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

Емельянов С.В. Новые типы обратной связи

.pdf
Скачиваний:
1037
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
4.58 Mб
Скачать

2.2. Стабилизация объекта с неопределенным оператором

91

(что, конечно, решает рассматриваемую задачу) и направляется вы­ бор управления и на входе объекта Pi:

Z + Xiz = fi + u.

(2.24)

Для синтеза подходящего управления и удобно записать уравнения движения объекта Pi (2.24) относительно ошибки е = D — 2. Диффе­ ренцируя последнее уравнение по t и производя замены по формулам

Z = V •

i = Д 4- U - Ai v + Ai е.

 

находим искомое уравнение движения в виде

 

 

ё + Xie = (р— и,

(2.25)

где (f — v + Xiv + fi. Объект (2.25) также удовлетворяет МС-условию, и поэтому уместно применение глубокой обратной связи по ошибке в стандартном виде и = kic. В результате имеем замкнутую систему управления с уравнением движения вида

e + {ki -I-Ai)e = ip.

При fci —»^ оо объект (2.25) стабилизируется в нуле, что и требо­ валось доказать. Поскольку ясно, что обратная связь v = —к-^у при А;2 ^ 00 стабилизирует объект Рг в нуле при любых Аг и /г, то можно теперь изобразить структурную схему синтезированной системы кас­ кадного регулирования (рис. 2.38). Каскадность этой системы упра-

V е

9

А

1

- ^

 

 

s + Xi

 

 

Рис. 2.38

вления следует из того, что обратная связь и = kie способна подавить возмущение

f = k2y + Xik2y + fi

только в том случае, если выполняется условие

lim — 0.

fci-*oo *1

кз-¥оо

92

Глава 2. Некоторые принципы построения нелинейных регуляторов

Последнее условие и устанавливает иерархию коэффициентов уси­ ления местных контуров обратных связей, а вместе с этим вводит в

систему каскадность. Если структурную схему полученной системы стабилизации представить в виде схемы, изображенной на рис. 2.39, то появляется возможность полезных содержательных интерпрета­ ций. При таком представлении видны два контура обратных свя-

s + Xj • ®- -к2 - |

Z

Рис. 2.39

зей, причем внутренний контур является более "быстрым" (в пределе бесконечно более "быстрым", чем внешний контур) и, значит, можно считать переменные внешнего контура как бы "замороженными" по отношению к переменным внутреннего контура. Поэтому если вну­ тренний контур устойчив, то можно считать, что 6 = 11 — г = Ои, сле­ довательно, внутренний контур как бы "передает" или индуцирует на входе объекта Рг управление v. В связи с этим принцип каскадного регулирования иногда называют принципом индуцированных обрат­ ных связей.

2.2.3. Структура объектов каскадного регулирования

Рассмотренную выше (рис. 2.39) структуру системы каскадного ре­ гулирования нетрудно обобщить на случай произвольного числа m каскадов (рис. 2.40). При этом стабилизация выхода объекта у в нуле

/tn-1

А

 

Т Рт -^ Рт-1 Н ^

Pl HgK- hPi Н?»--^ *^2^

8к - ^^ ftrnfm

 

Zm-1

 

Рис. 2.40

2.2. Стабилиэа1щя объекта с неопределенным оператором

93

возможна при установлении для локгтьных глубоких обратных связей определенной иерархии коэффициентов усиления

lim — = 0 , г = 1, ... , m — 1.

ki -+00 К,-

Подобным образом можно стабилизировать дгилеко не все объекты, а только те, которые допускают структурную композицию, приведен­ ную на рис. 2.40. Суть этой композиции в том, что поведение каждого контура не должно зависеть от переменных внутренних (по отноше­ нию к нему) контуров, т.е. должны выполняться соотношения

Zi = Pi (/,• + Zi+i), i = 1, ... , m - 1,

Zm = y-

Ha языке дифференциальных уравнений последнее означает, что правая часть уравнения движения объекта в форме Коши должна иметь "треугольную структуру", т.е. старшая по номеру переменнгш может входить только строго в предшествующее уравнение и не должна входить в прочие уравнения с меньшими номерами. Пример таких уравнений движения в фазовом пространстве {zi,Z2, ... ,Zm) приведен ниже:

Zl =

<Pl{zi,t) + Z2,

Z2 =

'P2{zi,Z2,t) + Z3,

Zm = Vm(-Zl, ... ,Zm,t) + U.

Только в этом случае каждую старшую переменную можно интерпре­ тировать как управление для предшествующих переменных и уста­ навливать иерархию обратных связей. Подобные объекты принято называть объектами с треугольной структурой.

Изложенное выше показывает, что принцип каскадного регулиро­ вания является довольно эффективным средством стабилизации не­ определенного объекта, поскольку:

синтез обратной связи является итеративным и на каждой итера­ ции приходится иметь дело с объектом низкого порядка;

нет необходимости иметь полную информацию о фазовом векторе объекта;

допускаются и нестационарная неопределенность и произвольные внешние воздействия;

учитывается разнотемповость физических процессов, протекаю­ щих в реальной системе.

При этом система каскадного регулирования не свободна и от недо­ статков: использование больших коэффициентов усиления понижает прочность системы и повышает роль амплитудных ограничений, кро­ ме того, требуется "треугольная" структура системы, что ограничи­ вает класс стабилизируемых неопределенных объектов.

94Глава 2. Некоторые принципы построения нелинейных регуляторов

2.2.4.Стабилизация интервальных объектов

Рассмотрим теперь проблему стабилизации в нуле линейного объекта

y(")+a„y("-i) + oij/ = u + /,

(2.26)

называемого далее объектом Р, постоянные параметры ai, ... , а„ ко­ торого неизвестны, а даны только границы содержащих их отрезков, т.е. известны числа af,...,a^ такие, что а,- G [а,~, af]. Эти, из­ вестные с точностью до интервала, числа называют интервальными и обозначают символом

[а,], г = 1 , . . . , п .

В соответствии с этим объект Р называется интервальным объек­ том [Р] и записывается в виде

J/("^+Ia„]i/("-i)-H[ai]3/ = u-f-/.

(2.27)

Кроме того, интервальный объект может быть задан уравнениегением состояний

X = [А]х + [Ь]и + [d\f,

(2.28)

У = [с]х,

 

где [А], [Ь], [d\ и [с] — интервальные матрица и векторы соответ­ ственно. Заметим, что переход от описания (2.27) к (2.28) всегда воз­ можен, тогда как обратный переход может и не существовать. При стабилизации интервального объекта (2.27) фактически приходится иметь дело с семейством объектов, и этому может быть дана соот­ ветствующая геометрическая интерпретация.

Пусть а = ( a i , . . . , a „ ) — вектор параметров или точка в век­ торном пространстве параметров А, определяющая конкретный объ­ ект (рис. 2.41). Тогда [а] = {[ау], ... ,[а„]) — интервальный вектор

[а]

1 -

olZ

"2

Рис. 2.41

параметров или множество — полиэдр в пространстве Л, определяю­ щий семейство объектов. Поэтому фактически обратная связь должна быть стабилизирующей для любой точки полиэдра. При этом не воз­ никает никаких проблем, когда полиэдр "мал", так как есть теоремы, свидетельствующие о непрерывной зависимости решений от параме­ тров. Но как быть, когда полиэдр нельзя считать "малым"?

2.2. Стабилизация объекта с неопределенным оператором

95

Возможно применение нескольких подходов. Например, можно вы­ брать медиану каждого i-ro отрезка

аГ = (а+ + аГ)/2

и ввести полуширину

того же отрезка

 

Aai

= {af -аГ)/2,

i = l , . . . , n .

Это позволяет выделить стандартный объект Р"* с фиксированными (в нашем случае — с медианными) параметрами

у(п) + а;Г2/^""^^ + ...+аТу = ь, (2.29)

а разницу между (2.29) и (2.27) определить как неизвестное возмуще­ ние

fiy

У'"-'^) = (an -

а-)у("-1) + ...+{аг-

а^)у,

для которого, однако, известна

мажоранта

 

 

<рм{у, ..., 1/("-^)) =

Аа„|у("-1)| + ...+

АаМ,

т е . 1^1 < <рм- При таких переобозначениях проблему стабилизации интервального объекта Р из (2.27) можно свести к стандартной про­ блеме стабилизации медианного объекта Р"* из (2.29) при наличии помехи ifi в правой части, т.е.

у(п) ^ amj^(n-l) + ^ „mj^ ^ У ^ _^ _ ^

(2.30)

Если теперь имеется информация о фазовом векторе (у, у^^\

...,

у("-1))^ то рассматриваемую проблему стгьбилизации решает глубокая линейная обратная связь

и = -к {сгу + С2У^^) + ...+ с„_1у("-2) + j/("-i)),

(2.31)

если только полином

отвечающий обратной связи (2.31) при к -^ оо, гурвицев. В самом деле, с обратной связью (2.31) интервальный объект [Р] описывается уравнением

у(") + [а;Г + it]y^""^^ + ... + К

+ ikci]y =

/ .

После почленного деления на к имеем

 

 

i,w + т-' у("-^Ч ...+

y =

-j^{f -<р)

и после устремления коэффициента обратной связи к в бесконечность получаем уравнение предельного движения

которое, по предположению,'асимптотически устойчиво.

96 Глава 2. Некоторые принципы построения нелинейных регуляторов

Конечно, возможности такого подхода ограничены стандартными (для систем с бесконечно большим коэффициентом усиления) требова­ ниями к прочности и т.п., которые отчасти можно ослабить примене­ нием идеи каскадного регулирования. Но в целом проблема стабили­ зации общего интервального объекта с ограниченным коэффициентом усиления в обратной связи остается по-прежнему актуальной.

2.2.5. Интервальная устойчивость

Альтернативой глубокой обратной связи является, правда только до определенной степени, метод, базирующийся на теории интервальной устойчивости.

Предлагаемая теория основана на разнообразных критериях лока­ лизации нулей, в ЧЕ1СТН0СТИ, на критериях устойчивости политопов — полиномов с интервальными коэффициентами. Например, соглгьсно критерию Харитонова, для устойчивости политопа

[^] = s» + [a„]5("-i)-b...-H[ai]

необходимо и достаточно устойчивости следующих четырех полино­

мов:

у И = af + a^s + a^s^ + a^s^ + ...

<p++ = aj" -I- a j s -I- a^s^ -f ajs^ -I- ...

(pt+ = «i" + ojs -I- a^s^ + a^s^ + ...

<p'^t = af + at^ + «J*^ + 04 s^ + ...

Условия Харитонова, вообще говоря, избыточны, т.е. в некоторых

случаях можно обойтись проверкой устойчивости и еще меньшего чи­

сла полиномов. Например, для политопа второго порядка

[<р] = s^ + [a2]s + [ai]

достаточно проверить устойчивость только одного полинома ip = s"^ + a j s -f-af,

что, впрочем, прямо следует из рис. 2.42. Поскольку необходимые

i^^^l

• • • 1<р]

'^ )

0 V/.V///V/// '«

Рис. 2.42

и достаточные условия устойчивости политопа [(р] состоят в поло­ жительности его коэффициентов, то достаточно проверить только

2.2. Стабилизещия объекта с неопределенный оператором

97

точку (=). Если, однако, проводить локализацию нулей политопа бо­ лее точно, то потребуются дополнительные условия. Например, пра­ вая ветвь параболы

4ai = al

(2.32)

определяет на плоскости (ai, аз) границу апериодической устойчиво­ сти, и ясно, что для чисто апериодических процессов прямоугольник [а] = ([ai],[ai]) должен целиком лежать ниже параболы (2.32), а для колебательных — выше ее (рис. 2.43). Поэтому потребуется наложить

/ / / / / / / / / / / / / / / / / /

•«

Рис. 2.43

условия на точки (=), (:f) в первом случае и на точки (=), (±) — во втором случае.

Если, кроме того, потребовать степени устойчивости, равной чи­ слу »7 > О у политопа [<р] = s'^ + [oj]* -|- [ai], то условия проверки этого свойства еще более усложняются, что видно на рис. 2.44, где пунк­ тиром обозначена граница области G со степенью устойчивости не меньше т}. Политопы, отвечающие прямоугольнику [а]', всегда имеют комплексно сопряженную пару нулей с вещественной частью не более.

4 a i = Oj

k«i

Я7'/ / / / •

0\/7//2rj

////////////////a.

Рис. 2.44

98

Глава 2. Некоторые принципы построения нелинейных регуляторов

чем —т), тогда как политоп, отвечающий прямоугольнику [а]", всегда имеет только вещественные нули, не превосходящие число —т).

Заметим, что теория интервальной устойчивости сегодня предста­ вляет собой хорошо развитый раздел теории устойчивости движения. Здесь мы ограничимся вышеприведенными замечаниями и перейдем к проблемам использования критериев интервальной устойчивости в задачах стабилизации, в частности рассмотрим метод включения.

П р и м е р 12. М е т о д включения. Рассмотрим интервальный объект

У + Ыу + [а1]у = [Ь]и,

(2.33)

где [Ь] — интервальный коэффициент усиления, Ь € [6~,Ь''"], причем Ь~ > 0. Очевидно, что кгисую бы обратную связь с конечными коэффициентами усиления мы ни взяли, замкнутги! система будет неопределенной, а Гфи ли­ нейной обратной связи — интервальной системой. Поэтому естественно попытаться задать свойства замкнутой системы с помощью желаемого ин­

тервального полинома

Мж = s^ + [а2]жЗ + [ai]m-

Тогда цель регулирования будет достигнута при линейной обратной связи

u = -kiy-k2y,

(2.34)

если ее параметры ki, ki будут удовлетворять следующим включениям:

[ai -f- bki] С [ai]x, [02 + Ькг] С [а2]ж-

Трудности, с которыми сталкивается рассматриваемый метод, видны из рис. 2.45, Действительно, для достижения асимптотической устойчиво-

" 1

Гь+ik

(±) 1

1

ь-к

^ •^ Г/, f .i .

, ^

-^"^ ^^

'"(1

^^^V-'-A

[о]^гк

0

Рис. 2.45

1

!

[o-l-bJk] 1!

сти начг1льный прямоугольник [а] нужно с помощью вектора к = {}i2^k\) "перенести" в открытый положительный ортгшт плоскости (a2,ai). При этом происходит ргкгширение границ пересекаемого прямоугольника [a]ib, так как коэффициент Ь неизвестен и меняется от Ь~ до Ь"*".

2.2. Стабилизация объекта с неопределенным оператором

99

Для достижения требуемого качества регулирования, кроме всего про­ чего, нужно noneicTb "размытым" прямоугольником [а]* вовнутрь прямо­ угольника [а]ж, что довольно трудно. Для этого нужно проверить принад­ лежность прямоугольнику [а]ж двух диагональных вершин прямоугольника [а]к, например ф и © .

Конечно, если ослабить требования к качеству переходных процессов и добиваться лишь, к примеру, стабилизируемости, т.е. гигимптотической устойчивости замкнутой системы, то процедура синтеза обратной связи заметно упрощается. Так, при стабилизгщии интервального объекта (2.33) с помощью линейной обратной связи (2.34) достаточно выбором параметров ^1, ^2 удовлетворить интервальные неравенства

[а2+Ьк2]>0, [ai-l-bfci] > 0 ,

которые эквивалентны следующим числовым неравенствам:

02 +Ь~к2>0, а^ +Ь~к2>0.

Спргведливость последнего утверждения иллюстрируется рис. 2.46.

[a+Vk]

V/////////// «2

Рис. 2.46

Структурнгш схема системы стабилизации в нуле интервального объ­ екта с помощью линейной обратной связи приведена на рис. 2.47 и, разуме­ ется, не зависит от способа расчета ее параметров к\ иfcj,т.е. используется ли метод включения или метод интервальной устойчивости.

с

ь

i9

«2

 

с ) - |

 

ki

У

1

 

s4[aj]s+[a ll

 

Рис. 2.47

100Глава 2. Некоторые принципы построения нелинейных регуляторов

Взаключение заметим, что рассмотренные методы стабилизации не могут быть применены, если в правой чгигги имеется неисчезающее, пусть даже известное, возмущение /(<), т.е. в случае, когда стабили­ зируется объект вида

У + [а2]у + [ai]y = [Ь]и + / .

Отсутствие информации о коэффициенте 6 не позволяет применить даже метод прямой компенсации возмущения, а так как в обратной

связи

U = -kiy-k2y

используются ограниченные коэффициенты, а помеха /(<) не стре­ мится к нулю при t —> 00, то замкнутая система, в лучшем случае, будет диссипативной. Следовательно,

методы стабилизации, основанные на интервальной устойчивости,

имеют свою область применения, но не исчерпывают проблему в целом.

В частности, они не годятся для тех случаев, когда параметры объ­ екта меняются.

2.2.6. Общие полоясения теории адаптивной стабилизации

Рассмотрим проблему стабилизации неопределенного объекта с опе­ ратором Р + АР и положим для простоты, что

у' = о, / = о,

т.е. будем решать задачу стабилизации свободных колебаний объекта. Сделаем также стандартное предположение о том, что неопреде­ ленность АР удовлетворяет условию согласованности JIJIH МС-усло- вию. Тогда проблема сводится к выбору регулятора R, стабилизи­ рующего выход объекта Р 4- АР в нуле (рис. 2.48). Ранее мы уже

R

чАР -9

Рис. 2.48

доказали принципиальную возможность решения такой задачи ста­ билизации методом большого коэффициента, но это приводит, как неоднократно подчеркивалось, к непрочным системам управления.