Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Взаимосвязь видов математических моделей многомерных систем

Выше были рассмотрены два вида моделей многомерной системы. Установим связь между этими двумя видами. Так как исходной базой для математических моделей являются дифференциальные уравнения, то логичным будет определить связь уравнений состояния с передаточными матрицами САУ. Для этого применим преобразование Лапласа к уравнениям состояния и выхода

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

при нулевых начальных условиях, заменим оригиналы переменных изображениями по Лапласу и получим систему векторно-матричных операторных уравнений

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определим связь между вектором входа и векторами состояния и выхода. Из первого уравнения системы (3) имеем –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

и если матрица Определение передаточных функций по уравнениям состоянийне вырожденная, то есть Определение передаточных функций по уравнениям состояний, получим –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Откуда следует, что

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставив (4) в (3), получаем –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний,

В результате получаем –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Вспомним, что компонентами эквивалентных матриц являются передаточные функции системы. Следовательно, выражения (5) и (6) представляют собой универсальные формулы для вычисления всех необходимых для анализа передаточных функций многомерной системы, по которым могут быть получены структурные схемы и частотные характеристики.

Заметим, что каждый элемент эквивалентных матриц (передаточных функций) имеет, по определению обратной матрицы, сомножитель –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

То есть полином Определение передаточных функций по уравнениям состоянийявляется общим знаменателем для всех передаточных функций, а уравнение –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

является характеристическим уравнением системы.

Таким образом, мы не только получили связь между математическими моделями во временной и частотной областях, но и универсальные выражения для определения передаточных функций и характеристических уравнений любых линейных объектов или систем управления. Исходными параметрами для выражений (5),(6) и (7) являются матрицы параметров уравнений состояния и выхода. Выполнить преобразования (5),(6) и (7) можно с помощью компьютера, имеющего программы символьной математики, на пример, такие, как Mathematica 3.0 (4.0), разработанные Wolfram Research. в системах второго и третьего порядка эти преобразования можно производить и вручную.

Рассмотрим несколько примеров получения и преобразования моделей.

Рассмотрим объект, принципиальная электрическая схема которого показана на рис. 1.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Выполним для этого объекта следующие задачи:

Получить уравнение состояния.

Определить характеристическое уравнение объекта.

Определить передаточную матрицу объекта.

Получение уравнения состояния

Запишем дифференциальные уравнения, описывающие процессы в схеме

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Зададим векторы состояния и входа:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Получаем, что Определение передаточных функций по уравнениям состояний. Запишем уравнение состояния в развернутой форме для нашего случая:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Раскроем в (9) матричные скобки:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Приведем систему уравнений (8) к виду (10), используя при отсутствии переменной в правых частях нулевые коэффициенты:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Теперь известны все компоненты матриц параметров, и можно записать уравнение состояния

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Следовательно, матрицы параметров имеют следующий вид –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение характеристического уравнения объекта

Характеристическое уравнение системы определим по матрицам параметров уравнения состояния (11), используя выражение (7) –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставив в (12) выражения для матрицы параметров Определение передаточных функций по уравнениям состоянийи единичной матрицы Определение передаточных функций по уравнениям состояний, получим характеристическое уравнение

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточной матрицы объекта

Определим эквивалентную матрицу передаточных функций, которая связывает векторы состояния и управления по выражению (5), которое для нашего случая имеет вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Матрица Определение передаточных функций по уравнениям состоянийможет быть определена из (13)

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Определим обратную матрицу, помня о том, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– адъюнкт исходной матрицы представляет собой транспонированную матрицу алгебраических дополнений элементов матрицы, а алгебраические дополнения определяются для каждого элемента исходной матрицы по следующему выражению –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний,

где Определение передаточных функций по уравнениям состояний– минор исходной матрицы, полученный вычеркиванием Определение передаточных функций по уравнениям состояний— ой строки и Определение передаточных функций по уравнениям состояний-го столбца.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Следовательно, получаем передаточные функции объекта

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения (с постоянными магнитами) как объект управления описывается следующей системой дифференциальных уравнений –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где Определение передаточных функций по уравнениям состояний– напряжение, подаваемое на двигатель, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– скорость и ток двигателя, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– параметры двигателя, соответственно момент инерции, сопротивление и индуктивность обмотки якоря, конструктивный коэффициент.

