рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Объекты управления с непрерывным временем

Объекты управления с непрерывным временем - раздел Математика, Математические основы теории систем Объекты Управления С Непрерывным Временем. Дифференциальные Уравнения Состоян...

Объекты управления с непрерывным временем. Дифференциальные уравнения состояния 1 Њ t A t S t B t U t 2 у t C t S t D0 t U t D1 t U 1 t Dк t U к t Коэффициенты этих уравнений являются матрицами.

A- матрица состояний n n B- матрица входа m n C- матрица выхода L m D- проходная матрица L m Пусть А- непрерывная система, заданная уравнением входа-выхода вида Lу Ky Mu, где L,K,M- матричные дифференциальные операторы с постоянными коэффициентами, u,у - входной и выходной векторы, а y -скрытый выходной вектор.

Соотношения вход - выход-состояние.

В процессе установления соответствия вектора состояния с системой и связанного с этим определения соотношения вход - выход-состояние системы, описываемой дифференциальными уравнениями, состоит в нахождении общего решения этого дифференциального уравнения. 2 L p y u, L p anpn a0, an?0, которое описывает R. Решить дифференциальное уравнение можно с помощью методов, хорошо известных из теории обыкновенных дифференциальных уравнений.

Однако будет удобно основываться не на классической теории, а получить общее решение сразу, путем преобразования Лаплпса.

Пусть R- система, описываемая соотношением вход-выход 2 , тогда выражение для общего решения будет иметь вид n t 3 y t ? y 1 t0- Ф? t-t0 ? h t U ? d? t?t0 1 t0 где h t Z 1 L S импульсной реакции R 4 H S 1 L S передаточная функция R, Ф? Z-1 anSn a? L S 1, ,n Функции времени Ф1, ,Фn линейно независимы и удовлетворяют дифференциальному уравнению L p Ф? t 0 1, ,n На втором этапе необходимо отождествить постоянные ai, i 1, ,n из уравнения 2 с составляющими вектора x t0 состояние R в момент времени t0 Положим базисные функции, или точнее говоря их преобразования по Лаплпсу, равными Sn-1 L S , ,S L S ,1 L S В этом случае составляющим x t0 будет 5 x1 t0- any t0 x2 t0- any n-1 t0- a1y t0- xn t0- any n-1 t0- an-1y t0- Заменяя начальные значения y 1 t0- в 3 через их выражения, представленные с помощью составляющих x t0 получим для общего решения 3 t 6 y t t-t0 , ,x t0 h t U ? d t?t0 t0 где h- импульсная реакция R Ф t Ф1 t , , Фn t составляющие которого суть базисные функции Ф? t Z-1 an?n-1 a? L S , а Ф t-t0 , x t0- обозначает скалярное произведение базисного вектора Ф t-t0 и начального вектора состояния x t0 Уравнение 6 является соотношением вход - выход-состояние для R. ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ МАТРИЦА. Будем исследовать реакцию при нулевом входе и вынужденную реакцию систем, описываемых уравнением вида 11 x t A t x t B t U t, где A t - квадратная матрица порядка n, элементами которой являются функции, непрерывные для всех значений t B t -непрерывная матрица размером n r x t - вектор состояния, U- вход. Пусть A t есть квадратная матрица порядка n, элементы которой - непрерывные функции.

Тогда решение матричного дифференциального уравнения 12 X A t X t , X t0 C, где C есть произвольная постоянная матрица, имеет следующий вид 13 X t t, t0 C Любая неособенная матрица, которая удовлетворяет матричному дифференциальному уравнению 12 , называется фундаментальной матрицей системы 11 . Таким образом, любая фундаментальная матрица имеет вид 13 при некоторой неособенной матрице С n строк любой фундаментальной матрицы есть n линейно независимых решений для уравнения 11 . th. Пусть A t есть квадратная матрица порядка n, элементы которой непрерывные функции времени. Пусть Ф t, t0 есть также квадратная матрица порядка n, которая является решением уравнения 14 d dt Ф t, t0 A t Ф t, t0 , t, t0 I Тогда решение уравнения 15 x t A t x t, x t0 x0, обозначаемое через x t, x0,t0 , есть 16 x t, x0,t0 Ф t, t0 x0 ?t, ?x0 Матрица Ф t, t0 называется переходной матрицей состояния.

Из уравнения 16 можно сказать матрица Ф t, t0 есть линейное преобразование, которое отображает состояние x0 в момент времени t0 в состояние x t в момент t. СПОСОБЫ ВЫЧЕСЛЕНИЯ МАТРИЧНОЙ ЭКСПОНЕНТЫ. t 1. Если всех t ? A T dT и A t коммутативны, то t0 t Ф t, t0 exp ? A T dT t0 Пусть Ф t, t0 переходная матрица для 11 ,определяемой выражением 14 , тогда t 17 det Ф t, t0 exp ? a T dT , где t0 n a T aiT T ? trA T . i 1 2. Законченное решение позволяет получить формула интерполяции Лагранжа-Сильвестра.

Она применима к матричным функциям, которые могут быть представлены в виде сходящихся степенных рядов f A ? CiAi, где 0 матрица А с n отличающимися друг от друга собственными значениями соответствующих формуле интерполяции Лагранжа для аппроксимации функций с помощью многочленов.

Матрица перехода Ф exp At представляет такой степенной ряд n 18 Ф t eAt ? e?itFi, где i 1 n F П A iI ?i j j 1 j?i 3. Применение преобразования Лапласа к однородному дифференциальному уравнению вида q Aq, позволяет получить формулу, похожую на формулу Сильвестра, которую можно использовать не только для случая с простыми корнями 19 Ф t eAt Aiti i! I At A2t2 2! i 1 Эта формула особенно пригодна для аналитических исследований. 4. С помощью преобразования подобия матрица с n совершенно различными корнями ?i может быть приведена к диагональной матрице Л. Решение относительно А дает. 20 A KЛK-1 ,где К - матрица собственных векторов, K? K1,K2, ,Kn, согласно выводу из теории матриц имеет для двух подобных матриц А и, Л соответствующих уравнению 20 , справедливо f A Kf Л K-1 21 Ф t KeЛtK-1 причем, если известны корни ?i, сразу можно записать матрицу exp Лt e?1t 0 eЛt 0 e?nt Рассмотренные способы дают решение в аналитическом виде и требуют больших затрат времени на определение собственных значений матрицы А, т.е. корней характеристического уравнения.

В приведенных ниже способах оба этих момента отсутствуют. 5 При расчете матрицы перехода с помощью формулы Тейлора из 19 p-1 22 Ф t ? Ai ti t! Rp i 0 в системах с сосредоточенными параметрами для отдельных элементов матриц получим полиномы в функции t, которые могут быть записаны в виде сумм показательных функций e. 6. Путем программирование на аналоговой вычислительной машине элементы матрицы перехода могут быть получены в виде кривых, численно оценены или аналитически аппроксимированы.

