CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction...

29
א א א א J א א א א א א א א א א א א א א א א א א א א F ٣٥١١ ٣٥١١ ٣٥١١ ٣٥١١ E K 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by each component of a system and that of flow of signals. Each block is characterized by an input–output description as shown in Fig. 3.1. Fig. 3.1 Single block diagram representation In general, the block diagram consists of blocks, arrows, take (pick) off points and/or summing points. Fig. 3.2 shows these elements of the block diagram.

Transcript of CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction...

Page 1: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM

1. Introduction

Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

each component of a system and that of flow of signals. Each block is

characterized by an input–output description as shown in Fig. 3.1.

Fig. 3.1 Single block diagram representation

In general, the block diagram consists of blocks, arrows, take (pick) off points

and/or summing points. Fig. 3.2 shows these elements of the block diagram.

Page 2: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

2 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Fig. 3.2 Basic elements of block diagram

2. Terminology

Fig. 3.3 Block diagram components

Regarding the closed-loop control system shown in Fig. 3.3, we can define the

following terms;

Plant: A physical object to be controlled. The Plant G2 (s), is the controlled

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

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.

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

Page 3: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

3 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Control Element G1(s), also called the controller, are the components required to

generate the appropriate control signal M (s) applied to the plant

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).

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.

Controlled Output C(s) is that quantity or condition of the plant which is

controlled

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).

Manipulated Variable M (s) (control signal) is that quantity or condition which

the control elements G1 (s) apply to the plant G2 (s).

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.

Forward Path is the transmission path from the actuating signal E(s) to the output

C(s).

Feedback Path is the transmission path from the output C(s) to the feedback

signal B (s).

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.

Branch(pick/take off) Point: A branch point is a point from which the signal from

a block goes concurrently to other blocks or summing points.

Page 4: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

4 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

We can conclude the above information by the following definitions:

According to the control system shown in Fig 3.4;

Fig. 3.4 Block diagram of a closed‐loop system with a feedback element.

3. Block Diagrams & Their Simplification

3.1 Cascade (Series) Connection

Fig. 3.5 (a) Original Block Diagram (b) Equivalent Block Diagram

3.2 Parallel Connection

Page 5: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

5 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Fig. 3.6 (a) Original Block Diagram (b) Equivalent Block Diagram

3.3 Feedback Connections

Fig. 3.7 Feedback connection

We know that C(s) =G(s) E(s) & B(s) = H(s)C(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

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:

Page 6: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

6 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

3.4 Block Diagram Algebra for Summing points

3.5 Block Diagram Algebra for Pick/take off points

4. 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, summing

points and/or take off points. In principle, the block diagram of (SISO) closed loop

Page 7: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

7 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

system, no matter how complicated it is, it can be reduced to the standard single loop

form (Canonical form) shown in Fig. 3.7. The basic approach to simplify a block

diagram can be summarized in the following Table;

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 take off points to the right

6. Repeat Steps 1 to 5 until the canonical form is obtained

5. Some Basic Rules with Block Diagram Transformation

Page 8: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

8 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 1

Example 2

Example 3: The main problem here is the feed‐forward of V3(s). Solution is to move

this pickoff point forward.

Page 9: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

9 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 4:

Page 10: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

10 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 5: Use block diagram reduction to simplify the block diagram below into a single block

relating Y(s) to R(s).

Page 11: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

11 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

6. Multiple‐‐‐‐Inputs cases

In feedback control system, we often encounter multiple inputs to represent a

disturbance or something else. 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:

1. Set all inputs to zero except one

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 obtained in Step 3

Example 6: Determine the output C(S) of the following system

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

Page 12: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

12 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Step1: Put D(s) ≡ 0 as shown in Fig.

(a).

Step2: Reduce The block diagrams

to the block shown in Fig. (b)

Step 3: The output CR due to input

R(s) is shown in Fig. (c) and is given

by the relationship

Step 4: Put R(s) ≡ 0 as shown in Fig.

(d).

Step 5: Put ‐1 into a block,

representing the negative feedback

effect as shown in Fig. (d)

Step 6: Rearrange the block

diagrams as shown in Fig. (e).

Step 7: Let the ‐1 block be absorbed

into the summing point as shown in

Fig. (f).

Step 8: The output CD due to input

D(S) is :

�� = ��1 + � ��

�� �

The total output is C:

C(s) = CR + CD

�� � = ��1 + � ��

��� + ��

Page 13: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

13

Example 7:

Find the output C(S) of the control

For Input R1:

For input R2:

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#� &%$���א�"#

Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

control system shown below.

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ���� ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Page 14: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

14 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 7:

Example 8: For the closed-loop control system shown below,

a) Using block diagram algebra, find the system transfer function C(S)/R(S).

b) Obtain the system characteristic equation.

Page 15: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

15 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

The blocks 12 & 5/(S+8) are cascade

The blocks 60/(S+8) & 3/20 are canonical

The blocks 60/(S+17) cascaded with 2/(S+T) and the result is canonical with 3/40

5� + 8

R(S) + C(S)

+

_ 12

1�

+

+ +

2� + �

320

340

5140

60� + 8

R(S) + C(S)

_

1�

+

2� + �

320

340

5140

_

60� + 17

R(S) + C(S)

_

1�

2� + �

340

5140

_

120�� + �17 + ��� + 17� + 9

R(S) + C(S)

_

1�

5140

Page 16: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

16 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

�������� = 120

�� + �17 + ���� + �17� + 9�� + 153

The system characteristic equation is

�� + �17 + ���� + �17� + 9�� + 153 = 0

Rearrange the above equation to be:

�� + 17�� + ��� + 17�� + 9� + 153 = 0

�� + 17�� + 9� + 153 + ���� + 17� = 0

Example 9:

If the control systems shown in Fig. A and B are equivalent, Find Geq.

120�� + �17 + ���� + �17� + 9��

R(S) + C(S)

_

5140

�� + 5

2� + 1

1�

0.3

R(S) C(S)

+ +

_

+

+ +

��� R(S)

_

+

C(S)

Fig. A

Fig. B

Page 17: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

17 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Rearrange the block diagram as follows:

Add unity feedback with negative and positive sign

�� + 5

2� + 1

1�

0.3

R(S) C(S)

+

_

+

+

S

_

�� + 5 + 0.3�

2��� + 1�

R(S) C(S)

_

+

S+1

_

�� + 5 + 0.3�

2�� + � + 2

R(S) C(S)

_

+

S+1

�� + 5 + 0.3�

2�� + � + 2

R(S) C(S) _

+

S+1

_

+

Page 18: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

18 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

By comparing with the equivalent block diagram:

We get that

������ = 2��� + 5 + 0.3����� + � + 2� + 2��

Example 10:

For the control system shown below, Calculate the transfer function C(s)/R(s)

�� + 5 + 0.3�

2�� + � + 2

R(S) C(S) _

+

S

_

+

2��� + 5 + 0.3����� + � + 2� + 2��

R(S) C(S) _

+

��� R(S)

_

+

C(S)

K 1� + 3

2� + 1

1�

0.3

R(S) C(S)

+ +

_

+

0.4

+ +

Page 19: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

19 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

The block diagram can be rearranged as:

Therefore, the closed loop T.F. is:

�������� = 2�

� �� + 1��� + 3 + 0.3�� + 0.8�! + 2�

The system characteristic equation is given as:

� �� + 1��� + 3 + 0.3�� + 0.8�! + 2� = 0

�� + 4�� + 3� + 0.3���� + 3.667� + 6.667� = 0

K 1� + 3

2� + 1

1�

0.3

R(S) C(S)

_

+

0.4

_ _

��� + 3� + 0.3�

2� + 1

1�

R(S) C(S)

_

+

_

0.4

2��� + 1��� + 3 + 0.3�� + 0.8�

1�

R(S) C(S)

_

+

Page 20: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

20 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 11:

For the control system shown below, Obtain the transfer function C(s)/R(s).

The blocks H1(S) and H2(S) are canonical and can be simplified as

The blocks G1(S) and G2(S) are cascaded and the result is canonical with "�#�

$""��#� �������� = �1 �2 1 + %1 %2!

1 + %1 %2 + �1 �2 %1

Example 12: For the control system shown below, Obtain the transfer function C(s)/R(s) and

C(s)/D(s), then find an expression for the system response C(s).

