Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox
.pdf
Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем 61
ция, или импульсная переходная функция. Напомним, что под
единичным импульсом понимается идеализированный сигнал,
равный бесконечности в момент его приложения и равный нулю
во все остальные моменты, но такой, что интеграл этого сигнала
по времени (т. е. площадь под этим сигналом) равна единице.
Значение этой реакции, обозначаемой h(t), заключается в том, что
реакция системы на любой сигнал u(t) может быть записана как
∞
yt ut h d() ( ) ( ) .=−
∫
−∞
τττ
(2.23)
Предположим, например, что u(t) есть некоторый случайный
сигнал, зафиксированный при эксперименте, и мы хотим найти
реакцию на этот сигнал некоторой системы. Это можно сделать,
если импульсная реакция этой системы известна, выполнив численное интегрирование в (2.23) (разумеется, в конечных пределах).
Кроме того, импульсную реакцию можно применить для разомкнутой системы с астатизмом первого порядка, когда реакция на
step уходит в бесконечность (см. раздел 1.1, рис. 1.3, 1.4).
Команда impulse(sys) строит график импульсной переходной
функции системы, а команда
[y,t] = impulse(sys)
запасает в рабочей области массив, состоящий из выборочных
значений выходной реакции на импульс и соответствующих времен. Дополним программу (П. 2.2) командами:
sysz = feedback(sys,1);
figure(2)
impulse(sysz)
grid (Ï. 2.2.1)
и таким образом построим импульсную переходную функцию
замкнутой системы, изображенную на рис. 2.12. Если на этом
рис. щелкнуть правой кнопкой, то появится дополнительное меню
с рядом опций, из которых на рис. выбраны «characteristics», и затем
«Peak Response» (максимум) и «Setting Time» (время вхождения в
2% по отношению к максимуму зону). Эти точки отмечены кружочками. Если установить указатель мыши на какую-либо точку на
графике и щелкнуть левой кнопкой, то появится текст с данными ,
соответствующими этой точке (время и значение координаты).
Команда lsim(sys,u,t), имеющая ряд модификаций, которые
будут рассмотрены в третьей главе, моделирует реакцию системы
на произвольный входной сигнал u(t). Этот входной сигнал дол-

62 Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем
Ðèñ. 2.12. Импульсная реакция системы (2.1), (2.2)
жен быть задан в виде матрицы u, имеющей столько строк, сколько точек t выбрано, и столько столбцов, сколько входов имеет
система, и вектора t, состоящего из выбранных точек. Пусть, например, u(t) — аппроксимация синусоиды периода 2π/10 по 20
точкам. Добавим в программу (П. 2.2) команды
dt = 2*pi/200;
for j =1:63 t(j) = j*dt; u(j) = sin(10*t(j))end;
figure(3)
lsim(sysz, u, t). (Ï. 2.2.2)
Получим процесс, изображенный на рис. 2.13.
В ряде случаев для формирования входного сигнала может
быть использована команда
[u,t] = gensig(type, tau, Tf, Ts).
Здесь 'type' — тип сигнала: 'sin', 'square' (прямоугольная волна)
или 'pulse' (периодические импульсы), tau — период сигнала в с,
T
— конечное время, Ts— дискретность, с которой задается вход-
f
ной сигнал.
Выполнив, например, команды:
[u,t] = gensig('square', 0.2, 1, 0.01)
lsim(sysz, u, t)
grid, (Ï. 2.2.3)
получим график, изображенный на рис. 2.14.

Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем 63
Ðèñ. 2.13. Процесс в системе (2.1), (2.12)
при гармоническом воздействии
Ðèñ. 2.14. Реакция системы (2.1), (2.2)
на прямоугольные колебания
2.1.8. Применение анализатора систем. Все приведенные выше
характеристики системы можно получить без использования соответствующих команд в теле программы, а с использованием так

