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

Метода_ТУ

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
717.86 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И

ТЕОРИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Теория управления

Методические материалы для лабораторных занятий и СРС

Донецк

2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И

ТЕОРИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Теория управления

Методические материалы для лабораторных занятий и СРС

Утверждено на заседании ученого совета факультета математики и информационных технологий.

Протокол № 126 от 21.03.2013 г.

Донецк

ДонНУ

2013

УДК 681.5 В 144

Авторы: Н. В. Вайсруб, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики и теории систем управления факультета математики и информационных технологий, А. Н. Голуб, ассистент кафедры прикладной математики и теории

систем управления факультета математики и информационных технологий, М. И. Зейдина, старший преподаватель кафедры прикладной

математики и теории систем управления факультета математики и информационных технологий

Рецензент: Д. В. Шевцов, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики и теории систем управления факультета математики и информационных технологий

Ответственный за выпуск: А-В. В. Мельник, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной математики и теории систем управления факультета математики и информационных технологий

Теория управления: методические материалы для лабораторных занятий и СРС / Н. В. Вайсруб, А. Н. Голуб, М. И. Зейдина. – Донецк: ДонНУ, 2013. – 79 с.

Методические материалы содержат краткие теоретические положения теории управления, рекомендации к решению практических задач, примеры решения задач, а также контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

Для студентов специальностей «Прикладная математика» и «Информатика», математиков-аналитиков и разработчиков информационных систем управления.

УДК 681.5

В 144 © Вайсруб Н. В., 2013

© Голуб А. Н., 2013 © Зейдина М. И., 2013 © ДонНУ, 2013

 

Содержание

 

Введение...............................................................................................................

4

Тема 1 Преобразование Лапласа и его свойства.

 

Основы операционного исчисления..................................................................

5

Тема 2 Обратное преобразование Лапласа.....................................................

10

Тема 3 Применение преобразования Лапласа для решения

 

обыкновенных дифференциальных уравнений .............................................

14

Тема 4 Импеданс динамической системы ......................................................

20

Тема 5 Передаточная функция динамической системы................................

27

Тема 6

Переходная и весовая функции динамической

 

системы...............................................................................................................

34

Тема 7

Частотные характеристики динамической системы.........................

39

Тема 8

Типовые звенья динамических систем...............................................

44

Тема 9

Логарифмическая амплитудная частотная

 

характеристика ..................................................................................................

48

Тема 10 Асимптотическая устойчивость динамической

 

системы...............................................................................................................

59

Список рекомендованной литературы............................................................

75

Приложение А. Таблица оригиналов и их изображений..............................

76

Введение

Теория управления изучает общие принципы построения автоматических систем и методы их исследования независимо от физической природы процессов, происходящих в них. Теория управления является теоретической базой автоматических систем в различных областях техники, дает основную теоретическую базу для исследования и проектирования автоматических и автоматизированных систем, изучает процессы управления и задачи создания любых систем с обратной связью.

Методические материалы для лабораторных занятий и СРС по теории управления содержат краткие теоретические сведения, излагаемые студентам факультета математики и информационных технологий специальностей «Прикладная математика» и «Информатика» в рамках общего курса «Теория управления», а также рекомендации к решению практических задач, примеры решения задач, контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. Материал пособия охватывает элементы операционного исчисления, описание линейных динамических систем в виде модели «вход–выход», исследование динамических и частотных характеристик, анализ типовых звеньев, составляющих систему,

а также проблему асимптотической устойчивости систем.

Методические материалы предназначены для использования при проведении лабораторных занятий по курсу «Теория управления», а также для самостоятельной работы студентов.

4

Тема 1 Преобразование Лапласа

Тема 1 Преобразование Лапласа и его свойства.

Основы операционного исчисления

Пусть функция f (t) , t R удовлетворяет следующим условиям: 1) f (t) – кусочно-непрерывная функция на интервале [0, + ∞) ; 2) t < 0 f (t) = 0 ;

 

 

3) такие константы

A, S ,

A> 0: t 0 выполняется неравенство

f (t)

 

< AeS t , то есть функция

f (t)

возрастает не быстрее экспоненциальной

 

функции.

Определение. Преобразованием Лапласа функции f (t) , удовлетворяющей условиям 1) – 3), называется функция комплексной переменной p , определяемая равенством:

L[ f (t)] = F ( p) = f (t)e p t dt .

0

Определение. Обратное преобразование Лапласа для изображения F (p)

это функция f (t ) такая, что L[ f (t )]= F (p).

При этом функция f (t) называется оригиналом, а функция F (p) называется изображением Лапласа.

Найдем преобразования Лапласа для некоторых простейших функций.

Пример 1.1. Найти преобразование Лапласа функции f (t) = 0 .

Решение. Функция f (t) = 0 удовлетворяет всем трем приведенным выше условиям. Тогда ее преобразование Лапласа равно:

L[ f (t)] = L [0] = 0 e pt dx = 0 .

0

Ответ: L [0] = 0 .

Пример 1.2. Найти преобразование Лапласа функции f (t) = 1 .

Решение. Функция

f (t) = 1 не удовлетворяет условию 2. Введем новую

функцию

1, t 0

и найдем ее преобразование Лапласа. Такую операцию

I (t) =

 

0, t < 0

 

в дальнейшем будем проделывать со всеми функциями, которые удовлетворяют условиям 1 и 3, но не удовлетворяют 2, и для краткости соответствующие обозначения будем опускать.

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1 Преобразование Лапласа

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

L[I (t)] =

1 e pt dt = −

e pt

|

= −

(0 − 1) =

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

p

0

 

p

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

L [I (t )] =

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.3. Найти преобразование Лапласа функции

f ( x) = eα t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

L[ f (t )]= eα t e p t dt = e −( pα ) t dt = −

e

−( pα ) t

 

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p α

 

 

0

 

 

 

0

 

 

p α

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

L [eα t ]=

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразования Лапласа многих элементарных функций приведены в таблицах соответствий оригиналов и их изображений (см. Приложение А) [1]. Для нахождения преобразования Лапласа от функций, не представленных в таблице, целесообразно воспользоваться свойствами преобразования Лапласа, позволяющими находить изображение заданной функции без непосредственного интегрирования.

Свойства преобразования Лапласа

Пусть функции f (t ) и g (t ) удовлетворяют условиям 1) – 3), и определены

следующие преобразования Лапласа: L[ f (t)]

= F ( p) и L[g(t)] = G( p) .

1.

Линейность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для любых постоянных a и b справедливо равенство:

 

L[a f (t ) + b g(t)] = aF ( p) + bG( p) .

2.

Подобие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для любой постоянной a > 0 справедливы равенства:

 

L[ f (at)] =

1

p

1

t

 

 

F

 

 

, L

 

 

f

 

= F (ap).

 

a

 

 

 

 

 

a

a

a

3.

Теорема запаздывания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть t < a (a > 0) f (t a) = 0 , тогда:

 

 

 

L[ f (t a)] = e ap F ( p) .

4. Теорема смещения

Для любой постоянной a справедливо равенство:

L[e at f (t)]= F (p + a ).

5. Теорема упреждения

Для любой постоянной a > 0 верно равенство:

 

a

L [ f (t + a)] = eap F ( p) − ept

 

0

f (t ) dt .

6

Тема 1 Преобразование Лапласа

6. Дифференцирование оригинала

n

L [f (n) (t)]= p n F ( p) − p nk f (k −1) (0) .

k =1

7. Дифференцирование изображения

L [(−1) n t n f (t)]= F (n) ( p) .

8. Интегрирование оригинала

t

 

F ( p)

L

f (τ ) =

 

.

 

0

 

p

9. Интегрирование изображения

f (t)

L

 

 

= F (q)dq .

 

 

t

 

p

 

 

 

Рассмотрим примеры использования перечисленных свойств преобразования Лапласа для нахождения изображений.

Пример 1.4. Найти преобразование Лапласа функции

f (t ) = 2 + 4 e5t .

Решение. Воспользуемся тем, что L [1] =

1

и L [e5t ]=

1

. Тогда в силу

 

p − 5

 

 

 

 

 

p

 

линейности преобразования Лапласа, получаем:

 

 

L [2 + 4e5t ]= 2 L [1]+ 4 L[e5t ] =

2

+

4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pp − 5

Внекоторых случаях эффективным является применение формул Эйлера, как это показано далее в примере 1.5:

sin β t =

eiβ t e

iβ t

eiβ t + e

iβ t

 

 

; cos β t =

 

 

.

2i

 

2

 

 

 

 

 

 

Пример 1.5. Найти преобразование Лапласа функции f (t ) = sin β t . Решение. Воспользуемся формулами Эйлера, а затем свойством

линейности преобразования Лапласа.

L [sin β t ] = L

eiβ t

eiβ t

 

 

1

(L [eiβ t ]L[eiβ t ])=

1

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i

 

 

 

 

2i

 

 

2i p

 

p +

 

=

1

 

p + p +

) =

 

 

 

β

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i ( p )( p + )

p

2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: L [sin β t ] =

 

β

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Тема 1 Преобразование Лапласа

Пример 1.6. Найти преобразование Лапласа функции

 

f (t ) = cos β t .

Решение. Преобразование Лапласа получим аналогично примеру 1.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eiβ t + e

iβ t

 

 

 

1

1

 

 

 

 

1

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L[cos β t] = L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

p 2 + β 2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2 p iβ p +

 

 

 

 

 

Ответ: L [cos β t ] =

 

 

 

 

p

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.7. Найти преобразование Лапласа функции

 

f (t ) = e α t sin β t .

Решение.

Воспользуемся теоремой смещения

(свойство 4) и тем, что

L [sin β t ] =

 

 

 

β

 

 

 

. Получаем: L [eα t sin β t ]=

 

 

 

 

 

 

β

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( p + α )2 + β 2

 

 

 

 

Пример 1.8. Найти преобразование Лапласа функции f (x) = eγ t

cos β t .

Решение. Аналогично примеру 1.7, получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L [eγ t

cos β t ]=

 

 

p γ

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( p γ )2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.9. Дано изображение Лапласа F ( p) =

 

5

 

.

Найти оригинал.

 

 

 

 

 

p − 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

В силу линейности обратного преобразования Лапласа и того

факта, что L[eα t ]=

 

1

 

 

 

,

получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L−1

 

 

 

 

 

 

 

= 5L−1

 

 

 

 

 

= 5 e 4t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

4

 

 

 

 

p − 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.10.

Дано

 

изображение

 

Лапласа

 

F ( p) =

 

 

2

 

. Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

5 p

2 + 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оригинал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Воспользуемся тем, что L[sin β t ]

=

 

 

 

β

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 2 + β 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L−1

 

 

 

 

 

 

 

 

= L−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

L−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

sin 2t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 p

2

+ 20

 

 

 

 

 

 

 

2

+ 4

)

 

 

5

 

p

2

+

2

2

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи для самостоятельного решения к теме 1

Задача 1.1. Найти преобразование Лапласа следующих функций:

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1 Преобразование Лапласа

а)

f (t) = e− 4t

+

 

1

et ;

 

 

 

б)

f (t) = sin 3t − 4e12t ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

f (t) = sin

 

 

 

t +

1

cos 2t ;

 

 

 

г)

f (t) = 12et − 3e2t + 4 .

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.2. Дано изображение Лапласа F ( p) . Найти оригинал f (t) :

 

 

 

а) F ( p) =

1

;

 

 

 

 

 

 

б) F ( p) =

12

;

 

в) F ( p) =

 

 

3

 

; г) F ( p) =

p

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p + 5

 

 

 

 

2 p + 1

p 2 + 1

д) F ( p) =

 

 

2

 

 

;

е) F ( p) =

4 p

 

;

ж) F ( p) =

 

7

 

; з) F ( p) =

3

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 p 2

 

 

 

 

p

2

+1

 

 

 

p 2 + 4

 

 

 

p

2

+ 5

 

+ 8

 

Контрольные вопросы к теме 1

Основной уровень

1.Дайте определение преобразования Лапласа.

2.Какими свойствами должна обладать функция f (t ), чтобы возможно

было определить ее преобразование Лапласа L [ f (t )]?

3.Сформулируйте следующие свойства преобразования Лапласа: линейность, подобие, теорема запаздывания, теорема упреждения, теорема смещения.

4.Дайте определение обратного преобразования Лапласа.

Углубленный уровень

1.Что называют изображением по Лапласу и оригиналом?

2.Сформулируйте следующие свойства преобразования Лапласа: дифференцирование изображения, дифференцирование оригинала, интегрирование изображения, интегрирования оригинала.

9