Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Дифференциальные уравнения САУ. Форма вход-выход, операторная форма вход-выход и форма Коши описания САУ с сосредоточенными параметрами

Вернёмся к уравнению прямолинейного движения точечного объекта с переменной массой (4).

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений,

Где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— сила, действующая на объект (вход);

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— координата положения объекта – (выход);

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— масса объекта (параметр).

Рассматриваемое уравнение называется уравнением в форме вход-выход.

В ТАУ есть неписанные установившиеся традиционные правила, касающиеся символьного описания объекта безотносительно к его природе.

Коэффициенты уравнения принято обозначать греческими буквами

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Сила, если она выступает в роли внешнего воздействия, то её обозначают F, а если в роли управляющего, то U.

Таким образом, уравнение (4) примет вид.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (5)

Любое дифференциальное уравнение n-го порядка можно представить виде системы n уравнений первого порядка или в форме Коши (иначе говорят уравнениями в пространстве состояний). Продемонстрируем это на примере (5). Введём обозначения Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, где хi=(i=1,2) – компоненты вектора состояний. С учётом этих обозначений уравнение (5) можно переписать в виде систем уравнений в форме Коши.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

3. Линеаризация уравнения динамики САУ

Достаточно часто встречаются звенья, имеющие нелинейную зависимость между входной и выходной координатами. Если для малых отклонений от установившегося режима нелинейность несущественна, то в этом случае до составления исходных дифференциальных уравнений САУ выполняют процедуру линеаризации.
Линеаризацией называется замена реальных нелинейных уравнений статических характеристик элементов близкими к ним линейными уравнениями. Линеаризация возможна, если нелинейная характеристика непрерывна и имеет непрерывные частные производные. На рис.2.1. приведена геометрическая интерпретация линеаризации по методу малых отклонений.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений
Рис.2.1. Геометрическая интерпретация линеаризации

Разложив функцию y=f(x) в ряд Тейлора, получим

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

где y0— значение выхода, соответствующее входу x0; d k y/dx k — значения производных, взятых в точке А(x0;y0). Тогда для малых отклонений x:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийили Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

где Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийпри x=x0.

Если выходная величина элемента зависит от нескольких входных воздействий, то при линеаризации по методу малых приращений следует определять частные производные по всем воздействиям, а приращение выхода является суммой частных приращений, т.е.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений
где x1, x2, …, xn — приращения входных воздействий; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— частные производные.

4. Обобщение уравнений динамики САУ

Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийК линеаризованной САУ можно применить принцип суперпозиции: реакция системы на несколько одновременно действующих входных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие в отдельности. Это позволяет звено с двумя входами u и f разложить на два звена, каждое из которых имеет один вход и один выход (рис.27). Поэтому в дальнейшем мы ограничимся изучением поведения систем и звеньев с одним входом, уравнение динамики которых имеет вид:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Это уравнение описывает САУ в динамическом режиме лишь приближенно с той точностью, которую дает линеаризация. Однако следует помнить, что линеаризация возможна только при достаточно малых отклонениях величин и при отсутствии разрывов в функции F в окрестностях интересующей нас точки, которые могут быть созданы различными выключателями, реле и т.п.

Обычно n Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийm, так как при n n = d n /dt n . Это лишь другое обозначение операции дифференцирования. Обратная дифференцированию операция интегрирования записывается как 1/p. В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Не надо путать эту форму записи с операционным исчислением хотя бы потому, что здесь используются непосредственно функции времени y(t), u(t) (оригиналы), а не их изображения Y(p), U(p), получаемые из оригиналов по формуле преобразования Лапласа. Вместе с тем при нулевых начальных условиях с точностью до обозначений записи действительно очень похожи. Это сходство лежит в природе дифференциальных уравнений. Поэтому некоторые правила операционного исчисления применимы к операторной форме записи уравнения динамики. Так оператор p можно рассматривать в качестве сомножителя без права перестановки, то есть py Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийyp. Его можно выносить за скобки и т.п.

Поэтому уравнение динамики можно записать также в виде:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Дифференциальный оператор W(p) называют передаточной функцией. Она определяет отношение выходной величины звена к входной в каждый момент времени: W(p) = y(t)/u(t), поэтому ее еще называют динамическим коэффициентом усиления. В установившемся режиме d/dt = 0, то есть p = 0, поэтому передаточная функция превращается в коэффициент передачи звена K = bm/an.

Знаменатель передаточной функции D(p) = aop n + a1p n — 1 + a2p n — 2 + . + an называют характеристическим полиномом. Его корни, то есть значения p, при которых знаменатель D(p) обращается в ноль, а W(p) стремится к бесконечности, называются полюсами передаточной функции.

Числитель K(p) = bop m + b1p m — 1 + . + bm называют операторным коэффициентом передачи. Его корни, при которых K(p) = 0 и W(p) = 0, называются нулями передаточной функции.

Звено САУ с известной передаточной функцией называется динамическим звеном. Оно изображается прямоугольником, внутри которого записывается выражение передаточной функции. То есть это обычное функциональное звено, функция которого задана математической зависимостью выходной величины от входной в динамическом режиме. Для звена с двумя входами и одним выходом должны быть записаны две передаточные функции по каждому из входов. Передаточная функция является основной характеристикой звена в динамическом режиме, из которой можно получить все остальные характеристики. Она определяется только параметрами системы и не зависит от входных и выходных величин. Например, одним из динамических звеньев является интегратор. Его передаточная функция Wи(p) = 1/p. Схема САУ, составленная из динамических звеньев, называется структурной.

6. Элементарные динамические звенья

Динамика большинства функциональных элементов САУ независимо от исполнения может быть описана одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями не более второго порядка. Такие элементы называют элементарными динамическими звеньями. Передаточная функция элементарного звена в общем виде задается отношением двух полиномов не более чем второй степени:

Wэ(p) = Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Известно также, что любой полином произвольного порядка можно разложить на простые сомножители не более, чем второго порядка. Так по теореме Виета модно записать

где p1, p2, . pn — корни полинома D(p). Аналогично

Видео:14. Операционное исчисление. Система ДУСкачать

14. Операционное исчисление.  Система ДУ

Формы записи дифференциальных уравнений

Стационарные линейные непрерывные САУ наиболее часто описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (2.9)

В этом уравнении Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— выходная переменная (управляемая (регулируемая) величина) САУ, Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— входная переменная САУ. Правая часть уравнения (3.1) записана относительно управляющего воздействия Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, однако используются формы записи уравнения относительно задающего воздействия Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, возмущения Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийили нескольких входных воздействий.

Применяется также операторная форма записи уравнения (2.9):

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (2.10)

В этом уравнении через « Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений» обозначен оператор дифференцирования Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Заметим, что по сложившейся традиции символ « Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений» используется также в преобразованиях Лапласа и Карсона-Хевисайда, но является комплексным числом Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

За многолетнюю историю развития ТАУ сложились традиции формальной записи линейных дифференциальных уравнений, описывающих стационарные САУ. В учебной литературе по ТАУ они рассматриваются как стандартные формы записи дифференциальных уравнений. Рассмотрим эти формы записи на примере линейной системы второго порядка:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений(2.11)

или в операторной форме

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (2.12)

Первая стандартная символическая форма записи уравнения (2.11) имеет следующий вид:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, (2.13)

где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Форма (2.13) представляет собой операторно-структурное описание системы, т.е. в виде операторов звеньев, составляющих структурную схему системы (далее эти понятия разъясняются), и связей между ними. В этой форме Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— постоянные времени звена, измеряемые в секундах; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— передаточный коэффициент звена.

