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

ТСАУ (часть 1)

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
952.87 Кб
Скачать

мы; второе (со знаком минус) – T – для большинства систем равно нулю;

qi

третье – Ф – определяет силы сопротивления, приводящие к рассеянию меха-

qi

нической энергии в системе; четвертое – П – выражает потенциальные силы

qi

(силы тяжести, упругости и т. п.).

Кинетической энергией обладают тела, имеющие массу m, если совершают поступательное движение, и моментом инерции J, если совершают вращательное движение (либо оба движения одновременно – плоскопараллельное движение). В общем случае выражение для кинетической энергии системы имеет вид:

n

1

 

m

1

 

 

T

miqi2

 

J j q2j ,

(17)

2

2

i 1

 

j 1

 

 

где mi, qi – масса поступательно движущегося элемента и его скорость;

Jj, q j – момент инерции вращательно движущегося элемента и его угловая

скорость.

В случае рассмотрения динамики малых колебаний в механической системе все силы тяжести, не создающие вращающего момента и которые можно определить путем решения задачи статики, для упрощения расчетов можно исключить. Тогда потенциальная энергия определяется только свойствами всех упругих элементов согласно выражению:

n

1

 

 

 

П

ci i2

,

(18)

2

i 1

 

 

 

где ci – жесткость произвольного упругого элемента;

i – деформация этого элемента, которую необходимо выразить через заданные обобщенные координаты.

Диссипативная функция системы определяется аналогичным образом для всех элементов, рассеивающих механическую энергию:

10

m

1

 

 

Ф

j 2j ,

(19)

2

j 1

 

 

где βj – коэффициент вязкого трения диссипативного элемента или эквивалентный ему в случае, если элемент рассеивает энергию за счет сухого трения или каким-либо другим образом;

j – скорость деформация этого элемента, которую также необходимо вы-

разить через скорости обобщенных координат.

Обозначение элементов, обладающих массой, и их связей в системе приведено на рис. 3.

m

J

 

m, J

 

 

 

 

β

с

 

 

 

 

x

φ

φ

x

 

 

 

 

 

 

а

б

 

в

г

д

Рис. 3. Обозначение элементов механической системы на расчетной схеме: тела, движущиеся поступательно (а), вращательно (б) и плоскопараллельно (в); диссипативная (г) и упругая (д) связь

Для определения обобщенной силы Fi необходимо записать выражение для возможной мощности через скорость обобщенной координаты qi , а также для суммы возможных мощностей всех активных сил, приложенных в различных точках системы, через скорости этих точек при условии что все скорости обобщенных координат равны нулю, кроме выбранной i-й координаты:

n

 

Fi qi Fk k .

(20)

k1

Ввыражении (20) присутствуют скалярные произведения, вычисляемые в общем виде по формуле:

a b a b cos ,

(21)

где a, b – модули векторов a и b;– угол между ними.

11

Далее для каждого уравнения необходимо с помощью кинематических преобразований выразить скорости всех точек через одну, например, через скорость самой обобщенной координаты qi , а затем сократить левую и правую части выражения (20) на эту скорость:

n

 

Fi bk Fk ,

(22)

k 1

здесь Fi и Fk – модули сил;

bk – некоторые числовые коэффициенты, полученные в процессе кинематических преобразований.

После определения всех составляющих уравнения Лагранжа 2-го рода для каждой обобщенной координаты в расчетной схеме механической системы или соотношений между падением напряжения на каждом из элементов и протекающим через него током в электрической схеме можно составить систему, содержащую однородные или неоднородные дифференциальные уравнения. Количество этих уравнений определяется числом степеней свободы механической системы или количеством токов в электрической цепи.

Полученные дифференциальные уравнения системы необходимо преобразовать в операторную форму, пользуясь прямым односторонним преобразованием Лапласа:

 

 

X (s) L x(t) x(t)e st dt,

(23)

0

 

где L{x(t)} – оператор Лапласа;

x(t) – оригинал сигнала (функция времени); X(s) – изображение сигнала по Лапласу.

