62
MAE 4421 – Control of Aerospace & Mechanical Systems SECTION 2: BLOCK DIAGRAMS & SIGNAL FLOW GRAPHS

Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

MAE 4421 – Control of Aerospace & Mechanical Systems

SECTION 2: BLOCK DIAGRAMS & SIGNAL FLOW GRAPHS

Page 2: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

Block Diagram Manipulation2

Page 3: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

3

Block Diagrams

In the introductory section we saw examples of block diagramsto represent systems, e.g.:

Block diagrams consist of 

Blocks – these represent subsystems – typically modeled by, and labeled with, a transfer function

Signals – inputs and outputs of blocks – signal direction indicated by arrows – could be voltage, velocity, force, etc.

Summing junctions – points were signals are algebraically summed –subtraction indicated by a negative sign near where the signal joins the summing junction

Page 4: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

4

Standard Block Diagram Forms

The basic input/output relationship for a single block is:

Block diagram blocks can be connected in three basic forms: Cascade Parallel Feedback

We’ll next look at each of these forms and derive a single‐block equivalent for each

Page 5: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

5

Cascade Form

Blocks connected in cascade:

⋅ ,   ⋅

⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅

The equivalent transfer function of cascaded blocks is the product of the individual transfer functions 

Page 6: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

6

Parallel Form

Blocks connected in parallel:⋅

⋅ ⋅ ⋅

The equivalent transfer function is the sum of the individual transfer functions:

Page 7: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

7

Feedback Form

Of obvious interest to us, is the feedback form:

1

⋅ 1

The closed‐loop transfer function,  , is

1

Page 8: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

8

Feedback Form

Note that this is negative feedback, for positive feedback:  

1

The  factor in the denominator is the loop gain or open‐loop transfer function

The gain from input to output with the feedback path broken is the forward path gain – here, 

In general:forwardpathgain1 loopgain

1

Page 9: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

9

Closed‐Loop Transfer Function ‐ Example

Calculate the closed‐loop transfer function

and  are in cascade is in cascade with the feedback system consisting of  , 

, and 

⋅ 1

1

Page 10: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

10

Unity‐Feedback Systems

We’re often interested in unity‐feedback systems

Feedback path gain is unity Can always reconfigure a system to unity‐feedback form

Closed‐loop transfer function is:

1

Page 11: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

11

Block Diagram Algebra

Often want to simplify block diagrams into simpler, recognizable forms  To determine the equivalent transfer function

Simplify to instances of the three standard forms, then simplify those forms 

Move blocks around relative to summing junctions and pickoff points – simplify to a standard form Move blocks forward/backward past summing junctions Move blocks forward/backward past pickoff points

Page 12: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

12

Moving Blocks Back Past a Summing Junction

The following two block diagrams are equivalent:

Page 13: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

13

Moving Blocks Forward Past a Summing Junction

The following two block diagrams are equivalent:

1

Page 14: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

14

Moving Blocks Relative to Pickoff Points

We can move blocks backward past pickoff points:

And, we can move them forward past pickoff points:

Page 15: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

15

Block Diagram Simplification – Example 1

Rearrange the following into a unity‐feedback system

Move the feedback block,  , forward, past the summing junction

Add an inverse block on  to compensate for the move 

Closed‐loop transfer function:1

1 1

Page 16: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

16

Block Diagram Simplification – Example 2

Find the closed‐loop transfer function of the following system through block‐diagram simplification

Page 17: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

17

Block Diagram Simplification – Example 2

and  are in feedback form

1

Page 18: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

18

Block Diagram Simplification – Example 2

Move  backward past the pickoff point

Block from previous step,  , and  become a feedback system that can be simplified

Page 19: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

19

Block Diagram Simplification – Example 2

Simplify the feedback subsystem Note that we’ve dropped the function of  notation,  , for clarity

1

1 11

Page 20: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

20

Block Diagram Simplification – Example 2

Simplify the two parallel subsystems

Page 21: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

21

Block Diagram Simplification – Example 2

Now left with two cascaded subsystems Transfer functions multiply

1

Page 22: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

22

Block Diagram Simplification – Example 2

The equivalent, close‐loop transfer function is

1

Page 23: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

Multiple‐Input Systems23

Page 24: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

24

Multiple Input Systems

Systems often have more than  one input E.g., reference,  , and disturbance, 

Two transfer functions: From reference to output

From disturbance to output

/

Page 25: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

25

Transfer Function – Reference 

Find transfer function from  to  A linear system – superposition applies Set 

Page 26: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

26

Transfer Function – Reference 

Next, find transfer function from  to  Set  System now becomes:

Page 27: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

27

Multiple Input Systems

Two inputs, two transfer functions

and        

is the controller transfer function Ultimately, we’ll determine thisWe have control over both  and 

What do we want these to be? Design  for desired performance Design  for disturbance rejection

Page 28: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

Signal Flow Graphs28

Page 29: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

29

Signal Flow Graphs

An alternative to block diagrams for graphically describing systems

Signal flow graphs consist of: Nodes –represent signals Branches –represent system blocks

Branches labeled with system transfer functions Nodes (sometimes) labeled with signal names Arrows indicate signal flow direction Implicit summation at nodes

Always a positive sum Negative signs associated with branch transfer functions

Page 30: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

30

Block Diagram  Signal Flow Graph

To convert from a block diagram to a signal flow graph:

1. Identify and label all signals on the block diagram2. Place a node for each signal3. Connect nodes with branches in place of the blocks Maintain correct direction  Label branches with corresponding transfer functions Negate transfer functions as necessary to provide negative 

feedback

4. If desired, simplify where possible

Page 31: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

31

Signal Flow Graph – Example 1

Convert to a signal flow graph

Label any unlabeled signals Place a node for each signal

Page 32: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

32

Signal Flow Graph – Example 1

Connect nodes with branches, each representing a system block

Note the ‐1 to provide negative feedback of 

Page 33: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

33

Signal Flow Graph – Example 1

Nodes with a single input and single output can be eliminated, if desired This makes sense for  and  Leave  to indicate separation between controller and plant 

Page 34: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

34

Signal Flow Graph – Example 2

Revisit the block diagram from earlier Convert to a signal flow graph

Label all signals, then place a node for each

Page 35: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

35

Signal Flow Graph – Example 2

Connect nodes with branches

Page 36: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

36

Signal Flow Graph – Example 2

Simplify – eliminate  ,  , and 

Page 37: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

37

Signal Flow Graphs vs. Block Diagrams

Signal flow graphs and block diagrams are alternative, though equivalent, tools for graphical representation of interconnected systems

A generalization (not a rule) Signal flow graphs – more often used when dealing with state‐space system models

Block diagrams – more often used when dealing with transfer function system models

Page 38: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

Mason’s Rule38

Page 39: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

39

Mason’s Rule

We’ve seen how to reduce a complicated block diagram to a single input‐to‐output transfer functionMany successive simplifications

Mason’s rule provides a formula to calculate the same overall transfer function Single application of the formula Can get complicated

Before presenting the Mason’s rule formula, we need to define some terminology

Page 40: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

40

Loop Gain

Loop gain – total gain (product of individual gains) around any path in the signal flow graph Beginning and ending at the same node Not passing through any node more than once

Here, there are three loops with the following gains:1.

2.

3.

Page 41: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

41

Forward Path Gain

Forward path gain – gain along any path from the input to the output Not passing through any node more than once

Here, there are two forward paths with the following gains:1.

2.

Page 42: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

42

Non‐Touching Loops

Non‐touching loops – loops that do not have any nodes in common

Here, 1. does not touch 2. does not touch 

Page 43: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

43

Non‐Touching Loop Gains

Non‐touching loop gains – the product of loop gains from non‐touching loops, taken two, three, four, or more at a time

Here, there are only two pairs of non‐touching loops 1. ⋅2. ⋅

Page 44: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

44

Mason’s Rule

1Δ Δ

where

# of forward paths

gain of the  forward path

Δ 1 Σ(loop gains) Σ(non‐touching loop gains taken two‐at‐a‐time)

Σ(non‐touching loop gains taken three‐at‐a‐time) 

