Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Видаль П. Нелинейные импульсные системы

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
10.96 Mб
Скачать

Тельными элементами;

Хт — транспонированный

век­

тор X:

 

 

хп

 

 

%П+1

 

(7-7)

Х =

А — 1| ||t j=i\ Q-ij ан•

Х-п+т- 1

Поверхности V— c являются эквипотенциальными по­ верхностями Ляпунова. Действительно, изменим систему координат при помощи соотношения

 

Х = BY,

 

 

где В — ортогональная матрица

 

 

 

_ (0,

1фу,

(7-8)

k=\

Ь ,

i = j .

 

Уп

 

 

 

 

 

 

Уп+1

 

(7-9)

 

1В = Н М С , =,

Уп+т - 1

Отыскиваем матрицу В, удовлетворяющую условиям

ВтАВ = ||6гАг1Гпщ=1,

 

(7-10)

где Xi — собственные значения матрицы

А

(А является

положительно-определенной, так как ^ > 0 ) .

 

В новой системе координат функция

V записывается

в классическом каноническом виде

 

 

¥ — х>у1 + ■■■ + 1™уп2+т- 1-

(

Поверхность V=c является эллипсоидом, т-мерные оси которого совпадают с новыми осями координат, с по­ луосями ГгС— ']/~ c/Xi, i— 1, 2, ..., т.

Функции V= c являются эквипотенциальными поверх­ ностями Ляпунова. Определение потенциала сыаКс про­ изводится при отыскании полуоси /у,СМако — самого боль­ шого эллипсоида, содержащегося в области L. Область глобальной устойчивости D относительно условий х0, ...

..., хт - 1 выражается с помощью неравенства

 

ХТАХ„< с„

(7-12)

221

в) ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

iip имер 7-1. Рассмотрим нелинейное уравнение

 

*п+2 + хп+\+ *п~ °-

(7-13)

П е р в ы й

м е т о д .

Достаточное условие

асимптотической

устойчивости запишется:

 

(7-14)

 

1— 1*„+1|— |х„|>0.

Критерий

устойчивости

(6-135), с помощью

которого получено

это неравенство, не может служить для определения области устой­ чивости, отыскиваемой с помощью второго метода, описанного выше, так как невозможно начертить функцию V в плоскости хп, хп+и Неравенство (7-14) определяет квадраты в области L в дискретной фазовой плоскости хп, хп+и

Найдем область D0 вида

I*п\<а; )

I хп+1 |<Ь, )

где а и b — неопределенные коэффициенты. Область D отыскивается с помощью неравенств

I Х п - и I < ь ;

(7-15)

(7-16)

I хп+2 I < я * .+ Ь\

Области Dо, Du L изображены на рис. 7-1. Область Do, харак­ теризующая начальные условия, является наибольшим прямоуголь­ ником со сторонами и 2Ь, включающим Dt, находящимся внутри L, другими словами, удовлетворяющим неравенствам

л’-> b',

I

Ь>а* + Ь2;

(7-17)

1 а Ъ> 0. J

Очень легко доказать, что область D является квадратом со сто­

роной, равной единице, определяемым соотношением

 

а = 6= 0,5.

(7-18)

222

Вычисление методом последовательных приближений показывает, что область D не обеспечивает необходимого и достаточного условия устойчивости. Внешние начальные условия этой области D соответ­ ствуют асимптотически устойчивым (точка S) либо неустойчивым (точка /) реакциям системы (рис. 7-2).

Легко доказать, что, например, область D, определяемая соот­ ношением

2хо + 4 х ? < 1 ,

(7-19)

определяет область с начальными условиями, обеспечивающими асим­ птотическую устойчивость реакции системы.

Наибольшая область D, полученная согласно нашему выбору,

образована совокупностью областей D и D'.

 

вида

 

В т о р о й м е т о д . Выбираем

функцию Ляпунова

 

V =

2xl +] +

x l

 

 

(7-20)

откуда

 

 

 

 

 

 

 

AV — (х "+ 1 +

х") (2 х "_, + 2х” — 1).

 

 

(7-21)

Условие устойчивости относительно

переменных будет:

 

П+1 + 24

 

 

< 0.

 

 

(7-22)

Относительно начальных условий следует записать:

 

 

Vc = 2v2n + l -\-- х п — с; ]

•"'л»

(7-23)

AV = 1 - 2 x L , - 2 x 2 ,

 

 

л

+

1

 

 

где Vaпринадлежит Д Р = 0.

Вышеприведенное условие требует, чтобы с^0,5, откуда область

устойчивости относительно начальных условий будет:

 

2xn +i'-h хп ' ■0,5 < 0.

(7-24)

Пример 7-2. Рассмотрим следующее уравнение:

 

Г Г

•*71+2 +iP,5xn+ i'+

0

(0,528х„О .вбЗХ п + О ’Хп — 0.

[(7-25)

П е р в ы й м е т о д .

Условие устойчивости,

полученное по крите­

рию устойчивости Венгжина •— Видаля,

запишется:

 

 

 

 

Г

Г

(7-26)

|0,528x7, + 0,858хп+1 |< — —

Оно определяет область устойчивости Do. Отыщем прямоуголь­

ную область D0

I х п |< а;

|

 

 

 

 

(7-27)

 

I

*71+1 IО

(

 

 

 

 

Область Di определяется как

 

 

 

 

I *n+i I< *;

 

 

 

 

b

 

 

[•

(7-27а)

J хп+г |< “ 2_ Н----

2— (°>528а+ 0,8586) а.

 

223

Область Di будет меньше Dg, и D0 в свою очередь будет нахо­ диться внутри области L, если

а > Ь ; \

b

V~6~

 

!

2 >

 

2 (0,528я + 0,8586) a;

j

V ~

 

0,528a +

0,858 b.

|

— n— >

I

 

 

 

 

)

Наибольшая область

D, удовлетворяющая неравенствам (7-28),

является квадратом, половина стороны которого

равна a= V 6/2,772.

ибласть и начальных

 

условий

представлена

на рис. 7-3.

I

 

Рис. 7-3.

 

 

В т о р о й м е т о д .

Выберем функцию Ляпунова в виде

 

V =

2xl +

4xnXn+1+ 4x%+l,

(7.29)

при этом получим условие устойчивости в виде

 

 

|0,528хп+0,858хп+1|<1.

 

(7-30)

Оно определяет область U , меньшую, чем L (рис. 7-3)

Произ­

ведем преобразование осей координат

 

 

0п =;О,528хп'+ О ,858 хп+1;

|

 

Уп+i = 0,858хп — 0,528%п.

}

(7' 31)

В такой системе координат уравнение V=c запишется:

 

 

Уп2 ,

у\ + Х

 

 

с/5,236 ^

"с/0,746 = 1'

 

(7-32)

Этот эллипс должен вписываться в область L'. В осях коорди­ нат у п, уп+1 эта область L' удовлетворяет соотношению \ип \<\ откуда легко получить величину смаи0 = 5,236.

Тогда область D' определяется из условия

2x1 ~ 4хох >+

5,236,’,

(7-33)

224

На рис. 7-3 области D и £>' представлены в том же масштабе. Они различны и позволяют судить об устойчивости для области начальных условий, больших, чем D или D '.

Пример 7-3. Рассмотрим уравнение

Xn+i~l-fiXn+z-bf2Xn+i+(з-*п=0.

(7-34)

Условие устойчивости выражается с помощью неравенства

 

1 I f11 I f2 1 I / з |> 0.

(7-35)

Легко увидеть, что область начальных условий задана с по­

мощью

 

I U I < ~ г -

 

Ih I

(7-36)

If31< 4 - -

Это наибольший куб с ребром, равным 2/з, с центром в начале координат, заключенный в тетраэдре, определяемом уравнением

(7-35).

З а м е ч а н и е . Для уравнения т-го порядка условие (7-36) за­ пишется:

IfilC m -1.

(7-37)

г) ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные выше примеры делают очевидным необходимость установления различий между областями устойчивости нелинейных систем относительно параметров системы и начальных условий. Пред­ ложенные методы позволяют устранить серьезное ограничение, на­ кладываемое на практическое применение второго метода Ляпунова для исследования устойчивости нелинейных импульсных систем. Эти достаточно общие методы часто связаны с определением функции Ляпунова.

7-2. ПОНЯТИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

С помощью двух различных методов возможно опре­ делить в области начальных условий (для системы вто­ рого порядка) достаточную область неустойчивости для начальных условий, расположенных внутри этой обла­ сти. В зависимости от того, располагаем ли или не рас­ полагаем мы функцией Ляпунова, в нашем распоряже­ нии есть два метода.

15—352

225

а) ПЕРВЫЙ МЕТОД: ГИПЕРОБЛАСТЬ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИИ

Пусть нелинейное конечно-разностное уравнение т-го порядка будет:

Xn+m=z f (Хп+т—1, Хп+т—2, ■• Хп, п).

