29829

Анализ импульсных систем управления

Лекция

Математика и математический анализ

Эквивалентная схема импульсной системы управления. Динамические характеристики разомкнутой системы управления. Эквивалентная схема замкнутой импульсной системы управления. Динамические характеристики замкнутой импульсной системы управления.

Русский

2013-08-21

282 KB

11 чел.

Лекция № 3.

Анализ импульсных систем управления.

1. Эквивалентная схема импульсной системы управления.

2. Прохождение сигнала через импульсную систему управления.

3. Динамические характеристики разомкнутой системы управления.

4. Эквивалентная схема замкнутой импульсной системы управления.

5. Динамические характеристики замкнутой импульсной системы управления.

3.1 Эквивалентная схема импульсной системы управления.

         Рассмотрим особенности импульсной системы управления и разработаем расчётную эквивалентную схему импульсной системы управления.

                                                W(p)

(t)                u(t)        (t)                т(t)                  u(t)                                                 рис. 3.1

                                                                                                                                                                                              

                                                 

      импульсное                         дельта-             формирователь

             звено                                    -модулятор             импульсов

        В таблице 3.2 приведены функции и частотные характеристики формирующих звеньев для некоторых типов импульсов.

                                                                                                                                      табл. 3.2

     Форма импульса                 Передаточная                            Wф(jw)                               Частотные

                                                    функция  Wф(p)                                                                характеристики

                                                                                                                                                    Wф

        S(t)                                          1 e-pТ                          sin (Т/2)                 Т    

    1                                                                                        Т                              

                                                                              p                                     Т/2                                    0       /       2  /      

                                                                                                                       e –jw(Т/2)                        -      

    0            Т         Т     t

                                                                                                                                                       Wф     

        s(t)                                                                               Т     sin4(Т/4)            Т/2

   1                                          2        (1- e-pТ/2)2        2        (Т/4)2      

                                                                                                                             0              2/    

                                              Т               p2                          e-jw(Т/2)                            

    0    1/2Т            Т      t                                                                                                  -2        

               

        s(t)                                                                                                                                      Wф 

                                                                /                     2Т        cos(Т/2)            2Т/                 5/2        

    1                                              Т                                                                              

   P2Т2+(/)2                                1-(2Т/2)2                        0    3 /2              

                                                   (1+e-pТ)                       e-jТ/2                                 -/2 - - - - - - - - -

   0         Т      Т   t                                                                       -3/2        

                                                                                                                                                    Wф    

         s(t)                                           Т                            Т                 1                     Т/3                  

    1                                                                                                                            

    pТ+3/                    3     [1+(Т/3)2]1/2               0     /    2/     

                                                                                                                                            

                             t                                                      e-jarctg(Т/3)             -/2  - - - - - - - - -                       

     0           Т         Т                                                                                                                                             

          Если используется амплитудно-импульсная модуляция прямоугольными импульсами длительностью Т , где 1 ,то Wф(p) = (1-e-jтp)/p = 1-z-j/p

Представим эквивалентную схему (рис.3.3):

                                                                                         Вычисл-ное               Демоду-                               рис.3.3     

                                                                             устр-во                    лятор

                                                                                            

u(t)            (t)                т(t)                    u(t)                    u(t)                    (t)                   y(t)

                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                            

                                           

   

           

        

          В импульсных системах в качестве вычислительных устройств и демодуляторов используются исполнительные механизмы, которые и формируют закон управления

(чаще всего реализуется интегральный закон управления). Таким образом преобразуем схему, исключив блок с WВУ(p):

                                                                                                                                              рис.3.4

                                                                         

u(t)            (t)                т(t)                    u(t)                    (t)                                               y(t)

                                                                                                                                                                   

                                                                                                           

                                                               

                                                                           непрерывная часть системы  

                                                                                                           

   

         Блок , состоящий из демодулятора и объекта (рис3.4), является непрерывной частью системы. Операторная передаточная функция непрерывной части системы следующая:                                                                      

Wнч(p) = Wдм(p) Wo(p)

       

       Если к непрерывной части отнести ещё и формирователь, то получится

приведённая непрерывная часть (рис3.5).

