На основании (10), подобно (7), получаем

Решение задачи базируется на использовании следующей теоремы: пусть матрицы полностью управляемой системы представлены в двух различных базисах и. Тогда матрица преобразования P пары в пару единственна и вычисляется по формуле

Синтез одномерных модальных регуляторов.

Постановка задачи. Задано уравнение полностью управляемого объекта с одним входом:

, (1)

где - вещественные матрицы указанных размерностей.

Требуется определить коэффициенты передачи модального регулятора

, (2)

при которых замкнутая САУ имела бы желаемый «стандартный» характеристический полином

(3)

(4)

где

; (5) (6)

На основании (1), (2) запишем уравнение свободного движения замкнутой САУ

­ ­ (7)

Определяем характеристический полином матрицы A:

(8)

Записываем соответствующую ему пару в каноническом базисе:

= ; = ; (9)

(такая форма записи называется нормальной формой).

Теперь согласно (6), (5), (4) можно вычислить матрицу канонического преобразования P и записать уравнение объекта (1) в канонической форме

, , (10)

где

= P A P ^-1; = P b; = PX X = P ^-1 ;

= k ^T P ^-1; (11)

при этом, естественно, матрицы , будут иметь нормальную форму (9).

(12)

Для полинома (3), подобно (9), можно записать

= (13)

Из (12), (13) очевидно, что

= (14)

Поскольку

,

то согласно (14), с учетом (9), (13), получаем

=

Отсюда

; ; …; ;

или

, (15)

Таким образом, коэффициенты передачи модального регулятора (модальных ОС) в каноническом виде определяются как разность соответствующих коэффициентов желаемого «стандартного» характеристического полинома САУ (3) и характеристического полинома объекта (8).

Используя (11), находим искомую матрицу-строку коэффициентов передачи модального регулятора в исходном базисе:

k ^т = P (16)

Для проверки полученного решения задачи целесообразно, согласно (7), (16), вычислить матрицу

= A - bk ^T (17)

и определить ее характеристический полином

Совпадение коэффициентов этого полинома с соответствующими коэффициентами желаемого полинома (3) указывает на правильность решения задачи.

Исходя из изложенного, можно предложить следующий алгоритм синтеза одномерных модальных регуляторов.

Шаг 1. На основании (1) определяется характеристический полином a(p) матрицы A вида (8).

Шаг 2. Выбирается желаемый “стандартный” характеристический полином g(p) вида (3).

Шаг 3. Согласно (15) вычисляются коэффициенты передачи регулятора в каноническом базисе, которые записываются в виде вектор-строки .

Шаг 4. На основании (1), (5) составляется матрица управляемости R в исходном базисе.

Шаг 5. Для полинома a(p) составляется каноническая пара вида (9).

Шаг 6. На основании (9), (6) составляется матрица управляемости в каноническом базисе.

Шаг 7. Согласно (4) вычисляется матрица преобразования P.

Шаг 8. Согласно (16) вычисляется вектор-строка коэффициентов передачи регулятора в исходном базисе k ^т.

Указанный алгоритм легко реализуется для вычислений на ЦВМ на базе стандартных программ матричной алгебры.

Пример 1. Заданы структурная схема и параметры объекта (рис. 1).

k_y

x_вх + u x ₂ x ₁

_ _

k ₁=1; T ₁=0.5; k ₂=2; T ₂=1

Рис. 1

Корни характеристического уравнения данного объекта p ₁= -1/ T ₁ = -2; p ₂ = -1/ T ₂= -1, следовательно, степень его устойчивости η = 1. Требуется определить коэффициенты обратных модальных связей , обеспечивающих

желаемые значения корней p ₁ = p ₂ = -3 и соответствующую им степень устойчивости η = 3 замкнутой системы.

На основании рис. 1 запишем

Отсюда

;

,

при этом матрицы A и b уравнения (1) имеют вид

A = = ; b =

Дальнейший синтез модального регулятора выполняем в строгом соответствии с приведенным выше алгоритмом:

1) a (p) = = p ² +3 p +2;

2) g (p) = (p - p ₁)(p - p ₂) = (p + 3)(p + 3) = p ² + 6 p + 9;

3) ; ; ;

4) ; ;

5) ; ;

6) ;

7) ;

8) ;

Проверка. Согласно (17) вычисляем

;

Полученный характеристический полином замкнутой модальной системы совпадает с указанным ранее желаемым полиномом g(p), следовательно, коэффициенты определены правильно.

Безынерционные модальные ОС изменяют общий коэффициент передачи системы и тем самым влияют на установившееся значение выходной переменной объекта. Чтобы исключить такое влияние, достаточно на входе системы (рис. 1) установить безынерционный усилитель, коэффициент усиления k _y которого определяется из равенства коэффициента усиления k^м замкнутой модальной САУ и коэффициента усиления k ₀самого объекта:

Пусть теперь модель объекта представлена в форме его передаточной функции вида

(18)

которой соответствует матричное уравнение состояния

или в более компактной форме

(19)

Здесь матрицы A и b уже имеют нормальную форму (9), т.е. A = , b = ,

поэтому согласно (5), (6) , а согласно (4) . Тогда на основании (11), (10) имеем

= ; ; (20)

(21)

Первое из равенств (20) означает, что в данном случае коэффициенты передачи модального регулятора сразу же могут быть вычислены по формулам (15). Равенство же (21) означает, что на выходе такого регулятора последовательно с ним должен быть включен общий для всех каналов регулятора усилитель с коэффициентом усиления равным величине (это равноценно уменьшению всех расчетных коэффициентов регулятора в раз).

Подставив (21) в (19), получаем

(22)

Это уравнение совпадает с уравнением (7), поэтому для проверки решения подобно (17), следует вычислить матрицу G^’ = A - bk ^T и определить ее характеристический полином.

Пример 2. Пусть как и в предыдущем примере объект представляет собой апериодическое звено второго порядка (рис. 2) с теми же значениями параметров. Отличие же состоит в том, что теперь доступной для управления является только одна выходная переменная объекта x ₁.

k_y

+ u x ₁

-

k

p

k ₁ = 1; T ₁ = 0.5; k ₂ = 2; T ₂ =1

+

+

Рис. 2

Требуется определить коэффициенты при которых “стандартный” характеристический полином модальной САУ имел бы ранее принятый вид

g (p) = p ²+ g ₁ p + g ₀ = p ² + 6 p + 9

Подобно (18) представим передаточную функцию объекта в следующей форме

(23)

Тогда на основании (21), (20), (15) находим искомые коэффициенты

k =1/ b ₀=1/4;

=>

Таким образом, при тех же параметрах объекта, но измеряемой только одной из его переменных получили увеличенные, по сравнению с примером 1, значения коэффициентов модальных ОС.

Проверка. На основании (23) записываем матрицы объекта в нормальной форме

;

Далее согласно (17) вычисляем

и тогда

Полученный полином совпадает с ранее принятым “стандартным” характеристическим полиномом g (p), следовательно, коэффициенты определены правильно.

Для определения коэффициента усилителя k _y запишем коэффициент передачи всей системы рис. 2 и приравняем его к коэффициенту передачи самого объекта:

,

т.е. получили то же значение, как и в примере 1, что дополнительно подтверждает правильность вычисленных коэффициентов .

Л и т е р а т у р а:

1. Кузовков Н. Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976.

2. Кухаренко Н. В. Синтез модальных регуляторов при неполной управляемости объектов // Техническая кибернетика, 1992, № 3, с. 3-10.

PS. Критические замечания просьба направлять по электронному адресу:

[email protected]

Дата добавления: 2015-04-29