Редуцированное устройство идентификации

Для Редуцированное устройство идентификации - student2.ru — мерного вектора выходных сигналов Редуцированное устройство идентификации - student2.ru достаточно синтезировать устройство идентификации размерности Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , характеризуемое вектором состояния такой же размерности. Пусть исследуемый объект управления или механизм представляются системой дифференциальных уравнений вида

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru (3)

При этом r выходов объекта линейно независимы, что эквивалентно тому, что ранг матрицы Редуцированное устройство идентификации - student2.ru равен r. Тогда оценку всего вектора Редуцированное устройство идентификации - student2.ru можно получить из уравнения

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Из этого уравнения вытекает выражение для определения оценки вектора состояния исследуемой системы, которая имеет вид

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Вектор состояния исследуемой системы можно представить как

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

где Редуцированное устройство идентификации - student2.ru – вектор неизмеряемых переменных состояния исследуемой системы размерностью Редуцированное устройство идентификации - student2.ru . Разбивая матрицы Редуцированное устройство идентификации - student2.ru и Редуцированное устройство идентификации - student2.ru системы уравнений (3) получаем систему уравнений

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Из этих уравнений получается уравнение наблюдающего устройства идентификации, которое принимает вид

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru (4)

где Редуцированное устройство идентификации - student2.ru — вектор выхода наблюдающего устройства размерностью Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , Редуцированное устройство идентификации - student2.ru – матрица, определяющая расположение корней характеристического полинома наблюдающего устройства.

Структурная схема, наблюдающего устройства, построенного на базе уравнения (4), представлена на рис. 3.

Операции дифференцирования вектора измеряемых переменных наблюдаемого устройства можно избежать, если использовать преобразованное уравнение вида (4). Такое устройство идентификации называют наблюдающим устройством типа 2. Оно базируется на уравнении вида

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru (5)

где Редуцированное устройство идентификации - student2.ru — вектор состояния наблюдающего устройства типа 2.

Использование уравнения (5) аналогично переносу точки суммирования с входа интегратора на его выход. В результате структурная схема наблюдающего устройства идентификации типа 2 принимает вид, представленный на рис. 4.

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис. 3. Схема редуцированного устройства идентификации, использующего производные измеряемых координат

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис. 4. Структурная схема редуцированного наблюдающего устройства второго типа

Общий алгоритм синтеза редуцированного устройства выглядит следующим образом:

1. Проверка наблюдаемости исходной системы по рангу матрицы ее наблюдаемости.

2. Определение корней характеристического многочлена матрицы А.

3. Выбор матрицы Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , корни характеристического полинома которой обеспечивают окончание переходных процессов в устройстве идентификации за требуемое время.

4. Определение параметров матриц взаимодействия устройства идентификации с наблюдаемой системой.

Полученные соотношения для определения структуры и параметров наблюдающих устройств позволяют получить величины компонент вектора состояния системы управления, непосредственное измерение которых не представляется возможным. Их использование позволяет расширить возможности систем управления различными управляемыми механизмами.

Рассмотрим процедуру синтеза наблюдающих устройств на примере двигателя постоянного тока. Основной целью создания устройства идентификации является определение величины электромагнитного момента, развиваемого двигателем постоянного тока, структурная схема которого представлена на рис.5.

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис. 5. Структурная схема двигателя постоянного тока

За составляющие вектора состояния САУ принимаем угловую скорость его вала Редуцированное устройство идентификации - student2.ru и величину развиваемого электромагнитного момента Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , которая пропорциональна току, потребляемому якорной обмоткой двигателя. Исходя из структурной схемы объекта получаем следующие уравнения, которые описывают его поведение в переменных состояния

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Так как выход рассматриваемого устройства является скалярной величиной, то матрица Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , характеризующая вход устройства идентификации, имеет вид

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Тогда матрица синтезируемого устройства идентификации принимает следующий вид:

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

а характеристический полином наблюдающего устройства описывается выражением

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Предполагаем, что для устройства идентификации желателен корень Редуцированное устройство идентификации - student2.ru , кратность которого равна 2. При этом желаемый характеристический полином наблюдающего устройства принимает вид, соответствующий биноминальному распределению корней

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Приравнивая коэффициенты характеристического уравнения наблюдающего устройства к желаемым значениям, получаем

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Зададим характеристики устройства идентификации электромагнитного момента для двигателя постоянного тока типа ПБВ100М со следующими параметрами:

· номинальной частотой вращения Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

· номинальным напряжением питания Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

· номинальным током якоря Редуцированное устройство идентификации - student2.ru =18 A,

· сопротивлением якорной обмотки Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

· моментом инерции якоря Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

· электромагнитной постоянной времени якорной обмотки Редуцированное устройство идентификации - student2.ru ,

· конструктивными коэффициентами Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Устройство идентификации электромагнитного момента для такого двигателя описывается уравнением вида

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

На рис.6 представлена структурная схема двигателя с наблюдающим устройством, предназначенным для определения электромагнитного момента, развиваемого двигателем.

Продолжим рассмотрение системы управления с двигателем постоянного тока. Он представляет собой систему второго порядка с одним измеряемым выходным сигналом – угловой скоростью. Для получения оценки второй переменной состояния, а именно развиваемого двигателем электромагнитного момента, произведем синтез редуцированного устройства идентификации, порядок которого равен единице.

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис.6. Структурная схема двигателя и устройства идентификации Льюинбергера

На основании коэффициентной матрицы объекта находим, что

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Будем считать, что редуцированное устройство идентификации имеет те же собственные значения, что и рассмотренное выше наблюдающее устройство. Для выполнения этого условия необходимо задать матрицу Редуцированное устройство идентификации - student2.ru вида

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Принимая во внимание схему редуцированного устройства идентификации, представленную на рис. 3, передаточные функции звеньев этой системы можно найти как

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru Редуцированное устройство идентификации - student2.ru Редуцированное устройство идентификации - student2.ru (6)

Исходя из полученных выражений получается схема электродвигателя постоянного тока с устройством идентификации, которая показана на рис.7.

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис.7. Структурная схема двигателя и редуцированного устройства идентификации электромагнитного момента

Процесс отработки изменения напряжения на якоре двигателя показан на рис. 8. Оценка вычисленного значения момента для всех Редуцированное устройство идентификации - student2.ru практически совпадает с искомыми значениями моделируемой координаты.

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис.8. График отработки единичного скачка напряжения, подаваемого на якорь электродвигателя

Наблюдающее устройство может использоваться для построения систем регулирования угловой скорости вала двигателя постоянного тока, базирующихся на принципах подчиненного или модального управления. При этом вычисленная величина электромагнитного момента обеспечивает получение дополнительной информации о состоянии управляемого объекта.

На рис. 9 представлена полная схема системы модального управления двигателем постоянного тока. Для определения параметров обратных связей по току Редуцированное устройство идентификации - student2.ru и скорости Редуцированное устройство идентификации - student2.ru используется выражение (6). Стандартный вид характеристического полинома при биноминальном распределении корней для объекта управления второго порядка имеет вид

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Характеристический полином управляемого объекта

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru (7)

Коэффициенты матрицы-столбца передаточных функций двигателя имеют вид

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru .

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Рис. 8. Структурная схема САУ с наблюдающим устройством

Тогда выражение, определяющее распределение корней характеристического уравнения САУ, можно представить в виде

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Решая это уравнение относительно коэффициентов матрицы обратных связей системы, получаем, что

Редуцированное устройство идентификации - student2.ru

Из двух переменных, использованных для оценки состояния объекта, непосредственному измерению доступна лишь угловая скорость двигателя.

Для оценки величины электромагнитного момента двигателя используется наблюдающее устройство.

Полученные соотношения определяют параметры регулятора угловой скорости двигателя постоянного тока.

Наши рекомендации