使用 TiKz 绘制框图

Question 1

这里的所有答案都无法捕捉到原始手绘的外观。以下是 Metapost 的解决方案，它使用mp-草图以获得手绘效果。我还使用了 Comic Neue 和 Euler 字体。结果如下：

在此处输入图片描述

    \usetypescriptfile[euler]
\definetypeface[mainfont][rm][specserif][ComicNeue][default]
\definetypeface[mainfont][mm][math] [pagellaovereuler][default]
\setupbodyfont[mainfont,12pt]

% Set upright style for Euler Math
\appendtoks \rm \to \everymathematics
\setupmathematics
  [lcgreek=normal, ucgreek=normal]

\startMPinclusions
  input rboxes;
  input mp-sketch;
\stopMPinclusions

\defineframed
  [labelframe]
  [
    background=color,
    backgroundcolor=gray,
    frame=off,
  ]

\starttext
\startMPpage[offset=3mm]
  sketchypaths;

  defaultdx := 16bp;
  defaultdy := 16bp;
  circmargin := 5bp;
  sketch_amount := 2bp;

  u := 1cm;
  drawoptions(withpen pencircle scaled 1bp);

  boxit.system("SYSTEM");
  boxit.model ("MODEL");
  circleit.adder("$\cdot$");

  system.c = origin;
  system.s - model.n = (0, 3u);

  z.0 = system.w - (2u, 0);
  z.1 = 0.5[  z.0, system.w ];
  z.2 = (x.1, ypart model.w);
  z.3 = system.e + (u, 0);
  z.4 = system.e + (2u, 0);
  z.5 = (x.4, y.2);

  adder.c = (x.3, ypart model.c);

  drawboxed(system, model, adder);

  z.6 = 0.5[system.s, model.n];
  stripe_path_n
    (withpen pencircle scaled 2 withcolor 0.5white)
    (draw)
    fullsquare xyscaled(x.3 - x.1 + u, 2*LineHeight) 
    shifted z.6 dashed evenly;

  label("\labelframe{Measurement}", z.6);


  % Reduce the amount of randomness for the lines
  sketch_amount := bp;

  drawarrow z.0 -- lft system.w;
  drawarrow z.1 -- z.2 -- lft model.w;
  drawarrow system.e -- z.4 ;
  drawarrow model.e -- lft adder.w ;
  drawarrow z.3 -- top adder.n ;
  drawarrow adder.e -- z.5 ;

  label.urt("$-$", adder.n);
  label.llft("$+$", adder.w);

  label.top("$u'$", z.1);
  label.top("$t'$", z.3);
  label.top("$ε$", 0.5[adder.e, z.5]);

  dx := 12bp;
  label.urt("$t$", adder.n + (0, dx));
  label.urt("$u$", z.2 + (0, dx));

\stopMPpage
\stoptext

Answer

这里的所有答案都无法捕捉到原始手绘的外观。以下是 Metapost 的解决方案，它使用mp-草图以获得手绘效果。我还使用了 Comic Neue 和 Euler 字体。结果如下：

在此处输入图片描述

    \usetypescriptfile[euler]
\definetypeface[mainfont][rm][specserif][ComicNeue][default]
\definetypeface[mainfont][mm][math] [pagellaovereuler][default]
\setupbodyfont[mainfont,12pt]

% Set upright style for Euler Math
\appendtoks \rm \to \everymathematics
\setupmathematics
  [lcgreek=normal, ucgreek=normal]

\startMPinclusions
  input rboxes;
  input mp-sketch;
\stopMPinclusions

\defineframed
  [labelframe]
  [
    background=color,
    backgroundcolor=gray,
    frame=off,
  ]

\starttext
\startMPpage[offset=3mm]
  sketchypaths;

  defaultdx := 16bp;
  defaultdy := 16bp;
  circmargin := 5bp;
  sketch_amount := 2bp;

  u := 1cm;
  drawoptions(withpen pencircle scaled 1bp);

  boxit.system("SYSTEM");
  boxit.model ("MODEL");
  circleit.adder("$\cdot$");

  system.c = origin;
  system.s - model.n = (0, 3u);

  z.0 = system.w - (2u, 0);
  z.1 = 0.5[  z.0, system.w ];
  z.2 = (x.1, ypart model.w);
  z.3 = system.e + (u, 0);
  z.4 = system.e + (2u, 0);
  z.5 = (x.4, y.2);

  adder.c = (x.3, ypart model.c);

  drawboxed(system, model, adder);

  z.6 = 0.5[system.s, model.n];
  stripe_path_n
    (withpen pencircle scaled 2 withcolor 0.5white)
    (draw)
    fullsquare xyscaled(x.3 - x.1 + u, 2*LineHeight) 
    shifted z.6 dashed evenly;

  label("\labelframe{Measurement}", z.6);