Получение уравнения состояния

Зададим векторы состояния и входа:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Получаем, что Определение передаточных функций по уравнениям состояний. Запишем уравнение состояния в развернутой форме для нашего случая:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Раскроем в (16) матричные скобки:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Приведем систему уравнений (15) к виду (17), используя при отсутствии переменной в правых частях нулевые коэффициенты:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Теперь известны все компоненты матриц параметров, и можно записать уравнение состояния в развернутой форме

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Следовательно, матрицы параметров имеют следующий вид –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение характеристического уравнения объекта

Характеристическое уравнение системы определим по матрицам параметров уравнения состояния (18), используя выражение (7) –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставив в (19) выражения для матрицы параметров Определение передаточных функций по уравнениям состоянийи единичной матрицы Определение передаточных функций по уравнениям состояний, получим характеристическое уравнение

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточной матрицы объекта

Определим эквивалентную матрицу передаточных функций, которая связывает векторы состояния и управления по выражению (5), которое для нашего случая имеет вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Матрица Определение передаточных функций по уравнениям состоянийможет быть определена из (20)

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Определим обратную матрицу –

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Следовательно, получаем передаточные функции объекта

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Контрольные вопросы и задачи

Поясните, как связаны между собой модели во временной и частотной области?

Как определить по уравнению состояния характеристическое уравнение?

Как определить по уравнению состояния матрицу передааточных функций системы?

По уравнению состояния

Определение передаточных функций по уравнениям состояний,

описывающему многомерную систему, определить характеристическое уравнение системы.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

По уравнению состояния

Определение передаточных функций по уравнениям состояний,

описывающему многомерную систему, определить характеристическое уравнение системы.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

По уравнению состояния

Определение передаточных функций по уравнениям состояний,

описывающему многомерную систему, определить матрицу передаточных функций системы.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний.

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.

2. Математическое описание систем автоматического управления ч. 2.9 — 2.13

Лекции по курсу «Управление Техническими Системами», читает Козлов Олег Степанович на кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки», факультета «Энергомашиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. За что ему огромная благодарность.

Данные лекции только готовятся к публикации в виде книги, а поскольку здесь есть специалисты по ТАУ, студенты и просто интересующиеся предметом, то любая критика приветствуется.

В предыдущих сериях:

В это части будут рассмотрены:

2.9. Использование обратных преобразований Лапласа для решения уравнений динамики САР (звена).
2.10. Весовая и переходная функции звена (системы).
2.11. Определение переходного процесса в системе (САР) (звене) через весовую и переходную функции.
2.12. Mетод переменных состояния.
2.13. Переход от описания переменных «вход-выход» к переменным состояния.

Попробуем применить, полученные знания на практике, создавая и сравнивая расчетные модели в разных видах. Будет интересно познавательно и жестко.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.9. Использование обратных преобразований Лапласа для решения уравнений динамики САР (звена)

Рассмотрим динамическое звено САР изображенное на рисунке 2.9.1

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Предположим, что уравнение динамики имеет вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где: Определение передаточных функций по уравнениям состояний— постоянные времени;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— коэффициент усиления.

Пусть известны отображения:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Найдем изображения для производных: Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставим полученные выражения в уравнение динамики и получим уравнение динамики в изображениях:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

B(s) — слагаемое, которое определяется начальными условиями, при нулевых начальных условиях B(s)=0.
W(s) — передаточная функция.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Передаточной функцией САР (звена) называется отношение изображений выходного сигнала к входному воздействию при нулевых н.у.

После того, как в явном виде найдено изображение для неизвестной выходной величины, нахождение оригинала не представляет сложностей. Либо по формуле Хэвисайда, либо разложением на элементарные дроби, либо по таблице из справочника.

Пример

Построить выходной сигнал звена САР при единичном входном воздействии и нулевых начальных условиях, если уравнение динамики звена имеет следующий вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

входное воздействие: Определение передаточных функций по уравнениям состояний— единичное ступенчатое воздействие.

Выполним преобразование Лапласа:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставим в уравнение динамики и получим уравнение динамики в изображениях:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Для получения выходного сигнала из уравнения в изображениях выполним обратное преобразования Лапласа:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.10. Весовая и переходная функции звена (системы).

Определение: Весовой функцией звена (системы) называется реакция системы при нулевых н.у. на единичное импульсное воздействие.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение: Переходной функцией звена (системы) при н.у. называется реакция на единичное ступенчатое воздействие.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

На этом месте можно вспомнить, что преобразование Лапласа это интеграл от 0 до бесконечности по времени (см. предыдущий текст), а импульсное воздействие при таком интегрировании превращается в 1 Определение передаточных функций по уравнениям состоянийтогда в изображениях получаем что:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Передаточная функция играет роль изображения реакции звена или системы на единичное импульсное воздействие.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Для единичного ступенчатого воздействия преобразование Лапласа тоже известно (см. предыдущий текст):

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

тогда в изображениях получаем, что реакция системы Определение передаточных функций по уравнениям состоянийна ступенчатое воздействие, рассчитывается так:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие рассчитывается обратным преобразованием Лапласа:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.11. Определение переходного процесса в системе (САР) (звене) через весовую и переходную функции. Формула Дюамеля-Карсона

Предположим, что на вход системы поступает произвольное воздействие x(t), заранее известное. Найти реакцию системы y(t), если известны входное воздействие x(t) и весовая функция w(t).

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Представим, что входное воздействие представляет собой последовательность прямоугольных импульсов до времени t и ступеньки высотой x(t) в момент времени t. см.рис. 2.11 Для каждого импульса мы можем записать реакцию системы через весовую функциию:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где:
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— значение отклика по завершению предыущего импульса;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— время завершения текущего импульса;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— значение весовой функции в начале текущего импульса.

Тогда для определения занчения отклика в произвольный момент времени необходимо сложить все импульсы и ступенчатое воздействие в момент времени t:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Переходя к пределам

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

если перейти от t к бесконечности мы получим формулу интеграла Дюамеля-Карсона, или по другому «интеграла свертки» который обеспечивает вычисление оригинала функции по произвдению изображения двух функций:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где Определение передаточных функций по уравнениям состояний— вспомогательное время

Для вывода аналогичной зависмости от переходной функции вспомним что изображение весовой и переходной функции связаны соотношением: Определение передаточных функций по уравнениям состоянийзапишем выражение изображения для отклика в операторной форме:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Используя интеграл свертки получаем, что при известной переходной функции (h(t)) и известному входному воздействию х(t) выходное воздействие рассчитывается как:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.12. Mетод переменных состояния.

До этого мы рассматривали системы с одной передаточной функцией, но жизнь всегда сложнее и как правило в системах есть несколько передаточных функций несколько входных воздейстий и несколько реакций системы. (см. рис. 2.12.1)

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

В этом случае наиболее удобной формой пердставления систем для их анализа и расчета оказался метод переменных состояния. Для этого метода, вместо передаточных функций связывающих вход с выходом используются дополнительные переменные состояния, которые описывают систему. В этом случае можно говорить, что состояние системы — это та минимальная информация о прошлом, которая необходима для полного описания будущего поведения (т.е. выходов) системы, если поведение ее входов известно. см. рис. 2.12.2

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

В методе состояний, производные всех переменных состояния, в общем случае зависит от всех переменных и всех входных воздействия, и могут быть записаны в представленной ниже системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) первой степени. Эта система уравнений называю системой ОДУ в форме Коши:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Выход из системы зависит от переменных состояния и, в общем случае от входных воздействий и описывается следующей системой уравнений:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где:
n — количество перемнных состояния,
m — количество входных воздействий,
p — количество выходных переменных;

Данная система уравнений может быть записана в матричной форме:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

где:
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— вектор входа (или вектор управления);
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— вектор столбец производных переменных состояния;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— вектор столбец переменных состояния;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— вектор выхода;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— собственная матрица системы [n x n],
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— постоянные коэффициенты;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— матрица входа [n x m],
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— постоянные коэффициенты;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— матрица выхода а [p x n],
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— постоянные коэффициенты;
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— матрица обхода [p x m],
Определение передаточных функций по уравнениям состояний— постоянные коэффициенты;

В нашем случае почти всегда все элементы матрицы D будут нулевыми: D = 0.