Σ(non‐touching loop gains taken four‐at‐a‐time)

Σ …Δ Δ Σ(loop gain terms in Δ that touch the  forward path) 

Page 45: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

45

Mason’s Rule ‐ Example

# of forward paths:2

Forward path gains:

Σ(loop gains):

Σ(NTLGs taken two‐at‐a‐time):

Δ:Δ 1

Page 46: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

46

Mason’s Rule – Example ‐

Simplest way to find Δ terms is to calculate Δ with the path removed – must remove nodes as well

1:

With forward path 1 removed, there are no loops, so

Δ 1 0Δ 1

Page 47: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

47

Mason’s Rule – Example ‐

2:

Similarly, removing forward path 2 leaves no loops, so

Page 48: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

48

Mason’s Rule ‐ Example

For our example:2

Δ 1Δ 1Δ 1

The closed‐loop transfer function:Δ Δ

Δ

1

1Δ Δ

Page 49: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

Preview of Controller Design49

Page 50: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

50

Controller Design – Preview 

We now have the tools necessary to determine the transfer function of closed‐loop feedback systems

Let’s take a closer look at how feedback can help us achieve a desired response Just a preview – this is the objective of the whole course

Consider a simple first‐order system

A single real pole at 

Page 51: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

51

Open‐Loop Step Response

This system exhibits the expected first‐order step response No overshoot or ringing

Page 52: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

52

Add Feedback

Now let’s enclose the system in a feedback loop

Add controller block with transfer function  Closed‐loop transfer function becomes:

12

1 12

2

Clearly the addition of feedback and the controller changes the transfer function – but how? Let’s consider a couple of example cases for 

Page 53: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

53

Add Feedback

First, consider a simple gain block for the controller

Error signal,  , amplified by a constant gain,  A proportional controller, with gain 

Now, the closed‐loop transfer function is:

21 2

2

A single real pole at  2 Pole moved to a higher frequency A faster response

Page 54: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

54

Open‐Loop Step Response

As feedback gain increases: Pole moves to a higher frequency

Response gets faster

Page 55: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

55

First‐Order Controller

Next, allow the controller to have some dynamics of its own

Now the controller is a first‐order block with gain  and a pole at 

This yields the following closed‐loop transfer function:12

1 12

2 2

The closed‐loop system is now second‐order One pole from the plant One pole from the controller

Page 56: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

56

First‐Order Controller

Two closed‐loop poles:

,2

24 4 42

Pole locations determined by  and  Controller parameters – we have control over these Design the controller to place the poles where we want them

So, where do we want them? Design to performance specifications Risetime, overshoot, settling time, etc.

2 2

Page 57: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

57

Design to Specifications

The second‐order closed‐loop transfer function

2 2

can be expressed as 

2 2

Let’s say we want a closed‐loop response that satisfies the following specifications: % 5% 600

Use % and  specs to determine values of  and  Then use  and  to determine  and 

Page 58: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

58

Determine  from Specifications

Overshoot and damping ratio,  , are related as follows:

lnln

The requirement is % 5%, soln 0.05ln 0.05

0.69

Allowing some margin, set  0.75

Page 59: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

59

Determine  from Specifications

Settling time ( 1%) can be approximated from  as4.6

The requirement is  600 Allowing for some margin, design for  500

4.6500 →

4.6500

which gives

9.2

We can then calculate the natural frequency from  and 

9.20.75 12.27

Page 60: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

60

Determine Controller Parameters from  and 

The characteristic polynomial is 

2 2 2

Equating coefficients to solve for  :

2 2 18.416.4

and  :2 12.27 150.5

150.5 2 ⋅ 16.4 117.7 → 118118

The controller transfer function is11816.4

Page 61: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

61

Closed‐Loop Poles

Closed‐loop system is now second order

Controller designed to place the two closed‐loop poles at desirable locations: , 9.2 8.13

0.75

12.3

Controller pole

Plantpole

Page 62: Section 2 Block Diagrams & Signal Flow Graphs

K. Webb MAE 4421

62

Closed‐Loop Step Response

Closed‐loop step response satisfies the specifications

Approximations were used If requirements not met ‐ iterate