  % Reduce the amount of randomness for the lines
  sketch_amount := bp;

  drawarrow z.0 -- lft system.w;
  drawarrow z.1 -- z.2 -- lft model.w;
  drawarrow system.e -- z.4 ;
  drawarrow model.e -- lft adder.w ;
  drawarrow z.3 -- top adder.n ;
  drawarrow adder.e -- z.5 ;

  label.urt("$-$", adder.n);
  label.llft("$+$", adder.w);

  label.top("$u'$", z.1);
  label.top("$t'$", z.3);
  label.top("$ε$", 0.5[adder.e, z.5]);

  dx := 12bp;
  label.urt("$t$", adder.n + (0, dx));
  label.urt("$u$", z.2 + (0, dx));

\stopMPpage
\stoptext

Question 2

这就是您所寻找的吗？

修复：

添加了一个节点，Measurement将其定位在节点中间System，并Model使用以下语法：\node ... at ($(system)!.5!(model)$) {};。这需要calc添加到 Tikz 库中。
将对角线路径更改为，\draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {$t$};以便节点恰好停止在总和的北点。
上述[very near end]操作确保节点看起来非常靠近箭头尖端。
删除minimal size使节点看起来是正方形的（有点丑），并用inner sep在节点内部一致添加空间的节点替换它，以便矩形边框与节点文本的距离相等。
对于节点u（左边的路径），我添加了键，[anchor=south west]以便它向右向上移动一点并出现在路径旁边。
使用标签作为-和+符号。最初它们是节点，但这样看起来更好，并且代码更简洁、更短。

\documentclass{standalone}

\usepackage{tikz}       
\usetikzlibrary{arrows,positioning,patterns,decorations.pathmorphing,calc}

\begin{document}

\tikzstyle{block} = [draw, rectangle, inner sep=6pt]
\tikzstyle{joint} = [draw, circle,minimum size=1em]

\begin{tikzpicture}[>=stealth, auto, node distance=2cm]
    % Place nodes
    \node [block] (system) {System};
    \node [coordinate, left=of system] (infork) {};
    \node [coordinate, left=of infork] (input) {};
    \node [coordinate, right=of system] (outfork) {};
    \node [coordinate, right=of outfork] (output) {};
    \node [coordinate, above=of system] (disturbances) {};
    \node [block, below=of system] (model) {Model};
    \node [joint, right=of model, anchor=center,label={[shift={(2mm,-1mm)}]-},label={[shift={(-3mm,-5.5mm)}]\tiny +}] (sum) {};

    \node [coordinate, right=of sum] (error) {};
    \node [block, dashed, fill=gray, anchor=center, text width=7cm, align=center] at ($(system)!.5!(model)$) {\textsc{Measurement}};

    % Connect nodes
    \draw [->, decorate, decoration={snake, post length=1mm}] (disturbances) -- node {\(d'\)} (system);
    \draw [->] (input) -- node {\(u'\)} (system);
    \draw [->] (system) -- node {\(t'\)} (output);
    \draw [->] (model) -- node {\(y\)} (sum);
    \draw [->] (sum) -- node {\(\epsilon\)} (error);
    \draw [->] (infork) |- node [anchor=south west] {\(u\)} (model);
    \draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {\(t\)};
\end{tikzpicture}

\end{document}

Answer

这就是您所寻找的吗？

修复：

添加了一个节点，Measurement将其定位在节点中间System，并Model使用以下语法：\node ... at ($(system)!.5!(model)$) {};。这需要calc添加到 Tikz 库中。
将对角线路径更改为，\draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {$t$};以便节点恰好停止在总和的北点。
上述[very near end]操作确保节点看起来非常靠近箭头尖端。
删除minimal size使节点看起来是正方形的（有点丑），并用inner sep在节点内部一致添加空间的节点替换它，以便矩形边框与节点文本的距离相等。
对于节点u（左边的路径），我添加了键，[anchor=south west]以便它向右向上移动一点并出现在路径旁边。
使用标签作为-和+符号。最初它们是节点，但这样看起来更好，并且代码更简洁、更短。

