Математическая модель объекта управления

Математическая модель САУ (операторное уравнение) устанавливает количественную связь между входом и выходом системы.

Для обозначения входных и выходных сигналов воспользуемся обозначениями, характерными для объекта управления, где входным сигналом является управляющее воздействие u(t), а выходным регулируемая переменная y(t).

В общем случае модель одноканального объекта управления описывается нелинейным дифференциальным уравнением (системой уравнений), связывающим входной сигнал управления u(t) и выходной сигнал состояния объекта y(t):

F(y', y", …, y⁽ⁿ⁾, u', u", …, u^(m)) = 0. (1)

Уравнение описывает динамическое состояние ОУ на некотором временном интервале t≥t_o, и связывает входные сигналы u(t) и их производные u^(m)(t) с выходными сигналами y(t) и их производными y⁽ⁿ⁾(t). В большинстве случаев операторное уравнение системы принадлежит к классу дифференциальных уравнений или эквивалентных им интегральных уравнений.

Для получения дифференциального уравнения системы в целом обычно составляют описания отдельных ее элементов, т.е. составляют дифференциальные уравнения для каждого входящего в систему элемента (например, для САУ электропечи составляются дифференциальные уравнения усилителя, привода, реостата, электропечи, термопары и элемента сравнения).

Задачей системы автоматического управления является изменение переменной у (t) согласно заданному закону с определенной точностью (с определенной ошибкой).

При проектировании систем автоматического управления необходимо выбрать такие параметры системы, которые обеспечили бы требуемую точность управления. Кроме этого, параметры системы должны обеспечить требования устойчивости и регулярности поведения системы в переходном процессе.

Типовой алгоритм управления, это математическая зависимость между выходным регулирующим воздействием u(t) и входным отклонением ε регулируемой величины y от заданного значения y*. Входной величиной для регулятора является сигнал ε, а выходной – регулирующее воздействие u:

u(t) = U((t),у*(t),...).

В качестве оператора U(•) могут выступать как алгебраические и трансцендентные функции, так и интегро-дифференциальные операторы, булевы функции и пр.

В общем случае процессы, происходящие в системах автоматического управления, описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, которые могут быть решены лишь в отдельных частных случаях. Для большого числа систем эти уравнения могут быть линеаризованы.

Переход к линейным дифференциальным уравнениям выполняется операцией линеаризации, при которой переменные уравнения (1) заменяются новыми переменными – отклонениями от некоторого номинального режима (y=y-y_н, u= u-u_н), начало координат переносится в точку номинального режима, а функция F раскладывается в ряд Тейлора в окрестностях этой точки по частным производным. В результате линеаризации получаем следующую систему линейных уравнений в отклонениях:

A₀(t)y⁽ⁿ⁾ + A₁(t)y^(n-1) +…+ A_n(t)y = B₀(t)u^(m) + В₁(t)y^(m-1) +…+ B_m(t)u. (2)

Порядок системы уравнений равен n по порядку производной y⁽ⁿ⁾(t), n ≥ m, так как при n < m системы технически нереализуемы.

В случае постоянных коэффициентов система называется стационарной.

При этом процессы в САУ будут описываться линейными дифференциальными уравнениями:

a_n dⁿу/dtⁿ + a_n-1 d^n-1у/dt^n-1 +…. + a₀у = b_m d^mg/dt^m +…. + b₀g (3)

где a_j, b_j – постоянные коэффициенты (параметры) модели, a₀ > 0, b₀ > 0, n - порядок модели, 0 ≤ m < n. Решение уравнений таких стационарных объектов относительно y(t) является главным объектом исследований в классической теории автоматического управления.

Решение даже линейного уравнения связано с вычислительными трудностями. Поэтому для анализа линейных САУ используют метод, основанный на преобразовании Лапласа.

В стационарных системах коэффициенты дифференциального уравнения a_i, b_i – постоянные величины.

После преобразования Лапласа

(a_npⁿ + a_n-1p^n-1 _{+ ….+}a₀)x(p) = (b_mp^m + b_m-1p^m-1 _{+ ….+} b₀)g(p),

где:

x(p) – преобразование Лапласа выходного сигнала системы;

g(p) – преобразование Лапласа входного сигнала.

Часто у(p) и g(p) называют изображениями сигналов у(t) и g(t).

Передаточная функция системы.

Для линейного уравнения преобразование Лапласа отношения выходного сигнала Y(p) к входному сигналу U(p) при нулевых начальных условиях не зависит от самих сигналов и называется передаточной функцией системы W(p).

Y(p) = U(p) (b₀p^(m) + b₁p^(m-1) +…+ b_m) /(a₀p⁽ⁿ⁾ + a₁p^(n-1) +…+ a_n),

W(p) = (b₀p^(m) + b₁p^(m-1) +…+ b_m) /(a₀p⁽ⁿ⁾ + a₁p^(n-1) +…+ a_n), (3.2.5)

Y(p) = W(p) U(p).

Передаточная функция W(p) зависит только от самих дифференциальных уравнений и обладает свойством линейности:

Если Y(p) = Y₁(p) + Y₂(p), то U(p) = W(p)Y₁(p) + W(p)Y₂(p) = U₁(p)+U₂(p).