Модуль вход-выход непрерывного объекта управления в форме векторно-матричного дифференциального уравнения вектор входа U U1, U2, ,Um T вектор выхода x x1,x2, ,xm T вектор состояния q q1,q2, ,qm T Уравнение состояния векторное дифференциальное уравнение 23 q t Aq t Bu t Уравнение входа 24 x t Cq t Du t Для одномерной системы n-го порядка эти уравнения упрощаются 25 q t Aq t bu t 26 x t CTq t du t 27 q1 a11 a12 q1 b1 U при n 2 q2 a21 a22 q2 b2 28 x C1 С2 q1 dU q2 Таким образом, векторное дифференциальное уравнение 25 служит компактной формой записи для системы из n скалярных дифференциальных уравнений первого порядка 29 q a11q1 a12q2 b1U q a21q1 a22q2 b2U. Уравнение входа для одномерной системы представляет собой скалярное алгебраическое уравнение 30 x c1q1 c2q2 dU ВЕСОВАЯ ФУНКЦИЯ. Прежде всего нужно определить выходной сигнал xv t, соответствующий входному сигналу Uv t 31 Uv t U V dV д t-V U V dV - площадь импульса д t- V - единичный импульс при t V Соответствующий этому выходной сигнал представляет реакцию на импульсное воздействие, или соответственно весовую функцию g t-V , характеризуемую импульсами площадью U V d. Если уравнения системы представлены в стандартной форме записи 23 , 24 , то можно использовать общую форму решения уравнения переходного процесса t 32 q t Ф t q 0 ? Ф t-T BU T dT qсв t qпрн t 0 В рассматриваемом здесь случае переходного процесса при возмущающем воздействии и нулевых начальных условиях для выраженного в относительных единицах входного сигнала Uд Uд t д t получим характеристику состояния в относительных t 33 qд t ? Ф t-T bд T dT 0Для импульса д T , возникающего в момент времени T 0, интервал интегрирования должен быть принят от -0 Ф t b, при t?0 34 qд t 0, при t 0 Весовую функцию находят путем подстановки 34 в уравнение выхода 26 35 q t xд t CTqд t dUд t CTФ t b dд t при t?0 Для определения элементарного выходного сигнала xд t, соответствующего уравнению 31 , нужно учесть еще смещение входного импульса по времени и его интенсивность площадь . 36 xv t U V dV g t-V U V dV CTФ t-V b dд t-V U t U V dV д t-V U x t U V dVq t-V V T t-V t Элементарный входной и выходной сигналы при разложении на импульсы.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Математические основы теории систем

Кибернетика возникла на базе техники и прежде всего техники регулирования, связи и машинной вычислительной техники, причем здесь нашли применение… Новым и можно сказать революционным моментом явилось то, что эти способы и… Теория автоматизации при предварительном определении понятия можно назвать кибернетикой. В автоматизированных…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Объекты управления с непрерывным временем

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Матричный формализм в теории систем
Матричный формализм в теории систем. ЛИНЕИНЫЕ ОПЕРАТОРЫ. Рассмотрим линейное n - мерное пространство Un. Пусть задано правило, которое ставит в соответствии произвольному вектору X пространства Un

Действия над векторами
Действия над векторами. Упорядоченные последовательности из n - чисел х 1 , ,х n, могут быть записаны в виде вектор - столбца или вектор - строки x 1 n n 9 х x i x 1 , ,x n x i x n 1 1 Эти числа, с

Понятие матриц
Понятие матриц. Матрицей А размером m n называют таблицу, содержащую m-строк и n-столбцов, элементами которой являются вещественные или комплексные числа a11 a1n A aij am1 amn Если m n, то матрицу

Операции над матрицами
Операции над матрицами. УМНОЖЕНИЕ МАТРИЦЫ НА ЧИСЛО. Пусть А матрица линейного преобразования Ах, б- число. 6 бА б аij При умножении матрицы А на число б все ее члены умножаются на это число.

Обратная матрица
Обратная матрица. Матрицей, обратной по отношению к квадратной матрице А размером n n, назовем такую матрицу А-1 того же размера, для которой справедливо соотношение 15 А А-1 А-1 А Е Пусть у Ах - л

Уравнение вход-выход-состояние
Уравнение вход-выход-состояние. Пусть А- ориентированный абстрактный объект, U,у - вход и выход на интервале наблюдения t0,t - переменная в пространстве R U , R y - пространство входа и выхода. 2 y

Передаточные функции и их свойства
Передаточные функции и их свойства. Пусть система A линейна и стационарна и пусть h является ее импульсной реакцией. Предположим, что существует преобразование Лапласа для h. Тогда это преоб

Объекты управления с дискретным временем
Объекты управления с дискретным временем. В случае, когда одна или более переменных могут наблюдаться только периодически, причем период наблюдения достаточно мал, так то все переменные можно восст

Разностные уравнения
Разностные уравнения. Всякое соотношение, связывающую решетчатую функцию x n и ее разности до некоторого порядка K 11 Ф n, x n , Д x n Дkx n 0, называется разностным уравнением. Соотношение 11 можн

Структурные свойства объектов управления
Структурные свойства объектов управления. Введение Реакция любой линейной системы содержит две составляющие реакцию при нулевом входе и реакцию при нулевом состоянии, причем последняя характеризует

Характеристики управляемости
Характеристики управляемости. Тh Система Y , описываемая уравнением 1 , управляема тогда и только тогда, когда на вектор столбцы В,АВ, ,B n-1 матрицы Q? В,АВ, ,А n-1 В натянуто пространство состоян

Импульсная и весовая функции
Импульсная и весовая функции. Аналогично скачкообразной функции и реакции на единичное воздействие импульсная функция и соответствующая реакция на импульсное воздействие могут служить для характери

Модели случайных сигналов
Модели случайных сигналов. Величина, которая в каждом определенном случае в зависимости от результатов опыта может принимать то или иное числовое значение, называется случайной величиной. Ко

Числовые характеристики моменты случайных величин
Числовые характеристики моменты случайных величин. Полными характеристиками случайных величин являются их функции распределения или плотности распределения вероятностей. Однако многие задачи

Моменты многомерных случайных величин
Моменты многомерных случайных величин. Как и для одномерных, случайных величин, для случайных векторов вводят понятие начального и центрального моментов. Рассмотрим случайный n-мерный вектор

Элементы теории случайных функций
Элементы теории случайных функций. При изучении ряда явлений природы приходится наблюдать процессы, характеризуемые функциями, которые в зависимости от исхода опыта принимают различный вид. Указать

Линейные операции над случайными функциями
Линейные операции над случайными функциями. Выясним, как образуются математические ожидания и корреляционные функции случайных функций при осуществлении над ними линейных операций 1. Сложение случа

Оптимизация в теории систем
Оптимизация в теории систем. Задачу управления в дальнейшем будем рассматривать как математическую. Однако в отличии от многих других математических задач она имеет ту особенность, что допус

Постановка задачи оптимального управления
Постановка задачи оптимального управления. Задачу оптимального управления можно считать сформулированной математически, если сформулирована цель управления, определены ограничения первого вида, пре

Классификация задач оптимального управления
Классификация задач оптимального управления. Одношаговые задачи принятия решения. В одношаговых задачах определяется непосредственно значение переменной состояния системы х, которое обеспечивает на

Классическая задача оптимизации
Классическая задача оптимизации. Эта задача состоит в нахождении минимума целевой функции q х, где х х 1 х т - точка в пространстве R т при наличии ограничений типа равенств 16 fi x 0, i 1,m, m n Е

Выпуклые и вогнутые функции
Выпуклые и вогнутые функции. Большинство известных методов решения задачи оптимизации сводится к исследованию характера функции q х в окрестности рассматриваемого значения x, т.е. к выяснению того,

Метод штафных функций
Метод штафных функций. Задача минимизации целевой функции q х с ограничениями 20 может, быть сведена к задаче на безусловный экстремум видоизменением целевой функции путем добавления к ней функции

Квадратичное программирование
Квадратичное программирование. КП . Задачей КП называют задачи НЛП, в которой минимизируется сумма линейной и квадратичной форм при ограничениях типа линейных неравенств и не отрицательности переме

Градиентный метод
Градиентный метод. Этот метод представляет собой последовательность шагов, каждый из которых содержит две операции 1 определение направления антиградиента функции q х 2 перемещение в выбранном напр

Алгоритм Ньютона
Алгоритм Ньютона. В тех случаях, когда поверхность отклика достаточно хорошо описывается уравнением второго порядка, резкое уменьшение числа шагов можно получить, если воспользоваться алгоритмом Нь

Симплекс метод
Симплекс метод. Идея метода. Этот метод - это последовательный перебор угловых точек, при которых значение целевой функции убывает от одной угловой точки к другой. Рассмотрим задачи к

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги