Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Формы записи линейных дифференциальных уравнений. Передаточные функции

Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Видео:Дифференциальные уравнения. 11 класс.Скачать

Дифференциальные уравнения. 11 класс.

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.

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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:Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"Скачать

Видеоурок "Системы дифференциальных уравнений"

Формы записи линеаризованных уравнений

В теории управления принято записывать дифференциальные уравнения в двух стандартных формах.

В общем виде линеаризованное дифференциальное уравнение, описывающее элемент, можно записать следующим образом

Стандартная форма записи дифференциального уравнения(2.7)

где y(t), x(t), f(t) — выходная и входная величины элемента и внешнее воздействие;

n — порядок уравнения, причем ( n³m,k ); это условие физической реализуемости элемента, показывающее, что сигнал на выходе реального элемента не может возникнуть раньше подачи воздействия на его вход, т.е.

Коэффициенты уравнения имеют размерности:

ai [c n — i ]; bi Стандартная форма записи дифференциального уравнения; ci Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

В общем случае в соответствии с (2.8) уравнение элемента можно представить в форме

D(p) y(t) = N(p) x(t) + M(p) f(t) . (2.9)

Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения

полиномы степени n, m, k от символа дифференцирования p.

Первая стандартная форма записи. Дифференциальное уравнение записывают так, чтобы выходная величина и ее производные находились в левой части уравнения, а входные величины и все остальные члены — в правой. Кроме того, принято, чтобы сама выходная величина входила в уравнение с коэффициентом единица. Чтобы привести уравнение (2.8) к такому виду, разделим левую и правую его части на an и получим

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

При записи уравнения в первой стандартной форме (2.10) получившиеся коэффициенты:

Тn , Тn-1 ,…, Т1 называются постоянными времени, они имеют размерность времени [с] и характеризуют инерционные свойства элемента; а

k1 Стандартная форма записи дифференциального уравнения, … , km+1 Стандартная форма записи дифференциального уравнения, km+2 Стандартная форма записи дифференциального уравнения, … , km+k+2 Стандартная форма записи дифференциального уравнения

называются коэффициентами передачи. Они представляют собой весовые коэффициенты, показывающие какой вклад в формирование выходной величины элемента вносит каждое слагаемое правой части уравнения.

Вторая стандартная форма записи.Для решения дифференциальных уравнений широкое распространение получил операторный метод, при использовании которого задача нахождения решения дифференциального уравнения сводится к алгебраическим действиям. Чтобы перейти от исходного дифференциального уравнения элемента при нулевых начальных условиях к операторному, необходимо в дифференциальном уравнении вместо реальных функций времени записать их изображения по Лапласу, а в полиномах символ дифференцирования p заменить на оператор Лапласа s.

Применив к дифференциальному уравнению (2.9) преобразование Лапласа, получим

D(s)Y(s) = N(s) X(s) + M(s) F(s) , (2.11)

где s – оператор Лапласа;

Y(s), X(s), F(s) — изображения по Лапласу выходной и входной величин элемента и внешнего воздействия;

Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения

полиномы степени n, m, k от оператора Лапласа s.

Оператор Лапласа s представляет собой комплексную величину, причем s=c+jw, где:

c=Re s — абсцисса абсолютной сходимости;

w=Im s –угловая частота, имеющая размерность [рад/с];

Для перехода от реальных функций времени — оригиналов к их изображениям по Лапласу и наоборот введены прямое и обратное интегральные преобразования вида:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения,

Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

На практике для этих целей используют специальные таблицы [1,7].

Уравнения (2.9) и (2.11) формально совпадают между собой. Однако уравнение (2.9) является дифференциальным, куда входят реальные функции времени, а уравнение (2.11) — алгебраическим относительно изображений функций времени по Лапласу.

После ввода следующих обозначений:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения

уравнение (2.11) примет вид, являющийся второй стандартной формой записи

Выражения Wx(s) и Wf(s) в теории управления называются передаточными функциями.

Если f(t) = 0, то F(s) = 0 и тогда Стандартная форма записи дифференциального уравнения— передаточная функция элемента по входу Х.

Eсли x(t)=0, то X(s)=0 и тогда Стандартная форма записи дифференциального уравнения— передаточная функция элемента по входу F.

Передаточная функцияэлемента по заданному входу есть отношение изображений по Лапласу его выходной и входной величин при нулевых начальных условиях и равных нулю воздействиях на остальных входах элемента.

Передаточная функция имеет важное основополагающее значение в классической теории управления. Она устанавливает связь в динамическом режиме между выходной и входной величинами элемента и полностью характеризует его динамические свойства.

