29830

Метод корневого годографа

Лекция

Математика и математический анализ

Метод Dразбиения плоскости двух параметров В некоторых случаях критерии устойчивости позволяют проследить влияние параметров на устойчивость системы. Существуют специальные методы построения областей устойчивости. Пусть при некотором  = крит корень характеристического уравнения попадает на мнимую ось тогда при значении крит система находится на границе устойчивости. Если  это коэффициент передачи то при  крит система устойчива  = крит система находится на границе устойчивости  крит система неустойчива.

Русский

2013-08-21

145 KB

22 чел.

Лекция № 6

6.1. Метод корневого годографа

6.2. Метод Вышнеградского

6.3. Метод D-разбиения плоскости одного параметра

6.4. Метод D-разбиения плоскости двух параметров

В некоторых случаях критерии устойчивости позволяют проследить влияние параметров на устойчивость системы. Существуют специальные методы построения областей устойчивости.

6.1. Метод корневого годографа

Корневой годограф:

Пусть , где

D(p)=dnpn+dn-1pn-1+…+d0

di , i=(целые значения)

di функции параметров системы

Если приравнять D(p) к 0 и определить корни pi ,i=, то эти корни также будут функциями параметров системы.

pi=I()+ji()функция параметра

- чаще всего коэффициент передачи системы.

Если значение будем менять от 0 до , то все корни характеристического уравнения (pi ,i=) в пространстве комплексной плоскости будут перемещаться по некоторым траекториям.

Корневым годографом называется геометрическое место корней характеристического уравнения системы D(p)=0, при изменении одного из параметров системы от 0 до .

Пусть при некотором = крит корень характеристического уравнения попадает на мнимую ось, тогда при значении крит система находится на границе устойчивости. Если - это коэффициент передачи, то при < крит система устойчива, = крит система находится на границе устойчивости, > крит система неустойчива.

Пример:

Пусть система управления имеет , D(p)=0 имеет 3 корня: p1= –0,5*K

              p2,3= (K-10)jK

Определить и изобразить график корневого годографа и определить Ккрит для системы.

К

p1

p2,3

0

1

2

5

10

15

0

-0,5

-1

-2,5

-5

-7,5

-10

-9 j

-8 j2

-5 j5

j10

5 j15

Из графика видно, что Ккрит=10 

Система устойчива при K<10

Метод корневого годографа для ручного счета сложен, если порядок уравнения > 3.

6.2. Метод Вышнеградского

Уравнение:

a0p3+a1p2+a2p+a3=0

путем замены переменных можно представить в форме Вышнеградского:

z3+Az2+Bz+1=0

, ,

Параметры А и В называются параметрами Вышнеградского. Если рассмотреть плоскость параметров А и В для их положительных значений, то изображению мнимой оси в комплексной плоскости будет соответствовать уравнение АВ=1 в плоскости Вышнеградского, т.е. АВ=1 – граница устойчивости.

Кроме определения устойчивых и неустойчивых областей Вышнеградский построил кривые, позволяющие судить о форме переходного процесса.

Недостатки метода:

  1.  Область применения метода ограничена уравнениями третьего порядка.
  2.  Исследуемые параметры системы, например Кр и Т неявным образом входят в параметры А и В. Поэтому выявление областей устойчивости в пространстве параметров системы требует дополнительных трудоемких расчетов.

Критерий Вышнеградского совпадает с критерием Гурвица, если записать:

=

  1.  A > 0
  2.  AB-1 > 0 AB > 1

Метод Вышнеградского удобен для качественного анализа и для количественных расчетов в настоящее время не применяется.

6.3. Метод D-разбиения плоскости одного параметра

Задана , требуется определить влияние на устойчивость системы, т.е. границы изменения в устойчивом состоянии.

Представим D(p)=R(p)+ *Q(p), где - линейно входит в уравнение.

Перейдем к D(j)=R(j)+*Q(j), если D(j) приравнять к 0, то из этого уравнения мы определим , фактически это отношение – функция, т.е. - комплексный параметр, если изменить от 0 до , то комплексная функция (j) опишет некоторую кривую, которую будем называть границей D-разбиения. Поскольку при построении этой кривой полагали p=jw, т.е. предполагалось движение по мнимой оси комплексной плоскости, то полученная кривая D-разбиения трансформирует мнимую ось в плоскость параметра (j) 

Т.к. (j) симметрична относительно вещественной оси, то её дополняют зеркальным отражением.

