ВУЗ: Новосибирский государственный технический университет
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Основы теории управления
Добавлен: 15.02.2019
Просмотров: 1653
Скачиваний: 5
[ ] [
]
[ ] [ ]
⇒
=
+
=
⇒
=
+
=
).
(
)
(
),
(
)
(
)
(
.
,
p
Cx
p
y
p
Bu
p
Ax
p
px
Cx
о
y
о
Bu
Ax
о
x
о &
⇒
−
=
→
=
−
−
(
) ( )
( )
( ) (
)
( )
pI
A x p
Bu p
x p
pI
A
Bu p
1
или
,
y p
C pI
A
Bu p
( )
(
)
( )
=
−
−1
W p
y p
u p
C pI
A
B
( )
( )
( )
(
)
=
=
−
−1
.
Пример:
[
]
.
0
1
;
2
0
;
1
1
1
0
,
2
,
2
1
2
2
1
=
=
=
+
+
=
=
C
B
A
u
x
x
x
x
x
&
&
.
y Cx
=
1
W p
y p
u p
C pI
A
B
( )
( )
( )
(
)
=
=
−
−1
;
pI
A
p
p
p
p
pI
A
p
p
− =
−
=
−
−
−
−
=
− −
0
0
0 1
1 1
1
1
1
1
2
;
det(
)
.
;
1
1
1
)
det(
1
)
(
1
−
−
=
−
−
p
p
A
pI
A
pI
где i, j элемент получен из выражения
[
( )
−
+
1
i j
ij
M
]
, M
ij
– минор i, j элементов.
[ ]
[
]
W p
pI
A
p
p
p
p
p
p
p
( )
det(
)
;
=
⋅
−
−
=
− −
⋅
−
=
− −
1 0
1
1 1
1
0
2
1
1
1 1
0
2
2
1
2
2
det(
)
( )
pI
A
p
−
=
ϕ
– характеристический полином системы;
det(
)
( )
pI
A
p
−
=
=
ϕ
0
– характеристическое уравнение системы.
Передаточная функция скалярных систем
Имеем дифференциальное уравнение, описывающее поведение скалярной системы
a x
a x
a x a x b u
b u
b u
n
n
n
n
m
m
m
m
( )
(
)
( )
(
)
&
+
+
+
+
=
+
+
+
−
−
−
−
1
1
1
0
1
1
0
Κ
Κ
.
(1)
) ( )
Используя свойства преобразования Лапласа перепишем (1) в изображениях
(
) ( ) (
a p
a
p
a p a x p
b p
b
p
b u p
n
n
n
n
m
m
m
m
+
+
+
+
=
+
+
+
−
−
−
−
1
1
1
0
1
1
0
Κ
Κ
.
(2)
По определению, тогда передаточная функция
W p
x p
u p
b p
b
p
b
a p
a
p
a p a
B p
A p
m
m
m
m
n
n
n
n
( )
( )
( )
( )
( )
=
=
+
+
+
+
+
+
+
=
−
−
−
−
1
1
0
1
1
1
0
Κ
Κ
,
(3)
где A(p), B(p) – соответственно полиномы знаменателя и числителя передаточной функции.
В ТАУ W(p) принято записывать в нормированном виде, когда свободные члены в полиномах A(p) и
B(p) равны 1.
W p
b
a
b
b
p
b
b
p
a
a
p
a
a
p
н
m
m
m
m
n
n
n
n
( )
,
=
⋅
+
+
+
+
−
−
−
−
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
Κ
Κ
+
+
(4)
где
b
a
k
0
0
=
– коэффициент передачи (усиления) элемента или системы.
Пример:
.
2
2
.
2
,
1
1
1
2
1
2
2
1
u
x
x
x
u
x
x
x
u
x
x
x
x
x
=
−
−
⇒
+
+
=
⇒
+
+
=
=
&
&
&
&
&
&
&
&
17
По свойствам преобразования Лапласа найдем
(
) ( )
( )
p
p
x p
u p
2
1
2
− −
=
.
Итак,
1
2
)
(
)
(
)
(
2
−
−
=
=
p
p
p
u
p
x
p
W
.
Имея передаточную функцию на структурных схемах, связь между входом u(p) и выходом y(p)
можно показать в виде (рис.18).
W(p)
рис. 18
u(p)
y(p)
Частотные характеристики САУ
При исследовании и создании САУ, аппарат частотных характеристик был одним из первых, т.к.
они наиболее полно отражают физическую природу процессов, происходящих в динамических
объектах.
В качестве преобразования функции f(t) используется преобразование Фурье
F j
f t e
dt
j t
(
)
( )
ω
ω
=
−
−∞
∞
∫
.
(1)
Преобразование Фурье позволяет разложить непериодическую функцию f(t) для которой
выполняется условие сходимости
f t dt
( )
−∞
∞
∫
< ∞
(интеграл существует)
(2)
в бесконечный ряд гармоник, образующих непрерывный спектр частот в интервале от –
∞ до +∞ с
бесконечно малым интервалом частот между смежными частотами (
∆ω → 0).
Отметим, что по сравнению с преобразованием Лапласа преобразование Фурье позволяет
отобразить оригинал только на мнимую ось, в преобразовании Лапласа же используется вся
комплексная плоскость.
Для перехода к частотным характеристикам, необходимо в уравнение ПФ (3) (стр.17) вместо
оператора Лапласа p подставить оператор Фурье j
ω
(p
→j
ω
), получим частотную характеристику
W j
X j
F j
b j
b
j
b
j
b
a j
a
j
a
j
a
m
m
m
m
m
m
n
n
n
n
n
n
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
=
=
+
+
+
+
+
+
−
−
−
−
−
−
−
−
1
1
2
2
0
1
1
2
2
0
Κ
Κ
+
+
.
(3)
Рассмотрим понятие о частотных характеристиках.
Если на вход линейной разомкнутой системы (или звена) подать гармонический входной сигнал, то
по истечении некоторого времени окончания переходных процессов на выходе системы (звена)
установится также гармонический выходной сигнал той же частоты. Амплитуда и фаза при прочих
равных условиях будут зависеть от частоты входного сигнала. По ним, как будет показано дальше,
можно судить о свойствах САУ.
Достоинством частотных методов является то, что частотные характеристики можно снять
экспериментально. Чтобы снять частотную характеристику необходимо на вход подавать гармонический
сигнал, изменяя частоту от 0 до
∞, а на выходе измерять амплитуду и фазу для частот
ω
i
.
Отметим еще, что в выражении передаточной функции и частотной характеристики для реальных
систем степень знаменателя всегда больше степени числителя n>m, т.к. полоса пропускания частот
реальной системы всегда ограничена. Действительно, если n<m, то на выходе системы при увеличении
частоты могут возникнуть колебания с бесконечно большой амплитудой.
Частотная характеристика (ЧХ) элемента или системы W(j
ω
) может быть представлена в двух видах:
1.
W j
P
jQ
(
)
( )
( )
ω
ω
ω
=
+
,
2.
W j
.
A
e
j
(
)
( )
( )
ω
ω
ϕ ω
=
где P(
ω
) – вещественно-частотная характеристика (ВЧХ);
Q(
ω
) – мнимо-частотная характеристика (МЧХ);
A(
ω
) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);
18
ϕ
(
ω
) – фазо-частотная характеристика (ФЧХ).
Часто ЧХ представляется графически (рис.19) на комплексной плоскости, где все указанные
величины связаны между собой по следующим соотношениям.
P( )[Re]
ω
ω=0
A(ω
i
)
ω
i
ω=∞
Q(
ω )
i
P(
ω )
i
Рис.19
Q( )[Im]
ω
ϕ ω
(
i
)
A
P
Q
( )
( )
( )
ω
ω
=
+
2
2
– АЧХ.
ω
[
]
ϕ ω
ω
ω
ω
( ) arg
(
)
( )
( )
=
=
W j
arctg
Q
P
– ФЧХ.
Часто при исследовании систем используются логарифмические частотные характеристики.
Понятие о логарифмических частотных характеристиках
При исследовании САУ, амплитудную и фазовую частотные характеристики удобно строить в
логарифмических координатах. Это связано с двумя обстоятельствами:
1. в логарифмических масштабах кривизна характеристик резко уменьшается, что позволяет в
большинстве практических случаев приближенно изображать АЧХ ломанными линиями.
2. в логарифмических масштабах АЧХ цепочки звеньев равна сумме АЧХ отдельных звеньев
lg
lg
A
A
i
i
n
=
=
∑
1
.
АЧХ в логарифмических масштабах строится в координатах 20lgA и lg
ω
A
, а ФЧХ – в виде
зависимости
ϕ
от lg
ω
.
Единицей измерения 20lgA служит децибел, равная 0,1 бела. Бел – единица измерения десятичного
логарифма коэффициента усиления мощности сигнала, т.е. 1 бел соответствует усилению мощности в 10
раз, 2 бела – в 100 раз и т.д. Так как мощность сигнала пропорциональна квадрату амплитуды A
2
(Пример: для электрической цепи
),
, то усиление в белах, выраженное
через отношение амплитуд A, равно
P I R P I
=
≡
2
2
;
2
lg
lg
A
2
2
= ⋅
⋅ lg A
, соответственно в децибелах оно равно
2 10
20
⋅
⋅
=
⋅
lg
lg .
A
A
20 lgA
ω[c
–1
]
lg
ω
(декады)
log
2
ω
(октавы)
10
30
20
–
ϕ
–45
°
–90
°
10
100
1000
1
2
3
4
7
8
9
10
5
6
1
2
3
Рис.20
[дб]
2
3
4 5 6 7 8 9
1
0
По оси абсцисс откладывается в логарифмическом масштабе частота
lg
ω
(десятичный логарифм)
(изменение частоты в 10 раз – декада), а около отметок указывается само значение частоты. Иногда
применяется логарифм частоты при основании 2 (изменение частоты в два раза – октава) одна октава
равно 0,303 декады, т.к.
.
lg
,
2 0 303
=
19
Для построения логарифмических фазовых характеристик (ЛФХ) на оси абсцисс используется
аналогичная шкала частот
lg
ω
или
log
2
ω
, а по оси ординат (обычно используется нижняя часть
плоскости) откладывается фаза
ϕ
в градусах.
Отметим ещё, т.к. точка
ω
= 0
в логарифмическом масштабе находится слева (в –
∞), то ЛАФХ
строятся не от
ω
= 0
, а от достаточно малого, но конечного значения
ω
, которое и откладывается в
начале координат.
Структурные методы ТАУ
Математическое описание САУ начинается с разбиения её на типовые по математическому
описанию звенья. По уравнениям или характеристикам отдельных звеньев составляются уравнения или
характеристики системы в целом. Разбиение на типовые звенья по математическому описанию
позволяет перейти от необозримого множества физических элементов к конечному числу звеньев.
Структурная схема САУ составляется из типовых звеньев направленного действия. Звеном
направленного действия называется звено, которое передает воздействие только в одном направлении со
входа на выход (рис.21).
W
y
(p)
W
ос
(p)
W
oy
(p)
u
y
(p)
F(p)
x(p)
u
3
(p)
рис. 21
u
oc
(p)
E(p)
Получение структурной схемы в большинстве случаев является конечной целью математического
описания системы.
Типовые звенья САУ
К типовым по математическому описанию звеньям САУ относятся:
1. Усилительное;
2. Интегрирующее;
3. Апериодическое;
4. Колебательное или звено второго порядка;
5. Идеальное дифференцирующее;
6. Реальное дифференцирующее.
Вначале рассмотрим стандартные сигналы, действующие при расчетах систем:
1. Единичный ступенчатый сигнал (рис.22).
g t
п и t
п и t
( )
, р
,
, р
=
<
≥
0
0
1
0
Основной сигнал при котором исследуются САУ.
Это наиболее тяжелый в смысле влияния на систему сигнал. Реально на систему чаще действуют
сигналы постепенно возрастающие во времени. Следовательно, при удовлетворительной работе
системы при единичном сигнале, она будет работать лучше при сигнале, отличном от
единичного.
1
g(t)
t
Рис.22
20
2. Единичный импульсный сигнал (рис.23), получается дифференцированием единичной
ступенчатой функции, называемой
δ
( )
t
– дельта функцией.
=
∞
≠
=
.
0
р
,
,
0
р
,
0
)
(
t
Џ
•
t
Џ
•
t
δ
Единичный импульс – это математическая идеализация предельно короткого импульсного сигнала.
Единичный импульс – это импульс, площадь которого равна единице при длительности равной нулю и
высоте, равной бесконечности.
t
Рис.23
δ
(t)
δ
( )
t dt
−∞
∞
∫
= 1
.
3. Гармонический сигнал.
Определения:
1. Реакция звена или системы на единичный ступенчатый сигнал, называется переходной функцией
(характеристикой).
2. Реакция звена или системы на
δ
-функцию называется импульсно-переходной функцией.
3. Реакция звена или системы на гармонический сигнал при изменении частоты от 0 до
∞
(0
≤ ≤ ∞)
ω
, называется частотной характеристикой.
При рассмотрении всех типовых звеньев нас будут интересовать такие характеристики:
1. Определение и математическое описание звена.
2. Передаточная функция.
3. Реакция звена на стандартные сигналы:
3.1. Переходная функция.
3.2. Импульсно-переходная функция.
3.3. Частотная характеристика.
3.3.1. в обычном масштабе.
3.3.2. в логарифмическом масштабе.
4. Примеры.
1. Усилительное звено
1. Безынерционное звено, сигнал на выходе которого строго пропорционален сигналу на входе,
называется усилительным звеном (рис.24).
По определению
x t
k g t
( )
( )
= ⋅
,
g t
( )
– входное воздействие (один из стандартных сигналов),
x t
( )
– реакция на выходе,
k – коэффициент пропорциональности.
УЗ
x(t)
рис. 24
g(t)
2. Переходя к преобразованию Лапласа
X p
kQ p
( )
( )
=
, тогда передаточная функция:
W p
X p
Q p
k
( )
( )
( )
=
=
,
k – коэффициент усиления (если величина безразмерная) и коэффициент передачи (если k
размерно).
3.1. Если на вход усилительного звена подать единичную ступенчатую функцию g(t), то
переходная функция будет иметь вид, как показано на рис.25.
21