Понятие передаточной функции весьма удобно при анализе так называемых структурных схем. Так, например, элемент, изображенный на рис. 2.2, после линеаризации можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис. 2.3.

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Рис. 2.3. Структурная схема элемента

Передаточные функции элементов или отдельных участков схемы позволяют легко получить общее уравнение всей системы, а в случае необходимости перейти к дифференциальному уравнению.

Замечание: в литературе часто оператор Лапласа обозначается буквой p.

Для оценки динамических свойств системы и отдельных звеньев принято исследовать их реакцию на типовые входные воздействия, которые наиболее полно отражают особенности реальных возмущений. Во — первых, это позволяет сравнивать отдельные элементы между собой с точки зрения их динамических свойств. Во — вторых, зная реакцию системы на типовые воздействия, можно судить о том, как она будет вести себя при сложных изменениях входной величины.

Наиболее распространенными типовыми воздействиями являются: ступенчатое, импульсное и гармоническое воздействия. Любой сигнал u(t), имеющий сложную форму, можно разложить на сумму типовых воздействий ui(t) и исследовать реакцию системы на каждую из составляющих, а затем, пользуясь принципом суперпозиции, получить результирующее изменение выходной величины y(t) суммируя полученные таким образом составляющие выходного сигнала yi(t).

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Особенно важное значение в ТАУ придают ступенчатому воздействию 1(t) = Стандартная форма записи дифференциального уравнения. Все остальные воздействия могут быть сведены к нему. Так, например, реальный импульсный сигнал может быть представлен двумя ступенчатыми сигналами одинаковой величины, но противоположными по знаку, поданными один за другим через интервал времени Стандартная форма записи дифференциального уравненияt (рис.42).

Зависимость изменения выходной величины системы от времени при подаче на ее вход единичного ступенчатого воздействия при нулевых начальных условиях называется переходной характеристикой и обозначается h(t).

Не менее важное значение в ТАУ уделяется импульсной переходной характеристике, которая описывает реакцию системы на единичное импульсное воздействие при нулевых начальных условиях, обозначают Стандартная форма записи дифференциального уравнения(t). Единичный импульс физически представляет из себя очень узкий импульс, ширина которого стремится к нулю, а высота — к бесконечности, ограничивающий единичную площадь. Математически он описывается дельта — функцией d(t) = 1’(t).

Переходная и импульсная переходная характеристики называются временными характеристиками. Каждая из них является исчерпывающей характеристиками системы и любого ее звена при нулевых начальных условиях. По ним можно однозначно определить выходную величину при произвольном входном воздействии.

Зная передаточную функцию W(p) = K(p)/D(p), выражение для переходной функции можно найти из формулы Хевисайда: Стандартная форма записи дифференциального уравнения, где pk — корни характеристического уравнения D(p) = 0. Взяв производную от переходной функции можно получить выражение для импульсной переходной функции Стандартная форма записи дифференциального уравнения(t) = h’(t).

Видео:18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

Формы записи дифференциальных уравнений

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения. (2.9)

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

Применяется также операторная форма записи уравнения (2.9):

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения. (2.10)

В этом уравнении через « Стандартная форма записи дифференциального уравнения» обозначен оператор дифференцирования Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

Заметим, что по сложившейся традиции символ « Стандартная форма записи дифференциального уравнения» используется также в преобразованиях Лапласа и Карсона-Хевисайда, но является комплексным числом Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения(2.11)

или в операторной форме

Стандартная форма записи дифференциального уравнения Стандартная форма записи дифференциального уравнения. (2.12)

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения, (2.13)

где Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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 Стандартная форма записи дифференциального уравнения— постоянные времени звена, измеряемые в секундах; Стандартная форма записи дифференциального уравнения— передаточный коэффициент звена.

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения, (2.14)

где Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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

Стандартная форма записи дифференциального уравненияСтандартная форма записи дифференциального уравнения

Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

В формуле (2.15) через Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравненияобозначены изображения (по Лапласу) выходной и входной переменных САУ при нулевых начальных условиях и равенстве нулю внешних возмущений, а через Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравнения— полиномы относительно комплексной переменной Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

Вторая стандартная форма записи дифференциального уравнения имеет следующий вид:

Стандартная форма записи дифференциального уравненияили Стандартная форма записи дифференциального уравнения. (2.16)

В (2.16) Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравненияявляются полиномами (символическими) относительно оператора Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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 Стандартная форма записи дифференциального уравнения. В общем случае входные Стандартная форма записи дифференциального уравненияи выходные Стандартная форма записи дифференциального уравненияпеременные могут быть векторными величинами размерности Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравнениясоответственно.

