Вектор состояния системы тау

Вектор состояния системы тау

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).

Вектор состояния системы тау

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.

Вектор состояния системы тауr — число входов

2. Выходные переменные, характеризующие реакцию системы на указанные входные воздействия. Представляются вектором выхода

Вектор состояния системы тауm — число выходов.

3. Промежуточные переменные, характеризующие внутреннее состояние системы, — переменные состояния, представляются вектором

Вектор состояния системы тауn — 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,Вектор состояния системы тау.

Векторно-матричные модели в непрерывном времени

В общем случае динамическая система в непрерывном может быть описана парой матричных уравнений:

где Fn-мерная вектор-функция системы; Qm-мерная вектор-функция выхода.

Матричное уравнение (1.1) называют уравнением состояния системы. Его решение, удовлетворяющее начальному условию Вектор состояния системы тау, дает вектор состояния системы

Вектор состояния системы тау

Матричное уравнение (1.2), определяющее выходные переменные в зависимости от x(t) и u(t), называют уравнением выхода.

В частном случае зависимости Вектор состояния системы таумогут быть линейными комбинациями переменных состояния xi и входных переменных uq. При этом динамическая система описывается в векторно-матричной форме:

Вектор состояния системы тау

Переход к стационарным моделям позволяет оперировать с коэффициентными матрицами, т.е. со стационарными уравнениями

Вектор состояния системы тау

А — функциональная матрица размером n x n, называемая матрицей состояния системы (объекта);

В — функциональная матрица размером n x r, называемая матрицей управления (входа);

С — функциональная матрица размером m x n, называемая матрицей выхода по состоянию;

D — функциональная матрица размером m x r, называемая матрицей выхода по управлению.

Очень часто D=0, т.е. выход непосредственно не зависит от входа.

В дальнейшем под векторно-матричной моделью объекта (системы) будем понимать описание ее динамического поведения в классе стационарных непрерывных линейных систем, представленное в виде уравнений (1.6), (1.7).

Таким образом, ВММ имеет единую форму представления, что значительно облегчает алгоритмизацию и компьютерную реализацию проектных процедур и проектных операций структурно-параметрического синтеза и анализа систем управления. Однако с использованием ВММ может быть получено лишь приближенное проектное решение, которое потребует дальнейшего уточнения, так как такие модели отображают динамическое поведение реального объекта лишь в классе стационарных линейных систем.

Построение ВММ реального объекта сопряжено с проблемами линеаризации исходного математического описания и приведения его к структурированному виду — форме Коши.

Если мы знаем физическое описание системы и можем записать уравнения, описывающие поведения ее отдельных частей, то получить уравнения состояния системы обычно сравнительно не трудно. Покажем эту процедуру на нескольких примерах.

Пример 1.1. Получим уравнения состояния для простейшей RLC-цепи, показанной на рис 1.2.

Вектор состояния системы тау

Динамическое поведение этой системы при Вектор состояния системы тауполностью определяется, если известны начальные значения Вектор состояния системы тауи входное напряжение U(t) при Вектор состояния системы тау. Следовательно, Вектор состояния системы тауможно выбрать в качестве переменных состояния, то есть Вектор состояния системы тау

Для указанных переменных состояния можно записать дифференциальные уравнения

Вектор состояния системы тау

или в векторно-матричной форме

Вектор состояния системы тау

Таким образом для рассматриваемой системы матрицы А, В, С векторно-матричной модели будут иметь следующий вид:

Вектор состояния системы тау

Пример 1.2. На рис. 1.3. показан электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, работающий при постоянном магнитном потоке (Ф=const).

Вектор состояния системы тау

Дифференциальные уравнения для такого объекта могут быть записаны относительно следующих переменных состояния: Вектор состояния системы тау— скорости вращения ротора, тока якоря i(t), углового перемещения ротора Вектор состояния системы тау. При использовании знакомых зависимостей для электродвижущей силы Вектор состояния системы тауи вращающего момента двигателя Вектор состояния системы тауполучим уравнение электрической цепи

Вектор состояния системы тау

и уравнения вращающейся части

Вектор состояния системы тау

где J – приведенный момент инерции электродвигателя.

Представляя векторы состояния, входа и выхода как Вектор состояния системы тауполучим следующую векторно-матричную модель электродвигателя постоянного тока

Вектор состояния системы тау

То есть для рассматриваемой системы матрицы А, В, С векторно-матричной модели будут иметь следующий вид:

Вектор состояния системы тау

Пример 1.3. Построим векторно-матричную модель электромеханического объекта — электропривода постоянного тока, приводящего в движение через механический редуктор тяжелую платформу. Функциональная схема такого объекта приведена на рис. 1.4.

Вектор состояния системы тау

Здесь легко выделить три функциональных элемента, соответствующие трем видам преобразования энергии:

преобразователь, осуществляющий управляемое преобразование электрической энергии;

двигатель, выполняющий преобразование электрической энергии в механическую, — электромеханический преобразователь;

механизм, осуществляющий передачу механической энергии от вала двигателя через редуктор к рабочему органу — платформе.

При использовании общеизвестных допущений [5] и обозначений координат и параметров такого объекта его динамическое поведение при МС=0 описывается следующей системой линейных дифференциальных уравнений:

Вектор состояния системы тау

Вектор состояния системы тау

Если компонентами вектора состояния выбрать Вектор состояния системы тау, где Uп – напряжение преобразователя, iя — ток электродвигателя, Вектор состояния системы тау— скорость вращения электродвигателя, МУ — момент упругости механизма, Вектор состояния системы тау— скорость вращения механизма, то элементы векторно-матричной модели

принимают следующий вид:

Вектор состояния системы тау

Вектор состояния системы тау

После подстановки реальных значений параметров объекта, которые приведены в табл. 1.1, компоненты матриц состояния А и управления В принимают вид (1.13).

Вектор состояния системы тау

На рис. 1.5. приведено окно редактирования векторно-матричной модели (1.13) в среде Компьютерного комплекса функционального проектирования динамических систем.

Вектор состояния системы тау

Контрольные вопросы к лекции № 1.

1. Какие переменные при построении математического описания системы принято называть

a) входными переменными;

b) выходными переменными;

c) переменными состояния?

2. Математическое описание объекта с одним входом и одним выходом представлено структурной схемой, содержащей q элементов, представленных передаточной функцией общего вида

Вектор состояния системы тау

Как в этом случае можно определить размерность пространства состояния Вектор состояния системы таудля описания этого объекта?

3. Математическое описание объекта с двумя входами Вектор состояния системы тауи одним выходом y(t) представлено следующим уравнением в операторной форме

Вектор состояния системы тау

Какова в этом случае будет размерность пространства состояния n для описания этого объекта?

4. Выберите из приведенных ниже записей возможные формы представления уравнения состояния для непрерывных систем.

Вектор состояния системы тау

5. Объект управления имеет r – входов, m — выходов, его математическое описание в непрерывном времени содержит n дифференциальных уравнений первого порядка. Какова в этом случае будет размерность матрицы состояния?

6. Сформируйте векторно-матричную модель фильтра, электрическая схема которого представлена на рис. 1.6.

Вектор состояния системы тау

Здесь следует учесть, что

  • объект имеет один вход — U1 один выход — iH; все параметры электрической схемы R1, R2, L, C1, C2, RH известны и являются постоянными;
  • могут быть использованы следующие обозначения Вектор состояния системы тау

7.При составлении математического описания динамических процессов в упругом электромеханическом объекте, влючающем в себя электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения (Ф=const) и механизм, модель которого представляется двухмассовой системой (см. пример 1.3), могут быть использованы следующие переменные:

  • iя — ток электродвигателя,
  • Вектор состояния системы тау— скорость вращения электродвигателя,
  • Му – упругий момент механизма,
  • Вектор состояния системы тау— скорость вращения механизма,
  • Вектор состояния системы тау— угол поворота ротора электродвигателя,
  • l – линейное перемещение механизма.

Какие из этих переменных, и в какой последовательности включены в состав вектора состояния Вектор состояния системы тауприведенной ниже векторно-матричной модели?

Вектор состояния системы тау

ОТВЕТЫ

a) переменные, характеризующие реакцию системы на входные воздействия;

b) переменные, генерируемые системами, внешними по отношению к исследуемой системе;

c) промежуточные переменные, характеризующие внутреннее состояние системы.

Видео:8) ТАУ для чайников.Часть 3.6 : Передаточная функция и пространство состояний.Скачать

8) ТАУ  для чайников.Часть 3.6 : Передаточная функция и пространство состояний.

Электронный учебник по ТАУ (теория автоматического управления)

Видео:Квантовая механика 7 - Вектор состояния. Амплитуда вероятности.Скачать

Квантовая механика 7 - Вектор состояния. Амплитуда вероятности.

ТАУ Модели «вход – состояние – выход»

ТАУ предлагает два основных подхода к анализу и синтезу линейных САУ. Первый базируется на структурных схемах и ПФ отдельных элементов и всей системы. В связи с этим его часто называют операторноструктурным. Другой его особенностью является использование физических величин в качестве переменных. Подробно этот подход рассмотрен при изучении ММ типа «вход – выход» (см. п. 2.1).

Второй подход отличается описанием САУ системой ОДУ первого порядка, составленных относительно переменных состояния. Переменные состояния при таком описании САУ аналогичны обобщенным координатам, используемым в теоретической механике. Сам подход к исследованию САУ получил название метода пространства состояний или метода переменных состояния.

Понятие пространства состояний

Согласно методу пространства состояний (МПС) все переменные величины, характеризующие САУ, разделяют на три группы:

1) входные переменные или входные (управляющие) воздействия u m ;

2) выходные переменные y p , характеризующие реакцию САУ на входные воздействия;

3) переменные (координаты) состояния x n , характеризующие динамическое поведение САУ.

Взаимосвязь названных переменных поясняют схемой САУ, на которой систему изображают в виде «черного ящика» в соответствии с рисунком 2.29.

Отдельные части САУ характеризуют ПФ W 1 (s) и W 2 (s). Как следует из схемы, переменные состояния x n являются промежуточными величинами. Их относят к содержимому «черного ящика». Следовательно, они скрыты от прямого наблюдения. Кроме того, переменные состояния

Вектор состояния системы тау

Видео:Теория автоматического регулирования. Лекция 5. Модели параметров состоянийСкачать

Теория автоматического регулирования. Лекция 5. Модели параметров состояний

y 2 ( t )

Видео:2) ТАУ для чайников. Часть 2.1: Математические модели...Скачать

2) ТАУ  для чайников. Часть 2.1: Математические модели...

u 1 ( t )

Видео:Метод пространства состояний САУ: описание конкретной системыСкачать

Метод пространства состояний САУ: описание конкретной системы

u 2 ( t )

Видео:1) ТАУ (Теория автоматического управления) для чайников. Часть 1: основные понятия...Скачать

1) ТАУ (Теория автоматического управления) для чайников. Часть 1: основные понятия...

u m ( t )

Видео:Система управления дорожным движением - ВекторСкачать

Система управления дорожным движением - Вектор

x 1 ( t )

Видео:Управляемость и наблюдаемость | Утро с теорией управления, лекция 7Скачать

Управляемость и наблюдаемость | Утро с теорией управления, лекция 7

x 2 ( t )

Видео:Непрерывные законы регулированияСкачать

Непрерывные законы регулирования

x n ( t )

Видео:Крайон. Создай пространство счастья и успеха вокруг себя. 10 важнейших уроков. Артур Лиман.Скачать

Крайон. Создай пространство счастья и успеха вокруг себя. 10 важнейших уроков. Артур Лиман.

y 1 ( t )

Видео:Управляемость и наблюдаемостьСкачать

Управляемость и наблюдаемость

y n ( t )

Видео:5) ТАУ для чайников. Часть 3.1: Модели линейных объектов...Скачать

5) ТАУ  для чайников. Часть 3.1: Модели линейных объектов...

W 1 ( s )

Видео:Школа КОБ - 3 ВЕКТОРА УПРАВЛЕНИЯСкачать

Школа КОБ - 3 ВЕКТОРА УПРАВЛЕНИЯ

W 2 ( s )

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

Лекция 14 | Теория автоматического управления

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

Прорывной Високосный год.  Прогноз на 2024 год от Светланы Драган

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.

Вектор состояния системы тауСостояние объекта в любой момент времени определяется тремя векторными пространствами:

1) Векторное пространство входа Вектор состояния системы тауопределяет входные воздействия на объект.

2) Векторное пространство внутреннего состояния Вектор состояния системы тауопределяет реакцию системы на входное воздействие.

3) Векторное пространство выхода Вектор состояния системы тауопределяется выходными переменными.

Совокупность этих векторов определяет состояние системы (пространства состояния).

Для непрерывных линейных систем динамика и статика объекта описываются следующими уравнениями:

Вектор состояния системы тау

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:

Вектор состояния системы тау— обобщенный вектор состояния.

В итоге получим систему уравнений:

Вектор состояния системы тау

Тогда систему (*) можно представить в виде:

Вектор состояния системы тау

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

Введение в теорию автоматического управления

Лекция 4.1. Инвертор, датчики, ШИМ. Курс "Разработка цифровых систем управления на К1921ВК01Т"Скачать

Лекция 4.1. Инвертор, датчики, ШИМ. Курс "Разработка цифровых систем управления на К1921ВК01Т"

Котика ударило током, 10 т. ВольтСкачать

Котика ударило током, 10 т. Вольт

Управление Миром Лекции ФСБ ( Ефимов )Скачать

Управление Миром Лекции ФСБ ( Ефимов )

Лекция 1 | Теория автоматического управленияСкачать

Лекция 1 | Теория автоматического управления
Поделиться или сохранить к себе: