Математические и программные средства моделирования систем управления

Дипломная работа - Математика и статистика

Другие дипломы по предмету Математика и статистика

также векторы

 

(3)

 

то математическую модель (1) можно записать в краткой векторно-матричной форме

 

(4)

 

где Х(t)- п- вектор состояния системы; U(t)- т- вектор внешних влияний (управлений); А - матрица динамики системы размером nm (квадратная); В- матрица управления (входа) размером п х т (прямоугольная).

Модель системы в пространстве состояния характеризуется также уравнением выхода:

 

(5)

 

где Y(t) - r - вектор выхода системы; С - (r х п) - матрица отображения динамических сменных Х(t) на выход системы; D - (rхт)- матрица компенсации системы (компенсируется погрешность в исходном сигнале системы).

Запишем уравнения (4) в операторной форме. При не нулевых начальных условиях пользуемся формулой Мелина:

 

(6)

 

где L [*] - операция преобразования Лапласа; Х(0) - п- вектор начальных условий.

Согласно с выражением (6) можно построить структурную схему модели в пространстве состояния, которая изображенная на рис. 1.

 

Рис.1.Структурная схема системы в пространстве состоянияРис.2.Модифицированная структурная схема системы

Значительное количество реальных систем характеризуются одним (скалярным) управляющим влиянием (например, напряжение, которое подается в двигатель U(t)) и одним возмущающим влиянием (статический момент Мc(t)), а также нулевыми начальными условиями: Х(0) = 0. При этом матрицу входа В целесообразно поделить на два п- вектора: Bu и ВM. При таких условиях выражение (6) можно записать в виде

 

(7)

 

Тогда структура модели будет иметь вид, приведенный на рис. 2.

Математические модели систем в векторно-матричной форме имеют очень важное практическое значение. Они широко используются в современной теории автоматического управления при аналитическом конструировании регуляторов, разработке оптимальных систем управления, и тому подобное. Векторно-матричной описание позволяет формализировать процедуры решения многих сложных задач, что очень важно при их решении с помощью ЭВМ.

Традиционно объекты управления или системы описывают с помощью передаточных функций и поэтому, возникает задача перехода к математической модели в форме векторно-матричных дифференциальных уравнений. Такой переход от передаточных функций к пространству состояния неоднозначный, в зависимости от вектора фазовых координат. Приведем некоторые с методов такого перехода.

 

СОСТАВЛЕНИЕ МАТАМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

 

.Найдем передаточную функцию системы по задающему воздействию.

 

Для этого выполним преобразование структурной схемы.

 

 

 

Упростив выражение. и подставив данные получим:

 

 

.Найдем передаточную функцию системы по возмущающему воздействию.

Для этого выполним преобразование структурной схемы.

 

 

Упростив выражение. и подставив данные получим:

 

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ В ВЕКТОРНО-МАТРИЧНОЙ ФОРМЕ ЗАПИСИ.

 

.Метод перенесения производных с входа на выход.

 

Если передаточная функция объекта содержит операторы Лапласа в числителе, тогда ее удобно предоставить двумя блоками.

Заданный объект в форме передаточной функции:

 

 

Изобразим его двумя блоками

 

 

Для упрощения берем а5 = 1.

 

 

Записываем дифференциальные уравнения для обоих блоков:

 

где

Вводим обозначения:

 

 

Тогда можем записать дифференциальные уравнения в нормальной форме Коши:

 

 

К последнему уравнению подставим предыдущее и сводим подобные члены. Вследствие этого получаем:

 

 

Окончательно, в векторно-матричной форме уравнения объекта имеют вид

 

 

где X- вектор состояния; Y- вектор исходной величины (вектор измерения); U - вектор управления,

 

2.Метод последовательного интегрирования (аналогового моделирования)

 

Этот метод целесообразно использовать при наличии операторов Лапласа в числителе передаточной функции. Процедуру определения фазовых координат пространству состояния рассмотрим на примере аналогового моделирования.

Объект задан передаточною функцией

 

 

Для упрощения берем a4 = 1 и записываем операторное уравнение:

 

Из этого выражения получаем:

 

Последнее уравнение приводим к машинной форме, то есть:

 

Согласно полученного уравнения, строим структурную схему аналоговой модели, для которой необходимо использовать три интегратора, четыре сумматоры и несколько усилителей.

 

Структура аналоговой модели

 

За фазовые координаты пространству состояния берем исходные координаты интеграторов. Тогда, соответственно структурной схеме составляем дифференциальные уравнения первого порядка:

 

 

Учитывая, что y = х1 , получаем:

 

 

Это уравнения в векторно-матричной и форме имеет вид:

 

 

3.Метод декомпозиции структурной схемы объекта до