Такое описание системы позволяет с одной стороны стандартным образом описывать различные технические системы. Явная формула для расчета производных позволяет достаточно просто осуществлять численное интегрирование по времени. И это используется в различных программах моделирования

Другое использование данного представления для простых систем, описанных в переменных «вход-выход», зачастую позволяет устранить технические трудности, связанные с решением ОДУ высокой степени.

Еще одним преимуществом данного описания, является то, что уравнения в форме Коши можно получить из законов физики

Пример решения задачи в форме коши.

Рассмотрим задачу моделирования гидравлического привода, при следующих условиях:

Дано:
Цилиндрический плунжер диаметром 10 мм, с приведенной массой 100 кг, работает на пружину жесткостью 200 Н/мм и демпфер с коэффициентом вязкого трения — 1000 Н/(м/с). Полость начальным объемом 20 см 3 соединяется с источником давлния дросселем диаметром диаметр которого 0,2 мм. Коэффициент расхода дросселя 0.62. Плотность рабочей жидкости ρ = 850 кг/м 3 .
Определить:
Перемещение дросселя, если в источнике давление происходит скачек 200 бар. см. рис. 2.12.13

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Уравенение движение плунжера:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Где: Определение передаточных функций по уравнениям состояний– площадь плунжера, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– жесткость пружины, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– коэффициент вязкого трения, p – давление в камере.

Поскольку дифференциальное движения это уравнение второго порядка, превратим его в систему из двух уравнений первого порядка, добавив новую переменную — скорость Определение передаточных функций по уравнениям состояний, тогда Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Уравнение давления в камере, для упрощения принимаем что изменениям объема камеры из-за перемещения плунжера можно пренебречь:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Где: Q – расход в камеру, V — объем камеры.

Расход через дроссель:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Где: f– площадь дросселя, Определение передаточных функций по уравнениям состояний– давление в источнике, p – давление в камере.
Уравнение дросселя не линейное, по условию задачи, давление входное изменяется скачком, от 0 до 200 бар, проведем линеаризацию в окрестности точки давления 100 бар тогда:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Подставляем линеаризованную формул расхода в формулу давления:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Таким образом общая система уравнений в форме Коши, для рис 2.12.3 привода принимает вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Матрицы A, B, С, В для матричной формы системы уравнений принимают вид:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Проверим моделированием в SimInTech составленную модель. На рисунке 2.12.13 представлена расчетная схема содержащая три модели:
1 — «Честная» модель со всеми уравнениями без упрощений.
2 — Модель в блоке «Переменные состояние» (в матричной форме).
3 — Модель в динамическом блоке с линеаризованным дросселем.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Все условия задачи задаются как глобальные константы проекта, в главном скрипте проекта, там же расчитываются на этапе инициализации расчета, площади плунжера и проходного сечения дросселя см. рис. 2.12.5:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Рисунок 2.12.5 Глобальный скрипт проекта.

Модель на внутреннем языке программирования представлена на рис. 2.12.6. В данной модели используется описание модели в форме Коши. Так же выполняется учет изменения объема дросселя на каждом шаге расчета, за счет перемещения плунжера (Vk = V0+Ap*x.)

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Рисунок 2.12.6 Скрипт расчета модели в форме Коши.

Модель в матричном форме задается с использованием глобальных констант в виде формул. (Матрица в SimInTech задается в виде последовательности из ее столбцов) см. рис. 2.12.7

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Результаты расчета показывают, что модель в матричной форме и модель на скриптовом языке в форме Коши, практически полностью совпадают, это означает, что учет изменения объема полости практически не влияют на результаты. Кривые 2 и З совпадают.
Процедура линеаризация расхода через дроссель вызывает заметное отличие в результатах. 1-й график c «честной» моделью дросселя, отличается от графиков 2 и 3. (см. рис. 2.12.8)

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Сравним полученные модели, с моделью созданной из библиотечных блоков SimInTech, в которых учитываются так же изменение свойств реальной рабочей жидкости — масла АМГ-10. Сама модель представлена на рис. 2.12.9, набор графиков на рисунке 2.12.10

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

На графиках видно, что уточненная модель отличается от предыдущих, однако погрешность модели составлят наших упрощенных моделей составляют примерно 10%, в лишь в некоторые моменты времени.

2.13. Переход от описания переменных «вход-выход» к переменным состояния и обратно

Рассмотрим несколько вариантов перехода от описания «вход-выход», к переменным состояния:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Вариант прехода зависит от правой части уравнения с переменными «вход-выход»:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.13.1. Правая часть содержит только b0*u(t)

В этом варианте, в уравнениях в правой части отсутствуют члены с производными входной величины u(t). Пример с плунжером выше так же относится к этому варианту.

Что бы продемонстрировать технологию перехода рассмотрим следующее уровнение:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Для перехода к форме Коши ведем новые переменные:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

И перепишем уравнение относительно y»'(t):

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Используя эти переменные можно перейти от дифференциального уравнения 3-го прядка, к системе из 3-х уравнений первого порядка в форме Коши:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Соотвественно матрицы для матричного вида уравнений в переменных сосотяния:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

2.13.2. Правая часть общего вида

Более сложный случай, когда в уравнениях есть производные от входных воздействий и уравнение в общем случае выглядит так:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Сделаем преобразования: перейдем к уравнениям динамики в изображениях:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Тогда можно представить уравнение в изображениях в виде:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Разделим уравнение в изображениях на произведение полиномов Определение передаточных функций по уравнениям состояний, получим:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Где: Определение передаточных функций по уравнениям состояний— некоторая комплексная величина (отношение двух комплексных величин). Можно считать, что Определение передаточных функций по уравнениям состоянийотображение величины Определение передаточных функций по уравнениям состояний. Тогда входная величина может быть в изображениях представлена как:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Вренемся к оригиналу от изображений получим: Определение передаточных функций по уравнениям состояний,
где: Определение передаточных функций по уравнениям состояний— дифференциальный оператор.

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

А это дифференциальное уравнение n-го порядка мы можем преобразовать к системе из n дифференциальных уравнений первого порядка, как это мы делали выше:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Таким образом, мы получили систему уравнение в форе Коши, относительно переменных состояния Определение передаточных функций по уравнениям состояний:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

А регулируемую величину (выход системы) мы так же можем выразить через эти переменные, в изображениях:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Перейдем от изображения к оригиналам:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Если обозначить вектор Определение передаточных функций по уравнениям состояний, то мы получим уравнения переменных состояниях в матричной форме, где D = 0:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Пример:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний
Рисунок 2.13.1 Передаточная функция.

Имеется передаточная функция (рис. 2.13.1) в изображениях :

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Необходимо преобразовать передаточную функцию к системе уравнений в форме Коши

В изображения реакция системы связана с входным воздействие соотношением:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Разделим в последнем правую и левую часть на произведения Определение передаточных функций по уравнениям состояний, и введем новую перменную Определение передаточных функций по уравнениям состояний:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Полиномы N(s) и L(s) равны:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Перейдем в последнем выражении от изображения к оригиналам и ведем новые переменные (состояния):

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Переходим от уравнения третьего порядка к системе трех уравнений первого порядка:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Или в матричной форме:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Для получения второго матричного уравнения воспользуемся соотношением для новых переменных в отображениях:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Перейдем от изображений к оригиналу:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Таким образом второе уравнение матричной системы выглядит так:

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

Проверим в SimInTech сравнив передаточную функцию и блок переменных состояния, и убедимся, что графики совпадают см. рис. 2.13.2

Определение передаточных функций по уравнениям состояний
Рисунок 2.13.2 Сравнение переходного процеса у блока передаточной функции и блока переменных состояния.

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

Теория автоматического регулирования. Лекция 5. Модели параметров состояний

Определение передаточных функций по уравнениям состояний

СОСТАВЛЕНИЕ ДСС ПО ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ

Схема системы в переменных состояния может быть составлена по передаточной функции тремя способами: методом прямого программирования, методом параллельного программирования и методом последовательно программирования.

Метод прямого программирования

Этот метод позволяет представить систему уравнений состояния в нормальной канонической форме по известной передаточной функции звена или системы с одним входом и одним выходом.

Известно, что системе с передаточной функцией

соответствует дифференциальное уравнение

где P i = d i / dt i

Рассмотрим вначале систему с передаточной функцией

которой соответствует дифференциальное уравнение

Введем обозначения: y 1 = x 1 и при i=1, 2, . n-1. и запишем последнее уравнение в виде

Следовательно, система уравнений состояния, соответствующая передаточной функции (4.1) , м.б. записана в виде

Записывая эту систему в векторно -матричной форме, получим

Используя уже известные правила, построим Д C С по уравнениям состояния в виде рис. 4.1. :

Рассмотрим теперь систему с передаточной функцией

которой соответствует дифференциальное уравнение

Подстановкой x 1 =x 2 / b 0 уравнение ( 4.4 ) сводится к ( 4.2 ) и следовательно ,

— уравнения состояния, соответствующие передаточным функциям (4.1) и (4.3) разнятся только масштабом выходной переменной и, следовательно, только элементами матрицы С . Для последнего случая

— в ДСС появляется дополнительное масштабирующее звено с коэффициентом передачи b 0 , со входом y 1 и выходом x 2 . Это звено выделено жирной штриховой линией на рис. 4.1.

Рассмотрим далее систему с передаточной функцией

Этой передаточной функции соответствует дифференциальное уравнение

Выходную величину X i можно представить в операторной форме выражением

Переходя к функции времени, получим

Следовательно, ДСС данной системы с передаточной функцией (4.5) может быть получена из ДСС уже известной системы путем введения масштабирующего звена с коэффициентом передачи b i , входом y i+1 и выходом x i. В уравнениях состояния изменятся лишь элементы матрицы С . Последняя будет иметь вид

Таким образом выходную величину исходной системы с передаточной функцией

можно представить в виде суммы в соответствии с числом слагаемых полинома числителя M(p), т.е.

Переходя к функции времени, получим

или с учетом ранее введенных обозначений

Следовательно, структурная схема исходной системы отличается от ранее полученных наличием полного набора масштабирующих звеньев ( всего их m+1 ) c коэффициентами передачи b i в цепи формирования выходной переменной x. (см. рис. 4.1.)

Матрицы А и В всех рассмотренных систем одинаковы. Их элементы формируются из коэффициентов полинома знаменателя передаточной функции.

Коэффициенты полинома числителя определяют только элементы матрицы С и влияют лишь на формирование выходной переменной. В последнем наиболее общем случае матрица С имеет вид

Пример1: Составить ДСС и систему уравнений состояния для звена с передаточной функцией

Приведем передаточную функцию звена к стандартному виду

где a 0 =1/T 2 , b 0 =1/T 2 , b 1 =T 1 /T 2

Стандартной передаточной функции соответствует стандартная ДСС:

и система уравнений состояния первого порядка

Рассмотрим еще пример:

Составить ДСС и уравнения состояния для системы, заданной передаточной функцией

Приводя запись передаточной функции в стандартную форму, получим: a 2 =7, a 1 =12, a 0 =0, b 2 =1, b 1 =3, b 0 =2.

ДСС изобразим в стандартном виде

Система уравнений состояния для этого случая в обычной форме

В матричной форме

При указанном подходе передаточная функция исходной системы представляется в виде суммы передаточных функций однотипных звеньев следующим образом:

Здесь l i -корни полинома знаменателя передаточной функции, а a i — находятся по формуле

Такая передаточная функция соответствует параллельному соединению n однотипных звеньев со структурными схемами, представленными на рис. 4.4 .

Выходные сигналы x i звеньев суммируются .