\documentclass{standalone}

\usepackage{tikz}       
\usetikzlibrary{arrows,positioning,patterns,decorations.pathmorphing,calc}

\begin{document}

\tikzstyle{block} = [draw, rectangle, inner sep=6pt]
\tikzstyle{joint} = [draw, circle,minimum size=1em]

\begin{tikzpicture}[>=stealth, auto, node distance=2cm]
    % Place nodes
    \node [block] (system) {System};
    \node [coordinate, left=of system] (infork) {};
    \node [coordinate, left=of infork] (input) {};
    \node [coordinate, right=of system] (outfork) {};
    \node [coordinate, right=of outfork] (output) {};
    \node [coordinate, above=of system] (disturbances) {};
    \node [block, below=of system] (model) {Model};
    \node [joint, right=of model, anchor=center,label={[shift={(2mm,-1mm)}]-},label={[shift={(-3mm,-5.5mm)}]\tiny +}] (sum) {};

    \node [coordinate, right=of sum] (error) {};
    \node [block, dashed, fill=gray, anchor=center, text width=7cm, align=center] at ($(system)!.5!(model)$) {\textsc{Measurement}};

    % Connect nodes
    \draw [->, decorate, decoration={snake, post length=1mm}] (disturbances) -- node {\(d'\)} (system);
    \draw [->] (input) -- node {\(u'\)} (system);
    \draw [->] (system) -- node {\(t'\)} (output);
    \draw [->] (model) -- node {\(y\)} (sum);
    \draw [->] (sum) -- node {\(\epsilon\)} (error);
    \draw [->] (infork) |- node [anchor=south west] {\(u\)} (model);
    \draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {\(t\)};
\end{tikzpicture}

\end{document}

Question 3

对于那些可能感兴趣的人，这里有一个解决方案MetaPost和元对象包，位于 LuaLaTeX 程序中。它基于s和m参数，允许分别以点(s,0)和为中心定位“系统”和“模型”框(s, m)。

\documentclass[border=2mm]{standalone}
\usepackage{luamplib}
  \mplibtextextlabel{enable}
\begin{document}
  \begin{mplibcode}
    input metaobj
    s := 4.5cm; m := -3cm; % locates upper and lower boxes
    beginfig(1);
      % Central box
      newBox.msrmt("Measurement") "filled(true)", "fillcolor(.8white)", 
        "dx(.6s)", "framestyle(dashed evenly)";
      msrmt.c = (s, .5m); drawObj(msrmt);
      % Upper and lower boxes
      newBox.syst("System") "dx(2mm)", "dy(3mm)"; 
      newBox.model("Model") "dx(2mm)", "dy(3mm)";
      syst.c = (s, 0); model.c = (s, m);
      drawObj(syst); drawBox(model);
      % Empty circle
      ep := .5(xpart syst.w); t := xpart syst.e + ep; u := xpart syst.w - ep;
      newCircle.circ("") "circmargin(1.5mm)";
      circ.c = (t, m);
      drawObj(circ);
      % Connections
      drawarrow origin -- syst.w;
      drawarrow (u, 0) -- (u, m) -- model.w;
      drawarrow syst.e -- (t+ep, 0);
      drawarrow (t, 0) -- circ.n;
      drawarrow model.e -- circ.w;
      drawarrow circ.e -- (t+ep, m);
      % The spring (and its label)
      newEmptyBox.upper(0, 0); upper.c = (s, -.75m);
      picture lab; lab = textext("$d'$");
      nczigzag(upper)(syst) "coilwidth(2.5mm)", "coilarmA(0mm)", 
        "coilarmB(3mm)", "linearc(.4mm)", "labpic(lab)", "labdir(rt)";
      % Other labels  
      label.top("$u'$", (u, 0)); label.urt("$u$", (u, m));
      label.top("$t'$", (t, 0));
      label.top("$y$", .5(model.e+circ.w));
      label.rt("$t$", (t, ypart(.5(msrmt.s+circ.n))));
      label.top("$\epsilon$", .5[(t,m), (t+ep, m)]);
      labeloffset := .5bp;
      label.llft("\tiny$+$", circ.sw);
      label.urt("\tiny$-$", circ.ne);
      labeloffset := 3bp;
    endfig; 
  \end{mplibcode}
\end{document}

在此处输入图片描述

Answer

对于那些可能感兴趣的人，这里有一个解决方案MetaPost和元对象包，位于 LuaLaTeX 程序中。它基于s和m参数，允许分别以点(s,0)和为中心定位“系统”和“模型”框(s, m)。

\documentclass[border=2mm]{standalone}
\usepackage{luamplib}
  \mplibtextextlabel{enable}
\begin{document}
  \begin{mplibcode}
    input metaobj
    s := 4.5cm; m := -3cm; % locates upper and lower boxes
    beginfig(1);
      % Central box
      newBox.msrmt("Measurement") "filled(true)", "fillcolor(.8white)", 
        "dx(.6s)", "framestyle(dashed evenly)";
      msrmt.c = (s, .5m); drawObj(msrmt);
      % Upper and lower boxes
      newBox.syst("System") "dx(2mm)", "dy(3mm)"; 
      newBox.model("Model") "dx(2mm)", "dy(3mm)";
      syst.c = (s, 0); model.c = (s, m);
      drawObj(syst); drawBox(model);
      % Empty circle
      ep := .5(xpart syst.w); t := xpart syst.e + ep; u := xpart syst.w - ep;
      newCircle.circ("") "circmargin(1.5mm)";
      circ.c = (t, m);
      drawObj(circ);
      % Connections
      drawarrow origin -- syst.w;
      drawarrow (u, 0) -- (u, m) -- model.w;
      drawarrow syst.e -- (t+ep, 0);
      drawarrow (t, 0) -- circ.n;
      drawarrow model.e -- circ.w;
      drawarrow circ.e -- (t+ep, m);
      % The spring (and its label)
      newEmptyBox.upper(0, 0); upper.c = (s, -.75m);
      picture lab; lab = textext("$d'$");
      nczigzag(upper)(syst) "coilwidth(2.5mm)", "coilarmA(0mm)", 
        "coilarmB(3mm)", "linearc(.4mm)", "labpic(lab)", "labdir(rt)";
      % Other labels  
      label.top("$u'$", (u, 0)); label.urt("$u$", (u, m));
      label.top("$t'$", (t, 0));
      label.top("$y$", .5(model.e+circ.w));
      label.rt("$t$", (t, ypart(.5(msrmt.s+circ.n))));
      label.top("$\epsilon$", .5[(t,m), (t+ep, m)]);
      labeloffset := .5bp;
      label.llft("\tiny$+$", circ.sw);
      label.urt("\tiny$-$", circ.ne);
      labeloffset := 3bp;
    endfig; 
  \end{mplibcode}
\end{document}

在此处输入图片描述

Question 4

谢谢，我最终将 Ignasi 和 Alenanno 的答案混合在一起，如下所示：

\documentclass{standalone}

\usepackage{tikz}       
\usetikzlibrary{arrows, positioning, patterns, calc, decorations.pathmorphing}

\begin{document}

\tikzstyle{block} = [draw, rectangle, inner sep=6pt, minimum width=2cm, minimum height=1cm, align=center]
\tikzstyle{joint} = [draw, circle, minimum size=1em, anchor=center]
\tikzstyle{layer} = [draw, rectangle, dashed, fill=gray!20, minimum width=7cm, minimum height=8mm, align=center, anchor=center]

\begin{tikzpicture}[>=stealth, auto, node distance=2cm]
    % Place nodes
    \node [block] (system) {System};
    \node [block, below=of system] (model) {Model};
    \node [layer] at ($(system)!.5!(model)$) {\textsc{Measurement}};
    \coordinate [left=of system] (infork) {};
    \coordinate [left=of infork] (input) {};
    \coordinate [right=of system] (outfork) {};
    \coordinate [right=of outfork] (output) {};
    \coordinate [above=of system] (disturbances) {};
    \node [joint, label={[inner sep=1pt]210:\tiny\(+\)}, label={[inner sep=1pt]60:\tiny\(-\)}] (sum) at (outfork|-model) {};
    \coordinate (error) at (output|-model) {};
    % Connect nodes
    \draw [->, decorate, decoration={snake, post length=1mm}] (disturbances) -- node {\(d'\)} (system);
    \draw [->] (input) -- node {\(u'\)} (system);
    \draw [->] (system) -- node {\(t'\)} (output);
    \draw [->] (model) -- node {\(y\)} (sum);
    \draw [->] (sum) -- node {\(\epsilon\)} (error);
    \draw [->] (infork) |- node [anchor=south west] {\(u\)} (model);
    \draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {\(t\)};
\end{tikzpicture}

