Линеаризация уравнения динамики.

В общем случае уравнение динамики оказывается нелинейным, так как реальные звенья систем управления обычно нелинейны. В целях упрощения теории нелинейные уравнения заменяют линейными, которые приблизительно описывают динамические процессы в системах управления. Получаемая при этом точность уравнений оказывается достаточной для технических задач. Процесс преобразования нелинейных уравнений в линейные называется линеаризацией уравнений динамики. Рассмотрим сначала геометрическое обоснование линеаризации. В нормально функционирующей САУ значение регулируемой и всех промежуточных величин незначительно отличается от требуемых.

Рис.4.3. Линеаризация нелинейной статической характеристики.

В пределахмалыхотклонений все нелинейные зависимости между величинами, входящими уравнение динамики, могут быть приближенно представлены отрезками прямых линий. Например, нелинейная статическая характеристика звена на участке АВ Рис.4.3 может быть представлена отрезком касательной в точке номинального режима А"В". Начало координат переносится в точку 0’, и в уравнениях записываются не абсолютные значения величинy,u,f, а их отклонения от номинальных значений: y = y - y_н, u = u - u_н, f = f - f_н.Это позволяет получить нулевые начальные условия, если считать, что приt 0система находилась в номинальном режиме в состоянии покоя.

Математическое обоснование линеаризации состоит в том, что если известно значение f(a) какой - либо функции f(x) в любой точке x = a, а также значения производных от этой функции в данной точкеf'(a), f"(a), ..., f⁽ⁿ⁾(a), то в любой другой достаточно близкой точке x + x значение функции можно определить, разложив ее в окрестности точки a в ряд Тейлора:

Аналогично можно разложить и функцию нескольких переменных. Для простоты возьмем упрощенный, но наиболее характерный вариант уравнения динамики САУ: F(y,y',y",u,u') = f. Здесь производные по времени u',y',y" также являются переменными. В точке, близкой к номинальному режиму: f = f_н + fи F = F_н + F. Разложим функцию F в ряд Тейлора в окрестности точки номинального режима, отбрасывая члены ряда высоких порядков малости:

В номинальном режиме, когда все отклонения и их производные по времени равны нулю, получаем частное решение уравнения: F_н = f_н. Учитывая это и вводя обозначения получим:

a_o y" + a₁ y' + a₂ y = b_o u' + b₁ u + c_o f.

Отбрасывая все знаки , получим:

a_oy" + a₁y' + a₂y = b_ou' + b₁u + c_of.

Вболееобщемслучае:

a_oy⁽ⁿ⁾ + a₁y^(n-1) + ... + a_{n - 1}y' + a_ny = b_ou^(m) + ... + b_m - 1u' + b_mu + c_of.

При этом нужно помнить, что в данном уравнении используются не абсолютные значения величин y, u, fиих производных по времени, а отклонения этих величин от номинальных значений. Поэтому полученное уравнение будем называть уравнением в отклонениях.

К линеаризованной системе управления можно применить принцип суперпозиции: реакция системы на несколько одновременно действующих входных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие в отдельности. Это позволяет звено с двумя входами u и f разложить на два звена, каждое из которых имеет один вход и один выход Рис.4.4. Поэтому в дальнейшем ограничимся изучением поведения систем и звеньев с одним входом, уравнение динамики которых имеет вид:

a_oy⁽ⁿ⁾ + a₁y^(n-1) + ... + a_{n - 1}y' + a_ny = b_ou^(m) + ... + b_m - 1u' + b_mu.

Рис.4.4. Разложение звена с двумя входами для линеаризованной САУ.

Это уравнение описывает систему управления в динамическом режиме лишь приближенно, с той точностью, которую дает линеаризация. Однако следует помнить, что линеаризация возможна только при достаточно малых отклонениях величин и при отсутствии разрывов вфункцииFв окрестностях интересующей нас точки, которые могут быть созданы различными выключателями, реле и т.п. Обычно n m, при n < mсистемы автоматического управления технически нереализуемы.

Передаточная функция

В теории автоматического управления часто используют операторную форму записи дифференциальных уравнений. При этом вводится понятие дифференциального оператораp = d/dt так что dy/dt = py, а pⁿ = dⁿ/dtⁿ. Это лишь другое обозначение операции дифференцирования. Обратная дифференцированию операция интегрирования записывается как 1/p. В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:

a_op⁽ⁿ⁾y + a₁p^(n-1)y + ... + a_ny = (a_op⁽ⁿ⁾ + a₁p^(n-1) + ... + a_n)y = (b_op^(m) + b₁p^(m-1) + ...+bm)u

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

Поэтому уравнение динамики можно записать также в виде:

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

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

Числитель K(p) = b_op^m + b₁p^{m – 1}+ ... + b_m называют операторным коэффициентом передачи. Его корни, при которых K(p) = 0 и W(p) = 0, называются нулями передаточной функции.

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

5. Элементарные динамические звенья

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

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

D(p) = a_opⁿ + a₁p^{n - 1} + a₂p^{n - 2} + ... + a_n = a_o(p - p₁)(p - p₂)...(p - p_n),

где p₁, p2, ..., p_n - корни полинома D(p). Аналогично

K(p) = b_opm + b₁p^{m - 1}+ ... + bm = b_o(p - p^~₁)(p - p^~₂)...(p - p^~m),

где p^~₁, p^~₂, ..., p^~m - корни полинома K(p). То есть

Корни любого полинома могут быть либо вещественными p_i = a_i, либо комплексными попарно сопряженными p_i = a_i ± j _i . Любому вещественному корню при разложении полинома соответствует сомножитель (p - a_i ). Любая пара комплексно сопряженных корней соответствует полиному второй степени, так как

(p - a_i + j _i )(p - a_i - j _i ) = (p - ai)² + _i² = p² - 2pa_i + (a_i² + _i²).

То есть

Поэтому любую сложную передаточную функцию линеаризованной системы управления можно представить как произведение передаточных функций элементарных звеньев. Каждому такому звену в реальной системе управления, как правило, соответствует какой - то отдельный узел. Зная свойства отдельных звеньев можно судить о динамики САУ в целом.В теории удобно ограничиться рассмотрением типовых звеньев, передаточные функции которых имеют числитель или знаменатель, равный единице, то есть

,

W(p) = 1/p, W(p) = p, W(p) = Tp + 1, W(p) = k.

Из них могут быть образованы все остальные звенья. Звенья, у которых порядок полинома числителя больше порядка полинома знаменателя, технически нереализуемы.

Переходная функция

Часто для изучения реакции объекта управления вместе с управляющей системой на внешнее возмущение в качестве такого возмущения используется некоторый стандартный сигнал. Один из простейших сигналов – так называемый «единичный скачок» («единичный ступенчатый сигнал»), то есть мгновенное изменение входного сигнала с 0 до 1 в момент t = 0 . Формально этот сигнал определяется так:

Реакция объекта на единичный скачок называется переходной функциейи обозначается h(t), что показано на Рис.5.1.

Рис.5.1. Единичный скачок и реакция системы на него

При этом предполагается, что объект в начальный момент находится в состоянии покоя, то есть имеет нулевые начальные условия. Это значит, что все его переменные состояния равны нулю и внутренняя энергия также нулевая.

Если начальные условия ненулевые, то для построения сигнала выхода при любом входе нужно использовать дифференциальные уравнения объекта или модель в пространстве состояний. Это значит, что переходная характеристика дает меньше информации, чем исходные уравнения.

Пусть модель объекта задана дифференциальным уравнением первого порядка:

где k – безразмерный коэффициент, а T – некоторая постоянная, которая имеет размерностьвремени (измеряется в секундах). Найдем переходную характеристику этого звена. Решая уравнение при x(t) = 1 ( t>0 ), получаем

где постоянная C₁должна определяться из начальных условий. Поскольку нас интересует переходная характеристика, начальные условия считаем нулевыми, то есть y(0) = 0, что дает C₁= −k и поэтому

На Рис.5.2 показаны переходные характеристики при различных значениях параметра T, который называется постоянной временизвена:

Рис.5.2.Переходные характеристики в зависимости от постоянной времени

Видно, что при увеличении Tвыход yмедленнее достигает установившегося значения, равного k, то есть постоянная времени характеризует инерционностьзвена. Чем больше постоянная времени, тем медленнее реагирует объект на управление и тем больше усилий нужно длятого, чтобы перевести его в новое состояние. Ступенчатый сигнал легко получить на практике, поэтому переходную характеристику можно снять экспериментально.