                                                                                                                                             рис.3.5

u(t)            (t)                т(t)                    u(t)                    (t)                                               y(t)

                                                                                                                                                                   

                                                                                                           

                                                

                                       приведённая непрерывная часть системы  

                                                                                                           

Операторная передаточная функция приведённой непрерывной части системы:

Wпнч(p) = Wф(p) Wнч(p)

         Таким образом эквивалентная структурная схема импульсной системы управления следующая (рис.3.6):

u(t)            (t)                т(t)                                  y(t)                                                         рис.3.6   

                                                                                                                                                                   

                                                                                                           

                                                                               

Выводы:

                1). Рассмотренная схема импульсного управления наиболее простая и  рас-                                                                                 

         пространённая. Закон управления  формируется исполнительным  меха-

         низмом. Чаще всего это интегральный закон.

    2). В импульсной системе управления  возможна реализация  более сложных

         законов управления, которые формируются с помощью корректитующих

         обратных связей. Такими обратными связями охватывается исполнитель-

         ный механизм, либо корректирующее звено, включающееся в цепь обрат-

         ной связи системы.

    3). При импульсной модуляции сигнал получает запаздывание относительно

         исходного сигнала.  Наименьшее запаздывание носит импульсный сигнал

         экспоненциальной формы (рис. 3.7)

                    S(t)             рис.3.7          

                            Сигнал с зап-нием

                        

                                                                      = 1/3 Т                                                                 

                                                Исх. сигнал

                                            

                                                                          t

    4). При синтезе импульсной системы управления необходимо выбирать зна-

         чения параметров, не ухудшающих качество управления по сравнению с

         непрерывными системами.

    5). В некоторых случаях при реализации специальных импульсных алгорит-

         мов качество импульсной  системы может быть лучше  чем непрерывной.  

         В импульсных системах могут возникать погрешности, характерные для

         дискретных систем, связанные с потерей инфор-ции при   дискритизации.

         Для  уменьшения  погрешности  нужно выбирать частоту дискритизации

         больше. Рекомендуется  выбирать  т= 50 max , где max-это максималь-

         ная частота обрабатываемых сигналов.

         Если на импульсную систему  действует периодическое  возмущение с пе-

         риодом  равным чётному количеству тактов Тв = 2Т, 4Т,  и т. д., то может

         оказаться, что регулятор вообще не  будет реагировать на изменение рас-

         согласования, вызванное этим  возмущением, т.е. система управления фи-

         зически окажется разомкнутой.  Для искажения такой ситуации интервал

         дискритизации Т<<Тmin в и Т<<Тнч .                                                                            

                                                                                                                                 рис.3.8              

              fв

                               Тв                                    t

                                                                     

        

                         sт(t)

                        0     Т       2Т     3Т     4Т                  t

3.2 Прохождение сигнала через импульсную систему управления.

    Рассмотрим разомкнутую импульсную систему управления (рис. 3.9)

                                 

                 (t)                т(t)                                  y(t)                                                         рис.3.9   

                                                                                                                                                            

                                                                                                                                              

                                                                      

        Произведём анализ данной системы спектральным методом. Для этого определим преобразование Фурье выходного сигнала.

 

Y( j) = Wпн(j)Eт(j)                                                                                         (1)

Eт(j) = {E(j) =F{(t)}}= 1 Т   E[j(+kт)]     ,  где т=2 Т

                                                     k=-

Таким образом, спектр выходного сигнала будет следующим:

                                   

Y(j)=Wпн(j)1 Т   E[j(+kт)]                                                           (2)

                                к=-  

Это говорит о том, что спектр выходного сигнала периодичен по частоте и существует на всей оси частот от  “- ”  до  “+ ”.

                                                                                                                      , k 

При k=0 из выражения(2)  Y(j)=1 ТWпн(j)E(j)+1 ТWпн(j)   E[j(+kт)]   (3) 

                                                                                                                                                                k= -    

Первое слагаемое в выражении(3)представляет собой спектр выходного сигнала, который имел бы место в непрерывной системе с комплексной передаточной функцией: W(j)=1ТWпн(j). Второе слагаемое-это сумма транспонированных спектральных составляющих. Она отображает влияние импульсного звена на спектр импульсного сигнала.

Поясним графически полученный результат (рис.3.10):

                                                                                                                                           рис.3.10

                                                                                            Eт(j)

                                                                                        Wпн()

                                                                            E(j)                   

                                                                                                            

                                               -т         -гр  0   гр           т              гр1   

                                                                                                                                      

                                                                         ТY()

                                                                                                                                      

Будем считать выполнимыми условия теоремы Котельникова. Ширина спектра сигнала т (рис.3.10) ограничена частотой гр и т 2гр . Полоса пропускания приведённой непрерывной части [-гр1,гр1] .

