книги из ГПНТБ / Климов, В. А. Некоторые прикладные методы анализа и синтеза сложных автоматических систем с использованием ЦВМ
.pdf10
ностью .т.е. необходимость!) рассматривать свойства систем для
большого числа вариантов сочетаний значений параметров элемен
т о в . С другой стороны, указанное положение связано с тем,что требуется относительно большое время счета для определения
показателей качества систем при одном сочетании значений па раметров элементов, что приводит в итоге к большому потребно
му времени счета в целом.
Покажем это на примере указанной вш е задачи, где требу
ется оценить свойства системы при изменении значений пятнад цати параметров элементов. Предположим при этом, что ставится задача цроверки лишь запасов устойчивости, которые в методе эффективных полюсов и нулей оцениваются по корням характери стического уравнения (по колебательности ^ ) . Будем считать,
что для определения этих корней с помощью ЦВМ при одном соче тании значений параметров элементов требуется не менее 0,5мин.
машинного времени. В действительности это время для систем шестого и более высоких порядков может быть значительно боль шим. Однако даже в этом случае определение корней для указан ного выше числа вариантов сочетаний значений параметров эле ментов потребуется примерно восемь лет непрерывной работы вы числительной машины.
Для определения ряда критериев качества автоматических систем необходимо вычисление переходных процессов. Однако обычный путь вычисления этих процессов с помощью ЦВМ требует еще большего машинного времени. Так, например, для определе ния одного процесса в системах десятого-пятнадцатого порядков путем интегрирования уравнений требуется несколько часов рабо ты вычислительной машины.
Преодоление трудностей применения ЦВМ для решения сформу лированных вш е задач, связанных с большим потребным временем счета, может осуществляться по пути повышения быстродействия вычислительных машин. Возможен и еще один путь, который и ис пользуется в работе. Этот путь состоит в сокращении потребного времени счета для определения показателей качества систем при одном сочетании значений параметров элементов. Предлагаемые в методе аффективных полюсов и нулей приемы исследований позво ляют достигнуть именно этой цеди. Использование этих приемов будет, видимо, целесообразно и в случае повышения быстродейст вия ЦВМ, так как всегаа указанные првеш будут открывать, воз можности дхя расширения круга и содержания решаемых задач.
II
Сокращение потребного машинного времени для определения показателей качества систем в работе достигается, во-первых,
за счет исключения операции определения действительных кор ней характеристических уравнений, а также корней, соответст вующих полиномам правых частей уравнений системы, т .е . за счет исключения операции определения действительных корней, соот ветствующих числителям и знаменателям передаточных функций систем. Кроме того, Сокращение потребного машинного времени достигается за счет исключения необходимости осуществлять ин тегрирование уравнений системы. Оценка качества переходных процессов и оценка запасов устойчивости в методе эффективных полюсов и нулей осуществляются приближенно по простейшим ана литическим зависимостям, в которые непосредственно в явном ви де входят коэффициенты уравнений системы.
В работе предлагается еще ряд приемов сокращения, потреб ного для исследования систем времени счета, которые рассмат риваются по мере изложения содержания приемов метода эффектив ных полюсов и нулей, а также в целом кратко описаны в "Заклю чении".
Здесь только отметим, что применение всех приемов, сокра щающих потребное время счета для исследования систем, позво ляют не только оделать практически выполнимыми перечисленные выше задачи анализа и синтеза систем, но и позволяют поставить их достаточно широко. Так, например,в задаче многопараметрическо-
го синтеза при выполнении процедур оптимизации оказывается воз можным учесть большое число ограничений по различным показа телям качества процессов для разных координат и для различных воздействий; практически исходить при синтезе из широких преде лов первоначально задаваемых возможных значений параметров элементов систем и выбирать параметры не только регуляторов,
но и элементов объектов регулирования в пределах их возможных значений, если эти параметры еще не зафиксированы на основе прочностных, тепловых и других расчетов и соображений. Анало гичное положение в смысле расширения содержания возможных иссле дований имеет место и применительно к другим задачам анализа и синтеза систем.
Цри развитии метода эффективных полюсов и нулей ставилась цель составления приемов исследований, которые давали бы в первую очередь, как это и подчеркивалось выше, сокращение по требного времени счета. Однако одновременно при развитии этих
12
приемов была преодолены в определенной степени и принципиаль ные трудности использования ЦВМ для проведения объемных, мас совых исследований автоматических систем.
Укажем здесь в первую очередь на то обстоятельство, что необходимость исключения операции определения корней, соответ ствующих полиномам числителя и знаменателя передаточных функ ций систем, диктовалась не только потребностью совращения ма шинного 'времени, но и тем обстоятельством, что для систем вось мого-десятого и более высоких порядков вообще отсутствуют при годные для практического использования методы определения ука занных корней.
С другой стороны, в методе эффективных полюсов и нулей в качестве исходной основы используются передаточные функции си стем или уравнения этих систем. Однако для иногомерных и вооб ще для систем сложных структур и высоких порядков представле ние коэффициентов передаточных функций или уравнений систем через параметры элементов оказывается невозможным по своей фактической невыполнимости. Вместе с тем пригодные для практи ческого использования методы, в которых в качестве исходных данных используется матричная запись уравнений, в настоящее время отсутствуют. Эту црйнципиальную трудность оказалось воз можным разрешить путем специального двойного применения цроце-
дур известного метода Леверье с видоизменением Д .К .Ф адеева.
Указанное двойное применение этих процедур позволило сделать приемы метода эффективных полюсов и нулей практически пригод ными для использования при исследовании систем любых структур и высоких порядков.
При развитии метода эффективных полюсов и нулей были преодо лены и другие принципиальные трудности применения ЦВМ для ис следования автоматических систем. Об этих трудностях, как и о цриемах сокращения потребного времени счета, говорится при из ложении содержания работы,и в совокупности они указываются в "Заключении".
13
Г л а в а I
0В31АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ЭФФЕКТИВНЫХ ППМТППВ
ИНУДЕЙ
Вданной главе рассматривается первоначальная исходная пред
посылка и основы метода эффективных полюсов и нулей примени тельно к линейным автоматическим системам. Однако это сделано для сокращения объема без подробных обоснований и доказательств,
которые излагаются в последующих главах. Здесь материал рассмат ривается в плане изложения исходных идей,физической сути и ко нечных результатов с подробным рассмотрением поясняющих при меров. Примеры соответствуют передаточным функциям со сравни тельно невысоким порядком характеристического уравнения, не превышающим шести. Это сделано исключительно для удобства из ложения, так как порядок характернотических уравнений систем,к
которым применим метод, практически может быть достаточно вы соким.
§I. ИСХОДНАЯ ПРЕДПОСЫЛКА МЕТОДА
Впредисловии работы указывается, что метод не связан с приближением полюсов и нулей системы к конкретному варианту их расположения. Отмечается, что выдвигается лишь требование по минимуму запаса устойчивости систем, который зависит от взаим
ного расположения ближайших друг К друiy корней. Это условие является единственной исходной предпосылкой метода. Смысл пред посылки состоит в том, что все применяющиеся в методе аналити ческие соотношения и зависимости справедливы при выполнении этой предпосылки.
В предисловии исходная предпосылка метода поясняется лишь
14
в общих чертах. В данном параграфе эта цредпосылка рассматри
вается более подробно.
Метод эффективных полюсов и нулей исходит из передаточной
функции замкнутой системы
т |
°оР + Ь,Р |
+ЬгР |
+• |
■+ Ьт-грг+Ьт-1Р+Ьт |
( I . I ) |
||
а0р п+а,рп-'+аг р п- \ . . . |
+ a n_2p*+an.j р + а п |
||||||
|
|||||||
или уравнения замкнутой системы |
|
|
|||||
|
_«-/ „ п-г |
. _ |
„г |
+ Qn-,p + а п ) х = |
, |
||
(а о рп+а,рпч+ агрп~ + '•■ + ап_г р |
|||||||
(ь0р - +ь у ^ ь г рт- ^ - + ьт. гР ^ ь ^ р + ът) Р , |
|
||||||
где |
п - порядок |
(степень) характеристического |
полинома; |
т- порядок (степень) полинома правой части уравнения системы;
х - рассматриваемая координата; f - внешнее воздействие.
Исходная цредпосылка метода, как выше указывается, накла
дывает ограничение на минимум запаса устойчивости системы,ко
торый в методе эффективных полюсов и нулей оценивается по ко лебательности .
Понятие колебательности может быть применено к системе в
целом и к отдельным корням характеристического уравнения. При менительно к системе в целом под колебательностью понимается
тангенс угла (р и с .1 .1 ), который определяет двойной угол 2ф,
на границах и внутри которого лежат корни характеристического
Рис. 1 .1
15
уравнения. Иначе можно сказать, что колебательность системы есть отношение мнимой части к вещественной для тех комплексно-
сопряженных корней, для которых это отношение наибольшее. Если все корни характеристического уравнения вещественные, то коле бательность системы равна нулю.
|
Применительно к отдельным корням характеристического урав |
|||
нения под колебательностью |
понимается отношение мнимой час |
|||
ти корня к вещественной, т .е . |
|
|||
|
|
|
|
(1. 2) |
где |
coj.- |
мнимая часть j- -г о |
корня; |
|
|
& • - |
вещественная часть |
^ -го корня. |
|
|
Для вещественных корней колебательность равна нулю, а |
|||
для |
пары комплексно-сопряженных корней (р и с .1 .2 ,а) имеет одно |
|||
. и то |
же |
значение и будет обозначаться |
. |
Рис. 1 .2
Физически запас устойчивости |^ , ^+, характеризует степень
затухания соответствующей составляющей процесса в системе.Это затухание может характеризоваться степенью затухания переход ной характеристики (р и с .1 .2 ,6 ) системы второго порядка, для которой корни характеристического уравнения совпадают с рас
сматриваемыми корнями |
(р и с .1 .2 ,а ) . Количественно степень зату |
||
хания оценивается обычно по отношений амплитуд А3 и |
А, или А2 |
||
и А,1. |
\ |
по первоначальной |
|
В методе эффективных полюсов и нулей |
|||
исходной предпосылке |
накладывается общее |
для всех |
+ > |
ограничение, которое |
требует |
|
|
/
16
|
|
|
(1.3) |
Максимальное значение |
|
|
|
а |
гр.тах |
= 4 ,8 9 . |
(1 .4 ) |
г |
|
|
Вместе с тем в зависимости от взаимного расположения корней это условие может усиливаться в сторону уменьшения значения
рв сравнении с величиной \izptlvax{1.4).
"осредненные кривые, |
определяющие указанную взаишую связь, |
||
для си стем четвертого |
порядка показаны |
на рис.1 .3 . На этом и |
|
на других рисунках через р.3 ^ , соЗЛ, o l3 |
^ обозначены колеба |
||
тельность, частота и вещественная часть для пары комплексно |
|||
сопряженных корней, |
ближе расположенных к мнимой оси, чем дру |
||
гие корни (р и с .1 .4 ) . |
Для пары других комплексно-сопряженных |
||
корней используются |
обозначения р, г,сО)ги o', 2 . йзли в системе |
имеется всего одна пара комплексно-сопряженных корней, то для
этих корней |
применяются первые обозначения, т . е . р 3 ч , oo3)lfHoJ3jIf, |
а вещественным корням соответствуют индексы I и 2 и соответст |
|
венно цг и |
р 2 , которые равны нулю (р и с .1 .5 ) . Введенные здесь |
индексы используются и для других параметров корней и имеют тот
же смысл. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кривые на рис. 1 .3 определяют величину р г^ |
в |
зависимости |
||||||
от |
значений |
р ,)2и соотношения частот для двух'пар |
корней |
co3if |
|||||
и со, г . Графики на р и с .1 .3 ,а соответствуют |
диапазону |
значений |
|||||||
|
|
|
со иг |
= 0 т 1 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
соз,ч |
|
|
|
(1 .5 ) |
||
а |
|
|
|
|
|
|
|||
трафики на р и с .1 .3 ,6 другому диапазону |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
соиг |
= 1-Г Ю . |
|
|
|
( 1. 6) |
|
|
|
|
со3,4 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Можно было бы рассматривать зависимости величин |
^ г р ,2 |
|||||||
от величины |
р 3 |
и соотношения частот со3 ,и |
со,)2 . |
Однако Ьдесь |
|||||
и в последующем, |
применительно к системам более |
высоких поряд |
|||||||
ков, применяемый подход оказывается более удобным и з-за |
приемов, |
используемых |
в методе эффективных полюсов и нулей. |
|
Зависимости для р гр^ ^показывают, что при приближении часто |
||
ты первого и |
второго корней |
со, 2 к частоте третьего и четвер |
того корней |
со требование |
по запасу устойчивости для третьего |
и четвертого |
корней усиливается и, следовательно, величина р гр |
|
уменьшается. |
При этом степень уменьшения величины р грз: тем |
больше, чем меньше запас устойчивости по другой паре корней р ^
17
В основе использования зависимостей, представленных на рис. 1 .3 , лежат следующие физические соображения. На р и с .1 .6
пунктиром показана переходная характеристика для системы.вто-
I '
18
ш
,Р3
d
л
Рис Л . 5
рого порядка, запас устойчивости |
которой равен значению (1 .4 )» |
|||
Будем считать, |
что этот запао |
соответствует величине |
. |
|
Введем еще одну |
пару корней, |
т .е . |
перейдем к системе |
четвертого |
19
порядка. Вудем считать, что запас устойчивости для введенных |
|
||||
корней соответствует ^ ( 2 , и примем его |
отвечающим тоже (1 .4 ) |
||||
при соотношении частот со,)2 и соЗЛ, равном единице. Все это |
|
||||
означает, |
что для данного соотношения частот мы не учитываем |
|
|||
взаимное |
влияние корней. |
|
|
|
|
На р и с .1 .6 сплошной линией показана |
переходная характери |
||||
стика для получешой системы четвертого |
доряДка. Из рисунка |
|
|||
видно, что форма этой кривой соответствует меньшему запасу |
|
||||
устойчивости, чем форма кривой |
(пунктирная линия на рис. 1 .6) |
|
|||
для системы второго порядка с |
запасом |
( 1 .4 ) . Для устранения |
это |
||
го недостатка и необходимо уменьшить |
запас устойчивости р 3 |
, |
В главе У показано, что учитывать взаимное влияние корней,
характеризуемых кривыми на р и с .1 .3 , целесообразно и из других соображений, связанных с запасами устойчивости по коэффициентам уравнений.
Кривые на р и с .1 .3 определяют минимальный запас устойчиво сти лишь для системы четвертого порядка и идею использованных здесь приемов в непосредственной форме трудно применить к си стемам высоких порядков. В связи с этим изложенному выше мате риалу по системе четвертого порядка дадим толкование, которое позволит полученные результаты распространить на системы любо го порядка. Однако сделаем это позже в § 4 данной главы после рассмотрения решения задачи приближенного разложения процессов на отдельные составляющие применительно к указанной системе.
§ 2. ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ МЕТОДА
Рассматриваемое в данном параграфе исходное положение мето да является той основой, которая позволила получить все изла гаемые в данной работе результаты и составить, например, до статочно простыв алгоритмы анализа и синтеза автоматических си стем , не требующие, в частности, решения дифференциальных урав нений этих систем. Исходное положение метода справедливо при исходной предпосылке, которая рассмотрена в предыдущем пара графе.
В общей формулировке исходное положение метода заключается в приближенном разложении сложного процесса, соответствующего данной передаточной функции, на отдельные простейшие составляю щие.