s1 ( )G s2

( )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 s2 ,  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  ( )G s1

,  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  ( )G s1

 apply to the plant  ( )G s2

 

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 . 

 

Page 3: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

3/14

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 sOutputInput

( )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. 

 

Page 4: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

4/14

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 

( ) ( )[ ] ( ) ( ) ( )+ =G s H s C s G s R s1  

or 

( )( )

( )( ) ( )

C s G s

sR 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  

( ) ( )1+G s H s =0 . 

Page 5: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

5/14

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: 

  

Page 6: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

6/14

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  

G1u

2u

y

1/G

1u

1y G u

u yG

=

=

y Gu=

Gu

uy

( )2 1 2e G u u= −

Gu

y

y

G

G1u

2uy G1u

2u

y

G

uy

y

G

u

y

1/G

Gu

G

2uy 1 2y Gu u= −

u ( )1 2y G G u= −1G y21/G2G

( )Y GG X= 1 21G Y2GX

( )Y G G X= ±1 21G

2G

XY±

1 2G GX Y

1 2±G GX 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

GHHGH

GRC

11

1Closed‐loop Transfer function 

Page 7: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

7/14

█  Example 2:   

Reduce the following block diagrams  

   

Page 8: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

8/14

█  Example 3:  

 

█  Example 4   

  

G1 and G2 are in series   

H1 and H2 and H3 are in parallel   

G1 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 21

3 2 1 2 3

G GC(s) = GR(s) 1 + G G H - H + H

Page 9: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

9/14

 

     

Page 10: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

10/14

█  Example 6:   

 

Page 11: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

11/14

█  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.  

Page 12: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

12/14

█  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 

 

1  Set all inputs except one equal to zero

2  Transform the block diagram to solvable form. 

3  Find the output response due to the chosen input action alone 

4  Repeat Steps 1 to 3 for each of the remaining inputs. 

5  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

( )1G s ( )2G s ( )C s

 

Page 13: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

13/14

█  Solution   

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

Step1:  Put  ( ) 0D s ≡  as shown in Figure (a). 

 

Step2:  The  block  diagrams  reduce  to  the  block shown in Figure. b  

Step 3:  The  output  RC   due  to  input  ( )R s   is 

shown  in  Figure  (c)  and  is  given  by  the relationship 

RGG

GGCR ⋅

+=

21

21

Step 4:  Put  ( ) 0R s ≡  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  UC  

due to input U is : 

UGG

GCU ⋅

+=

21

2

 

Step 9: The total output is C: 

[ ]

1 2 2

1 2 1 2

21

1 2

1 1

1

R UG G GC C C R U

G G G GG G R UG G

= + = ⋅ + ⋅+ +

= ⋅ ++

 

 

( )R s( )1G s ( )2G s

( )C s

 Figure (a) 

 

( )R s( ) ( )1 2G s G s ( )C s

 Figure (b) 

 

( )R s ( ) ( )( ) ( )

1 2

1 21+G s G sG s G s

( )C s

 Figure (c) 

( )1G s ( )2G s( )DC s

1−

( )D s

 Figure (d) 

 

( )2G s( )D s ( )DC s

1− ( )1G s

Figure (e)  

( )2G s( )D s ( )DC s

( )1G s

Figure (f) 

█  Example 10:   

Page 14: Block Diagram Reduction V2

ME 413 Systems Dynamics & Control    Chapter 10: Time‐Domain Analysis and Design of Control Systems

14/14