Если Y(p) = сY(p), то U(p) = W(p) Y(p) = с W(p) Y(p).

В общем случае замкнутая система регулирования с обратной связью рассматривается в структурной форме, приведенной на рис. 3.2.1, где используются следующие обозначения сигналов:

Y(p) = W(p)e(p); W(p) = W₁(p)W₂(p);

Y_ос(p) = W_ос(p)Y(p); e(p)=U(p)-Y_oc(p).

Выражение выходного сигнала состояния системы через входной сигнал управления:

Y(p)=W(p)(U(p)-W_ос(p)Y(p);

Y(p)(1± W(p)W_ос(p))=W(p)U(p).

Отсюда главная передаточная функция замкнутой системы:

W_зс(p) = Y(p)/U(p) = W(p)/[1 ± W(p) W_oc(p)].

Знак плюс или минус определяется типом обратной связи (отрицательная или положительная). Соответственно, выходной сигнал с учетом сигнала дестабилизирующего воздействия f(t), который суммируется с правой частью выражения (3.2.3):

Y(p)=W_зс(p)U(p) + W_f(p)f(p),

где W_f(p) – передаточная функция по возмущению. В замкнутой системе передаточная функция по возмущению определяется как отношение выходной величины, преобразованной по Лапласу, к функции возмущающего воздействия, преобразованной по Лапласу при нулевых начальных условиях. Возмущающее воздействие может быть приложено к любой точке системы.

W_f(p) = Y(p)/f(p) = W₂(p)/[1+W_oc(p)W(p)].

Передаточная функция по ошибке:

W_e(p) = e(p)/U(p) = 1/[1 + W(p) W_oc(p)].

Передаточная функция по ошибке - основное средство исследования точности САУ. C учетом возмущающего воздействия:

e(p)=W_e(p)U(p) + W_ef(p)f(p),

где W_ef(p) - передаточная функция по ошибке и возмущению (от возмущения к ошибке):

W_ef(p) = e(p)/f(p) = -W₂(p)W_oc(p)/[1 + W(p) W_oc(p)].

Передаточная функция по обратной связи:

W_Yoc(p) = Y_oc(p)/U(p) = W(p) W_oc(p)/[1 + W(p) W_oc(p)].

Соединение звеньев

Любая, даже самая сложная, система автоматического управления состоит из элементарных (типовых) звеньев. Характеристики этих звеньев хорошо изучены. Соединяясь между собой различным образом, типовые звенья образуют САУ.

Модель вход-выход строится по известным уравнениям отдельных компонентов (блоков, звеньев). Процедура сводится к преобразованию системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение отдельных блоков, к единому уравнению системы управления.

Существуют три основных вида соединений: последовательное, параллельное и с обратной связью.

Последовательное соединение блоков. При последовательном соединении звеньев выходная величина предыдущего звена является входной для последующего. При известных передаточных функциях звеньев, можно записать:

X₂(p) = W₂(p) X₃(p), X₁(p) = W₁(p) X₂(p) = W₁(p)W₂(p)X₃(p).

W(p) = W₁(p) W₂(p).

Таким образом, систему из неограниченного количества звеньев, включенных последовательно, можно заменить одним эквивалентным звеном с передаточной функцией W(p) равной произведению передаточных функций звеньев.

Параллельное соединение блоков. При параллельном соединении звеньев на все входы подается одна и та же величина, а выходная величина равна сумме выходных величин отдельных звеньев.

X₂(p) = W₁(p) X₄(p), X₃(p) = W₂(p) X₄(p).

X₁(p) = X₂(p)+X₃(p) = (W₁(p)+W₂(p)) X₄ (p).

W(p) = W₁(p)+W₂(p).

Из последнего выражения следует, что параллельное соединение звеньев эквивалентно одному звену с передаточной функцией, равной сумме передаточных функций, входящих в соединение звеньев.

Система с отрицательной обратной связью. При встречно-параллельном соединении звеньев на вход звена кроме входной подается еще и выходная величина через специальное звено обратной связи. На рисунке звено W₁(p) составляет прямую цепь, которая охвачена ОС, звеном W₂(p). При этом если сигнал x₃ вычитается из входного сигнала x₄, то ОС называется отрицательной, а если суммируется, то ОС – положительная. Для отрицательной обратной связи можно записать:

X₁(p) = W₁(p) X₂(p), X₃(p) = W₂(p) X₁(p), X₂(p) = X₄(p) – X₃(p).

Решая эти три уравнения относительно X₁(p), находим:

X₁(p) = X₄(p) W₁(p) /(1+ W₁(p)W₂(p)).

Передаточная функция

W(p) = W₁(p) /(1+ W₁(p)W₂(p)). Полученная передаточная функция может интерпретироваться как передаточная функция последовательно соединенных звеньев с передаточной функцией W₁(p) и системы с передаточной функцией:

Ф(p) = 1/(1+W_рс),

где W_рс = W₁(p)W₂(p) - передаточная функция разомкнутой системы, например, в точке “а”.

При охвате любого звена единичной ОС (т.е. при W₂ (p) = 1) разомкнутая система преобразуется в замкнутую с передаточной функцией (из выражения (3.6.1)):

W(p) = W₁(p) /(1+ W₁(p)).