梅森增益公式: 对于一些比较复杂的系统,采用结构图等效简化的方法求系统的传递函数是比较麻烦的。
而使用梅森公式,则可以不用做任何变换,只要 通过对信号流图进行相应的分析就能直接写出系统的传递函数 。
下面不加证明地直接给出梅森公式的定义: 计算 任意 输入节点到输出节点的传递函数的梅森增益公式为: P=1Δ∑k=1nPkΔk P=\frac{1}{\Delta} \sum_{k=1}^{n} P_{k} \Delta_{k}P=Δ1k=1∑nPkΔk 其中 Δ\DeltaΔ 为系统的特征多项式,其计算公式为: Δ=1−∑La+∑LbLc−∑LdLeLf+⋯\Delta=1-\sum L_{a}+\sum L_{b} L_{c}-\sum L_{d} L_{e} L_{f}+\cdotsΔ=1−∑La+∑LbLc−∑LdLeLf+⋯ 其中 ∑La\sum L_{a}∑La 为所有 不同回路增益之和 ; ∑LbLc\sum L_{b} L_{c}∑LbLc 为所有 两两不接触回路增益之和 ; ∑LdLeLf\sum L_{d} L_{e} L_{f}∑LdLeLf 为所有互不接触的回路中,每次取 其中三个回路的增益乘积之和 ;后面的以此类推。
nnn 为从输入节点到输出节点的 前向通路 条数; PkP_{k}Pk 为从输入节点到输出节点的 第kkk条前向通路的总增益 ; Δk\Delta_{k}Δk 为第 kkk 条 前向通路的余子式 ,即把特征式 Δ\DeltaΔ 中与该前向通道相接触的回路增益置零后剩余的部分。
举个栗子: 求下面系统的传递函数:
先找出所有的闭环回路: L1=−G1G2G3G4H2 L_{1}=-G_{1} G_{2} G_{3} G_{4} H_{2}L1=−G1G2G3G4H2 L2=−G1G6H2 L_{2}=-G_{1} G_{6} H_{2}L2=−G1G6H2 L3=−G3H1 L_{3}=-G_{3} H_{1}L3=−G3H1 再找出两两不相邻回路: L1L_{1}L1 和 L2L_{2}L2 无三个以上互不接触回路,则系统的特征式可以写为: Δ=1−(L1+L2+L3)+(L2L3)=1+G1G2G3G4H2+G1G6H2+G3H1+G1G3G6H1H2 \begin{aligned} \Delta=& 1-\left(L_{1}+L_{2}+L_{3}\right)+\left(L_{2} L_{3}\right)=\\ & 1+G_{1} G_{2} G_{3} G_{4} H_{2}+G_{1} G_{6} H_{2}+G_{3} H_{1}+G_{1} G_{3} G_{6} H_{1} H_{2} \end{aligned}Δ=1−(L1+L2+L3)+(L2L3)=1+G1G2G3G4H2+G1G6H2+G3H1+G1G3G6H1H2 接着找出系统的前向通路: P1=G1G2G3G4 P_{1}=G_{1} G_{2} G_{3} G_{4}P1=G1G2G3G4 P2=G5G3G4 P_{2}=G_{5} G_{3} G_{4}P2=G5G3G4 P3=G1G6 P_{3}=G_{1} G_{6}P3=G1G6 由于各回路均与前向通路 P1P_1P1 、 P2P_2P2 接触,故其余子式 Δ1=Δ2=1\Delta_{1}=\Delta_{2}=1Δ1=Δ2=1 。
前向通路 P3P_3P3 不与 L3L_3L3 接触,故余子式为: Δ3=1−(L3)=1+G3H1 \Delta_{3}=1-\left(L_{3}\right)=1+G_{3} H_{1}Δ3=1−(L3)=1+G3H1 那么可以使用梅森公式得到系统的传递函数为: C(s)R(s)=1Δ(P1Δ1+P2Δ2+P3Δ3)=G1G2G3G4+G3G4G5+G1G6(1+G3H1)1+G1G2G3G4H2+G1G6H2+G3H1+G1G3G6H1H2 \begin{aligned} \frac{C(s)}{R(s)}=& \frac{1}{\Delta}\left(P_{1} \Delta_{1}+P_{2} \Delta_{2}+P_{3} \Delta_{3}\right)=\\ & \frac{G_{1} G_{2} G_{3} G_{4}+G_{3} G_{4} G_{5}+G_{1} G_{6}\left(1+G_{3} H_{1}\right)}{1+G_{1} G_{2} G_{3} G_{4} H_{2}+G_{1} G_{6} H_{2}+G_{3} H_{1}+G_{1} G_{3} G_{6} H_{1} H_{2}} \end{aligned}R(s)C(s)=Δ1(P1Δ1+P2Δ2+P3Δ3)=1+G1G2G3G4H2+G1G6H2+G3H1+G1G3G6H1H2G1G2G3G4+G3G4G5+G1G6(1+G3H1)