Выводы:

                1). Наличие дельта-модулятора в импульсной системе приводит к  появ-

                     лению в спектре дискретного сигнала т(t) высокочастотных составля-

                     ющих, которых не было во входном (t) сигнале. В спектре выходного

                     сигнала y(t) также имеются высокочастотные составляющие, которых не

                     было в спектре входного сигнала.

                2). В силу этого невозможно определить комплексную передаточную функ-

                     цию методом линейных систем, т.е. выразить как отношение:

                          

                3). Можно рассмотреть случай, когда гр1 т или же выбрать тгр+гр1.

                    

                                                                                            E(j)                                      рис.3.11

                                                  

                                                  

                                                                

                                                          

                                                        -т          -гр       гр гр1     т                       

             

                                                                  

                                                       

                                                        

                                                                

                                                                                                  

                      Вторым слагаемым в выражении (3) можно пренебречь и спектр выход-

                      ного сигнала будет следующим:  Y(j) =1 ТWпн(j)E(j) т.е. выходной

                      сигнал будет эквивалентен входному сигналу у некоторой непрерывной

                      системы с КПФ: 1/Т Wпн(j)  (рис.3.12)

                                                                                                                                        рис.3.12

                                E(j)         Y(j)

                                                  

                                                                                                                                                     

                                                                                                      

                      На практике условие:тгр+гр1 (4) выполняется, если постоянная вре-

                      мени Тнч  интервала дискритизации. Однако даже при выполнении ус-

                      ловия (4) импульсное звено оказывает влияние на свойства системы, т.к.

                      Wпн(j) = Wф(j)Wнч(j).

Главный вывод:

                               Между спектрами аналоговых сигналов y(t) и (t) в общем случае

                      нет пропорциональной связи. Следовательно, полученную эквивалент-

                      ную схему импульсной системы нельзя использовать для расчёта дина-

                      мических характеристик системы.

 

3.3 Динамические характеристики разомкнутой импульсной системы управления.

  

          Преобразуем схему разомкнутой импульсной системы управления таким образом, чтобы можно было ввести понятие передаточной функции.

            

                                                                                                   y(t)                                  рис.3.13

                  (t)                т(t)                                                                                             

                                                                                                                                                    yт(t)        

                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

                                                                  

Расчётная эквивалентная схема разомкнутой импульсной системы управления (рис.3.14):

                                                                   y(t)                                                                  рис.3.14

                                              (t)                                                                                                yт(t)        

                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

                                          gпн (t)                                                             

                                                 gт пн(t) =  gпн к (t-kt)

                                                                                                                k=0

СПФ: Wт.р(z) = gпн kz-k

КПФ: Wт.р(j) = gпн ke-jkт

ОПФ: Wт.р(p) = gпн k e-pkт

Выводы:

              1). Если ОПФ приведённой  непрерывной части представляет собой отноше-

                   ние полиномов:  ,  т.е. дробно-рациональную функцию, то

                   СПФ импульсной системы имеет вид:  , т.е. тоже дробно-ра-

                   циональная  функция. (При этом  степени  знаменателей совпадают , а сте-

                   пень числителя B(z) равна n-1).

              2). Если непрерывная часть импульсной системы имеет запаздывание = kT ,то

                   СПФ разомкнутой системы с запаздыванием:  

                   Такую же передаточную функцию будет   иметь система, запаздывание ко-

                   торой лежит в интервале   (k-1)T << kT  .

              3). Для  представления передаточной функции разомкнутой импульсной сис-

                   темы можно  использовать  полученные  ранее соотношения между спект-

                   ром  дискретного сигнала и  спектром  исходного  непрерывного сигнала.

                   .

                   Аналогичную  зависимость можно  записать и  для  КП функций, т.е.  КП

                   функцию можно выразить через отсчёты импульсной характеристики или

                   же через КП функцию непрерывной части.

                    

                    

                   Таким образом,  КПФ и ОПФ  разомкнутой   импульсной  системы перио-

                   дичны по частоте.

                   Периодичность  определяется  по мнимой оси,  поэтому эти характеристи-

                   ки принято рассматривать вдоль действительной оси на комплексной пло-

                   скости в диапазоне частот  или  (рис.3.15).        

                                                             j                                                                                                        рис.3.15

                                                                                т/2   

                                                                                                                                          

                                                                                --т2..                                          +                                 

                                      Таким образом, КПФ разомкнутой системы  т. е. Wт.р(j)  обладает                         

                   всеми свойствами КП функции дискретной системы, т.е. она периодична

                   ло частоте и симметрична относительно мнимой оси.    

              4). Если тактовая частота тгр+гр1 ,то :                               

                        

                              

                    Динамические характеристики разомкнутой системы  используются при

                    исследовании  устойчивости импульсных  систем, при анализе и синтезе

                    импульсных систем. Зная системную  передаточную  функцию разомкну-

                    той системы, можно олределить сигнал y(t) на выходе импульсной систе-

                    мы по алгоритму:

                    

                    В учебной и справочной  литературе  можно найти  таблицы функциона-

                    льно - связывающие  пространство  переменных  p,t,z .  Этими таблицами

                    можно воспользоваться для определения характеристик разомкнутой им-

                    пульсной системы, имея характеристики приведённой непрерывной части

                    системы. К сожалению, класс функций, имеющих такие соотношения огра

                    ничен.

Пример:

Определить передаточные функции разомкнутой ИСУ .

Решение:

1ый – метод: 

                      

                     

2ой – метод: {с использованием таблиц соответствий}  

                     

          (1)

                                                 (2)

3.4  Эквивалентная схема замкнутой импульсной системы управления.

u(t)            (t)                т(t)                                  y(t)                                                      рис.3.16   

                                                                                                                                                                   

                                                                                                           

                                                                               

На рис.3.16 представлена расчётная эквивалентная схема замкнутой импульсной системы управления.

                                                                                           y(t)

u(t)             (t)               т(t)                                                                                              рис.3.17   

                                                                                                                                 yт(t)                                  

                                                                                                           

                                                                               

                     

                

                                                                                           y(t)

 u(t)               uт(t)           т(t)                                                                                              рис.3.18   

                                                                                                                                 yт(t)                                  

                                                                                                           

                                                                               

Докажем, что схема (рис.3.17) эквивалентна предыдущей (рис.3.18):

(1) т(t) = [u(t)-y(t)]т  =

(2) т(t) = uт(t)-yт(t) =                =  

Следовательно, схемы (рис.3.17 и рис.3.18) эквивалентны.

Выделим из полученной схемы часть системы с дискретным выходом, т.е.:

u(t)             (t)                             y(t)                                                                                  рис.3.19

                                                                                                                                                                   

                                                                                                           

                                                                               

На рис.3.19 представлена расчётная эквивалентная схема замкнутой импульсной системы управления.

3.5 Динамические характеристики замкнутой импульсной системы управления.

Анализ:

          Основные результаты разомкнутой системы справедливы и для передаточной функции замкнутой системы:

1).      Если приведённая непрерывная часть импульсной системы имеет ограниченную полосу пропускания гр1  и  т  гр+гр1 , где гр – ширина спектра входного сигнала, гр1- ширина полосы пропускания разомкнутой системы:

 ,  

2).      Практически это условие выполняется, если постоянная времени непрерывной части системы  Tнч>>T.

3).       Если при этом спектр входного сигнала ограничен частотой гр , то замкнутая импульсная система ведёт себя также как замкнутая непрерывная система с КПФ разомкнутой части : Wр(j) = 1/TWпн(j).

4).   Если условия по выбору частоты т не выполняются, то  сказываются стробоскопические свойства импульсной системы, определяемые периодичностью КП функции замкнутой системы по оси частот и наложением спектров. При этом поведение импульсной системы существенно отличается от поведения аналогичной непрерывной системы.

5).   Условие  идентичности  импульсной  системы  и непрерывной системы определяется соотношением: тгр+гр1.

6).       Передаточные функции импульсной системы являются дробно-рациональными функциями относительно z. Порядок характеристического полинома знаменателя n равен порядку характеристического полинома непрерывной части системы. Если в системе есть запаздывание на к тактов, то порядок характеристического полинома знаменателя равен [n+к]. Порядок числителя в системе без запаздывания равен [n-1] ,  а в системе с запаздыванием равен [n] .   

7).  Передаточные функции замкнутой импульсной системы периодичны в пространстве переменной p по мнимой оси j. Поэтому эти характеристики принято рассматривать по мнимой оси в полосе частот  . В этом же диапазоне строится годограф разомкнутой или замкнутой системы управления.    

             


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75637. Осознание фонетических явлений родного языка детьми в норме и при патологии речи 25.12 KB
  Принципиального определения возраста, в котором ребёнок может продемонстрировать осознанное отношение к языку и речи; уточнения позиции о взаимосвязи речеязыковых и когнитивных механизмов, определяющих ориентировочные действия в языке
75638. Своеобразие употребления, понимания и интерпретации невербальных средств общения дошкольниками с общим недоразвитием речи 46.76 KB
  Умение правильно понимать невербальные средства общения и адекватно выражать с их помощью смысл и значение играют исключительную роль в развитии детей в формировании предпосылок речи в становлении языковой личности ребёнка. На протяжении многих лет основное внимание логопедов было сосредоточено исключительно на языковом развитии детей с ОНР выявлении специфики и особенностей их речи по сравнению с нормой. Причём нередко невербальные компоненты коммуникации воспринимались как средства тормозящие речевое развитие детей и мешающие...
75639. Невербальные проявления интенциональных направленностей в поведении дошкольников с общим недоразвитием речи 32.72 KB
  Невербальные проявления интенциональных направленностей в поведении дошкольников с общим недоразвитием речи О. Сопоставив полученные исследователями результаты с нашими данными мы смогли выделить вербальные и невербальные проявления интенциональных направленностей и их выраженность в поведении дошкольников с нормальной и нарушенной речью см. Таблица Выраженность вербальных и невербальных проявлений интенциональных направленностей в поведении дошкольников Форма проявления Форма выражения интенциональной направленности...
75640. Особенности интерпретации невербальных средств общения дошкольниками с тяжёлыми нарушениями 52.22 KB
  Психические и физические недостатки вызывают отклонения в развитии детей замедляя и затрудняя процесс освоения знаковой действительности. При достаточной разработанности вопроса о языковом развитии детей с общим недоразвитием речи сведений об особенностях понимания и употребления ими других видов знаков недостаточно. В настоящее время общепризнано что помимо недостатков фонетического лексико-грамматического и синтаксического оформления высказываний речевая деятельность детей с ОНР характеризуется когнитивной слабостью...
75641. Использование невербальных средств общения в коррекционно-развивающей работе с дошкольниками с общим недоразвитием речи 56.67 KB
  Использование невербальных средств общения в коррекционно-развивающей работе с дошкольниками с общим недоразвитием речи Вестник Ленинградского государственного университета им. Изучение невербального общения детей с недоразвитием речи и определение коррекционно-развивающего эффекта невербальных средств общения является одной из актуальных проблем современной логопедии. Исследование было посвящёно определению значения невербальных средств общения в формировании базовых предпосылок речи у дошкольников с ОНР и разработке содержания научно...
75642. Цветообозначение в работе по развитию семантической стороны речи и обогащению эмоционального словаря детей с ОНР 1.12 MB
  Общечеловеческий родовой национально-культурный и индивидуально-психологический. Общечеловеческое значение цвета напрямую связано с его физическими характеристиками и определено способностью цвета оказывать воздействие на эмоции человека его состояние. Так выявлено что синий и зеленый цвета и их оттенки расслабляют успокаивают человека. Выявлено что светлые цвета максимально удалённые от чёрного преимущественно связаны с позитивными эмоциями; тёмные...
75643. Как понять себя и другого 7.47 MB
  Особое внимание следует обратить на подбираемую к текстам наглядность: она должна отражать мимику и пантомимику персонажей. Педагог обращает внимание детей на выражении лица и позу персонажей. Аналитичность просмотра подразумевает детальный разбор мимики позы жестов персонажей мультфильма. Используются разнообразные невербальные средства: экспрессивные выражающие эмоции и чувства персонажей; изобразительные имитирующие определённые действия персонажей; указательные и символические.
75644. Особенности невербального кодирования информации детьми с общим недоразвитием речи 25.54 KB
  Выраженность вариантов невербального кодирования информации Категория детей Варианты невербального кодирования Дети с нормальным х развитием речи в Дети с общим х недоразвитием речи в 4 г. В целом в ходе выполнения диагностического задания дети с общим недоразвитием речи гораздо реже чем их нормально развивающиеся сверстники могли правильно воспроизвести невербальный знак чаще отказывались от выполнения задания. Дети с ОНР могли справиться с заданием лучше если экспериментатор задавал наводящие вопросы подсказывал...
75645. Особенности фонетических ориентировок у детей с речевой патологией 20.41 KB
  Особенности фонетических ориентировок у детей с речевой патологией Актуальные проблемы механизмов и структуры нарушений устной и письменной речи: материалы междунар. Функционирование фонетического чутья позволяет ребёнку улавливать правильность фонетического оформления речи дифференцировать нормативное...