69332

Багатовимірні системи та метод змінних стану

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Загальні відомості про багатовимірні системи Метод змінних стану Методика розвязання рівнянь стану В САК в загальному випадку можна одночасно виконувати керування декількома величинами. Розенброком було закладено основи методу автоматизованого проектування...

Украинкский

2014-10-03

528 KB

11 чел.

Тема 7. Багатовимірні системи та метод змінних стану

  1.  Загальні відомості про багатовимірні системи
  2.  Метод змінних стану
  3.  Методика розв’язання рівнянь стану

В САК в загальному випадку можна одночасно виконувати керування декількома величинами. Такі системи називають багатовимірними, або системами багатозв’язного керування. Відповідно об’єкт керування називають багатовимірним об’єктом.

Лінійними багатовимірними системами називають системи автоматичного керування, в яких всі елементи мають лінійні характеристики і їх динамічні властивості описуються лінійними диференційними рівняннями. Якщо коефіцієнти таких рівнянь незмінні, то таку систему називають стаціонарною (в протилежному випадку – нестаціонарною).

Рівняння багатовимірної системи в загальному випадку можна записати у вигляді системи рівнянь у операторній формі

де x1xn – регульовані змінні, u1um – сигнали керування; f1fk – збурення; Pij(p), Qij(p), Cij(p) – поліноми від р із сталими коефіцієнтами.

Для багатовимірних систем найпоширенішою є матрична форма запису рівнянь, згідно з якою введемо такі матриці

,  ,  ,

,   ,

.

При цьому вихідну систему рівнянь багатовимірної системи можна записати у вигляді

.     (1)

Приклад 1

Двовимірна система описується рівняннями вигляду

;

.

Записати рівняння системи в матричній формі.

Поведінку багатовимірних систем можна описувати також за допомогою передаточних функцій.

Передаточною функцією по деякому і-му параметру та k-му виходу називають відношення зображення за Лапласом Xk(p) вихідного параметра xk до зображення Ui(p) вхідної величини ui при нульових початкових умовах. Згідно з цим

.      (2)

Обчислити цю передаточну функцію можна, якщо знехтувати у вихідній системі рівнянь зображеннями всіх сигналів та параметрів керування, крім Ui(p).

Аналогічно можна знайти передаточну функцію за збуренням fi відповідно до цього виходу xk

.      (3)

Зображення вектору керованих параметрів х можна записати

,    (4)

де

– матриця передаточних функцій за керуванням, або передаточна матриця;

– передаточна матриця за збуренням.

Відповідно до (1)

,   

Приклад 2

Знайти передаточні матриці за керуванням u та збуренням f для системи, заданої двома диференційними рівняннями в операторній формі

,

.

Відповідь:

.

2. У 1974 р. Г. Розенброком було закладено основи методу автоматизованого проектування САК, який потім дістав методу змінних стану.

Приклад 3

Рисунок 1 – Механічна система з лінійним переміщенням

На тіло масою М діє три сили – зовнішня сила , сила тертя, пропорційна швидкості – , та сила пружності, пропорційна переміщенню – . Під дією цих сил тіло масою М рухається згідно закону Ньютона, згідно з яким сума сил, що діють на тіло, дорівнює добутку маси тіла на його прискорення.

З урахуванням сил, діючих на тіло, диференційне рівняння, що описує рух системи, має вигляд

,   (5)

а передаточна функція

.    (6)

Цей вираз визначає залежність положення  від діючої сили . Припустимо, що нам також потрібна інформація про швидкість системи. Тоді можна ввести наступні змінні

,

.    (7)

є положення маси, а  – її швидкість. На основі (5) та (6) можна записати

. (8)

Отже, динаміку системи можна описати за допомогою системи диференційних рівнянь першого порядку

,

,

.

Представимо систему у векторно-матричній формі

,

.

Стан системи в будь-який момент часу – це кількість інформації, яка разом з усіма вхідними змінними одночасно визначає поведінку системи при всіх .

Отже, при використанні методу змінних стану математичну модель об’єкту представляють у вигляді двох рівнянь – рівняння стану та рівняння виходу:

,

,      (9)

де  – вектор стану розмірності (), компоненти якого , …,  називають змінними стану об’єкту;

А – матриця стану розмірністю (), яка визначає вільні та вимушені рухи системи;

U(t) – вектор керування розмірністю ();

В – матриця керування (матриця входу) розмірністю (), яка визначає взаємозалежність входу системи і змінних стану;

Y(t) – вектор вихідних змінних об’єкту розмірністю ();

С – матриця виходу розмірністю (), яка визначає характер взаємозв’язку вихідних величин зі змінними стану;

Dматриця обходу розмірністю (), яка характеризує пряму залежність виходу від входу (для багатьох систем D =0).

При описі електричних і механічних об’єктів, які можуть накопичувати енергію, в якості змінних стану часто приймають струми через індуктивності, напруги на ємностях, переміщення та швидкості руху мас. Як відомо, саме ці величини визначають накопичену енергію (магнітну, електричну, потенціальну, кінематичну) і характеризують інерційні властивості об’єкту. Для одновимірного об’єкту n-го порядку змінними стану можуть бути вихідний сигнал та його похідні до (n-1) включно.

Однак в загальному випадку змінні стану можуть і не мати конкретного фізичного змісту – вони будуть формальними, абстрактними змінними, що лише задовольняють рівнянням стану.