При определении передаточной функции принимают нулевые начальные условия для системы уравнений. При этом нужно отметить следующие основные свойства преобразования Лапласа:

1) Y(s) = a X(s), если y(t) = a x(t) и a = const; 2) Y(s) = X(s) + Z(s), если y(t) = x(t) + z(t);

3) Y(s) = s X(s), если y(t) dx(t) (при нулевых начальных условиях); dt

4) Y(s) = 1/s X(s), если y(t) x(t)dt.

12

Для успешного решения задачи необходимо, чтобы число уравнений в системе равнялось числу неизвестных сигналов, включая искомые и промежуточные. При этом входной сигнал считается заданным и слагаемые, содержащие его, должные располагаться в правой части неоднородного уравнения.

Если динамика системы задана уравнением (1), то, преобразовав его по Лапласу, получим выражение в операторной форме:

a snY (s) a

sn 1Y (s) ... a Y (s) b

sm X (s) b

sm 1X (s) ... b X (s), (24)

n

n 1

0

m

m 1

0

откуда можно выразить передаточную функцию в виде отношения двух полиномов:

W (s)

Y (s)

 

b sm b

sm 1

... b

 

 

 

m

m 1

0

,

(25)

X (s)

a sn a

sn 1

... a

y/ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n 1

 

0

 

 

где X(s) и Y(s) – изображения входного и выходного сигналов.

В случае, когда система содержит несколько неизвестных сигналов, необходимо решить эту систему в операторной форме (она будет содержать линейные алгебраические уравнения) для искомого сигнала, выразив его через входной сигнал, а затем из полученного решения выразить соотношение для передаточной функции, поделив изображение выбранного выходного сигнала Yi(s) на изображение входного сигнала X(s).

Если внешних воздействий в системе несколько, то необходимо определять передаточные функции по каждому из них отдельно, принимая остальные входные сигналы равными нулю. Затем в линейной системе согласно принципу суперпозиции можно определить произвольную i-ю выходную координату как сумму реакций системы на каждое из этих воздействий с учетом соответствующей передаточной функции:

Yi (s) Wyi/ x1(s) X1(s) ... Wyi/ xn (s)Xn (s).

(26)

1.2. Задание для самостоятельной работы

Задана расчетная схема механической (нечетные варианты) или электрической (четные варианты) системы (рис. 4). Параметры системы и сигналы в ней для нечетных вариантов приведены в табл. 1, для четных – в табл. 2.

13

Вмеханической системе внешнее воздействие может быть силовым (сила F(t) и момент силы M(t)) или кинематическим – перемещение точки системы η(t). Выходными сигналами являются обобщенные координаты. Параметры системы: m – масса и J – момент инерции тел, β – коэффициент вязкого трения

иc – жесткость связей, a и b – линейные размеры.

Вэлектрической схеме входным сигналом является напряжение на первом каскаде схемы e1(t), выходные сигналы – напряжение e2(t) на выходном сопротивлении последнего каскада и ток i2(t), протекающий через элементы, составляющие это сопротивление. Параметры системы: R – активное сопротивление резисторов, L – индуктивность катушек, C – емкость конденсаторов.

Определить систему дифференциальных уравнений, описывающих динамику системы и найти передаточные функции для выходных сигналов по внешнему воздействию.

 

 

a

φ

b

β1

 

 

R1

L2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1

 

 

 

F(t)

 

 

 

R2

 

1

 

 

 

 

2

e1

 

e2

m

 

 

x

C1

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

 

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

c1 J

β1

 

β2

 

 

 

R1

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

η(t)

 

 

 

 

3

 

4

e1

L1

C2

e2

a

x

 

 

C1

 

 

i2

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

 

L2

 

c1

m

β1

β2

 

 

 

 

 

F(t)

 

 

R1

 

 

5

 

 

6

e1

R2

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

 

 

C1

 

i2

x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Расчетные схемы динамических систем (по вариантам)

14

c1 β1

a

L1

C2

 

 

 

 

 

M

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

7

 

c2

b

8

e1

R1

 

R2

L2

e2

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

C1

R1

 

C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

η(t)

c1

 

β1

10

e1

 

 

 

 

e2

 

 

 

 

 

L1

R2

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

x

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

β2a

 

 

12

e1

C1

 

L2

 

e2

 

β1

 

c1

 

 

 

 

 

J

 

 

 

R1

 

C2

 

i2

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

η(t)

 

 

 

 

 

R1

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1

a

b

β1

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

14

e1

 

 

e2

 

m

 

 

 

L1

L2

 

 

φ c2

 

 

 

x

 

C1

 

 

i2

 

 

 

β2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1

a

 

 

 

 

C1

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

x

 

β2

φ b

β1

16

e1 R1

C2

L2

e2

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

F(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1

 

a

 

 

 

 

L2

 

 

 

 

c2

 

β2

ψ

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

M

18

e1

L1

R2

e2

 

φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

J

 

 

R1

C2

 

 

 

 

b

 

 

β1

 

 

 

 

 

Рис. 4, лист 2

15

c1

F(t)

β1

L1

C2 R1

 

 

 

 

 

m

 

x

 

 

 

 

 

19

β2

20

e1

C1

R2

e2

 

y

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

β1

m

c2

 

 

 

R1

L2

 

 

η(t)

 

c1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

β2 φ

a

22

e1

C1

 

R2

e2

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

L1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

a

x

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

c2

c1

 

24

e1

C1

R2

C2

e2

β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

 

 

i2

 

M

 

β2

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

c1

η(t)

L1

C2

 

 

 

 

 

x

β2

 

 

 

R2

 

25

a

β1

26

 

R1

 

 

 

e1

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

b

 

 

 

 

L2

i2

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ

ψ

 

L1

R1

R2

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1

b

 

 

 

 

 

27

 

 

28

 

 

 

 

 

β1

 

e1

C1

C2

e2

 

 

c2

 

 

 

 

 

 

 

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β2

 

 

 

 

 

 

c1

F(t)

β1

 

 

R1

R2

 

29

x

c2

b

30

e1

L1

C2 L2

e2

 

 

 

J

 

 

 

 

 

i2

 

 

β2

a

φ

 

 

 

 

Рис. 4, лист 3

16

Т а б л и ц а 1

Параметры и сигналы механической системы

Номер

m,

 

J,

β1,

 

β2,

 

с1,

 

с2,

 

a, м

 

b, м

 

Обобщ.

Внешн.

варианта

кг

 

кг∙м2

Н∙с/м

Н∙с/м

 

Н/м

Н/м

 

 

 

коорд.

возд.

1

5

 

5

 

25

 

1000

750

 

0,5

0,8

 

x, φ

F(t)

3

 

0,5

8

 

12

 

2000

500

 

0,7

 

 

x, φ

η(t)

5

10

 

50

 

5

 

800

300

 

 

 

x, y

F(t)

7

2

 

6

 

15

 

200

1000

 

1,0

1,5

 

x, φ

M(t)

9

3

 

12

 

25

 

700

900

 

 

 

x, y

η(t)

11

 

2

8

 

18

 

500

300

 

1,2

 

 

x, φ

M(t)

13

7

 

15

 

35

 

600

1800

 

0,6

0,8

 

x, φ

η(t)

15

8

 

16

 

28

 

250

900

 

0,7

0,3

 

x, φ

F(t)

17

 

3,2

10

 

23

 

1200

450

 

0,9

1,5

 

φ, ψ

M(t)

19

12

 

48

 

14

 

450

1300

 

 

 

x, y

F(t)

21

5

 

13

 

17

 

400

700

 

0,8

 

 

x, φ

η(t)

23

2

 

24

 

12

 

850

500

 

0,4

0,6

 

x, φ

M(t)

25

 

1,4

4

 

10

 

300

800

 

0,7

0,2

 

x, φ

η(t)

27

 

2,5

20

 

15

 

1100

350

 

0,6

1,1

 

φ, ψ

M(t)

29

 

1,8

28

 

11

 

1200

650

 

0,5

0,9

 

x, φ

F(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 2

 

 

 

Параметры и сигналы электрической системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Номер

R1, Ом

R2, Ом

 

 

L1, мГн

 

L2, мГн

 

C1, нФ

 

C2, нФ

варианта

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

200

2000

 

 

 

 

 

250

 

 

500

 

1000

4

 

300

700

 

 

500

 

 

 

 

1200

 

500

6

 

800

1300

 

 

200

 

 

650

 

 

900

 

8

 

400

1500

 

 

750

 

 

300

 

 

 

 

250

10

 

600

1800

 

 

1200

 

 

 

 

1500

 

800

12

 

400

850

 

 

 

 

 

900

 

 

650

 

400

14

1000

500

 

 

300

 

 

750

 

1300

 

16

2000

1200

 

 

 

 

2500

 

1800

 

200

18

 

100

1250

 

 

300

 

 

550

 

 

 

 

1200

20

 

350

1400

 

 

650

 

 

 

 

 

700

 

1350

22

 

450

1700

 

 

300

 

 

800

 

1000

 

24

 

500

1200

 

 

 

 

 

150

 

 

850

 

400

26

 

300

900

 

 

500

 

 

650

 

 

 

 

1750

28

 

250

1100

 

 

350

 

 

 

 

 

600

 

300

30

 

700

800

 

 

400

 

1350

 

 

 

 

650

17

Дополнительное задание. Определить временные характеристики системы (импульсную и переходную).

Указание. Для решения задачи можно воспользоваться обратным преобразованием Лапласа и тем свойством, что импульсная характеристика является оригиналом передаточной функции и первой производной переходной характеристики.

1.3.Контрольные вопросы

1)Что такое передаточная функция?

2)Как перейти от системы дифференциальных уравнений к передаточным функциям и обратно?

2.ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ САУ

2.1.Теоретические сведения

В некоторых случаях для упрощения задачи составления дифференциальных уравнений динамики системы и исследования ее динамических свойств можно воспользоваться представлением системы в виде структурной схемы, состоящей из динамических звеньев с типовыми передаточными функциями, соответствующих отдельным функциональным устройствам реальной САУ. Чтобы проводить дальнейшие расчеты динамических характеристик системы, ее исходную модель, представленную структурной схемой, следует представить в удобном виде, соответственно возникает задача преобразования структурной схемы САУ.

В любой схеме САУ всегда можно выделить следующие основные элементы: одномерное динамическое звено, узел (разветвление), сумматор и устройство сравнения (табл. 3). Более сложные конструкции, имеющие место в частных случаях моделирования отдельных видов систем, могут быть представлены с помощью определенной комбинации указанных базовых элементов. Принципиальной разницы между сумматором и устройством сравнения нет, отличие заключается только в знаке арифметической операции, применяемой к сигналам. Тем не менее у устройства сравнения помимо входов, сигналы на которых вычитаются, как правило, существует единственный вход, в который сигнал пода-

18

ется со знаком плюс. Именно с этим сигналом производится сравнение остальных, располагается этот вход на одной линии с выходом устройства сравнения. У сумматора в свою очередь все сигналы складываются.

Т а б л и ц а 3

Базовые элементы структурной схемы САУ

Название элемента

Обозначение на схеме

Свойства

Одномерное

X

 

 

 

 

Y

Y(s) = W(s)X(s)

W(s)

динамическое звено

 

 

 

 

 

X

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Узел (разветвление)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X(s) = X1(s) = X2(s)

 

X

 

 

X2

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

Сумматор

 

 

 

 

 

 

 

Z(s) = X(s) + Y(s)

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

-

 

Z

 

Устройство сравнения

 

 

 

 

 

 

 

Z(s) = X(s) – Y(s)

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При решении данного вида задач исходную структурную схему стремятся привести к типовому виду (рис. 5): в виде единственного динамического звена (для случая исследования разомкнутой системы) либо в виде схемы с единичной (жесткой) отрицательной обратной связью (для случая анализа замкнутой системы).

X

 

Y

X

-

 

 

 

 

Y

 

 

 

W(s)

W(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

Рис. 5. Типовая структурная схема линейной разомкнутой (а) и замкнутой (б) системы

Различают три основных вида соединения динамических звеньев (рис. 6): последовательное, параллельное согласное и параллельное встречное. Каждое из указанных соединений можно заменить одним динамическим звеном с передаточной функцией, определяемой по формуле:

для последовательного соединения –

W (s) W1(s)W2 (s);

(27)

19