64 Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем
называемого анализатора систем (английский термин — LTI
Viewer, LTI — линейная система инвариантная во времени). Далее
для простоты будем использовать термин Viewer. Он работает со
сформированными системами, информация о которых находится
в рабочей области или сохранена в виде mat-файла. Так как при
выполнении очередной программы предыдущая информация из
рабочей области обычно стирается, надо запустить Viewer после
выполнения команды формирования исследуемых систем из командного окна MATLAB или как последнюю команду выполняемой программы, что осуществляется командой ltiview. При этом
появляется окно Viewer с главным меню: «File», «Edit», «Window»,
«Help». Смысл этих пунктов ясен всем, работающим с WINDOWS.
Меню «File» имеет подменю:
New Viewer
Import
Export
Toolbox Preferences
Page Setup
Print
Print to Figure
Close
Пункт «Toolbox Preferences» имеет свое подменю, которое определяет единицы измерения величин (по умолчанию рад/с, дБ,
град), шрифт текста, а также, какие границы принимаются при
определении времени регулирования (по умолчанию — вхождение
в 2% зону) и времени нарастания (по умолчанию — от 0.1 до 0.9).
Пункт «Export» вызывается при необходимости запоминания
системы в рабочей области или на диске.
«Import» — наиболее важный пункт подменю. При выполнении этого пункта в окне Viewer появляется перечень систем, находящихся в рабочей области. Далее будем Viewer использовать с
программой П. 2.1. Тогда в перечень будут включены системы:
regd, sys, sys1, sys2, sys2d, sysd, sysd1 (рис. 2.15). Выберем, например, sys1, тогда в окне Viewer появляется график реакции на ступенчатое воздействие. Если щелкнуть правой кнопкой мыши гденибудь в этом окне, то появится перечень возможных графиков:
«Step»
«Impulse»
«Bode»
«Bodemag»

Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем 65
«Nyquist»
«Singular Value»
«Pole/Zero»
«I/O Pole/zero»;
при щелчке на выбранном графике левой кнопкой он появляется в
окне Viewer. С этими графиками можно обращаться так же, как с
такими же графиками, полученными командами в теле программы.
В частности, вызвав правой кнопкой подменю «characteristics»,
можно выявить координаты, соответствующие наиболее характерным точкам графика (в зависимости от его типа), а совместив указатель мыши с какой-либо точкой графика и щелкнув левой клавишей, можно определить точные данные, относящиеся к этой точке
(опять же в зависимости от типа графика).
Ðèñ. 2.15. Viewer îêíî «Import»
В одном и том же окне можно разместить одновременно несколько графиков. Для этой цели выберем в главном меню Viewer
пункт «Edit», а затем подпункт «Plot Configuration». В окне Viewer
появятся рисунки возможных макетов графиков в виде совокупности прямоугольников — от одного до шести (рис. 2.16). Предположим мы намереваемся одновременно рассмотреть 3 графика. Выберем нужный макет, поставив точку в соответствующий кружок.
Тогда справа высвечиваются три строки, в которых мы можем указать желаемые графики. Пусть выбрано соответственно: «Step»,
«BodeMag», «Pole/Zero». Если щелкнуть левой клавишей по значку
«apply» («применить»), то Viewer приобретет вид, изображенный на

66 Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем
Ðèñ. 2.16. Viewer îêíî «Plot configuration»
рис. 2.17, где также с помощью опции «characteristics» показаны характерные точки графиков.
Возможно показать на одном и том же рис. реакции нескольких систем одновременно с целью их сравнения. Пусть, например,
требуется сравнить характеристики непрерывной sys1 и дискретной систем sysd1. В окне имеющихся систем (рис. 2.15) отметим
эти системы, затем в окне макетов изображений (рис. 2.16) выбе-
Ðèñ. 2.17. Изображение нескольких графиков в одном окне Viewer

Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем 67
рем вариант: две системы графиков на одном рисунке и отметим в
правых строках «Step» и «BodeMag». На экране будут построены
эти графики. Щелчком правой клавиши отметим рисование сетки
«Grid». Выберем в меню «Edit» подпункт «Line Style» и установим
для второй системы рисование пунктирной линией. Получим графики, изображенные на рис. 2.18.
Ðèñ. 2.18. Изображение реакций нескольких систем
на одном рисунке
Для MIMO систем Viewer предоставляет дополнительные возможности по группированию входов и выходов, облегчающие анализ систем. Покажем это на примере.
Рассмотрим двухмассовую систему с учетом момента сопротивления, описываемую уравнениями (1.3), (1.4), (1.14), (1.15). Будем рассматривать два входа: момент двигателя M
сопротивления (момент нагрузки) M
щения двигателя ω
и скорость вращения механизма ωm. Предпо-
d
и два выхода: скорость вра-
c
и момент сил
d
ложим, что скорость двигателя регулируется интегро-пропорциональным регулятором (1.43). Программа имеет вид:
clear
clc
J1 = 21.5; J2 = 7; C = 243;
a = [0 -1/J1 0; C 0 -C; 0 1/J2 0];
b = [1/J1 0; 0 0; 0 -50/J2];c=[1 0 0;0 0 1];d=0;

68 Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем
sys1 = ss(a, b, c, d);
Tr = 1/350; Kp = 160;
reg = tf([Kp*Tr 1],[Tr 0]);
sys3 = append(reg, sys1);
sysc = connect(sys3, [1 -2; 2 1],[1 3],[2 3]);
step(sysc)
ltiview (Ï. 2.3)
Сначала создаются модели двухмассовой системы с двумя входами и двумя выходами sys1 и регулятора reg. При этом коэффициент по входу момента сопротивления увеличен в 50 раз, чтобы
ординаты кривых на графиках были примерно одинаковы. Далее
их надо соединить последовательно: выход reg с первым входом
sys1. На первый взгляд кажется, что для этой цели можно использовать команду series, однако в данном случае она не проходит, так как входом объединенной системы служит только вход
первой системы (рис. 1.12), а в нашем случае каждая из систем
должна иметь свой вход (для задания скорости и для момента нагрузки). Поэтому приходится использовать более сложные команды: append и затем connect. В объединенной системе три входа:
вход регулятора, момент двигателя, момент нагрузки и три выхода:
выход регулятора, скорость двигателя, скорость механизма. В результирующей системе sysc первый вход получает сигнал отрицательной обратной связи по скорости двигателя, второй вход —
с выхода регулятора, входы системы — задание регулятору и момент нагрузки, выходы — скорости вращения. После выполнения
программы появляется окно Viewer, в котором после выбора пунктов меню «File», «Import» появляется перечень созданных систем.
Выберем sysc, тогда в окне появятся 4 графика реакций — от каждого входа к каждому выходу (рис. 2.19). Часто желательно иметь
другое представление переходных процессов, например, рассматривать по одиночке в крупном масштабе или сгруппировать однотипные. Для этого правым щелчком мыши на рис. вызываем дополнительное меню, в котором выбираем пункт «I/O Grupping» и,
например, опцию «Outputs». Тогда обе реакции на один и тот же
вход оказываются изображенными на одном графике (рис. 2.20).
Можно также выбрать пункт «I/O Selector». При этом открывается
окно (рис. 2.21), где, поставив точки в кружочках, можно получить любое сочетание графиков. Сказанное относится не только к
опции step, но и к другим, предусмотренным во Viewer.
Viewer также интенсивно используется вместе со средством
разработки SISO систем — SISO Design Tool, которое рассматривается в следующем параграфе.

Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем 69
Ðèñ. 2.19. Изображение реакции MIMO
(каждый канал на отдельном графике)
Ðèñ. 2.20. Изображение реакции MIMO
(группирование каналов)

70 Глава 2. Методы анализа и синтеза линейных динамических систем
Ðèñ. 2.21. Выбор отображаемых каналов
2.2. Методы синтеза линейных
стационарных систем
2.2.1. Средство разработки SISO систем — SISO Design Tool.
Далее для сокращения записи используется термин «Design Tool».
Это средство оказывается весьма полезным при выборе структуры
и параметров систем регулирования методом проб и ошибок, его
применение значительно сокращает время проектирования. Фактически средство Design Tool основано на том, что любые изменения, которые вносятся в систему, немедленно отражаются на всех
диаграммах и графиках, описывающих систему, а само изменение
выполняется чаще всего простым перемещением мыши по одной
из диаграмм. При отсутствии такого средства при каждом изменении параметров требовалось бы заново проводить вычисления, а
при изменении структуры — писать новую программу.
Методику использования Design Tool лучше всего продемон-
стрировать на конкретном примере.
Передаточная функция двигателя постоянного тока, полагая,
что входной величиной является напряжение на его якоре, а выходом — угловое положение его вала (в дальнейшем «положение»)
имеет вид:
Gs
()=
d
K
d
2
TTs T s
++
ma m
1
s
1
(2.24)
ãäå T
тромагнитная постоянная времени, K
щий от параметров двигателя. Далее примем K
— электромеханическая постоянная времени, Ta— ýëåê-
m
— коэффициент, завися-
d
= 1, полагая, что
d
эта величина будет учтена при реализации синтезированного регулятора.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