Из изложенного выше следует, что уравнение (2.9) в этой форме перепишется в следующем виде:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, (2.14)

где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Во второй стандартной форме записи дифференциального уравнения используется передаточная функция системы, которая для рассматриваемого примера (2.11) имеет вид

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Передаточная функция САУ, поведение которой во времени описывается уравнением (2.9), имеет следующий вид :

Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийОператорная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

В формуле (2.15) через Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийобозначены изображения (по Лапласу) выходной и входной переменных САУ при нулевых начальных условиях и равенстве нулю внешних возмущений, а через Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— полиномы относительно комплексной переменной Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Вторая стандартная форма записи дифференциального уравнения имеет следующий вид:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийили Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (2.16)

В (2.16) Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийявляются полиномами (символическими) относительно оператора Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Из сравнения первой и второй стандартных форм записи дифференциальных уравнений следует, что с математической точки зрения различие между этими формами весьма несущественно и состоит лишь в различном представлении коэффициентов уравнений. В ТАУ принято называть уравнения вида (2.9) — (2.14), (2.16) уравнениями типа «вход-выход».

Третья стандартная форма записи дифференциального уравнения принципиально отличается от форм записи, описанных выше. В этой форме записи используются переменные состояния. Отметим, что понятие «состояние» является базовым в современной ТАУ (СТАУ). Переменные состояния — это промежуточные переменные системы (рис.2.2), число которых равно ее порядку Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. В общем случае входные Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи выходные Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийпеременные могут быть векторными величинами размерности Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийсоответственно.

Координаты состояния х1, х2 , . ,хn
u
y

Рис.2.2 — Состояние системы

Переменные состояния называют также координатами состояния, так как их совокупность задает вектор состояния Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Множество возможных положений этого вектора образует векторное пространство Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, называемое пространством состояний системы. В переменных состояния САУ описывается векторно-матричным уравнением

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, (2.17)

где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— квадратная матрица коэффициентов (ее называют также собственной параметрической матрицей системы); Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— входная матрица (матрица управления) системы; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— выходная матрица системы;

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— вектор переменных состояния — внутренних координат системы;

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— вектор входных переменных (управляющих и возмущающих);

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— вектор наблюдаемых или выходных переменных; размерности матриц Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, соответственно, ( Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений), ( Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений), ( Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений).

Процессы в САУ в свободном движении (без внешних воздействий) согласно уравнению (2.17) описываются векторно-матричным уравнением Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийс характеристическим уравнением Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений— единичная матрица, или в развернутом виде системой дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

с характеристическим уравнением

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. (2.18)

Эти уравнения при определенных начальных условиях дают возможность изучить процессы в системе путем их решения численными методами с использованием ЭВМ.

Разработаны различные способы перехода от уравнений типа «вход-выход» к уравнениям состояния вида (2.17) и наоборот. Один из наиболее распространенных способов состоит в следующем. Пусть САУ описывается уравнением (2.9). Введем обозначения

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, . , Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений,

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

С помощью этих обозначений преобразуем уравнение (3.1) к следующему виду:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, (2.19)

где Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений;

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

В нашем примере Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийявляются скалярными величинами. В общем случае (2.17) — это, соответственно, вектор наблюдаемых или выходных переменных и вектор входных переменных (управляющих и возмущающих), поэтому в (2.19) матрицы Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийвыродились в вектор-столбец и вектор-строку соответственно.

Система уравнений (2.19) представляет собой описание линейной непрерывной системы в пространстве состояний Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений. Уравнения (2.19) с матрицей Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийназывают уравнениями в форме Фробениуса.

Если Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений, то

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений; Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений.

Форма уравнений (2.19) с подобными матрицами Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийи Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийназывается в ТАУ канонической формой фазовой переменной.

Задание 1

1.1. По дифференциальному уравнению системы:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Для каждого типового звена 1 – 12 (таблицы 2.1) в соответствии с его параметрами вывести дифференциальное уравнение, операторное уравнение, и выражение передаточной функции.

1.2Математическое описание типового звена системы автоматического регулирования записать в трех формах записи дифференциальных уравнений.

Первая стандартная символическая форма операторно-структурное описание системы, т.е. в виде операторов звеньев.

Во второй стандартной форме записи дифференциального уравнения используется передаточная функция системы.

Третья стандартная форма записи дифференциального уравнения — переменные состояния.

Таблица 2.1 – Исходные коэффициенты

№ п.п.Наименование звенаа 0а 1а 2b0b1Примечания
Безынерционное (пропорциональное)к
Инерционное 1-го порядка (апериодическое)Тk
Инерционное 2-го по- рядка (апериодическое)Т2 2Т1kТ1³2Т2
Инерционное 2-го по- рядка (колебательное)Т2 2Т1kТ1 T

Задание 2

2.1Для каждого звена (таблицы 2.2) по его передаточной функции записать дифференциальное уравнение.

2.2 Математическое описание типового звена системы автоматического регулирования записать в трех формах записи дифференциальных уравнений.

ВарПередаточная функцияЗначения параметров передаточной функции
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=1;в1=3; в2=0,8
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; в0=1; в1=3;
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5; в0=10
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=10
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3=0,9;а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийТ0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийТ0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=1,1;Т4=,9
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийК= 10;Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийК= 10; Т2=1,1;Т3=0,9 Т4=0,9
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийТ0=0,7; Т1=3;Т2=1,2;Т3=0,9;Т4=0,8;Т5=0,5
Операторная форма записи системы дифференциальных уравненийК=10 Т0=0,7; Т1=3;Т2=1,2;Т3=0,9;Т4=0,8;Т5=0,5;

Задание №3

3.1 Для заданной схемы необходимо составить операторное уравнение для каждого элемента схемы САУ.

3.2. Определить входные и выходные величины каждого элемента, и определить передаточные функции отдельных элементов функциональной схемы.
Формы записи дифференциальных уравнений.

3.3Сформировать математическое описание систем автоматического регулирования в виде структурной схемы в буквенном и числовом обозначениях.

3.4 Сформировать математическое описание систем автоматического регулирования в виде третьей стандартной формы записи дифференциального уравнения — В переменных состояния САУ описываемых векторно-матричным уравнением.

Схема, показанная на рисунке 2.2, представляет собой САР температуры в помещении. Объектом регулирования (ОР) в дан­ной системе является помещение, для которого регулируемая ве­личина — температура внутри помещения Ө, регулирующее (уп­равляющее) воздействие — температура воздуха ӨК, поступающего из калорифера, возмущающее воздействие — изменения внешних факторов f(в общем случае изменение температуры атмосферного воздуха, его влажности, скорости ветра). При исследовании сис­темы в качестве основного возмущения следует рассматривать из­менение температуры окружающего воздуха.

Воспринимающим органом — ВО (датчиком, чувствительным элементом) в данной САР является терморезистор RД, включен­ный в мостовую схему, обеспечивающую с помощью резистора RОзадание необходимого значения температуры в помещении и выполняющую также функции сравнивающего органа — СО (эле­мента сравнения). Усиление сигнала разбалансаΔU(сигнала рас­согласования) измерительной мостовой схемы обеспечивается посредством усилителя. Усиленный сигнал Uобеспечивает вра­щение двухфазного исполнительного двигателя, который изменя­ет перемещение клапана (заслонки) на трубопроводе подачи парав калорифер, чем достигается изменение температуры воздуха на входе калорифера — регулирующего воздействия на объектерегулирования.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

1 — помещение; 2 — теплообменник (калорифер), 3 — измерительная мостовая схема; 4 — двухфазный ис­полнительный двигатель, 5 — дифференциальный магнитный усилитель; 6 — клапан (заслонка)

Рис. 2.2. Схема САР температуры

Динамические свойства объекта регулирования и элементов системы описываются следующими уравнениями:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

где То, Т2, Т3, Т4 — постоянные времени, с; Ө — значение температуры воздуха в помещении, °С, Ө к — значение температуры воздуха на выходе калорифера, °С; к, к1, к2, к3, к4— коэффициенты передачи; f— возмущающее воздействие на объекте регулирования; Uд —падение напряжения на термодатчике, В; ΔU— напряжение на выходе мостовой схемы (сигнал рассогласования), В; μ. — линейное перемещение клапана, см; U0 — задающий сигнал, В.

Значения параметров элементов САР по вариантам даны в таб­лице 2.3.

Заданное значение температуры в помещении Ө = 20 °С.

Значения параметров элементов САР

ВариантТ0, сТ2, скк1, В/ 0 Ск4к2, см/(В*с)f,. 0 СК3, °С/см
0,060,20,20,002-11
0,070,250,30,001
0,080,30,250,0018-8
0,090,350,20,002
0,100,40,20,002-5
0,500,180,250,003
0,0550,190,40,0035
0,060,170,40,0025-15
0,060,250,20,0016
0,080,40,150,0014-18

Примечание. Для всех вариантов постоянные времени Т3 = 20 с, Т4=0,5 с.

Схема САР, приведенная на рисунке 2.3, обеспечивает стаби­лизацию угловой скорости электродвигателя постоянного тока который совместно с рабочим механизмом является объектом ре­гулирования. Регулируемая величина объекта — угловая скорость двигателя ω, регулирующее воздействие — напряжение Uг,пода­ваемое от генератора на якорь двигателя. Возмущающее воздейст­вие на объекте регулирования — момент сопротивления Мс, соз­даваемый рабочим механизмом. Угловая скорость двигателя ωконтролируется тахогенератором, сигнал которого Uтг, пропор­циональный скорости, сравнивается с задающим сигналом U3. Сигнал рассогласования ΔU = U3— UTг усиливается магнитным усилителем и воздействует на обмотку возбуждения генератора, выполняющего функции исполнительного органа (элемента).

Динамические свойства объекта регулирования и элементов САР описываются следующими уравнениями:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

гдеТд, Ту, Tv — постоянные времени, с; Кд, Км, Ктг, Ку, Кг — коэффициенты передачи соответствующих элементов систем

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

1 — задающий потенциометр; 2 — магнитный усилитель; 3 — генератор; 4 — двигатель; 5 — тахогенератор; 6 — рабочий механизм

Рис. 2.3. Схема САР угловой скорости электродвигателя

Значения параметров элементов САР

Вари­антТу, сКуКгТг, сКд, рад/ с*ВТд, сКм рад/ с*Н* мМс, Н*мКгг, В*с/ рад
0,0204,02,00,101,00,50,021,0
0,0155,01,80,120,950,600,030,9
0,0184,51,70,150,850,700,04
0,0226,01,50,200,80,800,050,7
0,0205,81,60,161,50,650,060,6
0,0254,22,00,251,40,750,070,5
0,0203,52,70,221,30,800,080,4
0,0286,22,10,301,20,750,020,5
0,0186,52,30,161,00,500,0130,6
0,0147,02,50,201,250,800,0150,7

Значения параметров объекта регулирования и элементов сис­темы для различных вариантов указаны в таблице 2.4. Заданное значение угловой скорости ω = 40 рад/с.

На рисунке 2.4 изображена схема САР давления Р в ресивере (воз­духосборнике) 1, который является в данной системе объектом регу­лирования. Давление в ресивере регулируется посредством изменения количества воздуха Q, зависящего от положения заслонки 2, т.е. от ее линейного перемещения Х3, которое можно рассматривать как регу­лирующее воздействие на входе объекта регулирования. Внешним возмущением, вызывающим отклонение регулируемой величины — давления Р, является изменение расхода сжатого воздуха Qc.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Рис 2.4 Схема САР давления Р в ресивере

Давление в данной системе контролируется с помощью сильфонного датчика 3, выход­ная величина которого — пере­мещение Хс сильфона 5 одно­значно зависит от разности сил ΔF= F0— Fp, где Fp— сила, соз­даваемая давлением Р, F0— си­ла натяжения пружины 6, кото­рое можно изменять винтом 7.

Перемещение сильфона Хсс помощью потенциометрического преобразователя 4 преобразуется в электрический сигнал — напряжение U, которое усиливается электронным усилителем 8. Выходной сигнал усилителя Uyуправляет электромагнитным при­водом 9, связанным с заслонкой 2,

В данной САР сильфонный датчик выполняет функции вос­принимающего, задающего и сравнивающего органов. Как вос­принимающий орган он контролирует давление Р, преобразуя его в силу Fp. Задание требуемого давления в ресивере обеспечивается посредством силы F0. Как сравнивающий орган сильфон обеспе­чивает сравнение величин F0 и Fp, в результате чего, как отмеча­лось ранее, получается ΔF= F0 — Fp — сигнал рассогласования.

Динамические свойства объекта регулирования и элементов САР описываются следующей системой уравнений:

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

заслонкой

Физическая сущность переменных, входящих в уравнения, от­ражена выше в описании схемы САР. Параметры T0, T1, T2, T3 и К0, Кq, Кв, Кc, Кп, Ку, К3 — соответственно постоянные времени и ко­эффициенты передачи. Их размерности и значения по вариантам даны в таблице 2.5. Требуемое значение давления Р = 500 кПа.

Значения параметров элементов САР

Вари­антТ0,сКо КПа/ммТ1,сТ2,сКс мм/НКв Н/кПаКQ, Кпа*с/м 3ΔQC, м3/сКп В/ммКуТ3К3 Мм/В
1,30,20,0452,50,50,10,20,01
0, 250 ,042,50,5-0, 20,20,01
0,63,50,340,0222,50,50,30,20,01
4,80,250,0352,50,5-0,150,20,01
0,74,50,30,042,50,50,120, 90,01
0,83,50,180, 0252 ,50,5-0,20 ,20,01
0,44,40,250,032,50,50,110,20,01
0,655,50,20,022,50,5-0,120,20,01
0, 70, 40 ,0252,50,50,140,20,01
0,550,250,0352,50,5-0,140,20,01

На электрических станциях при производстве электроэнергии предъявляют определенные требования к стабильности частоты f генерируемой ЭДС. Частота f однозначно определяется угловой скоростью ω рабочего колеса гидротурбины. В связи с этим гид­ротурбины на электростанциях оснащают САР угловой скорости. На рисунке 2.5 показана схема одного из вариантов такой САР.

В данной системе объектом регулирования является гидротур­бина 1, регулируемой величиной — угловая скорость ω .Она при постоянном расходе воды изменяется в зависимости от нагрузки на валу турбины, т. е. от мощности Р, которая потребляется от ге­нератора 2 (с увеличением мощности угловая скорость снижается, с уменьшением — возрастает). Таким образом, мощность Р явля­ется внешним возмущающим воздействием на объекте регулиро­вания. Для регулирования угловой скорости предусмотрена за­слонка 3, с помощью которой изменяется расход воды через тур­бину. Он однозначно зависит от вертикального перемещения X заслонки. Следовательно, перемещение заслонки X можно рас­сматривать как регулирующее воздействие объекта регулирова­ния. Угловая скорость ω контролируется посредством тахогенератора 4, ЭДС Е которого сравнивается с задающим напряжением U0. Сигнал рассогласования Δ U через усилитель 5 управляет по­средством электродвигателя 6 и редуктора 7 заслонкой 3.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Рис. 2.5 Схема САР угловой скорости рабочего колеса гидротурбины

Динамические свойства элементов САР описываются следую­щей системой уравнений:

Видео:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

Формы записи линейных дифференциальных уравнений. Передаточные функции

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Видео:Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом Эйлера

Формы записи линейных дифференциальных уравнений. Передаточные функции

  • Форма для написания линейных дифференциальных уравнений. Передаточная функция При описании автоматических систем управления магией широко используются символические формы, описывающие линейные дифференциальные уравнения. Рассмотрим пример из уравнения (2.5). Чтобы уменьшить нотацию, опустите символ A и перепишите его, оставив только левый член, содержащий выходную переменную и ее производную. «OY + a Y + ayU = b0 и 4-bx4-c0f. (2.6) Вводит обозначение p для дифференциальных операций. didt = pt df / dtl = pl Используя это, уравнение (2.6) можно записать в виде: a Q (p) (* oP2 4-flip + Людмила Фирмаль

Если ссылка (система) имеет несколько входов, оставшаяся входная величина принимается равной нулю при определении передаточной функции для одной входной величины. Найти передаточную функцию в виде изображения Лапласа ссылки, описанной в примере 2.3 (2.6). Преобразуйте обе части этого уравнения в изображение Лапласа. L (a0 V + окси-b ° * /) = L (b0 и -f-bxu -f cj I. Используя исходную линейность и производные характеристики (характеристики 1 и 2 преобразования Лапласа), при начальном условии нуля получаем: (A0s * + a, s + a2) Y (s) = (b, s + b>) U (s) + cnF ($), (2.13) Где K (s) = M Примеры решения и задачи с методическими указаниями

Решение задачЛекции
Сборник и задачникУчебник
  • Сходство между формой изображения Лапласа и передаточной функцией операторной формы чисто внешнее и имеет место только с фиксированными связями (системами). Уравнение (2.14) ложно, если связь нестационарная, т.е. множитель (2.6) зависит от времени. Передаточная функция (2.14) может быть использована для описания уравнения изображения Лапласа (2.13). Y (s) = Wt (s) U (s) + Wt (s) F (s). (2.15) Это уравнение, как и уравнение (2.13), подходит для исходного дифференциального уравнения (2.6) только тогда, когда начальное состояние равно нулю. Если начальное условие не равно нулю, уравнения (2.13) и (2.15) не могут использоваться в качестве математического описания начальной ссылки.

Как правило, линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами, меньшими или равными второму порядку, записываются в стандартном виде. Кроме того, термины, которые включают в себя вывод и е Напишите производную в левой части уравнения и все остальные члены в правой части. Коэффициент выходного значения равен 1. Если справа есть производная, любая отдельная входная величина и термин, содержащий производную, объединяются в группу, а соответствующие входные количественные коэффициенты берутся из скобок.

Стандартный формат для описания линейных дифференциальных уравнений. Людмила Фирмаль

Стандартная формула формулы (2.6) принимает следующую форму: + Tree + y = kx (7> + u) + kj, (2.16) Здесь k = c0 / a. В уравнении (2.16) постоянные T0, G и T2 имеют временную размерность, они называются постоянными времени, а коэффициент и кг — коэффициенты передачи. Если исходное уравнение (2.6) не содержит y (a.g = 0), в стандартной форме производная y должна иметь коэффициент, равный 1. Обе части уравнения делятся на коэффициент а. В символической форме уравнение (2.16) принимает вид: (Подсказка * + 7> = + + kj.

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений Операторная форма записи системы дифференциальных уравнений

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

📹 Видео

ОДУ. 4 Системы дифференциальных уравненийСкачать

ОДУ. 4 Системы дифференциальных уравнений

Операционное исчисление. Решить неоднородное дифференциальное уравнение 2 порядкаСкачать

Операционное исчисление. Решить неоднородное дифференциальное уравнение 2 порядка

Решение систем Д/У: 1. Знакомство с функциями odeXYСкачать

Решение систем Д/У: 1. Знакомство с функциями odeXY

Система дифференциальных уравнений. Операционный методСкачать

Система дифференциальных уравнений. Операционный метод

Решение диф.уравнений операторным методомСкачать

Решение диф.уравнений операторным методом

Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 1Скачать

Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 1

Системы дифференциальных уравненийСкачать

Системы дифференциальных уравнений

Асташова И. В. - Дифференциальные уравнения. Часть 2 - Системы дифференциальных уравненийСкачать

Асташова И. В. - Дифференциальные уравнения. Часть 2 - Системы дифференциальных уравнений

13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядкаСкачать

13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядка

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.Скачать

7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Лабораторная работа 1. Решение систем обыкновенных дифференциальных уравненийСкачать

Лабораторная работа 1. Решение систем обыкновенных дифференциальных уравнений

Линейные системы дифференциальных уравнений (СДУ) | Лекция 18 | МатАн | СтримСкачать

Линейные системы дифференциальных уравнений (СДУ) | Лекция 18 | МатАн | Стрим
Поделиться или сохранить к себе: