42209

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НУЛЕЙ И ПОЛЮСОВ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лабораторная работа

Физика

Изучить связь характера переходной характеристики динамических свойств системы с размещением на комплексной плоскости нулей и полюсов. Корни характеристического полинома системы полюса системы 6.2 где комплексная переменная определяют характер переходной функции системы с установившимся значением а следовательно и такие динамические показатели как время переходного процесса и перерегулирование . Полиномы Баттерворта для различного порядка системы n полином Баттерворта 1 2 3 4 5 6 6.

Русский

2013-10-27

1.64 MB

51 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НУЛЕЙ И ПОЛЮСОВ

ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Цель работы. Изучить связь характера переходной характеристики, динамических свойств системы с размещением на комплексной плоскости нулей и полюсов.

Методические рекомендации. До начала работы  студенты должны получить от преподавателя вариант задания. К занятию допускаются студенты, выполнившие требуемые расчеты и составившие схемы моделирования исследуемых систем. Лабораторная работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Рассмотрим динамическую систему, которая описывается дифференциальным уравнением n-го порядка

,      (6.1)

где  - выходная переменная ,  - входная переменная,  - постоянные параметры. Здесь  - k-ая производная функции  по времени .   Корни  () характеристического полинома системы (полюса системы)

,       (6.2)

где - комплексная переменная, определяют характер переходной функции  системы с установившимся значением , а следовательно, и такие динамические показатели, как время переходного процесса  и перерегулирование .

Используя понятие среднегеометрического корня 

характеристический полином (6.2) можно представить в виде

,      (6.3)

в котором коэффициенты  определяются выражением

.

Среднегеометрический корень  может служить мерой быстроты протекания переходных процессов. Если в уравнении (6.3) увеличить , например, в 10 раз, то переходный процесс, оставаясь подобным самому себе, будет протекать в 10 раз быстрее. В связи с этим можно рассматривать полином (6.3) при  как некоторый нормированный характеристический полином, которому соответствует нормированная переходная функция  и нормированное время переходного процесса . Если качество переходного процесса с точки зрения перерегулирования является приемлемым, то требуемое время переходного процесса  может быть обеспечено соответствующим выбором величины .

Для обеспечения требуемого значения перерегулирования необходимо задаться определенным распределением корней характеристического полинома, например, распределением Баттерворта или биномиальным распределением Ньютона.

Распределением  Баттерворта называется такое размещение на комплексной плоскости 2n комплексных чисел , при котором они располагаются в вершинах правильного 2n-угольника (см. рис. 6.1). При этом все числа имеют знакоопределенную вещественную часть () и равные модули  . Значения таких комплексных чисел для заданного n однозначно определяется значением  и находятся из выражения

=, ,

причём n чисел  имеют строго отрицательную вещественную часть, т.е. лежат в левой полуплоскости.

Рис. 6.1. Распределение Баттерворта для различных значений порядка  

 Полиномом Баттерворта называется алгебраический полином n-го порядка , n корней которого совпадают с n комплексными числами, подчиняющимися распределению Баттерворта и имеют отрицательную вещественную часть. Полином определяется формулой

==,   (6.4)

где , а его коэффициенты находятся по формуле: . Полиномы 1-6 -го порядка приведены в табл. 6.1.

При биномиальном распределении Ньютона  комплексных чисел  принимаются равными и вещественными, т.е. . Биномиальный полином Ньютона  n-го порядка задается в общем виде выражением

Таблица 6.1.

Полиномы Баттерворта для различного порядка системы

n

полином Баттерворта

1

2

3

4

5

6

,    (6.5)

где -биномиальные коэффициенты. Полиномы 1-6-го порядков приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Биномиальные полиномы для различного порядка системы

n

Биномиальный полином

1

2

3

4

5

6

Переходные характеристики системы (6.1) порядка  с характеристическим полиномом вида (6.4), построенные в нормированном виде (,  ), приведены на рис. 6.2, а с характеристическим полиномом (6.5) на рис.6.3. Динамические системы с рассмотренными характеристическими полиномами асимптотически устойчивы, что обусловлено выбором корней характеристического полинома и обладают высокими динамическими показателями. Перерегулирование для системы (6.1) с полиномом Баттерворта ограничено:

,

а с биномиальным распределением обеспечивается получение монотонного переходного процесса ().

Метод стандартных переходных функций используется для определения коэффициентов системы (6.1) по заданным показателям . При этом требование монотонности переходного процесса однозначно определяет выбор в качестве характеристического полинома биномиального полинома (6.5), а до-

Рис 6.2 Нормированные переходные характеристики системы с

характеристическим полиномом Баттерворта

Рис 6.3 Нормированные переходные характеристики системы с

биноминальным характеристическим полиномом

пущение перерегулирования не большего 15% - выбор полинома Баттерворта (6.4). Кроме того, при распределении корней характеристического полинома по Баттерворту, в сравнении с биномиальным распределением, требуемое время переходного процесса можно обеспечить при меньших по абсолютной величине значениях коэффициентов характеристического полинома.

Коэффициенты системы  () находятся  по заданному значению времени переходного процесса  следующим образом:

по нормированным переходным функциям (рис.6.2, 6.3) определяется значение  ;

среднегеометрический корень  определяется по значениям  и , для чего используется  формула ;

коэффициенты  искомого полинома определяются выражением , где значения   находятся по таблице 6.1 или 6.2, в зависимости от выбранного типа распределения корней характеристического уравнения.

Коэффициент  определяется  по заданной величине статического коэффициента k выражением .

В некоторых случаях, возникает задача оценки быстродействия системы без построения ее переходной характеристики. Для этого может использоваться понятие степени устойчивости. Под степенью устойчивости  понимается абсолютное значение вещественной части ближайшего к мнимой оси корня. Предполагая, что переходный процесс можно считать закончившимся тогда, когда затухнет составляющая, определяемая ближайшим к мнимой оси корнем, получим приближенную зависимость между степенью устойчивости и временем переходного процесса

        (6.6)

Формула (6.6) имеет приемлемую точность, когда абсолютное значение вещественной части ближайшего к мнимой оси корня не менее чем на порядок меньше абсолютных значений вещественных частей остальных корней.

В отличии от рассмотренной выше системы вида (6.1) характер переходного процесса в системе вида

   (6.7)

определяется не только корнями характеристического полинома, т.е. полюсами системы, но и корнями полинома

,

которые называются нулями системы. При заданном полиноме  выбором коэффициентов полинома  можно, к примеру, уменьшить время переходного процесса, или обеспечить инвариантность системы к некоторым типам входных сигналов.

 Порядок выполнения работы

По заданным в табл. 6.3 значениям постоянных  определите параметры системы (6.1) с характеристическим полиномом Баттерворта и биномиальным полиномом. Для каждого случая рассчитайте корни характеристического полинома (6.2) и оцените время переходного процесса по формуле (6.6). Составьте схему моделирования системы и постройте переходные характеристики, соответствующие двум типам распределения корней характеристического уравнения.

Для каждого набора параметров , приведенных в табл. 6.4 и 6.5, постройте переходные характеристики системы (6.7) с коэффициентами  и коэффициентом b, рассчитанными в п.1 для биномиального распределения корней характеристического уравнения.  

Для набора параметров  и внешнего воздействия , приведенных в табл. 6.6, постройте реакцию системы (6.7) с нулевыми начальными условиями и коэффициентами , рассчитанными в п.1 для биномиального распределения корней характеристического уравнения. На экран монитора выводить графики .

Содержание отчета

Математическая модель динамических систем (6.1), (6.7) и соответствующие им схемы моделирования.

Коэффициенты и корни характеристического уравнения системы, рассчитанные по заданным показателям для двух типов распределения корней. Оценка времени переходного процесса.

Результаты вычислительных экспериментов (графики пяти переходных функций и график реакции системы на заданное входное воздействие).

Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы

Определите установившиеся значение переходной функции системы, описанной дифференциальным уравнением  

.

У системы 3-го порядка характеристический полином совпадает с полиномом Баттерворта при единичном радиусе распределения. Укажите на комплексной плоскости корни характеристического уравнения системы.

Используя нормированные переходные характеристики, укажите время переходного процесса в системе (6.1) с характеристическим биномиальным полином при  и .

Определите время переходного процесса в системе

.

Определите время переходного процесса в системе

Определите установившуюся реакцию системы  

на внешнее воздействие .

Таблица 6.3

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

3

3

3

4

4

4

5

5

5

6

6

6

3

1

2.5

1.5

4

2

5

4

6

7

8

6

0.5

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0.5

2.5

5

3.5

Таблица 6.4

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0.5

1.25

1.5

2.5

1.75

2

2.25

3

2

2.5

2.75

1.5

Таблица 6.5

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2

2

0.5

0.5

1

0.25

0.1

0.2

0.1

0.2

0.3

0.1

0.5

1.5

1

0.25

1.25

0.5

0.2

0.1

0.5

0.1

0.1

0.2

0.25

1

1

1.25

0.25

0.75

0.5

0.2

0.2

0.2

0.3

0.4

-

-

-

2

2.5

3

0.3

0.5

0.25

0.3

0.2

0.5

-

-

-

-

-

-

3.5

4

0.25

0.5

0.3

0.2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2

2.5

3

Таблица 6.6

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

1

0.25

2.25

8

4.5

1

1

0.25

2.25

8

4.5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0.25

1

1

2

0.5

0.5

0.25

1

1

2

0.5

0.5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84542. Артеріальний пульс, його походження СФГ, її аналіз 43.09 KB
  При аналізі СФГ враховують перш за все стан стінок крупних артеріальних судин. Про це можна судити за конфігурацією СФГ вираженості окремих її хвиль. Розрахунок тривалості серцевого циклу проводять по полікардіограмі синхронно зареєстровані ЕКГ ФКГ СФГ.
84543. Регуляція діяльності серця. Міогенні та місцеві нервові механізми регуляції діяльності серця 40.8 KB
  Міогенні та місцеві нервові механізми регуляції діяльності серця. Баланс притоку та відтоку крові притік крові до серця по венозних судинах; відтік за рахунок активного вигнання крові шлуночками серця; 2. Рівний хвилинний обєм крові ХОК правого та лівого відділів серця; 3.
84544. Місцеві міогенні механізми регуляції серцевої діяльності 48.71 KB
  Залежність ССС від вихідної довжини КМЦ. Залежність ССС від опору вигнанню рівня артеріального тиску. Залежність ССС від ЧСС. Тому суть цього механізму можна викласти так: чим більше крові притікає до серця під час діастоли тим більша вихідна довжина КМЦ тим більша ССС СО.
84545. Характер і механізми впливів симпатичних нервів на діяльність серця. Роль симпатичних рефлексів в регуляції серцевої діяльності 44.58 KB
  Характер впливів симпатичної нервової системи на серце: позитивний інотропний вплив посилює силу серцевих скорочень; позитивний хронотропний вплив посилює ЧСС; позитивний дромотропний вплив посилює швидкість проведення збудження по елементам провідної системи серця особливо по передсердношлуночковому вузлу структурам провідної системи шлуночків; позитивний батмотропний вплив збільшення збудливості. Медіатор норадреналін взаємодіє переважно з βадренорецепторами оскільки αадренорецепторів тут майже немає при цьому...
84546. Характер і механізми впливів парасимпатичних нервів на діяльність серця. Роль парасимпатичних рефлексів в регуляції серцевої діяльності 44.78 KB
  Механізм впливів блукаючого нерва на серце повязаний із дією медіатора ацетилхоліну на мхолінорецептори КМЦ типових і атипових. В результаті підвищується проникність мембран КМЦ для йонів калію посилення виходу йонів із клітини за градієнтом концентрації що в свою чергу веде до: розвитку гіперполяризації мембран КМЦ; найбільше цей ефект виражений в клітинах з низьким вихідним рівнем мембранного потенціалу найбільше в вузлах АКМЦ: пазуховопередсердному та передсердношлуночковому де МПС = 60мВ; менше в КМЦ передсердь; найменше ...
84547. Гуморальна регуляція діяльності серця. Залежність діяльності серця від зміни йонного складу крові 44.41 KB
  Залежність діяльності серця від зміни концентрації йонів в плазмі крові. Найбільше клінічне значення має вплив йонів калію. При гіпокаліємії зниження концентрації йонів калію в плазмі крові нижче 1ммоль л розвиваються різноманітні електрофізіологічні зміни в КМЦ. Характер змін в КМЦ залежить від того що переважає: втрата йонів калію клітинами чи міжклітинною рідиною.
84548. Особливості структури і функції різних відділів кровоносних судин у гемодинаміці. Основний закон гемодинаміки 52.71 KB
  При такому підході видно що кровоносна система є замкненою системою в яку послідовно входять два насоси і судини легень і паралельно судини решти областей. Судини у системі крові виконують роль шляхів транспорту. Рух крові по судинам описує основний закон гемодинаміки: де Р1 тиск крові на початку судини Р2 в кінці судини R тиск який здійснює судина току крові Q обємна швидкість кровотоку обєм який проходить через поперечний переріз судини за одиницю часу. Отже рівняння можна прочитати так: обєм крові що проходить...
84549. Значення в’язкості крові для гемодинаміки. Особливості структури та функції різних відділів судинної системи 44 KB
  Вязкість крові залежить від таких 2ох факторів. Від зміни лінійної швидкості руху крові. Вязкість крові складає 45 50 умовних одиниць а плазми 17 23 гривні.
84550. Лінійна і об’ємна швидкості руху крові у різних ділянках судинного русла. Фактори, що впливають на їх величину 41.83 KB
  Обємна швидкість руху крові той обєм крові котрий проходить через поперечний переріз судини за одиницю часу. Замкнута система кровообігу може нормально функціонувати лише при умові що обємна швидкість кровотоку в будьякій ділянці однакова. Лінійна швидкість руху крові швидкість руху частинок крові відносно стінок судини. Оскількм ХОК в різних ділянках однаковий лінійна швидкість кровотоку визначається площею поперечного перерізу.