Файл: Критерий Найквиста в логарифмическом масштабе.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 1439

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Калман  рассматривал  поведение  линейной  динамической  системы 

&

x

Ax Bu

=

+

  и  ставил  задачу  перевода  системы  из  одной  точки 

  в 

другую 

x T

( )

x

n

x

1

x(0)

x(T)

Рис.108

 

x( )

0

 (рис.108). 

Объект называется управляемым, если он может быть переведен из точки 

x( )

0

  в  другую  точку 

x

за  конечное  время 

t

T

∈[ , ]

0

  при  конечном 

управлении  . 

u

T

( )

 

 
 

 
 

Критерий управляемости

 

 
Система будет управляемой, если специальная матрица управляемости имеет ранг, равный  ,  где 

 – порядок характеристического уравнения системы 

n

n

Матрица управляемости составляется следующим образом: 

P

B AB A B

A B

n

=

[

]

2

1

Κ

Следовательно,  для  того,  чтобы  узнать  управляема  система  или  нет,  необходимо  по  исходной 

системе дифференциальных уравнений составить матрицу управляемости 

P

 и определить её ранг. 

Если 

x R

u R

n

m

,

,  то 

dim P n nm

= ×

,  причем  если 

rang n

=

  –  то  система  полностью 

управляема, а если 

rang n

 – то неуправляема. 

Пример:  Рассмотрим условие управляемости для скалярной системы, описываемой уравнениями: 

+

=

+

=

,

2

5

,

2

2

1

2

2

1

1

u

x

x

x

x

x

x

&

&

      

x R

u R

n

m

=

2

1

2

1

,

,

,

=

A

B

=





= 





2

1

5

1

0

2

;

Составим матрицу управляемости: 

[

]

P

B

AB

=

=





0

2

2

2

det P

= − ≠

4 0

,  следовательно 

rang

= 2

 – система полностью управляема. 

Одно  из  свойств  неуправляемой  системы  состоит  в  следующем:  Если  САУ  описывается  системой 

дифференциальных уравнений 

&

x

Ax Bu

=

+

 

и существует такое невырожденное преобразование координат 

~x Mx

=

, где 

, что уравнение 

объекта может быть представлено в виде 

det M

≠ 0

,

~

~

~

,

~

~

~

~

~

~

2

22

2

1

2

12

1

11

1

x

A

x

u

B

x

A

x

A

x

=

+

+

=

&

&

 

то система является неуправляемой. 
Действительно,  поведение  координаты 

~x

2

  не  зависит  ни  от 

~x

1

,  ни  от 

,  поэтому 

u

~x

2

  является 

неуправляемой координатой. 

Неуправляемая  часть  системы  влияет  на 

процессы в управляемой части через матрицу 

~

A

12

u

~

A

22

~ ( )

x

2

0

~x

2

~

A

12

~

B

1

~

A

11

~ ( )

x

1

0

~x

1

Рис.109

Если  неуправляемая  часть  устойчива,  то  её 

влияние на переменные 

~x

1

 будет сказываться до тех 

пор,  пока  не  закончатся  переходные  процессы  по 

~x

2

Если  неуправляемая  часть  неустойчива,  то  она 

приводит 

к 

неустойчивости 

всей 

системы. 

Следовательно  такую  систему  нужно  переделать 
конструктивно. 

 

Реализуемость

 

 

70


background image

 
Это  понятие  возникло  потому,  что  в  реальных  системах  управляющие  воздействия  всегда 

ограничены. Следовательно необходимо убедиться в том, что поставленные требования к системе будут 
реализованы. 

Рассматривается  реализуемость  равновесного  состояния  и  реализуемость  заданного  (желаемого) 

движения. 

 

1. Реализуемость равновесного состояния 

 
САУ описывается уравнением: 

&

x

Ax Bu

=

+

,       

x R

u R

n

m

,

dim A n n

= ×

,  

dim B n m

= ×

,  

rangB

 – полный. 

m

=

Реализуемым  будем  называть  такое  равновесное  состояние,  при  котором  вычисленные  значения 

уравнений  , не выходят из области ограничений, т.е. 

u

u

В статике 

&

x

= 0

; Пусть матрица   невырождена, т.е. 

A

det A

≠ 0

0

0

0

1

=

+

= −

Ax

Bu

x

A Bu

(1) 

Обозначим 

D

A B

= −

−1

, причем 

dim D n m

= ×

Пусть 

rangD

, т.е. является полным. Разобьем последнее уравнение на две системы 

m

=

=

=

,

,

2

0

2

1

0

1

u

D

x

u

D

x

 

(2) 

где 

x

R

x

R

n m

m

1

0

2

0

,

Переменные 

  можно  выбирать  таким  образом,  чтобы 

x

2

0

rangD

m

2

=

,  т.е. 

det D

2

0

,  тогда  из 

второго уравнения (2) выразим управление 

u D x

=

2

1

2

0

(3) 

Для определения множества равновесных состояний подставим (3) в первое уравнение из (2) 

x

D D x

1

0

1

2

1

2

0

=

(4) 

Из (4) видно, что множество равновесных состояний – есть многообразие в пространстве состояний, 

описываемое уравнением 

S x

x

D D x

( )

=

=

1

0

1

2

1

2

0

0

(5) 

Размерность многообразия 

S R

m

Вывод:    С  помощью 

-мерного  управления  система 

-го  порядка  не  может  быть  переведена  в 

произвольную  точку  пространства  состояний.  Её  можно  перевести  лишь  на  многообразие 
размерности  . 

m

m

n

 
Пример:  Определить состояние равновесия для системы 

+

+

=

+

=

.

5

,

2

2

1

2

2

1

1

u

x

x

x

u

x

x

x

&

&

 

Уравнение статики при 

&

x

= 0

 

0

5

,

0

2

0

2

0

1

0

2

0

1

=

+

+

=

+

u

x

x

u

x

x

    

=

    

+

u

x

x

2

1

0

2

0

+

+

+

=

x

x

x

x

1

0

2

0

1

0

2

0

5

2

0

 

x

2

0

x

1

0

S x

( )

= 0

-6

1

-1/6

Рис.110

,

0

6

1

,

0

6

0

1

0

2

0

2

0

1

=

+

=

+

x

x

x

x

 

 

S x

x

x

( )

=

+

=

2

0

1

0

1
6

0

     

lim ( )

t

x t

x

→∞

=

0

 
 

2. Реализуемость желаемых дифференциальных уравнений 

 

 

71


background image

Рассмотрим объект, описываемый дифференциальными уравнениями: 

&

,

,

x

Ax Bu x R

u R

n

m

=

+

(1) 

Зададим некоторое желаемое движение в виде дифференциального уравнения 

&

( , )

x F x v

=

 – желаемое дифференциальное уравнение 

(2) 

отражает требования, предъявляемые к системе, где   – вектор входных воздействий на систему. 

v

Встает вопрос. Как выбрать функцию  ? Ответ дает условие реализуемости. 

F

Реализуемыми  называются  такие  желаемые  дифференциальные  уравнения 

&

( , )

x F x v

=

,  для 

которых существует конечное управляющее воздействие, удовлетворяющее условию:  

Ax Bu F x v

+

= ( , )

(3) 

Но  матрица  B  в  данном  выражении  прямоугольная  и  поэтому  разрешить  это  уравнение 

относительно управления   нельзя. Тогда поступают следующим образом: 

u

Разбивают (3) на две группы уравнений, таких 

=

+

=

+

,

,

2

2

2

1

1

1

F

u

B

x

A

F

u

B

x

A

     где  

 

A

A

A

B

B

B

F

F

F

= 






= 






= 






1

2

1

2

1

2

,

,

(4) 

причем, необходимо, чтобы матрица 

 была невырождена, т.е. 

B

1

det B

1

0

, следовательно матрица 

 

будет квадратной и 

dim

B

1

B

m

1

=

m

×

Тогда  

u B

F

A x

=

1

1

1

1

(

(5) 

)

  – конечно. 

Подставим во второе уравнение системы (4) выражение (5) и выразим 

 

F

2

F

A x

B B

F

A x

2

2

2

1

1

1

1

=

+

(

)

(6) 

Из  выражения  (6)  видно,  что 

  можно  задавать  произвольно,  а 

  –  строго  фиксировано  и 

выбирается в соответствии с (6). 

F

1

F

2

Вывод:  Для  объекта 

n

-го порядка с 

-мерным управляющим воздействием желаемое движение 

должно выбираться в виде 

m

F x v

F

F

F

A x

B B

F

A x

( , )

(

)

= 






=

+







1

2

1

2

2

1

1

1

1

(7) 

Произвольно можно задавать динамику для 

 переменных состояния, причем она создается в виде 

m

&

( , )

x

F x v

1

1

=

Пример: 

1. Объект описывается системой: 

=

+

=

.

2

,

2

3

2

1

2

2

1

u

x

x

x

u

x

x

&

&

 

Проверим реализуемость условия: 

+

=

=

+

+

=

=

.

2

,

2

1

2

2

2

1

1

1

v

x

x

F

x

v

x

x

F

x

&

&

 

Приравняем первые уравнения между собой и определим  : 

u

+

=

+

+

3

2

2

1

2

x

u x

x

u

x

x

=

+

+

1
2

2

1
2

1

2

v

v

,      

F

x

x

x

x

x

v

x

x

2

2

1

2

1

2

1

2

2

1
2

2

1
2

3

2

4

1
2

=

= − −

= −

&

v

Из  последнего  выражения  видно,  что  желаемая  функция 

  при  заданной 

  не  совпадает  со 

F

2

F

1

вторым выражением желаемой 

&

x

2

, следовательно требуемое условие не реализуемо. 

 

72