Тема:«Векторно-матричные модели систем управления в непрерывном времени»
Понятие пространства состояний
Современная теория автоматического управления оперирует с векторно-матричными моделями динамических систем. При этом рассматриваются в общем случае многомерные системы, т.е. системы произвольного порядка со многими входами и многими выходами, в связи, с чем широко используются векторно-матричные уравнения и аппарат векторной алгебры. Для получения векторно-матричной модели (ВММ) исследуемая динамическая система представляется в виде “черного ящика” с некоторым числом входных и выходных каналов (рис. 1.1, а).
Рис.1.1. Скалярное (а) и векторное (б) представления динамической системы в виде «черного ящика»
Все переменные, характеризующие систему, можно разделить на три группы.
1. Входные переменные или входные воздействия, генерируемые системами, внешними по отношению к исследуемой системе. Они характеризуются вектором входа.
r — число входов
2. Выходные переменные, характеризующие реакцию системы на указанные входные воздействия. Представляются вектором выхода
m — число выходов.
3. Промежуточные переменные, характеризующие внутреннее состояние системы, — переменные состояния, представляются вектором
n — число переменных состояния.
Таким образом, совокупность входов можно рассматривать как один обобщенный вход, на который воздействует вектор входа u, совокупность выходов как вектор y, а совокупность промежуточных координат, характеризующих состояние системы, — в виде вектора состояния x (см. рис. 1.1, б).
Состояние системы — это та минимальная информация о прошлом, которая необходима для полного описания будущего поведения (т.е. выходов) системы, если поведение ее входов известно.
Собственно система, ее входы и выходы — это три взаимосвязанных объекта, которые в каждой конкретной ситуации определяются соответственно математической моделью системы, заданием множеств входных и выходных переменных.
Решение задач анализа и синтеза связано с исследованием состояний системы, множество которых образует пространство состояний,.
Векторно-матричные модели в непрерывном времени
В общем случае динамическая система в непрерывном может быть описана парой матричных уравнений:
Если компонентами вектора состояния выбрать , где Uп – напряжение преобразователя, iя — ток электродвигателя, — скорость вращения электродвигателя, МУ — момент упругости механизма, — скорость вращения механизма, то элементы векторно-матричной модели
не всегда являются физическими величинами. Иногда для удобства математического моделирования САУ целенаправленно отказываются от физического содержания переменных состояния. Поэтому в общем случае x n (t) являются абстрактными переменными. Однако они должны однозначно выражаться через физические величины y p (t).
В общем случае исследуемую САУ считают многомерной (рисунок 2.29). Для упрощения работы с многомерными величинами их представляют в векторно-матричном виде. Так, совокупность входных переменных представляют в виде вектора входа совокупность выходных переменных – в виде вектора выхода а совокупность переменных состояния – в виде вектора состояния
Согласно МПС множество всех значений, которые может принять вектор входа U в момент времени t, образует пространство входа исследуемой САУ. Аналогично, множество всех значений, которые может принять вектор выхода Y в момент времени t, образует пространство выхода, а множество всех значений, которые может принять вектор состояния X в момент времени t, образует пространство состояний САУ.
Как было отмечено, векторно-матричные уравнения (2.82) описывают многомерную САУ. Эта же совокупность уравнений служит ММ одномерной САУ, т.е. системы с одним входом и одним выходом. При использовании МПС такие САУ часто называют системами со скалярным входом и выходом, так как входная и выходная величины являются скалярными. Уравнения состояния и выхода одномерной системы имеют вид
Видео:Лекция 14 | Теория автоматического управленияСкачать
Канонические формы уравнений состояния
Разработано множество эквивалентных форм (представлений) уравнений состояния, различающихся между собой видом матриц A , B и C . Одни из форм используются чаще, так как обладают в некоторых случаях известными преимуществами перед другими. Такие формы записи уравнений состояния называются каноническими. Считают, что удобство канонических форм заключается в следующем. Во-первых, канонические представления матриц обеспечивают минимальное количество ненулевых элементов, что заметно упрощает вычисления. Во-вторых, канонические представления приводят к простым алгоритмам синтеза оптимальных регуляторов замкнутых САУ /3/.
Таким образом, в результате приведения уравнений к канонической форме более простую структуру принимают две из трех матриц: A и B (управляемые формы) или A и C (наблюдаемые формы). Управляемые канонические формы используют при синтезе регулятора, а наблюдаемые канонические формы – при синтезе наблюдателя /23/.
Первая управляемая каноническая форма
Первой управляемой канонической формой называют специальные матрицы
Очевидно, что коэффициенты характеристического полинома A(s) составляют последний столбец матрицы A. Матрицы такого вида называют матрицами Фробениуса. Элементы таких матриц определяют без вычислений. Характеристический многочлен A(s) совпадает со знаменателем ПФ системы управления. Корни данного многочлена определяют устойчивость и качество переходных процессов в САУ.
Матрица входа B рассматриваемого канонического представления также имеет специальный вид. Вследствие скалярного входного воздействия матрица B представляет собой вектор-столбец, элементы которого также не требуется вычислять.
Полученная ММ системы управления может быть изображена в виде структурной схемы, представленной на рисунке 2.31.
Принятые переменные состояния являются выходными сигналами интеграторов.
Первую управляемую каноническую форму называют также канонической формой дуальной фазовой переменной /20/.
Видео:Прорывной Високосный год. Прогноз на 2024 год от Светланы ДраганСкачать
Описание САУ методом пространства состояния
Состоянием САУ называется та минимальная информация об объекте, которая позволяет спрогнозировать поведение системы в будущем при известных задающих воздействиях.
С точки зрения ТАУ, объект представляет собой черный ящик, характеризующийся рядом координат.
Состояние объекта в любой момент времени определяется тремя векторными пространствами:
1) Векторное пространство входа определяет входные воздействия на объект.
2) Векторное пространство внутреннего состояния определяет реакцию системы на входное воздействие.
3) Векторное пространство выхода определяется выходными переменными.
Совокупность этих векторов определяет состояние системы (пространства состояния).
Для непрерывных линейных систем динамика и статика объекта описываются следующими уравнениями:
где A * — матрица коэффициентов САУ;
B * — матрица управления САУ;
C * — матрица выхода САУ;
D * — матрица обхода САУ.
Данное описание позволяет представить все стороны САУ:
— Первое уравнение описывает динамику САУ;
— Второе уравнение описывает статику САУ.
На практике бывает удобней объединить вектор входа и внутреннего состояния в один:
— обобщенный вектор состояния.
В итоге получим систему уравнений:
Тогда систему (*) можно представить в виде:
В пространстве состояния в качестве графического изображения системы предлагают схемы переменных состояний.
Дата добавления: 2015-02-16 ; просмотров: 1971 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
🎬 Видео
Введение в теорию автоматического управленияСкачать
Лекция 4.1. Инвертор, датчики, ШИМ. Курс "Разработка цифровых систем управления на К1921ВК01Т"Скачать
Котика ударило током, 10 т. ВольтСкачать
Управление Миром Лекции ФСБ ( Ефимов )Скачать
Лекция 1 | Теория автоматического управленияСкачать