\end{document}

获得下图（忽略周围的框架）：

在此处输入图片描述

\coordinate我按照Ignasi 的建议使用\node [coordinate]。
我还使用了|-和，-|以便更好地对齐，正如 Ignasi 所建议的那样。顺便说一句，这就是我最终不接受 Alenanno 的解决方案的原因，因为Measurements块没有完全居中对齐，输出叉也不完全位于节点上方sum。（不确定下图中边缘重叠是否可见）

在此处输入图片描述

使用角度参考来放置+和-符号，但是像 Alenanno 那样稍微缩短了字体。
对于Measurements块的定位，我遵循了 Alenanno 的方法。这部分是阻止我接受 Ignasi 解决方案的部分，因为我正在寻找一个Measurements跨越垂直线的块，如上面的手工图片所示。破解了一点 Alenanno 的代码，我刚刚创建了一种新的块样式。
此外，Alenanno 关于very near end和anchor=south west选项的提示非常有用！（这是 Ignasi 的解决方案不是 100% 令人满意的另一个细节）。

再次感谢两位。我不确定该接受哪个答案，因为两个答案都很有帮助，但后来我决定将它们混合起来并提出我最终使用的解决方案，希望能够帮助其他人。

Answer

谢谢，我最终将 Ignasi 和 Alenanno 的答案混合在一起，如下所示：

\documentclass{standalone}

\usepackage{tikz}       
\usetikzlibrary{arrows, positioning, patterns, calc, decorations.pathmorphing}

\begin{document}

\tikzstyle{block} = [draw, rectangle, inner sep=6pt, minimum width=2cm, minimum height=1cm, align=center]
\tikzstyle{joint} = [draw, circle, minimum size=1em, anchor=center]
\tikzstyle{layer} = [draw, rectangle, dashed, fill=gray!20, minimum width=7cm, minimum height=8mm, align=center, anchor=center]

\begin{tikzpicture}[>=stealth, auto, node distance=2cm]
    % Place nodes
    \node [block] (system) {System};
    \node [block, below=of system] (model) {Model};
    \node [layer] at ($(system)!.5!(model)$) {\textsc{Measurement}};
    \coordinate [left=of system] (infork) {};
    \coordinate [left=of infork] (input) {};
    \coordinate [right=of system] (outfork) {};
    \coordinate [right=of outfork] (output) {};
    \coordinate [above=of system] (disturbances) {};
    \node [joint, label={[inner sep=1pt]210:\tiny\(+\)}, label={[inner sep=1pt]60:\tiny\(-\)}] (sum) at (outfork|-model) {};
    \coordinate (error) at (output|-model) {};
    % Connect nodes
    \draw [->, decorate, decoration={snake, post length=1mm}] (disturbances) -- node {\(d'\)} (system);
    \draw [->] (input) -- node {\(u'\)} (system);
    \draw [->] (system) -- node {\(t'\)} (output);
    \draw [->] (model) -- node {\(y\)} (sum);
    \draw [->] (sum) -- node {\(\epsilon\)} (error);
    \draw [->] (infork) |- node [anchor=south west] {\(u\)} (model);
    \draw [->] (outfork) -| (sum.north) node [very near end] {\(t\)};
\end{tikzpicture}

\end{document}

获得下图（忽略周围的框架）：

在此处输入图片描述

\coordinate我按照Ignasi 的建议使用\node [coordinate]。
我还使用了|-和，-|以便更好地对齐，正如 Ignasi 所建议的那样。顺便说一句，这就是我最终不接受 Alenanno 的解决方案的原因，因为Measurements块没有完全居中对齐，输出叉也不完全位于节点上方sum。（不确定下图中边缘重叠是否可见）

在此处输入图片描述

使用角度参考来放置+和-符号，但是像 Alenanno 那样稍微缩短了字体。
对于Measurements块的定位，我遵循了 Alenanno 的方法。这部分是阻止我接受 Ignasi 解决方案的部分，因为我正在寻找一个Measurements跨越垂直线的块，如上面的手工图片所示。破解了一点 Alenanno 的代码，我刚刚创建了一种新的块样式。
此外，Alenanno 关于very near end和anchor=south west选项的提示非常有用！（这是 Ignasi 的解决方案不是 100% 令人满意的另一个细节）。

再次感谢两位。我不确定该接受哪个答案，因为两个答案都很有帮助，但后来我决定将它们混合起来并提出我最终使用的解决方案，希望能够帮助其他人。

使用 TiKz 绘制框图

答案1

答案2

答案3

答案4

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