Используя эту методику, составим ДСС для рассмотренной выше системы. Корни знаменателя равны : l 1 =0, l 2 =-3, l 3 =-4.

Вычисляя коэффициенты числителей, получим a 1 =1/6, a 2 =-2/3, a 3 =3/2. Тогда структурная схема системы примет вид (рис.4.5.)

Этой структурной схеме соответствует следующая система уравнений состояния

Для составления ДСС этим методом исходная передаточная функция представляется в виде произведения дробно-рациональных функций, порядок полиномов знаменателя и числителя которых не превышает единицы. Если порядки числителя и знаменателя исходной передаточной функции одинаковы, т.е. m=n, то последняя записывается в виде

где b k и l k — соответственно корни полинома числителя (нули) и корни полинома знаменателя (полюса). Если n>m (что практически всегда имеет место), то (n-m) сомножителей имеют в числителе единицу. Стандартная ДСС для элементарной дробно-рациональной функции общего вида нами была ранее, по существу, обоснована. Она изображается в виде

Поскольку произведение передаточных функций соответствует последовательному соединению звеньев, ДСС исходной системы будет содержать n последовательно соединенных ДСС идентичной конфигурации.

Передаточную функцию уже рассмотренной системы представим в виде произведения трех дробей

ДСС соответствует последовательному соединению ДСС элементарных звеньев и имеет следующий вид

Этой ДСС соответствует следующая система уравнений состояния

в матричной форме принимающая следующий вид

Следует подчеркнуть, что для одной и той же системы можно составить несколько схем в переменных состояния, отличающихся природой промежуточных переменных, выбранных для описания системы. Различному выбору переменных состояния соответствуют различные матрицы системы, управления и наблюдения и различные векторные дифференциальные уравнения.

📹 Видео

Передаточные функцииСкачать

Передаточные  функции

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функцииСкачать

23) Построение Л.А.Ч.Х. и Л.Ф.Ч.Х. системы по её передаточной функции

[ТАУ]Записать передаточную функцию устройства [Составить диф. ур-е для условия передачи напряжения]Скачать

[ТАУ]Записать передаточную функцию устройства [Составить диф. ур-е для условия передачи напряжения]

Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениямСкачать

Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениям

Метод пространства состояний САУ: описание конкретной системыСкачать

Метод пространства состояний САУ: описание конкретной системы

proТАУ: 1. Передаточная функцияСкачать

proТАУ: 1. Передаточная функция

Теория автоматического управления. Лекция 6. Структурные схемы САУСкачать

Теория автоматического управления. Лекция 6. Структурные схемы САУ

7) ТАУ для чайников.Части 3.4 и 3.5 : Передаточная функция. Преобразование Лапласа...Скачать

7) ТАУ  для чайников.Части 3.4 и 3.5 : Передаточная функция. Преобразование Лапласа...

c15 1, Пространство состояний: представлениеСкачать

c15 1, Пространство состояний: представление

1.3 Составление передаточной функцииСкачать

1.3 Составление передаточной функции

c15 2, Пространство состояний: пространство состояний передаточная функцияСкачать

c15 2, Пространство состояний: пространство состояний   передаточная функция

c03 7, Динамические звенья 1: передаточная функцияСкачать

c03 7, Динамические звенья 1: передаточная функция

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системыСкачать

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системы

10) ТАУ для чайников Части 4.1. и 4.2. Типовые динамические звенья. Усилитель. Апериодическое звено.Скачать

10) ТАУ для чайников Части 4.1. и 4.2. Типовые динамические звенья. Усилитель. Апериодическое звено.

ТАУ. Matlab/Simulink - моделирование передаточной функции, снятие характеристикСкачать

ТАУ. Matlab/Simulink - моделирование передаточной функции, снятие характеристик

Как в MATLAB Simulink моделировать уравнения (Структурная схема САУ)Скачать

Как в MATLAB Simulink моделировать уравнения (Структурная схема САУ)

Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.Скачать

Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.

Входные и передаточные функции нагруженных ЧП. Часть 1Скачать

Входные и передаточные функции нагруженных ЧП. Часть 1
Поделиться или сохранить к себе: