9131

Методы анализа непрерывных линейных систем

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Методы анализа непрерывных линейных систем В теории управления, как и во многих других дисциплинах, рассматриваются две противоположные задачи - анализа и синтеза. Первая задача связана с описанием работы системы, определением ее характеристик...

Русский

2013-02-24

304.5 KB

1 чел.

Методы анализа непрерывных линейных систем

В теории управления, как и во многих других дисциплинах, рассматриваются две противоположные задачи – анализа и синтеза. Первая задача связана с описанием работы системы, определением ее характеристик. Применительно к теории управления в задаче анализа необходимо найти реакцию системы на входной сигнал или найти показатели качества, в косвенной форме характеризующие характер реакции системы на входные сигналы. Задача синтеза заключается в построении системы, удовлетворяющей заданным показателям качества (например, по быстродействию, динамическим свойствам). Задачу синтеза можно формулировать и решать, если хорошо отработаны методы анализа.

При анализе используются уравнения и характеристики, позволяющие судить о процессах в системе. Различают статические и динамические характеристики.

Первые характеризуют соотношение между выходом и входом в установившемся режиме.

Вторые, динамические характеристики определяют динамические свойства звена или системы, т.е. поведение в переходных режимах. Динамические свойства определяются дифференциальным уравнением или передаточной функцией (по Лапласу или частотной, т.е. по Фурье), а также временными характеристиками. О них речь пойдет в следующем разделе.

Статическая характеристика - это зависимость выхода от входа в установившемся режиме, т.е. после окончания переходного процесса, или, другими словами, по истечении достаточно большого времени ().

Отсюда усматривается способ экспериментального определения статической характеристики. Подадим на вход сигнал x(t) = const и после окончания переходного процесса измерим значение сигнала на выходе у(t) = const. В результате получим одну точку на статической характеристике (рис.2.1.1.). Повторим опыт для ряда точек х . Совокупность точек (х,у) образует экспериментально снятую статическую характеристику. Может оказаться, например, что при х(t) = const выходная величина изменяется по линейному закону у(t) = at, где a = dy/dt = const. В этом случае под статической характеристикой понимают зависимость а(х) в установившемся режиме.

Различают коэффициенты усиления по постоянному и по переменному сигналу  (рис.2.1.1)

По виду статической характеристики различает три типа звеньев: статического (позиционного), интегрирующего и дифференцирующего. Они показаны на рис.2.1.2 для линейных звеньев.

В зависимости от выбранной входной или выходной величины звено может быть того или иного типа. Например, напряжение на выходе тахогенератора пропорционально скорости вращения n его вала (звено позиционного типа).

Если за входную величину принять угол поворота  , то напряжение следует признать пропорциональным величине d/dt (звено дифференцирующего типа). У двигателя скорость вращения вала n пропорциональна напряжению питания (звено позиционного типа). Если за выходную величину принять угол поворота вала , то двигатель должен быть отнесен к звеньям интегрирующего типа.

Динамическая характеристика непрерывной линейной системы с постоянными параметрами.

Непрерывные линейные системы описываются обыкновенными линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами вида

        ,   (2.2.1)

где x(t) - входная величина (сигнал);   y(t) - выходная величина (реакция, или отклик системы).

Как видно из (2.2.1), дифференциальным уравнением называют уравнение, которое связывает выходную величину (или ошибку) и ее производные с входной величиной и ее производными (в частном случае только со входной переменной).

Если обозначить оператор дифференцирования буквой р:

                                 (2.2.2)

то уравнение (2.2.1) можно записать в символической форме

                                     (anpn +…+ a0)y(t) = (bmpm +…+ b0)x(t),       (2.2.3)

или                                                   A(p)y(t) = В(p)x(t),         (2.2.4)

где                              А(p) = anpn +…+ a0 ;      B(p) = bmpm +…+ b0 .

Следует иметь в виду, что в левой части уравнения принято записывать слагаемые, соответствующие выходной величине (зависимой переменной), а в правой  входной (независимой переменной). На структурной схеме звено или систему  изображают прямоугольником с сигналом (стрелкой в звено слева) на входе и сигналом (стрелкой из звена справа) на выходе. В сложной системе или, например, в случае обратной связи передача сигнала может быть показана в противоположном направлении (справа налево). Но в любом случае есть вход и выход и в дифференциальном уравнении слева все относится к входу, а справа – к выходу. Следует также иметь ввиду, что оператор дифференцирования р применяется к функциям x(t), y(t) и поэтому полиномы (операторы) В(р) и А(р) должны предшествовать этим функциям. Хотя формально в (2.2.3) и (2.2.4) имеются произведения функций (величин)  на операторы, а сомножители можно менять местами. Но в данном случае это не произведения, а условная запись применения операторов к функциям (величинам) и менять местами недопустимо. Это будет грубейшей ошибкой.

Система находится в свободном состоянии, если входной сигнал равен нулю. Соответственно движение системы в свободном состоянии описывается однородным дифференциальным уравнением, т.е. уравнением с нулевой правой частью:                                     А(р) y(t) = 0.      (2.2.5)

Известно, что решение дифференциального уравнения (2.2.4) можно представить в виде суммы общего и частного, т.е. 

                         y(t) = yобщ(t)+yчас(t) = + ,              (2.2.6)

где yобщ(t) является решением однородного дифференциального уравнения (2.2.5) и поэтому характеризует собственное движение системы, находящейся в свободном состоянии. Поэтому в литературе по теории автоматического регулирования иногда используется обозначение . Второе слагаемое в (2.2.6) характеризует движение под действием вынуждающей силы – внешнего воздействия. Поэтому в теории автоматического регулирования иногда используется обозначение . Найдем общее решение, т.е. решение однородного дифференциального уравнения (2.2.5), полагая, что его можно представить в виде

                                       yобщ(t) = еpt,                           (2.2.7)

где р = а +jb  есть пока неизвестное в общем случае комплексное число ( - мнимая единица).

Подставляя (2.2.7) и производные … в уравнение (2.2.5) и сокращая на 0, получим тождество

                                               А(р) = an pn+…+a0  = 0,        (2.2.8)

которое характеризует общее решение и потому называется характеристическим уравнением (с переменной р = а + jb – комплексным в общем случае числом).

Заметим, что в математической литературе, как правило, переменную характеристического уравнения обозначают буквой , а в теории управления той же буквой , что и оператор дифференцирования, не давая при этом никаких пояснений. Поэтому надо самостоятельно ориентироваться по обстановке какой смысл имеет переменная в конкретном случае, как говорят, по контексту.

Обратим также внимание на то, что запись А(р) = anpn +…+ a0 означает характеристический полином. Здесь нет уравнения (тождества, когда левая часть равна правой). В записи характеристического полинома знак равенства является оператором присваивания. Выражению anpn +…+ a0  присвоено имя А(р). Кроме того, в теории управления принято вместо А(р) характерис-тическому полиному присваивать имя D(p), т.е. А(р) = D(p).

Характеристическое уравнение – это алгебраическое уравнение n-й степени, которое на основании основной теоремы алгебры имеет n корней       p1,…., pn.. Корни в общем случае являются комплексными. Так как коэффициенты уравнения действительные, а не комплексные числа, то комплексные корни могут быть только комплексно-сопряженными. То есть каждому корню вида рi = аi +jbi соответствует сопряженный корень (с противоположной по знаку мнимой частью) вида  рi+1 = аi - jbi.

По теореме Безу характеристический полином можно представить в виде

                                D(p) = anpn +…+ a0 = an(p - p1)(p - pn).                   (2.2.9)        

Два комплексно-сопряженных множителя дают трехчлен с действительными коэффициентами [р - (аi+ jbi)][р - (аi  - jbi)] = [(p  аi) - jbi][(p  аi) + jbi] =      = ( p  аi)2 +  bi2, или  p 2- 2 аi р + (аi2 + bi)2. Действительный корень дает двучлен (р аi). Следовательно, в случае действительных и комплексно-сопряженных корней произведение двучленов и трехчленов дает многочлен с действительными коэффициентами. Отсюда, обратно, следует наличие комплексно-сопряженных корней в случае характеристического полинома с действительными коэффициентами.

Так как характеристическое уравнение имеет n корней, то и сумма решений вида (2.2.7) с разными рi будет удовлетворять однородному дифференциальному уравнению, т.е. быть его решением. Поэтому окончательно общее решение следует представить в виде суммы линейно-независимых решений 

                                         ,    (2.2.10)

где  Сi  произвольные постоянные, зависящие от начальных условий.

Рис.2.1.1. Статические характеристики а), б) и коэффициенты

усиления:  по постоянному в) и переменному г) сигналам

EMBED Visio.Drawing.11  

Рис.2.1.2. Звенья: а) статического;

б) интегрирующего;

в) дифференцирующего типа


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62422. СОЦИАЛЬНЫЙ СТАТУС. СОЦИАЛЬНЫЕ РОЛИ 17.56 KB
  Виды классификация социальных статусов: I. Статусы определяемые положением индивида в группе: 1 социальный статус положение человека в обществе которое он занимает как представитель большой социальной группы профессиональной классовой этнической.
62423. Типологизация обществ. Основные направления и формы движения общества. Белорусское общество 23.57 KB
  В качестве системообразующего признака был взят характер развития производительных сил и производственных отношений прежде всего отношений собственности по поводу средств производства в соответствии с этим Марк выделил пять типов обществ или пять общественно-экономических формаций...
62425. Связи и реакции связей 56.9 KB
  В механике все тела делят: 1 Свободные 2 Несвободные 3 Связи Свободное тело может двигаться неограниченно в любом направлении 24 степени свободы но в земных условиях такого не бывает Это возможно только в вакууме в земных условиях тела могут быть относительно свободными.
62428. Технология шликерного литья 934.87 KB
  При этом слой глинистой массы равномерно оседает на внутренних поверхностях формы образуя стенки будущего изделия. Излишек шликера сливается из формы. После высыхания полое глиняное изделие извлекают из формы досушивают а потом обжигают. Последовательность отливки литейной формы...
62429. Ринки виробничих ресурсів та доходи в ринковій економіці 30.49 KB
  Розкриття теми Особливості ринку праці Ринок праці ринок одного з факторів виробництва де домогосподарства в ролі найманих робітників пропонують свою працю а фірми виробники товарів та послуг працедавці потребують її.
62430. Социальная мобильность 15.97 KB
  Социальная мобильность переход людей из одних общественных групп в другие т. изменение статуса в рамках одного поколения например: токарь становится сначала инженером а затем начальником цеха; 3 вертикальная перемещение из одной...