В деяких часткових випадках змінні стану пов’язані між собою співвідношенням

,  (i = 1, 2,…, n-1),

тоді вони називаються фазовими змінними.

n-мірний простір, координатами якого є змінні стану , називають простором стану.

Структурна схема багатовимірної системи, що відповідає наведеним рівнянням стану, має вигляд

Приклад 4

Розглянемо систему, що описується диференційними рівняннями:

,

.

де  та  – вхідні змінні, а  та  – вихідні змінні. За змінні стану можна прийняти виходи системи і, якщо потрібно, їх похідні

;  ;  .

Тоді вихідну систему рівнянь можна представити у вигляді:

,

.

Остаточно рівняння приймають вигляд:

,

,

.

До них додаються рівняння для вихідних змінних:

,

.

Ці рівняння можні записати в векторно-матричній формі:

;   .

За допомогою змінних стану можна представити у вигляді моделі об’єкт, що має один вхід та один вихід, та описується диференційним рівнянням

.

Відповідно передаточна функція системи має вигляд

.

Розділивши чисельник та знаменник  на , отримаємо

.

Вихідна величина системи  може бути записана у вигляді

,

де

.

Звідси випливає, що

.

З наведених виразів ясно, що схема змінних стану повинна містити n послідовно включених інтегруючих ланок, вихідні величини яких відповідно з коефіцієнтами –а1, –а2, …, –аn підсумовуються з вхідним сигналом  і зменшуються в а0, утворюючи сигнал помилки .

Далі сигнал , підсилений в b0 разів, підсумовується з вихідними сигналами інтеграторів, взятими з коефіцієнтами b1, b2, …, bт, утворюючи вихідну величину . Отримана таким чином схема має вигляд, зображений на рис. 2.

3. Методика розв’язання рівнянь стану. Матрична форма запису рівнянь стану має вигляд:

.

Виконавши перетворення за Лапласом всіх рівнянь, що входять в систему, отримаємо кінцевий результат у матричній формі

,           (10)

де

.

Для рішення матричного рівняння згрупуємо всі члени, що містять , у лівій частині

Рисунок 2 – Схема моделювання системи

.           (11)

Далі необхідно виділити множник . Для цього введемо одиничну матрицю

.          (12)

Цей додатковий крок потрібен тому, що операція віднімання матриці А зі скалярної змінної не визначена. З рівняння (12) отримаємо

.           (13)

Тоді вектор стану  можна обчислити, виконавши зворотне перетворення Лапласа від .

На основі (9), вектор вихідних змінних дорівнює

.

Відповідно

.              (14)

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

70178. Трубопрокатный цех для выпуска бесшовных труб 435.5 KB
  Состав генерального плана: склады металла и сырья трубопрокатный цех завода производственно вспомогательный цех склад готовой продукции энергетические сооружения административно бытовой блок Контрольно-пропускной пункт энергоблок материальный склад Ко всем зданиям обеспечен подъезд...
70179. Проект сборочного цеха комбайнов 857.5 KB
  Описание генерального плана территории промпредприятия Помимо основных цехов на генплане присутствуют элементы облагораживания территории: асфальтовые покрытия газоны цветники деревья лиственные групповые и рядовой посадки деревья хвойные отдельно стоящие кустарники групповой...
70180. Лояльность как один из факторов системы мотивации на примере института «Иркутскжелдорпроект» 579 KB
  Объектом исследования является институт «Иркутскжелдорпроект» - филиал ОАО «Росжелдорпроект». Предмет - существующая система мотивации и управления персоналом на предприятии, её влияние на лояльность персонала. Цель дипломного проекта - выявить уровень лояльности персонала к своей компании, и разработать такие методы мотивации и управления персоналом
70181. Уровень и качество жизни населения 906.05 KB
  В системе макропараметров «доходы населения» является одним из наиболее обобщающих показателей экономического развития страны и роста благосостояния людей. Основа закона - тенденции непрерывного роста народного благосостояния заключается в том, что улучшение жизни есть настоятельная...
70182. Уровень и качество жизни населения России 598.09 KB
  Исследования и оценки уровня жизни российского населения были начаты еще в 20-х годах и носили в то время достаточно объективный и достоверный характер. В последующие годы по идеологическим причинам открытое представление объективных оценок уровня жизни сделалось невозможным.
70183. Строительство автомобильной дороги 241.79 KB
  В экономике страны большую роль играет автомобильный транспорт. На долю автомобильного транспорта в нашей стране приходится 80 % пассажирооборота и 60 % грузооборота. По сравнению с другими видами транспорта, автомобильный транспорт обладает рядом преимуществ.
70184. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ КРАСНОЯРСК–ИРКУТСК 3.83 MB
  Задачи: Провести выбор и технико-экономическое обоснование трассы и способа прокладки ОК рассмотреть несколько элементарных участков: прокладка в кабеля грунте переход через водоём прокладка кабеля по ЛЭП прокладка вдоль железных дорог.
70185. Экономико-математическое моделирование комплекса противоэрозионных мероприятий 186 KB
  Цель данной курсовой работы научиться строить экономико-математические модели по проектированию комплексов противоэрозионных мероприятий. Все элементы комплекса противоэрозионных мероприятий должны быть взаимно согласованы.
70186. Разработка нового туристского продукта – посещение иностранными гостями международной выставки вооружений и военной техники 152.5 KB
  Так называемые инсентив-туры давно практикуемые за рубежом и пользующиеся все большей популярностью в России предполагают не только корпоративный отдых как форму поощрения но и решение такой важной задачи внутрифирменного управления как сплочение членов трудового коллектива...