По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Понятие линейного динамического звена

САУ удобно представлять для анализа и при синтезе в виде взаимосвязанной совокупности отдельных элементов – динамических звеньев.

Под динамическим звеном понимают в общем случае абстрактное устройство, имеющее вход и выход, и для которого задано уравнение, связывающее сигналы на входе и выходе, как это показано на рис. 1.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Подробное изучение свойств реальных объектов управления и систем автоматического управления приводит к описанию динамических звеньев в виде нелинейных дифференциальных уравнений. Но во многих случаях их можно линеаризовать, то есть заменить нелинейные уравнения линейными, приближенно описывающими процессы в системах. Тем самым осуществляется декомпозиция задач анализа и синтеза систем, то есть первоначально используют линейное представление, а затем осуществляют учет вносимых нелинейностями особенностей. Такому подходу способствует то, что, в большинстве случаев, нормально функционирующая система работает в режиме малых отклонений, при которых нелинейности не проявляются. В дальнейшем мы будем рассматривать преимущественно аппарат изучения линейных систем, а особенности систем других классов: нелинейных, импульсных, цифровых и стохастических, будут излагаться позднее в других учебных дисциплинах.

Если уравнение, связывающее сигналы По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениеи По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, линейно, то говорят о линейном динамическом звене

Уравнение линейного динамического звена имеет следующий общий вид:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

где По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— постоянные коэффициенты, По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Использовать такое описание динамического звена в задачах анализа и синтеза систем и объектов управления не рационально, поэтому существуют и иные формы описания и представления динамических звеньев и систем в целом.

Подвергнем уравнение (1) преобразованию Лапласа, считая начальные условия нулевыми и заменяя оригиналы сигналов их изображениями по Лапласу

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Используя теоремы преобразования Лапласа линейности и дифференцирования, получим операторное уравнение, связывающие изображения входного и выходного сигналов

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Преобразуем уравнение (2) к следующему виду

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Получим из (3) отношение изображений выходного и входного сигналов

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Отношение (4) не зависит от изображений сигналов, определяется только параметрами самого динамического звена (По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение), имеет вид дробно-рациональной функции.

Отношение изображений выходного и входного сигналов называют передаточной функцией динамического звена

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

называют характеристическим уравнением динамического звена, так как знаменатель передаточной функции – это характеристический полином дифференциального уравнения, описывающего динамическое звено.

Определим передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По второму закону Кирхгоффа запишем уравнения описывающие схему

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

С учетом того, что

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Получим операторные уравнения

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Из второго уравнения выразим значение изображения тока

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Подставим полученное выражение в первое уравнение системы

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

В итоге получаем искомую передаточную функцию

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Графически передаточные функции динамического звена представляют в следующем виде:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Если известно изображение входного сигнала и передаточная функция динамического звена, всегда можно найти изображение выходного сигнала при нулевых начальных условиях

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.(5)

В общем случае САУ состоит из множества динамических звеньев, сигналы с выходов звеньев могут суммироваться или вычитаться, суммироваться с внешними для САУ сигналами. Суммирование и вычитание изображений сигналов могут быть представлено графически с помощью суммирующих звеньев:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Показанная выше неоднозначность графического представления вычитания изображений на суммирующем элементе связана с различием в стандартах разных стран.

Используя графическое представление передаточных функций звеньев и суммирующие звенья, можно в графической форме представить операторные уравнения, описывающие САУ. Такое графическое представление операторных уравнений в ТАУ называют структурной схемой.

По математической модели объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений определить структурную схему объекта.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Получим систему операторных уравнений, подвергнув исходную систему дифференциальных уравнений преобразованию Лапласа и заменив оригиналы изображениями,

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Из первого уравнения системы операторных уравнений, которое описывает динамическое звено объекта управления, после преобразований получим

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Тогда передаточная функция этого звена имеет вид

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

а выражение По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениеописывает суммирующее звено По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение. Таким образом, получены два фрагмента структурной схемы

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Из второго уравнения системы операторных уравнений, которое описывает динамическое звено объекта управления, после преобразований получим, вводя обозначение,

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Тогда передаточная функция этого звена имеет вид

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

а выражение По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениеописывает суммирующее звено По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение. Таким образом, получены еще два фрагмента структурной схемы

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Соединим все фрагменты структурной схемы объекта управления, объединяя одноименные сигналы, либо разветвляя их с помощью точек ветвления , показанных на схеме. В результате получим

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Временные характеристики динамического звена

Временной или импульсной характеристикой динамического звена называют реакцию звена на По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, обозначая ее как По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение. При этом схема эксперимента имеет вид –

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Выясним, что представляет собой временная характеристика, то есть почему ее называют характеристикой динамического звена?

Для этого рассмотрим динамическое звено с передаточной функцией По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

В этом случае, в соответствии с (5), имеем

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Получаем, что передаточная функция звена – это изображение по Лапласу импульсной характеристики динамического звена. В свою очередь, импульсная характеристика может быть определена по передаточной функции

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

при использовании разложения в форму Хэвисайта и обратное преобразование Лапласа.

Знание импульсной характеристики позволяет определить реакцию динамического звена на сигнал любой формы.

Для динамического звена с передаточной функцией По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениепреобразуем (5), используя теорему об умножении изображений преобразования Лапласа,

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,

а если легко получить По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, тогда

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Переходной характеристикой или переходной функцией динамического звена называют реакцию динамического звена на По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, обозначая ее как По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение. При этом схема эксперимента имеет вид –

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Для анализа переходной характеристики рассмотрим динамическое звено с передаточной функцией По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

В этом случае, в соответствии с (5), имеем

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

По теореме об интегрировании оригинала имеем

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Переходная функция является интегралом по времени от импульсной характеристике и наоборот

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Переходная характеристика динамического звена может быть определена по передаточной функции

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Контрольные вопросы и задачи

Что такое линейное динамическое звено?

Как определить передаточную функцию линейного динамического звена?

Перечислите основные элементы структурных схем систем управления.

Как определить по передаточной функции динамического звена его временные характеристики: импульсную и переходную?

Как по переходной характеристике определить импульсную характеристику динамического звена?

Определите передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

Определите передаточную функцию динамического звена по его принципиальной электрической схеме

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение.

По математической модели объекта управления в форме системы дифференциальных уравнений определить структурную схему объекта.

Содержание
  1. 2. Математическое описание систем автоматического управления ч. 2.9 — 2.13
  2. 2.9. Использование обратных преобразований Лапласа для решения уравнений динамики САР (звена)
  3. Пример
  4. 2.10. Весовая и переходная функции звена (системы).
  5. 2.11. Определение переходного процесса в системе (САР) (звене) через весовую и переходную функции. Формула Дюамеля-Карсона
  6. 2.12. Mетод переменных состояния.
  7. Пример решения задачи в форме коши.
  8. 2.13. Переход от описания переменных «вход-выход» к переменным состояния и обратно
  9. 2.13.1. Правая часть содержит только b0*u(t)
  10. 2.13.2. Правая часть общего вида
  11. Пример:
  12. Получение уравнений по структурной схеме
  13. Получение уравнений для передаточной функции 1-го порядка
  14. Получение уравнений для передаточной функции 2-го порядка
  15. Получение уравнений для передаточной функции 3-го порядка
  16. Получение уравнений для передаточной функции 4-го порядка
  17. Матричная математическая модель системы
  18. Примеры составления математических моделей
  19. 🎦 Видео

Видео:[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]

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.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

Рассмотрим динамическое звено САР изображенное на рисунке 2.9.1

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Предположим, что уравнение динамики имеет вид:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

где: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— постоянные времени;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— коэффициент усиления.

Пусть известны отображения:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Найдем изображения для производных: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

входное воздействие: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— единичное ступенчатое воздействие.

Выполним преобразование Лапласа:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Подставим в уравнение динамики и получим уравнение динамики в изображениях:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

2.10. Весовая и переходная функции звена (системы).

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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 По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениетогда в изображениях получаем что:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

тогда в изображениях получаем, что реакция системы По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениена ступенчатое воздействие, рассчитывается так:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие рассчитывается обратным преобразованием Лапласа:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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).