После построения границы D-разбиения необходимо отметить предполагаемые области устойчивости. Для этого границу D-разбиения штрихуют по следующим правилам:

  1.  при изменении частоты от - до + в плоскости корней характеристического уравнения устойчивая область расположена слева от линии оси. Также штрихуем левую часть кривой от - до +.
  2.  Часть плоскости, в сторону которой направлены штрихи, является предполагаемой областью устойчивости, ей дают название D(0). 
  3.  По физическому смыслу параметры системы – вещественные величины, поэтому в качестве устойчивых значений параметров будем рассматривать только вещественную ось, т.е. [R1,R2] система устойчива; [R1,R2] – система неустойчива.
  4.  В большинстве случаев исследуемый параметр может принимать только положительные значения, тогда [R0,R2]система устойчива; [R0,R2] – система неустойчива.

Выводы: 1) Результаты, полученные по методу D-разделения нельзя считать окончательными. Для окончательного решения вопроса об устойчивости системы надо выбрать какое-то значение параметра из предполагаемой области устойчивости (например R3), подставить в D(p) и проверить устойчивость системы по любому критерию. Если система устойчива, то полученная область D(0) является устойчивой.

   2) Расчеты по методу D-разбиения достаточно сложны, обычно этот метод используют для расчетов на ЭВМ (пакет TAY2), т.к. метод хорошо поддается программированию.

Пример:

Построить границу замкнутой системы управления и определить Кгран, при котором замкнутая система устойчива.

Посчитаем:

D(p)=K+(1+2p)(1+0,5p)=K+1+2,5p+p2

D(j)=K+1+j2,5-2=(K+1-2)+j(2,5)

D(j)=0, тогда

K(j)=(2-1)-j2,5 

0

1

K

-1

-2,5j

-j

K>-1, ограничиваем до К>0, тогда Кгран=0

6.4. Метод D-разбиения плоскости двух параметров

При исследовании систем, в некоторых случаях необходимо построить область устойчивости в пространстве двух и более параметров.

Рассмотрим два параметра: и . Надо сгруппировать D(p) так: D(p)= *P(p)+*Q(p)+R(p)=0

Kp=

4

Далее положим p=j, тогда P(p),Q(p) и R(p) будут содержать действительную и мнимую составляющие; тогда из уравнения D(j)=0 мы можем получить:

Разделим уравнение на действительные и мнимые составляющие:

С учетом этих двух систем можно записать:

В этих уравнениях R1 и R2 не зависят от переменных и , поэтому переносим их вправо:

В этой системе два уравнения и два неизвестных и , т.е. эта система разрешима.

.

Все определители являются функциями частоты:

=F()

1=F1()

2=F2()

Поэтому и решения и - также функции частоты.

Задавая различные от 0 до можно построить границу разделения плоскости и , при этом между и существует функциональная зависимость, т.е. =f()

Например:

Функциональная зависимость получается в том случае, когда 0.

Тогда каждому значению частоты соответствуют значения и . Эта граница является трансформацией мнимой оси пространства комплексных корней.

Кривая D-разбиения плоскости двух параметров обладает следующими свойствами:

  1.  D-кривая несимметрична относительно вещественной оси, т.е.  ()=-(-) ;
  2.  Достаточно построить D-кривую только для частот >0;

для частот <0 она будет повторяться и идти этим же самым образом.

  1.  Если при некотором значении частоты =1 все определители  системы равны нулю, то система неразрешима, и одно из уравнений системы приводит к уравнению прямой. Такая прямая называется особой прямой. В большинстве  случаев особые прямые получаются при =0 или при =.

Для определения устойчивости системы в плоскости параметров и необходимо выделить устойчивые и неустойчивые области. Выделение таких областей происходит с помощью специальной штриховки.

Правила штриховки:

>0       <0

  1.  граница штрихуется слева при движении в сторону  возрастания , если >0 и справа – если  <0.
  2.  т.к. граница D-разбиения при >0 и <0 совпадает, то граница штрихуется дважды с одной и той же стороны
  3.  штриховка особых прямых одинарная и производится так, чтобы вблизи точек пересечения с D-кривой заштрихованные и не заштрихованные области прямой и кривой совпадали.

Теперь мы можем выделить устойчивые и неустойчивые области.

Выводы:

  1.  при построении границы D-разбиения следует правильно  ориентировать оси :

    горизонтальная – 1-ый параметр уравнения

    вертикальная – 2-ой параметр уравнения ;

  1.  При построении D-кривой может оказаться, что на некоторой частоте =0 и дальше <0, в этом случае штриховка должна быть изменена:

  Если имеется особая прямая, то её штриховка тоже меняется.

  1.  метод D-разбиения требует строгого соблюдения формальных  процедур, иначе его применение может привести к грубым  ошибкам .
  2.  найденные области устойчивости должны проверяться на устойчивость одним  их  известных  методов  для произвольной  точки  из  области D(0). Если при  выбранных  параметрах  система устойчива, то область D(0) будет устойчива.
  3.  Метод D-разбиения считается обобщенным критерием устойчивости, т.к. все рассмотренные ранее критерии могут быть доказаны, исходя из представления границы D-разбиения.
  4.  Для систем высокого порядка число варьируемых параметров может быть равно 3,4 и т.д. В трехмерном случае получается некоторый объем устойчивости, ограниченный трехмерной поверхностью – границей устойчивости. В общем случае N варьируемых параметров области устойчивости представляют собой многомерный объем в N-мерном пространстве.
  5.  С помощью метода D-разбиения целесообразно проводить расчеты на ЭВМ с использованием пакетов программ (TAY2 и др.)


-10

-10

10

+

j

А

В

1

2

3

4

АВ>1

АВ<1

R1

R3

R2

R0

j

j

+

+

Плоскость корней

=0

=

=0

=

Уст.

Неуст.

D(0)

D(1)

D(1)

D(1)

j

+

D(1)

D(0)

2,5

-2,5

-1

=0

=0

Особая

прямая

Граница

D-разбиения

D(0)

D(0)

D(0)

D(1)

D(1)

D(1)

D(1)

D(1)

D(0)

D(1)

D(0)

D(0)

D(1)

>0

=0

<0

=

=0

=0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38407. Економіка підприємств 217.5 KB
  Розкрийте сутність поняття економіка підприємства. Дайте загальну характеристику підприємства 3. Охарактеризуйте структуру підприємства 4 Назвіть І охарактеризуйте види підприємств згідно з кваліфікаційними ознаками. Система планів підприємства 12.
38409. Лекции по истории и праву Европейского Союза 863 KB
  Общие замечания о послевоенной обстановке в Западной Европе. Предпосылки к созданию ЕЭС. Отличие ЕЭС от большой семерки. Россия (СССР) и ЕЭС-предпосылки сотрудничества этих субъектов Международного права. Этапы создания ЕЭС
38411. Фінанси та їх сутність 103.56 KB
  Значну частину своїх функцій держава виконує завдяки державному бюджету. Значну частину своїх функцій держава виконує завдяки державному бюджету. Бюджетна система України це сукупність Державного бюджету та місцевих бюджетів побудована з урахуванням економічних відносин державного і адміністративнотериторіальних устроїв і врегульована нормами права. Згідно з Бюджетним кодексом бюджетна система України ґрунтується на таких принципах: 1 принцип єдності бюджетної системи України забезпечується єдиною правовою базою єдиною грошовою...
38412. Характеристика основных теорий кредита 34.87 KB
  не денежные вещественные блага; кредит представляет собой движение натуральных общественных благ и поэтому он есть лишь способ перераспределения существующих в данном обществе материальных ценностей; ссудный капитал тождественен действительному следовательно накопление ссудного капитала есть проявление накопления действительного капитала а движение первого полностью совпадает с движением производительного капитала; поскольку кредит выполняет пассивную роль то коммерческие банки являются лишь скромными посредниками. Ошибочность их взглядов...
38413. Основи цивільного права 1014 KB
  Місце цивільного права в системі правових галузей. Система та завдання курсу Цивільне та сімейне право як навчальної дисципліни. Загальна характеристика приватноправових систем зарубіжних країн. Цивільноправові відносини: поняття особливості елементи та види.
38414. Розірвання шлюбу 98 KB
  Але в цьому випадку також як і при укладанні шлюбу потрібно обоюдне волевиявлення тобто попросту кажучи ви повинні подати відповідну спільну заяву. Розірвання шлюбу відбувається в порядку позовного провадження тобто за участю обох сторін. У самому позові потрібно обовязково вказувати причини по яких сімя розпалася тобто причини розірвання шлюбу. Нове законодавство передбачає також вирішення у судовому процесі такого питання як присвоєння прізвища після шлюбу.