(7-38)

Исследование неустойчивости нелинейной импульсной системы, описываемой этим уравнением с помощью вто­ рого метода Ляпунова, позволяет определить условия, которые должны накладываться на переменные хп+т- и чтобы обеспечить неустойчивость системы. Эти условия определяют в «-мерном гиперпространстве гиперобласть L' (в отличие от гиперобласти L, характеризующей асимптотическую устойчивость).

Чтобы найти область L', характеризующую неустой­ чивость относительно начальных условий хп, ..., хп+т-и

исследуют

совокупность гиперобластей D'i

(i = 0, ...

..., т— 1),

обладающих следующими свойствами:

а)

Гиперобласть D'i принадлежит к гиперобласти L'.

б)

Каждая точка P'i(xu xi+i, ..., xi+m_i)

гиперобла­

сти D'i преобразована согласно уравнению (7-38) в точ­ ку P'i+1[(xi+i, ..., X i+ m -i), f(Xi, .... X;+m-i)] гиперобласти

D 'i+l-

в) Гиперобласти D'; заключены в гиперобласти D'q. Критерий. Максимальная гиперобласть D 'q, обозна­ ченная D', получена таким образом, что она заключена в гиперобласти L, определяет гиперобласть начальных условий, достаточную, чтобы гарантировать неустойчи­ вость системы. За все время переходного процесса ни одна переменная не выходит из -гиперобласти D', т. е.

из гиперобласти L'.

З а м е ч а н и е . Нужно подчеркнуть, что этот критерий является достаточным, но не необходимым и что выбор гиперобласти D' но­ сит произвольный характер (гиперсфера, гиперобласть).

Следует использовать этот критерий совместно с критерием устойчивости (см. § 7-12) для того, чтобы определить область, отно­ сительно которой нельзя сделать никакого вывода об устойчивости.

б) ВТОРОЙ МЕТОД: ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ГИПЕРПОВЕРХНОСТЬ ЛЯПУНОВА

Рассмотрим еще раз гиперповерхности Ляпунова, т. е. совокупность точек фазового гиперпространства, для ко­ торых функция Ляпунова V (связанная с неустойчиво­ стью) имеет постоянное и положительное значение с.

226

Исследуем функцию Ляпунова V', такую, что если Ci< с'2, то гиперпространство Е'си внешнее по отношению к гиперповерхности Ляпунова (V' = Ci), охватывает ги­ перпространство Е'с2, внешнее по отношению к гиперпо­ верхности Ляпунова (V' = c2). Очевидно, что потенциаль­ ные поверхности и гиперповерхности, определенные вы­ ше, являются эквипотенциальными гиперповерхностями Ляпунова.

Критерий. Область D гарантирующая неустойчи­ вость системы относительно начальных условий, являет­ ся областью, внешней к гиперповерхности Е'смпи, соот­ ветствующей наименьшему потенциалу с.

Очевидно, что доказательство аналогично доказатель­ ству критерия устойчивости: пусть гиперповерхность Е'смип находится в L'; для начальных условий, опреде­ ляющих произвольную точку внутри D', функция V удовлетворяет условиям неустойчивости Ляпунова.

Траектория системы, исходящая из начальной точки, остается в D, а потенциал с увеличивается вдоль этой траектории. Эта изображающая точка удаляется от на­ чала координат, а система неустойчива.

З а м е ч а н и е . Задача состоит в определении эквипотенциаль­ ных поверхностей, т. е. семейства функций Ляпунова.

В случае квадратичной формы Ляпунова очень часто возможно определить произвольную поверхность. Всегда пригоден метод отыс­ кания эквипотенциальных гиперповерхностей

Пример 7-4. Снова рассмотрим (7-13)

Хп+2 + х„ + 1+ хгп = 0.

П е р в ы й м е т о д. Выберем, например, в качестве области По область, определяемую следующими неравенствами:

I хп |> а;

у

I хп+1 I

(7-39)

I

где а и Ь— неопределенные коэффициенты. Область D1 определяется неравенствами

!

*„+ , I

> Ь;

\

(7-40)

I

Хп+2 I

> а 2+

b2. I

 

Условие неустойчивости будет:

хп + 1 + хп> >•

(7-41)

Условия неустойчивости выполняются, если а>1

и 6> 1.

15*

227

В т о р о й м е т о д . Выбор функции Ляпунова

накладывает условие, чтобы Д У > 0, когда

Область неустойчивости от­

 

носительно

значений

перемен­

 

ных сливается

с

областью

 

неустойчивости

относительно

 

начальных условий.

Сравнение

Рис. 7-4.

З а м е ч а н и е .

 

критериев

устойчивости и не­

 

устойчивости для

 

начальных

условий произведено на рис. 7-4. Область, в которой нельзя судить об устойчивости или неустойчивости, получаемая совместным приме­ нением всех этих .методов, доведена до минимума.

4. Заключение

Как мы только что показали на примере, применение предложенных критериев уменьшает область неопреде­ ленности. Однако возможно уменьшить эту неопределен­ ность путем последовательного определения предшест­ вующих областей устойчивости и неустойчивости по ме­ тоду, предложенному Мира [см. § 6-2,6 (1)].

Следует отметить, что этот подход применим только к системам без учета внешних возмущений и что следо­ вало бы исследовать устойчивость нелинейных импульс­ ных систем с учетом внешних возмущений.

7-3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕЛИНЕЙНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМАХ

При создании реальной, оптимальной в определенном смысле системы автоматического управления необходимо уточнить условия, накладываемые на переходный про­ цесс. Хотя эта задача весьма важна с практической точ­ ки зрения, на ней останавливались немногие исследова­ тели.

Определим время переходного процесса в импульс­

ной системе (период

регулирования

Г)

как время аГ

(а — число периодов

регулирования),

за

которое систе-

228

ма, находящаяся при единичных начальных условиях, достигает своего положения равновесия и уже не откло­ няется от него более чем на р%.

Начало отсчета времени взято в момент квантования, соответствующего начальному положению.

а) РАЗНОСТНОЕ УРАВНЕНИЕ т-ГО ПОРЯДКА

П. Видаль (Л. 7-6, 7-7] предложил достаточное усло­ вие, обеспечивающее определенную длительность пере­ ходного процесса в нелинейной импульсной системе, опи­ сываемой разностным уравнением m-го порядка. Пусть задано нелинейное уравнение

Xn+m A-fiXn+m —l~\~ •••

fmXn — 0-

(7-44)

Коэффициенты

fit ..., fm

являются

нелинейными

функциями хп, ■■.,

Хп+т и п\ хп, ..., хп+т являются со­

кращенной формой

записи ступенчатых функций. На­

чальные условия Xi,

..., хт заданы и определяют область

D гиперпространства переменных. Предположим, что

точка равновесия, определяемая как хп+т=

■■■ = хп—0,

в результате соответствующей

замены переменных со­

впадает с началом координат. Достаточное условие асимптотической устойчивости системы, описываемой уравнением (7-44), таково, что можно найти положи­ тельное число е, такое, чтобы удовлетворялось неравен­ ство

т

 

• d - Е \ Н

(7-45)

Это условие определяет область гиперпространства коэффициентов, внутри которой выполняется требование устойчивости системы. С другой стороны, можно опреде­ лить с помощью ранее предложенного критерия (см. § 7-1) область устойчивости относительно начальных условий (7-43)

(7-46)

1.

Первый метод

Проверим условие

 

m

(7-47)

< 1 — Е н I fi I,

229

г

где

1;

ц — произвольно

малая

положительная ве­

личина.

 

 

 

удовлетворяется, то

имеем:

Если неравенство (7-47)

 

 

Г |fl ||Хп+т |+ Г21/2 ||Хп+т |+ ...

 

 

•• ■

|/т ||Л'и+m |

|-^n+m |

р[^п+т|-

(7-48)

В

соответствии с общим

уравнением (7-44)

полу­

чаем:

|Хп+т |^=7 |/l ||Хп+т—1|4"

... 4" |fm ||Хт |,

(7-49)

 

откуда

|fl |[/"|Хп—т |

|Хпт—11]4" ...

 

 

 

 

 

 

. . .

4~ |/то|[/т |хпf_m |

|Хп |]-4

 

 

 

 

<7—ц|хп+т|<0.

 

(7-50)

Это неравенство должно быть проверено для всех

возможных

значений коэффициентов

следовательно,

 

 

 

|Хп+т—11 Г |Хп+т 1\

 

 

 

 

|Хп |

Гт |Хп+т |.

 

(7-51)

Длительность переходного процесса аТ в системе, описываемой уравнением (7-44), при точности достиже­ ния установившегося значения |3 и начальных условиях

1X! j =

|х21= ...

=\хт\

(7-52)

будет:

 

 

 

Iх

К I л;

I-L

 

1Лт+а I I

I100*

 

Согласно неравенствам (7-51)

получим:

 

\Xm\>rn \xn+m\, откуда

\Хт+а\г%<^\х,п\.

 

Условие

Ш

Р < 1 — S С |ft |, »=i

накладываемое на коэффициенты уравнения (7-44), обеспечивает длительность переходного процесса, рав­ ную аТ, с точностью р, если а удовлетворяет неравен­ ству

< 7 - 5 3 >

230

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