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

где:
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— значение отклика по завершению предыущего импульса;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— время завершения текущего импульса;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— 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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Переходя к пределам

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

где По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— вспомогательное время

Для вывода аналогичной зависмости от переходной функции вспомним что изображение весовой и переходной функции связаны соотношением: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениезапишем выражение изображения для отклика в операторной форме:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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)

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

Данная система уравнений может быть записана в матричной форме:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

где:
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— вектор входа (или вектор управления);
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— вектор столбец производных переменных состояния;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— вектор столбец переменных состояния;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— вектор выхода;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— собственная матрица системы [n x n],
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— постоянные коэффициенты;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— матрица входа [n x m],
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— постоянные коэффициенты;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— матрица выхода а [p x n],
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— постоянные коэффициенты;
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— матрица обхода [p x m],
По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— 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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Уравенение движение плунжера:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Где: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение– площадь плунжера, По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение– жесткость пружины, По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение– 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 По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, тогда По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

Расход через дроссель:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Где: f– площадь дросселя, По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение– 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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Подставляем линеаризованную формул расхода в формулу давления:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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.)

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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)

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Для перехода к форме Коши ведем новые переменные:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

И перепишем уравнение относительно y»'(t):

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Соотвественно матрицы для матричного вида уравнений в переменных сосотяния:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Сделаем преобразования: перейдем к уравнениям динамики в изображениях:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Тогда можно представить уравнение в изображениях в виде:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Разделим уравнение в изображениях на произведение полиномов По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, получим:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Где: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— некоторая комплексная величина (отношение двух комплексных величин). Можно считать, что По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнениеотображение величины По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение. Тогда входная величина может быть в изображениях представлена как:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Вренемся к оригиналу от изображений получим: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение,
где: По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение— дифференциальный оператор.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Таким образом, мы получили систему уравнение в форе Коши, относительно переменных состояния По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Перейдем от изображения к оригиналам:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Если обозначить вектор По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, то мы получим уравнения переменных состояниях в матричной форме, где D = 0:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Пример:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение
Рисунок 2.13.1 Передаточная функция.

Имеется передаточная функция (рис. 2.13.1) в изображениях :

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Необходимо преобразовать передаточную функцию к системе уравнений в форме Коши

В изображения реакция системы связана с входным воздействие соотношением:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Разделим в последнем правую и левую часть на произведения По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение, и введем новую перменную По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Полиномы N(s) и L(s) равны:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Или в матричной форме:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Перейдем от изображений к оригиналу:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Таким образом второе уравнение матричной системы выглядит так:

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

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

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение
Рисунок 2.13.2 Сравнение переходного процеса у блока передаточной функции и блока переменных состояния.

Видео:Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениямСкачать

Видеометодичка. Практикум по нахождению передаточных функций по дифференциальным уравнениям

Получение уравнений по структурной схеме

Получение уравнений для передаточной функции 1-го порядка

Получение уравнений для передаточной функции 2-го порядка

Получение уравнений для передаточной функции 3-го порядка

Получение уравнений для передаточной функции 4-го порядка

Матричная математическая модель системы

Переход от сложной структурной схемы системы к системам дифференциальных и алгебраических уравнений удобно провести при помощи построения матричной математической модели.

Процесс получения матричной математической модели происходит поэтапно и, например, для системы, представленной на рисунке, состоит в следующем.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Первым действием необходимо провести последовательную сквозную нумерацию звеньев согласно типу звена: динамические звенья, усилительные звенья, суммирующие звенья и нелинейные звенья.

Таким образом, первоначально на схеме пронумерованы 2 динамических звена, затем 2 усилительных звена, 2 суммирующих звена и 1 нелинейное звено (см. рисунок).

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Переменные состояния указываются только для динамических звеньев и содержат два индекса — номер звена на схеме и номер переменной состояния в передаточной функции. Число переменных состояния равно порядку полинома знаменателя передаточной функции.

Количество дифференциальных уравнений равно 3 (число переменных состояния), а количество алгебраических уравнений равно 7 (число звеньев). Тогда матричная математическая модель будет иметь 3+7 строк и 3+7+1 столбцов.
В общем виде матричная математическая модель состоит из 6 подблочных матриц, причём 3 подматрицы в верхней части матрицы отведены для дифференциальных уравнений, а 3 подматрицы в нижней части — для алгебраических уравнений (см. рисунок).

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Заполнение матричной математической модели осуществляется путём последовательного рассмотрения каждого звена системы в зависимости от его типа. Каждое звено имеет только 1 строку в нижней части матрицы, соответствующую номеру звена, и, в случае, если звено является динамическим, то имеет строки в верхней части, соответствующие переменным состояния этого звена.

1. Динамические звенья заполняются в верхней и нижней частях матрицы.
а). В верхней средней части на пересечении со строками переменных состояния выделяется столбец, соответствующий выходу звена. В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в этом же столбце. В отмеченных ячейках с обратным знаком сверху вниз записываются коэффициенты полинома знаменателя, начиная со свободного члена.
б). В верхней средней части на пересечении со строками переменных состояния выделяется столбец, соответствующий входу звена. В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в этом же столбце. В отмеченных ячейках со своим знаком сверху вниз записываются коэффициенты полинома числителя, начиная со свободного члена. Если на звено напрямую действует внешнее воздействие, то входным столбцом является последний 1(t), в который необходимо по такому же правилу записать коэффициенты, но дополнительно их умножить на величину внешнего воздействия.
в). В верхней левой части на пересечении строк и столбцов переменных состояния записывается подматрица, в которой по диагонали ниже главной расположены единицы, а остальные нули.
г). В нижней левой части на пересечении строки с номером звена и столбцов с переменными состояния записывается подматрица, в которой в самой правой ячейке расположена единица, а остальные нули.

2. Усилительные звенья заполняются в нижней части матрицы.
а). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в столбце, соответствующем выходу звена, в которой записывается «-1».
б). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в столбце, соответствующем входу звена записывается коэффициент усиления. Если на звено напрямую действует внешнее воздействие, то входным столбцом является последний 1(t), в который необходимо записать коэффициент усиления, умноженный на величину внешнего воздействия.

3. Суммирующие звенья заполняются в нижней части матрицы.
а). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в столбце, соответствующем выходу звена, в которой записывается «-1».
б). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяются ячейки в столбцах, соответствующим входным воздействиям звена, в которых записывается «+1», если знак на сумматоре положительный, «-1», если знак на сумматоре отрицательный. Если на звено напрямую действует внешнее воздействие, то в столбце 1(t) записывается знак сумматора, умноженный на величину внешнего воздействия.

4. Нелинейные звенья заполняются в нижней части матрицы.
а). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в столбце, соответствующем выходу звена, в которой записывается «-1».
б). В нижней средней части на пересечении со строкой номера звена выделяется ячейка в столбце, соответствующем входу звена записывается функция преобразования от входа звена, деленная на вход звена. Если на звено напрямую действует внешнее воздействие, то входным столбцом является последний 1(t), в который необходимо записать функцию преобразования от величины внешнего воздействия.

Схематично процесс заполнения матричной математической модели исследуемой системы представлен на рисунке.

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

По принципиальной схеме звена вывести дифференциальное уравнение

Примеры составления математических моделей

Принципы составления математических моделей систем удобнее рассматривать на частных абстрактных примерах, для которых часть информации о системе можно опустить.

Пример 1. Динамическое звено и внешнее воздействие изображены на рисунке.

🎦 Видео

Построить структурную схему САР (САУ) по передаточной функцииСкачать

Построить структурную схему САР (САУ) по передаточной функции

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...

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

Откуда появляются дифференциальные уравнения и как их решатьСкачать

Откуда появляются дифференциальные уравнения и как их решать

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

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

Составить дифференциальные уравнения семейств линийСкачать

Составить дифференциальные уравнения семейств линий

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

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

Сеточные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.Скачать

Сеточные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных.

Общее и частное решение дифференциального уравненияСкачать

Общее и частное решение дифференциального уравнения

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системыСкачать

Логарифмическая амплитудная характеристика САУ: построение ЛАХ для конкретной системы

ТАУ│Передаточная функция устройстваСкачать

ТАУ│Передаточная функция устройства

Структурные схемы 2. Преобразование структурных схем 1Скачать

Структурные схемы 2. Преобразование структурных схем 1

✓Дифференцируемая функция. Дифференциал | матан #032 | Борис ТрушинСкачать

✓Дифференцируемая функция. Дифференциал | матан #032 | Борис Трушин

18) ТАУ для чайников Части 5.1 и 5.2 Структурные схемы: Условные обозначения; Правила преобразованияСкачать

18) ТАУ для чайников Части 5.1 и 5.2 Структурные схемы: Условные обозначения; Правила преобразования

Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задачаСкачать

Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задача
Поделиться или сохранить к себе: