梅森增益公式

梅森增益公式(英语:Mason's Gain Formula,MGF)是寻找线性信号流图(SFG)传递函数的方法。该公式是塞缪尔·杰斐逊·梅森推导出的,[1] 也是用他的名字命名的。MGF是用代数方法标记每个信号,将信号依赖于其他信号的方式写成方程,然后求解多元方程组得出输出信号与输入信号的关系,以求传递函数的方法。MGF提供了由信号流图一步一步获得传递函数的方法。通常,MGF可以通过检查信号流图确定。该方法可以很容易地处理多变量、多回路包括内循环回路的信号流图。MGF经常出现在控制系统数字滤波器的内容中,因为控制系统和数字滤波器常会用信号流图表示。

公式

增益公式如下:

\[G = \frac{y_{\text{out}}}{y_{\text{in}}} = \frac{\sum_{k=1}^{N} G_k \Delta_k}{\Delta}\]\[\Delta = 1 - \sum L_i + \sum L_i L_j - \sum L_i L_j L_k + \cdots + (-1)^m \sum \cdots +\]

其中:

  • \(\Delta\) = 图的特征式
  • \(y_{in}\) = 输入节点变量
  • \(y_{out}\) = 输出节点变量
  • \(G\) = \(y_{in}\) 和 \(y_{out}\) 间的总增益
  • \(N\) = \(y_{in}\) 与 \(y_{out}\) 间的前向通道的总数
  • \(G_k\) = \(y_{in}\) 与 \(y_{out}\) 间的第 k 个前向通道的路径增益
  • \(L_i\) = 系统中每个闭环回路增益
  • \(L_iL_j\) = 任意2个互不接触回路(没有公共节点)的回路增益的乘积
  • \(L_iL_jL_k\) = 任何三个互不接触回路的回路增益的乘积
  • \(\Delta_k\) = 第 k 个前向通道的余子式,即将接触第 k 个前向通道的回路增益置为0后,特征式\(\Delta\)所剩下的部分。

定义

  • 通道:一组沿标识方向的连接输入输出的连续分支
  • 前向通道:从一个输入节点到一个输出节点的通道,每个节点接触不超过一次。
  • 回路:起始和终止在相同节点,并且没有节点接触两次的通道。
  • 路径增益:该通道的所有分支的增益之积。
  • 回路增益:回路中所有分支的增益之积[2]

步骤

要使用这种方法,

  1. 列出前向通道和它们的增益,将他们记为 \(G_k\)
  2. 列出所有回路和它们的增益,将他们记为 \(L_i\)(对第 i 个回路)。列出所有互不接触的回路和他们的增益(\(L_iL_j\))。列出所有三个互不接触的回路(\(L_iL_jL_k\)),然后四个,以至更多,直到找不出更多的互不接触的组合
  3. 计算特征式 \(\Delta\) 和余子式 \(\Delta_k\)
  4. 运用公式

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