Using super position

Assume R(S) = 0, and rearrange the block diagram as follows:

R(S)

_

G1(S) G2(S)

H1(S) +

C(S) +

H2(S)

_

R(S) G1(S) G2(S)

%1���1 + %1%2���

C(S) + _

G1(S)

R(S)

+ C(S) +

_

G4(S)

G2(S) G3(S)

H(S)

+

D(S)

+

+

Page 21: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

21 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

�������� = �3���

1 + �1����2����3���%���

Now, assume D(S) = 0, rearrange the block diagram as follows

After moving the summing point as shown by the arrow indicated, the T.F. will be

�������� =

�1����2����3��� &1 + �4����1���'

1 + �1����2����3���%���

From both T.F's we can obtain the expression for the system response C(s) as:

���� = �3��� ����1 + �1����2����3���%��� +

�1����2����3��� &1 + �4����1���' ����

1 + �1����2����3���%���

���� = �3��� ���� + �1����2����3��� + �2����3����4���!����1 + �1����2����3���%���

D(S) + C(S) _

G2(S)

G3(S)

H(S) G1(S)

G1(S)

R(S)

+ C(S)

_

G4(S)

G2(S) G3(S)

H(S)

+

+

Page 22: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

22 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Example 13:

Simplify the block diagram shown below and then obtain the closed–loop transfer

function C(s)/R(s).

G7

G1

G6

G3

G2

G5

R(S)

C(S)

+

+ _

_ +

+

G4

G8

Page 23: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

23 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Page 24: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

24 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Salman Bin Abdul Aziz University

College of Engineering

Department of Electrical Engineering

EE3511 Automatic Control Systems Sheet 2(Block Diagram)

ˆèˆÃÖ]<‚fÂ<àe<á^Û׉<íÃÚ^q<퉂ß�]<íé×Ò<

íéñ^e†ãÓÖ]<퉂ß�]<ÜŠÎ<Œ ^ŠÖ]<ëçjŠ¹]

Problem #1

Simplify the following control systems using block diagram algebra, and then find

the transfer function C(s) / R(s).

(a) (b)

(c)

Problem #2 For the control system shown in Fig. (b) below,

a) Determine G(s) and H(s) that are equivalent to the block diagram of fig. (a)

b) Determine the transfer function C(s)/R(s)

Page 25: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

25 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Problem #3

Simplify the following control systems using block diagram algebra, and then find

the transfer function Y(s) / R(s).

1�� + 10�

1�� + 5�

R(S) _

+ C(S)

+

_

G(s)

_

H(s)

R(S) + C(S)

(a)

(b)

(a)

(b)

Page 26: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

26 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

(c)

(d)

(e)

Page 27: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

27 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Problem #4

Obtain the transfer functions C(s)/R(s) and C(s)/D(s) of the systems shown below

Obtain the transfer functions Y(s)/R1(s) and Y(s)/R2(s) of the system shown below

(f)

(g)

Page 28: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

28 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Problem #5

The control system, shown in Fig. below, has two inputs and two outputs. Find

C1(s)/R1(s), C1(s)/R2(s), C2(s)/R1(s) and C2(s)/R2(s).

Problem #6

For the control system, shown in figure below, obtain the system transfer function.

R(S)

_

G1(S) G2(S)

H1(S) +

C(S) +

H2(S)

_

Page 29: CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM · 1 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN CHAPTER # 3 BLOCK DIAGRAM 1. Introduction Block Diagram is defined as a pictorial representation of functions performed by

����א��������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� ����א���������� ������� �� J� J� J� Jא�����������א�����������א�����������א������������������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א������ ������א������א���

� � ��א�"�!���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#���א�"�! � �&%$���א�"#�FFFF����������������٣٥١١٣٥١١٣٥١١٣٥١١EEEE&%$���א�"#

,,,,�K�K�K�K.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&.�/� 012���3&

29 Dr. AHMED MOSTAFA HUSSEIN

Problem #7

For the control system shown below, find α, K, K1, K2 and K3 if Known that �������� = 10 �� + 1�

�� + 3 �� + 12 � + 10

Problem #8

Simplify the block diagram shown below and then obtain the closed–loop transfer

function C(s)/R(s).

K 1�

14

1��� + 1�

K3

K2

K1

α

R(S) C(S)

+

+ _

_ _

+

G7

G1

G6

G3

G2

G5

R(S)

C(S)

+

+ _

_ +

+

G4

G8