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 Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения, (2.17)

где Стандартная форма записи дифференциального уравнения— квадратная матрица коэффициентов (ее называют также собственной параметрической матрицей системы); Стандартная форма записи дифференциального уравнения— входная матрица (матрица управления) системы; Стандартная форма записи дифференциального уравнения— выходная матрица системы;

Стандартная форма записи дифференциального уравнения— вектор переменных состояния — внутренних координат системы;

Стандартная форма записи дифференциального уравнения— вектор входных переменных (управляющих и возмущающих);

Стандартная форма записи дифференциального уравнения— вектор наблюдаемых или выходных переменных; размерности матриц Стандартная форма записи дифференциального уравнения, Стандартная форма записи дифференциального уравнения, Стандартная форма записи дифференциального уравнения, соответственно, ( Стандартная форма записи дифференциального уравнения), ( Стандартная форма записи дифференциального уравнения), ( Стандартная форма записи дифференциального уравнения).

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

с характеристическим уравнением

Стандартная форма записи дифференциального уравнения. (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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения, Стандартная форма записи дифференциального уравнения, . , Стандартная форма записи дифференциального уравнения,

Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения, (2.19)

где Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения;

Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

В нашем примере Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравненияявляются 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 Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравнениявыродились в вектор-столбец и вектор-строку соответственно.

Система уравнений (2.19) представляет собой описание линейной непрерывной системы в пространстве состояний Стандартная форма записи дифференциального уравнения. Уравнения (2.19) с матрицей Стандартная форма записи дифференциального уравненияназывают уравнениями в форме Фробениуса.

Если Стандартная форма записи дифференциального уравнения, то

Стандартная форма записи дифференциального уравнения; Стандартная форма записи дифференциального уравнения.

Форма уравнений (2.19) с подобными матрицами Стандартная форма записи дифференциального уравненияи Стандартная форма записи дифференциального уравненияназывается в ТАУ канонической формой фазовой переменной.

Задание 1

1.1. По дифференциальному уравнению системы:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=1;в1=3; в2=0,8
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; в0=1; в1=3;
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5; в0=10
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=10
Стандартная форма записи дифференциального уравненияа0=1; а1=5; а2 =1,2; а3=0,9;а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
Стандартная форма записи дифференциального уравненияТ0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
Стандартная форма записи дифференциального уравненияТ0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=1,1;Т4=,9
Стандартная форма записи дифференциального уравненияК= 10;Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
Стандартная форма записи дифференциального уравненияК= 10; Т2=1,1;Т3=0,9 Т4=0,9
Стандартная форма записи дифференциального уравненияТ0=0,7; Т1=3;Т2=1,2;Т3=0,9;Т4=0,8;Т5=0,5
Стандартная форма записи дифференциального уравненияК=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.

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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.

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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:

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

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.

Стандартная форма записи дифференциального уравнения

Рис. 2.5 Схема САР угловой скорости рабочего колеса гидротурбины

Динамические свойства элементов САР описываются следую­щей системой уравнений:

🔥 Видео

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятияСкачать

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятия

Откуда появляются дифференциальные уравнения и как их решатьСкачать

Откуда появляются дифференциальные уравнения и как их решать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравнения

1. Что такое дифференциальное уравнение?Скачать

1. Что такое дифференциальное уравнение?

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

Лукьяненко Д. В. - Дифференциальные уравнения - Лекция 1

Матричная форма записи системы линейных уравненийСкачать

Матричная форма записи системы линейных уравнений

Шапошников С. В. - Математический анализ. Часть 4 - Дифференциальные 1 и 2-формыСкачать

Шапошников С. В. - Математический анализ. Часть 4 - Дифференциальные 1 и 2-формы

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

16. Линейные неоднородные дифференциальные уравнения 2-го порядка с постоянными коэффициентами

Решение однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.Скачать

Решение однородного дифференциального уравнения. Практическая часть. 11 класс.

Решение дифференциальных уравнений. Практическая часть. 11 класс.Скачать

Решение дифференциальных уравнений. Практическая часть. 11 класс.

Решение дифференциальных уравнений. Практическая часть. 11 класс.Скачать

Решение дифференциальных уравнений. Практическая часть. 11 класс.

Задача Коши для дифференциальных уравненийСкачать

Задача Коши для дифференциальных уравнений

Лекция. Передаточная функция, стандартная форма записиСкачать

Лекция. Передаточная функция, стандартная форма записи

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами.Скачать

Линейное однородное дифференциальное уравнение 2-го порядка с постоянными коэффициентами.

ДОЭФ 2015. Лекция 0 (Дифференциальные уравнения)Скачать

ДОЭФ 2015. Лекция 0 (Дифференциальные уравнения)
Поделиться или сохранить к себе: