- •Основи теорії автоматичного управління
- •Частина 1. Лінійні системи
- •1. Загальна характеристика об'єктів і систем автоматичного керування
- •1.1 Короткі історичні відомості
- •1.2 Основні поняття і визначення
- •1.3 Принципи регулювання
- •1.4 Приклади систем автоматичного регулювання в хімічній технології
- •1.5 Класифікація систем автоматичного керування
- •1.6 Тренувальні завдання
- •1.7 Тести
- •2 Регулярні сигнали і їх характеристики
- •2.1 Визначення регулярного сигналу
- •2.2 Основні типи регулярних сигналів. Періодичні і безперервні сигнали
- •Перетворення Фурье, його основні властивості
- •Спектри сигналів
- •2.5 Розподіл енергії в спектрах сигналів
- •Практична ширина спектру і спотворення сигналів
- •2.7 Представлення сигналів
- •2.8 Сигнали. Їх види
- •2.9 Тренувальні завдання
- •2.10 Тести
- •3.Математичний опис автоматичних систем
- •3.1 Основні способи математичного опису. Рівняння руху.
- •3.2 Приклади рівнянь об'єктів керування
- •3.2.1 Гідравлічний резервуар
- •3.2.2 Електрична ємкість
- •3.2.3 Хімічний реактор повного перемішування
- •3.3 Визначення лінійної стаціонарної системи. Принцип суперпозиції
- •3.4 Динамічне поводження лінійних систем
- •3.5 Динамічні процеси в системах
- •3.6 Перехідна і вагова функції
- •3.6.1 Перехідна функція
- •3.6.2 Вагова функція
- •3.7 Інтеграл Дюамеля
- •Перетворення Лапласа
- •Визначення перетворення Лапласа
- •Властивості перетворення Лапласа
- •Рішення диференціальних рівнянь
- •Розбиття на прості дроби
- •Передаточна функція
- •3.10 Тренувальні завдання
- •3.11 Тести
- •4 Частотний метод дослідження лінійних систем
- •4.1 Елементи теорії функції комплексного змінного
- •4.2 Частотні характеристики
- •4.3 Зв'язок перетворень Лапласа і Фур’є
- •4.4 Зв'язок диференціального рівняння з частотними характеристиками
- •4.5 Фізичний сенс частотних характеристик
- •4.6 Мінімально-фазові системи
- •4.7 Поняття про логарифмічні частотні характеристики
- •4.8 Взаємозв'язок динамічних характеристик
- •4.9 Тренувальні завдання
- •4.10 Тести
- •5 Структурний аналіз лінійних систем
- •5.1 Ланка направленої дії
- •5.2 Типові динамічні ланки
- •5.2.1 Підсилювальна ланка
- •5.2.2 Інтегруюча ланка
- •5.2.6 Ланка чистого запізнювання
- •5.2.7 Аперіодична ланка першого порядку
- •5.2.8Ланка щоінерційно-форсуює
- •5.2.9 Аперіодична ланка другого порядку
- •5.2.10 Коливальна ланка
- •5.2.11 Особливі ланки
- •5.3 Основні способи з'єднання ланок
- •5.3.1 Структурні схеми
- •5.3.2 Паралельне з'єднання ланок
- •5.3.3 Послідовне з'єднання ланок
- •5.3.4 З'єднання із зворотним зв'язком
- •5.3.5 Передаточні функції замкнутої системи
- •5.3.6 Правила перетворення структурних схем
- •5.3.7 Формула мейсона
- •5.4 Типові закони регулювання
- •5.4.1 Пропорційний закон регулювання
- •5.4.2 Інтегральний закон регулювання
- •5.4.3 Диференційний закон регулювання
- •5.4.4 Пропорційно-диференційний закон регулювання
- •5.4.5 Пропорційно-інтегральний закон регулювання
- •5.4.6 Пропорційно-інтегрально-диференційний закон регулювання
- •5.5 Тренувальні завдання
- •5.6 Тести
- •6 Стійкість лінійних систем
- •6.1 Поняття стійкості і її визначення
- •6.2 Стійкість лінійного диференціального рівняння з постійнимикоефіцієнтами
- •6.3 Зображення руху у фазовому просторі
- •6.3.1 Поняття фазового простору
- •6.3.2 Фазові портрети лінійних систем другого порядку
- •6.4 Поняття стійкості руху
- •6.5 Основні види стійкості
- •6.5.1 Орбітальна стійкість
- •6.5.2 Стійкість по ляпунову
- •6.5.3 Асимптотична стійкість
- •6.6 Необхідна умова стійкості
- •6.7 Алгебраїчні критерії стійкості
- •6.7.1 Критерій стійкості рауса
- •6.7.2 Критерій стійкості гурвіця
- •6.7.3 Критерій стійкості л’єнара-шипаро
- •6.7.4 Стійкість і стала похибка
- •6.7.5 Область стійкості
- •6.8 Частотні критерії стійкості
- •6.8.1 Принцип аргументу
- •6.8.2 Критерій міхайлова
- •6.8.3 Критерій найквіста
- •6.8.4 Застосування критеріїв для дослідження стійкості систем
- •6.8.5 Аналіз стійкості по логарифмічних частотних характеристиках
- •6.9Тренувальні завдання
- •6.10 Тести
- •7. Синтез стійких систем з необхідним запасом стійкості
- •7.1 Стійкість ланок і систем. Запас стійкості.
- •7.2 Межі стійкості систем
- •7.2.1 Межа стійкості для систем з пі-регулятором
- •7.2.2 Межа стійкості для систем з пі-регулятором
- •7.2.3 Межі стійкості для системи з і-регулятором
- •7.3 Запас стійкості і його оцінка
- •7.3.1 Кореневі методи оцінки запасу стійкості
- •7.3.2 Частотні методи оцінки запасу стійкості
- •7.4 Розширені частотні характеристики
- •7.5 Аналіз систем на запас стійкості
- •7.6 Синтез систем з необхідним запасом стійкості
- •Система с п-регулятором
- •7.6.2 Система с і-регулятором
- •7.6.3 Система с пі-регулятором
- •7.6.4 Система з пд-регулятором
- •7.7 Використання логарифмічних частотних характеристик для забезпечення стійкості і заданого запасу стійкості
- •7.8 Структурно-стійкі системи
- •7.9 Малі параметри систем і їх вплив на стійкість
- •7.10 Використання корегуючих пристроїв для забезпечення стійкості і запасу стійкості
- •7.10.1 Послідовна корекція
- •7.10.2 Паралельна корекція
- •7.11 Тренувальні завдання
- •7.12 Тести
- •8.Якість процесів регулювання і методи її аналіза
- •8.1 Показники якості регулювання
- •8.1.1 Прямі показники якості регулювання
- •8.1.2 Непрямі показники якості регулювання
- •8.1.3 Інтегральні критерії якості регулювання
- •8.1.3.1 Лінійний інтегральний критерій
- •8.1.3.2 Модульний інтегральний критерій
- •Інтегральний квадратичний критерій
- •8.2 Частотні методи аналізу якості регулювання
- •8.2.1 Залежність між перехідною і частотними характеристиками
- •8.2.2 Властивості дійсно-частотних характеристик і відповідних їмперехідних процесів
- •8.3 Поняття про чутливість систем автоматичного регулювання
- •Тренувальні завдання
- •8.5 Тести
- •9 Методи розрахунку настроювальних параметрів для сар
- •9.1 Постановка задачі
- •9.2 Вибір оптимальних настройок регуляторів методом незгасаючих коливань
- •9.3 Алгоритм розрахунку області настройок типових регуляторів
- •9.4 Графоаналітичний метод розрахунку
- •9.5 Тренувальні завдання
- •9.6 Тести
- •Частина 2 нелінійні системи
- •10 Методи лінеаризації характеристик нелінійних систем
- •10.1 Особливості нелінійних систем
- •10.2 Типові нелінійні елементи систем керування
- •10.3 Методи лінеаризації
- •10.3.1 Розкладання в ряд Тейлора
- •10.3.2 Гармонійна лінеаризація
- •10.3.3 Вібраційна лінеаризація
- •10.4 Тренувальні завдання
- •10.5 Тести
- •11 Дослідження нелінійних систем методом фазового простору
- •11.1 Загальні відомості про метод фазового простору
- •Фазові портрети нелінійних систем другого порядку
- •Методи побудови фазових портретів
- •11.3.1 Інтегрування рівнянь фазових траєкторій
- •11.3.2 Метод ізоклін
- •11.3.3 Метод припасовування
- •11.3.4 Метод зшивання
- •11.4 Тренувальні завдання
- •11.5 Тести
- •12 Аналіз нелінійних систем на стійкість і якість
- •Основні види стійкості нелінійних систем
- •Методи дослідження стійкості нелінійних систем
- •12.2.1 Перший метод Ляпунова
- •12.2.2 Другий метод Ляпунова
- •12.2.2.1 Поняття про знаковизначенні, знакопостійні і знакозмінні функції
- •12.2.2.2 ФункціяЛяпунова
- •12.2.2.3 Теореми Ляпунова
- •12.3 Методи побудови функції Ляпунова
- •12.3.1 Функція Ляпунова у вигляді квадратичних форм
- •12.3.2 Побудова функції Ляпунова методом г. Сеге
- •12.3.3 Побудова функції Ляпунова методом д. Шульца
- •12.3.4 Побудова функції Ляпунова методом Лур’є – Постникова
- •12.4 Приклади побудови функцій Ляпунова
- •12.5 Абсолютна стійкость по критерію Попова
- •12.6 Методи визначення якості регулювання нелінійних систем
- •12.7 Тренувальні завдання
- •12.8 Тести
- •13 Автоколивання в нелінійних системах
- •13.1 Режим автоколивань в нелінійних системах
- •13.2 Методи дослідження автоколивань в нелінійних системах
- •13.2.1 Критерій Бендіксона
- •13.2.2 Метод гармонійного балансу
- •13.3 Тренувальні завдання
- •13.4 Тести
- •14.1. Опис систем у просторі станів
- •14.2. Структура рішення рівнянь змінні стану
- •14.3. Характеристики систем у просторі станів
- •14.4. Нормальна форма рівнянь у просторі станів
- •14.5. Керування по стану. Системи керування
- •14.6. Оцінювання координат стану систем
- •14.7. Прямий кореневий метод синтезу систем керування
- •14.8 Тренувальні завдання
- •14.9 Тести
- •15. Дискретні системи автоматичного керування
- •15.1. Загальні відомості
- •15.2. Структура й класифікація імпульсних систем
- •15.3. Математичний апарат дослідження дискретних систем
- •15.4. Передатні функції розімкнутих імпульсних систем
- •15.5 Структурні схеми і передатні функції
- •15.6. Частотні характеристики імпульсних систем
- •15.7 Стійкість імпульсних систем
- •15.8. Перехідні процеси в імпульсних системах
- •Перехідний процес
- •15.9 Точність і корекція імпульсних систем
- •15.10. Опис дискретних систем у просторі станів
- •15.11 Тренувальні завдання
- •15.12 Тести
- •16 Оптимальне керування динамічними системами
- •16.1. Основні поняття систем оптимального керування
- •16.2. Завдання синтезу оптимальних систем
- •16.3. Самонастроювальні і динамічні системи, що самонавчаються, оптимального керування
- •16.4 Тести
- •Загальна характеристика об'єктів і систем автоматичного керування.
- •1.1 Короткі історичні відомості 3
- •Регулярні сигнали і їхні характеристики
- •Математичний опис автоматичних систем.
- •Частотний метод дослідження лінійних систем
- •Структурний аналіз лінійних систем
- •6. Стійкість лінійних систем
- •7. Синтез стійких систем з необхідним запасом стійкості
- •8. Якість процесів регулювання і методи її аналізу
- •9. Методи розрахунку настроювальних параметрів для сар
- •10.Методи лінеаризації характеристик нелінійних систем
- •11.Дослідження нелінійних систем методом фазового простору
- •14. Аналіз і синтез сау у просторі станів
- •15. Дискретні системи автоматичного керування
- •16. Оптимальне керування динамічними системами
13.3 Тренувальні завдання
1. Однією з особливостей нелінійних систем є режим автоколивань, які можуть бути стійкими і нестійкими. На фазовій площині режиму автоколивань відповідає замкнута крива, звана граничним циклом. Існують два режими виникнення автоколивань: режим м'якого і режим жорсткого збудження.
А На які питання необхідно відповісти при зміні автоколивань?
В Чим режим м'якого збудження відрізняється від режиму жорсткого збудження?
С Які автоколивання називаються стійкими?
2. Для дослідження режиму автоколивань в системах високого порядку використовується метод гармонійного балансу, що є наближеним методом. Досліджувана нелінійна система повинна бути представлена у вигляді замкнутої системи, що складається з нелінійної частини з АФХ Wл(іω) і нелінійною ланкою з характеристикою уне = f(y), що допускає гармонійну лінеаризацію. Для відповіді на питання про існування в системі автоколивань графічно вирішується рівняння
Якщо АФХ лінійної частини перетинається з інверсною АФХ нелінійної частини
то в системі існують автоколивання, інакше не існують. При існуванні автоколивань визначають їх параметри - частоту і амплітуду і, використовуючи аналог критерію Найквіста, відповідають на питання про стійкість автоколивань.
А Якими властивостями повинна володіти лінійна частина нелінійної системи, щоб можна було застосувати до дослідження режиму автоколивань метод гармонійного балансу?
В Який факт лежить в основі доказу існування в нелінійній системі автоколивань?
С Сформулюйте аналог критерію Найквіста для дослідження стійкості автоколивань.
13.4 Тести
1 В якому з трьох випадків автоколивання стійкі
2 При режимі жорсткого збудження автоколивань утворюються:
А Два граничних цикла кінцевих розмірів, що злипнулися один з одним ;
В Два граничні цикли, один з яких нескінченно малий, а другий має кінцеві розміри;
С Два нескінченно малих граничних цикла.
3. В критерії Бендіксона досліджується вираз:
4. В критерії Бендіксона досліджуваний вираз повинен бути:
А знакозмінним;
В знаковизначеним;
С знакопостійним.
4. Згідно методу гармонійного балансу в нелінійній системі існує режим автоколивань, якщо АФХ лінійної частини і інверсна АФХ нелінійного елементу розташовані таким чином:
5. Параметри автоколивань визначаються з наступної системи рівнянь:
6. Режим автоколивань стійкий у випадку:
7. Основне рівняння, використовуване в методі гармонійного балансу, має вигляд:
Частина 3. ОПТИМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ ДИНАМІЧНИМИ СИСТЕМАМИ
14.1. Опис систем у просторі станів
Розвиток високоякісних систем керування зажадало розробки нових методів їхнього аналізу і синтезу.
Сучасна теорія керування, основу якої заклали відомі роботи Л.С.Понтрягина, Р.Беллмана й Р.Калмана, базується на описі систем у просторі станів. Опис у просторі станів являє собою загальний погляд на будь-які системи і придатний для дослідження і проектування складних систем з багатьма входами і виходами, тобто багатомірних і багатозв’язних систем. З математичної точки зору аналіз систем у просторі станів означає використання методів матричного вирахуванняі векторного аналізу.
Поняття станує визначальним у сучасній теорії керування.
Під станом системи розуміється мінімально-необхідний набір змінних величин системи x1,x2,...,xn, здатних однозначно і єдиним образомвизначитиположення системи в будь-який момент часу t. Сукупність змінних величин x1,x2,...,xn утворить n-мірний простір станів Rn. Вектор з компонентами x1,x2,...,xn називається вектором стану.
Розглянемо систему (рис.14.1) з m входами (u1,u2,...,um), r виходами (y1,y2,..., yr) і n змінними координатами (x1,x2,...,xn).
Рис. 14.1. Модель системи
Поводження системи в часі можна характеризувати не тільки вихідними величинами, але й проміжними змінними координатами в ланцюзі системи – зміннимистану xi, число яких дорівнює порядку системи n. Таким чином, виходить n-мірний вектор стану X, безліч можливих положень якого утворить векторний простір, називаний простором станів системи Rn. Величина й положення вектора стану системи із часом t змінюються, у результаті чого вектор X(t) описує криву, називану траєкторією руху системи в просторі станів.
У загальному випадку звичайних лінійних систем, описуваних системою диференціальних рівнянь у нормальній формі, розглянута система може бути визначена наступною векторно-матричною формою
(14.1)
де X - вектор стану системи, Y - вектор вихідних керованих величин, U - вектор зовнішніх впливів (що задають і що обурюють), а саме:
, , ;
А, В, C, D - матриці системи.
Система рівнянь (14.1) є стандартним описом систем керування в просторі станів.
Рівняння (14.1) несуть великий обсяг інформації про динамічні властивості системи з m входами й r виходами при t0 t T.
Перше рівняння з (14.1) визначає динамічні характеристики системи і являє собою компактний запис системи n лінійних диференціальних рівнянь, дозволених відносно похідних першого порядку (нормальна форма Коші)
при i=1,2, ... ,n, (14.2)
де aijі bij - постійнікоефіцієнти.
Другерівнянняз (14.1) єрівняннямвиходусистемиіявляєсобоюкомпактнийзаписсистеми r лінійнихалгебраїчнихрівнянь
приi=1,2, ... ,r, (14.3)
деcijіdij–постійнікоефіцієнти.
Устандартнійформіопису (14.1)
- матриця системи;
- матриця керування;
- матриця спостереження;
- матриця зв'язку.
Матриця системи A, елементи якої визначаються структурною схемою системи й значеннями її параметрів, характеризує динамічні властивості системи, її вільний рух. Матриця керуванняB характеризує вплив зовнішніх впливів на змінні стану системи, тобто визначає чутливість системи до зовнішніх впливів (що задають і що обурюють). Матриця спостереження C характеризує зв'язок вихідної величини системи з вектором стану. Звичайно не всі складового вектора стану є спостережуваними сигналами, тобто можуть бути обмірювані за допомогою яких-небудь датчиків, у той час як вихідний сигнал завжди спостерігаємо. Матриця зв'язку D встановлює зв'язок вихідної величини системи із зовнішнім впливом.
Таким чином, четвірка матриць A, B, C, D повністю визначає систему керування.
Матричні методи дають можливість звертатися з n рівняннями подібно тому, як це робиться з одним рівнянням.
На рис.14.2 показана структурна схема системи керування, що відповідає стандартній формі опису систем у просторі станів; подвійні лінії на рисунку характеризують векторні зв'язки. Варто мати на увазі, що вибір змінних стану це неоднозначна операція.
Значення початкового стану X(t0) і вхідного впливу U(t) достатні для того, щоб однозначно і єдиним образом знайти вихідну величину Y(t) на інтервалі часу t0 t T, тобто визначити значення Y(t) у сучасний момент і пророчити поводження її в майбутньому.
Таким чином, стандартний опис систем керування в просторі станів дозволяє однозначно визначити вихідну величину системи по відомому зовнішньому впливу й початковому стану системи.
Рис. 14.2. Структурна схема системи у векторній формі:
(∫ - блок інтеграторів; A,B,C,D - блоки матричних підсилювачів
Рівняння змінністану являють собою найбільш повний математичний опис динаміки системи з декількома входами й виходами й дозволяють виробити підхід для рішення різних класів завдань теорії керування з єдиних позицій.