- •В.И. Родионов
- •Теория автоматического управления Конспект лекций
- •Часть 1
- •Введение ……………………………………………………….……………….…5 в.1. Значение автоматического управления и задачи курса………….………5
- •Лекция 2
- •Основные понятия и определения тау
- •Функциональные элементы сау
- •Классификация систем автоматического
- •1.3. Примеры систем автоматического управления
- •2. Математическое описание сау
- •Вынужденное движение и собственные колебания системы. Переходный и установившийся режимы
- •2.3. Передаточные функции
- •2. Типовые звенья сау.
- •2.4. Переходная характеристика и весовая функция
- •Типовые звенья систем автоматического
- •2.6. Неустойчивые и неминимально–фазовые звенья
- •1. Структурные схемы сау.
- •3. Передаточные функции замкнутой и разомкнутой системы.
- •2.7. Структурные схемы сау
- •2.8. Составление и преобразование структурных схем сау
- •2.9. Передаточные функции замкнутой и разомкнутой
- •Установившиеся режимы
- •Точность сау в установившемся режиме.
- •Установившиеся ошибки следящих систем.
- •3.1. Точность сау в установившемся режиме
- •3.2. Установившиеся ошибки следящих систем
- •Частотные характеристики сау.
- •Частотные характеристики сау
- •Логарифмические амплитуднные и фазовые
- •3.5. Частотные характеристики типовых звеньев
- •3.6. Особенности частотных характеристик устойчивых
- •4. Устойчивость систем автоматического управления
- •Определение устойчивости по Ляпунову.
- •Критерий устойчивости Гурвица.
- •4.1. Общие понятия об устойчивости заданного режима
- •4.2. Определение устойчивости по а.М. Ляпунову
- •3. Критерий устойчивости гурвица
- •Таким образом, кроме положительности коэффициентов а30; а20; а10; а00
- •4.4. Критерий михайлова
- •4.5. Критерий найквиста
- •4.6. Суждение об устойчивости по лафчх
- •4.7. Выделение областей устойчивости
- •Суждение об устойчивости системы по ее линейной модели.
- •Суждение об устойчивости системы
- •5. Качество сау
- •5.1. Основные показатели качества
- •5.2. Методы построения переходных процессов
- •Преобразования Фурье имеют вид:
- •5.2.1 . Частотный метод анализа качества сау,
- •Приближенный метод построения кривой переходного процесса с помощью трапециидальных частотных
- •Лекция 14
- •5.3. Построение вещественной частотной характеристики замкнутой системы по частотным характеристикам
- •План лекции:
- •5.5. Косвенные оценки качества, связанные с распределением нулей и полюсов передаточной функции
- •5.7. Интегральные оценки качества
- •5.8. Косвенные оценки качества, связанные с видом
- •5.8.1. Анализ качества по ачх замкнутой системы
- •5.8.2. Оценка качества сау по логарифмическим частотным
- •Приближенная оценка вида переходного процесса
- •6. Динамический синтез сау
- •Методы коррекции динамических свойств сау.
- •6.1. Общие понятия синтеза сау
- •6.2. Этапы синтеза сау
- •6.3. Требования, предъявляемые к динамическим
- •Методы коррекции динамических свойств сау.
- •6.5. Методы коррекции динамических свойств системы,
- •6.5. Динамический синтез сау, основанный
- •Синтез последовательного корректирующего устройства.
- •Синтез параллельного корректирующего устройства.
- •6.6. Синтез последовательного корректирующего устройства
- •6.7. Синтез параллельного корректирующего устройства
- •7. Методы синтеза, основанные на теории
- •7.1. Уравнения системы в пространстве состояний
- •7.2. Коррекция системы в пространстве состояний
- •7.3. Прямой корневой метод синтеза
- •7.4. Прямой корневой метод синтеза сау
- •7.5. Прямой метод синтеза корректирующей обратной
- •Лекция 22
- •8.2. Основные вероятностные характеристики
- •8.2.1. Функция распределения и плотность вероятности
- •8.2.2. Математическое ожидание, дисперсия
- •8.3. Стационарные случайные процессы.
- •8.3.1. Стационарные случайные процессы
- •8.3.2. Эргодические случайные процессы
- •Спектральная плотность стационарного
- •8.5. Свойства корреляционных функций и спектральных плотностей стационарных эргодических
- •8.6. Статистические характеристики случайных
- •8.6.1. Белый шум
- •8.6.2. Корреляционная функция и спектральная плотность скорости изменения азимута
- •8.6.3. Спектральная плотность задающего воздействия системы наведения ракеты на цель
- •8.7. Экспериментальное определение корреляционных функций, спектральных плотностей и дисперсий
- •8.8. Прохождение случайных воздействий
- •8.8.1. Интегральное Уравнение связи
- •8.8.2. Спектральное уравнение связи
- •8.8.3. Определение динамических характеристик сау
- •8.9. Методы определения ошибок линейных сау,
- •8.9.1. Эквивалентное представление стационарного
- •8.9.2. Расчет флуктуационных ошибок и ошибок
- •8.9.3. Графоаналитический метод расчета
- •8.9.4. Оценка флуктуационных ошибок, обусловленных
- •8.9.5. Расчет дисперсии помехи с помощью
- •8.9.6. Вычисление среднеквадратической ошибки
7. Методы синтеза, основанные на теории
ПРОСТРАНСТВА СОСТОЯНИЙ
ЛЕКЦИЯ 20
План лекции:
1. Рассказать о составлении уравнений САУ в пространстве состояний.
2. Рассмотреть пример.
3. Рекомендуемая литература [4, 6].
7.1. Уравнения системы в пространстве состояний
При исследовании динамических свойств САУ классическими методами после составления дифференциальных уравнений для отдельных элементов системы обычно переходят к передаточным функциям. Далее составляют общую структурную схему САУ, в которой отдельные элементы представляются блоками с соответствующими передаточными функциями. Затем определяют передаточную функцию замкнутой системы, характеризующую связь между изображениями по Лапласу входной и выходной величины САУ.
Поведение системы во времени можно характеризовать не только выходной величиной САУ, но и промежуточными переменными в цепи системы, число которых равно порядку системы n. Таким образом, получается n-мерный вектор состояния, множество возможных положений которого образует векторное пространство, называемое пространством состояний системы.
Рис. 7.1
Будем рассматривать общий случай обыкновенных линейных САУ
(рис. 7.1), описываемых системой дифференциальных уравнений в нормальной форме в векторно-матричной записи
; (7.1)
Y = CX ,
где X - вектор состояния системы, Y - вектор выходных величин, G - вектор внешних воздействии (задающих и возмущающих), т.е:
Через А, В, С обозначены:
- собственная параметрическая матрица САУ;
- входная матрица САУ;
- выходная матрица САУ.
Процессы в системе при свободном движении (без внешних воздействий) согласно (7.1) описываются векторно-матричным уравнением вида
, (7.2)
которое имеет следующее характеристическое уравнение:
. (7.3)
В развернутой форме векторное уравнение (7.2) записывается следующей системой дифференциальных уравнений:
(7.4)
Характеристическое уравнение (7.3) в развернутой форме имеет вид
. (7.5)
В качестве примера рассмотрим вывод уравнений состояния электромеханической следящей системы, принципиальная схема которой приведена на рис. 7.2.
Рис. 7.2
В этой системе введены обратные связи по углу поворота, скорости вращения и току в цепи якоря двигателя. Обозначение переменных ясны из чертежа.
Для электродвигателя постоянного тока имеем:
1) уравнение электрической цепи
; (7.6)
2) уравнение механической цепи
, (7.7)
где МС=γΩ - момент сопротивления ; МД=kМ iЯ - момент двигателя; еД=kE Ω – противо-э.д.с двигателя .
Через γ, kМ, kE обозначены соответствующие коэффициенты.
Преобразуя выражения (7.6) и (7.7), получим уравнения двигателя в виде
; (7.8)
. (7.9)
Для входной цепи усилителя напряжения имеем
,
где о , Ωо – внешние входные воздействия (угол и угловая скорость поворота задающего вала);
, Ω – выходные величины системы (угол и угловая скорость поворота выходного вала).
Для входной цепи усилителя мощности запишем
U2 = K1U1 - KocUoc,
где Uoc=Rш iЯ .
Выходное напряжение усилителя мощности УМ, с учетом предыдущего выражения, будет равно
Uу = KумU2=КумК1U1 - KумKосRшiЯ.
После подстановки получим
Uу = KумK1[КП(о - )+КТ(Ωо-Ω)]-KумKосRшiЯ. (7.10)
Совместно (7.8) и (7.10) дают уравнение
которое может быть представлено в виде
.(7.11)
Скорость вращения
. (7.12)
Систему из трех уравнений (7.11), (7.9) и (7.12) запишем в векторно-матричной форме:
.
Введем обозначения iЯ=x1; Ω=x2; =x3 – координаты вектора состояний следящей системы. Обозначим также :
В результате получим уравнение состояний следящей системы в стандартной векторно-матричной форме
, (7.13)
где X – вектор состояний системы, G – входной вектор, причем
Параметрическая матрица состояния системы А и входная матрица В имеют вид:
Соответствующая структурная схема cистемы представлена на рис. 7.3.
Рис. 7.3
Она составлена по уравнениям вида
Дополним уравнение (7.13) уравнением выхода.
Y=CX.
Поскольку в наших обозначениях выходные величины Ω=x2, =x3, то в этом уравнении координатами выходного вектора системы
будут величины y1=0, y2=x2= Ω, y3=x3=, поэтому выходная матрица системы будет иметь вид
.
Таким образом, при введении в систему корректирующих фильтров за счет дополнения основных уравнений системы уравнениями цепей коррекции, пространство состояний корректируемой системы расширяется. Порядок системы увеличивается, однако число свободно подбираемых параметров увеличивается еще больше.
В качестве примера составим уравнения состояния интегро-дифференцирующего корректирующего звена (рис. 7.4 и 7.5).
Рис. 7.4
В качестве координат состояния целесообразно выбрать напряжения на конденсаторах, характеризующие накопление количества электричества. Получим
Но, так как
то после подстановки и простых преобразовании будем иметь следующие уравнения состояния:
.
Структурная схема в пространстве состояний, составленная по уравнениям данного корректирующего звена, приведена на рис. 7.5
Рис. 7.5
Выходная величина U2=U1-UC1.
Включение последовательно подобранного корректирующего звена расширяет пространство состояний на две координаты, однако число свободных варьируемых параметров С1, С2, R1, R2 равно четырем.
ЛЕКЦИЯ 21
План лекции:
1. Коррекция системы в пространстве состояния.
2. Корневой метод синтеза САУ по координатам пространства состоянии.
3. Прямой метод синтеза корректирующей обратной связи следящей
системы.
4. Рекомендуемая литература [4].