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

Пакеты расширения MATLAB. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
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]