- •11. Виды нелинейностей нелинейных элементов
- •12. Методы линеаризации нелинейных моделей.
- •13. Анализ поведения нелинейных систем на фазовой плоскости.
- •14. Анализ устойчивости нелинейных систем методом гармонической линеаризации.
- •15. Особенности работы импульсных, дискретных и цифровых систем управления, их достоинства и недостатки.
- •16. Описание цифровых систем управления разностными уравнениями.
- •17. Переход от аналоговых к цифровым системам управления с применением стандартного и билинейного z-преобразования.
- •20. Задачи оптимального управления. Критерии оптимальности и целевые функции.
- •18. Описание цифровых систем управления в пространстве состояний: последовательная и параллельная схемы.
- •19. Модели и характеристики случайных сигналов. Прохождение случайных сигналов через линейные звенья.
12. Методы линеаризации нелинейных моделей.
На рис.10.2 приведена схема нелинейной системы, для анализа которой можно воспользоваться методом гармонической линеаризации
Рис.10.2 Структурная схема нелинейной системы
В этой схеме входной сигнал x(t) = Asint - гармонический, а после нелинейного элемента НЭ включен фильтр нижних частот (ФНЧ) с передаточной функцией Wл(p).
При гармоническом входном сигнале x(t) = Asint = Asin, где =t сигнал y на выходе НЭ будет периодическим, но не гармоническим, так как зависимость y=f(x) нелинейная. Периодические сигналы можно представить рядом Фурье
y = f(x) = q(A)Asin + q1(A)Acos + yвч ,
где q(A) и q1(A) - коэффициенты ряда Фурье для первых гармоник синуса и косинуса, которые определяются по формулам:
,
(10.1)
,
(10.2)
где y - сигнал на выходе НЭ при изменении фазы входного сигнала x от - до ,
yвч - высокочастотные составляющие (высшие гармоники) в сигнале y.
Так как на выходе НЭ включен фильтр нижних частот, который не пропускает на выход высшие гармоники сигнала y, тогда на его выходе будут присутствовать только первые гармоники в сигнале y, т. е.
yвых = q(A)Asin + q1(A)Acos.
Так как , откуда , здесь - символ дифференцирования.
Следовательно .
От гармонических сигналов x и y перейдем к комплексным сигналам путем замены p=j , тогда получим:
Y(jt) = X(jt)[q(A) + jq1(A)] (10.3)
Это соотношение устанавливает связь между первой гармоникой комплексных сигналов на входе и выходе НЭ, для которого введем понятие нелинейного ККП
WН(A) = q(A) + jq1(A) (10.4)
тогда Y(jt) = X(jt)WН(A).
Определим коэффициенты q(A) и q1(A) для нелинейных элементов, характеристики которых приведены на рис.10.1.в и 10.1.з.
Для идеального ограничителя (рис.10.1.в) получим:
13. Анализ поведения нелинейных систем на фазовой плоскости.
Метод
фазовой плоскости применяется
для анализа нелинейных систем,
порядок
которых не выше второго. На плоскости
с координатами
и
,
где
–
ошибка системы или какой-либо другой
сигнал, строится траектория движения
системы. Плоскость и траекторию движения
систем называют фазовыми.
По характеру фазовой траектории
оценивается качество работы
системы.
Метод фазовой плоскости используется для исследования нелинейных САУ, линейная часть которых с достаточной для решения практических задач точностью может быть описана дифференциальным уравнением второго порядка.
|
|
|
|
Фазовой
плоскостью называется
плоскость, на которой изображается
изменение какой-либо переменной
величины
в
функции скорости ее изменения:
. Оси
времени на фазовой плоскости нет, но
каждому моменту времени соответствует
определенная точка (изображающая
точка),
абсцисса и ордината которой равны
соответственно значению сигнала и
скорости его изменения в данный момент
времени. При изменении времени изображающая
точка перемещается по определенной
траектории, называемой фазовой
траекторией.
Определим
выражение фазовой траектории для
сигнала
,
представляющего собой незатухающие
гармонические колебания с амплитудой
и
частотой
(рис.
8.6,
а):
.
(8.1)
Скорость
изменения такого сигнала
равна:
.
(8.2)
Выражая
из уравнений (8.1) и (8.2)
и
,
на основании основного тригонометрического
тождества
получим:
.
(8.3)
Следовательно,
незатухающие гармонические колебания
изображаются на фазовой плоскости в
виде эллипса (рис. 8.6, б) с полуосями А и
.
При
изменении времени изображающая
точка, будет
перемещаться вдоль эллипса по часовой
стрелке с периодом колебания
.
Для
различных амплитуд А при
заданной частоте
можно
построить семейство таких эллипсов,
вложенных один в другой (рис. 8.6, в).
Совокупность фазовых траекторий
нелинейной системы, соответствующих
различным значения ее параметров или
начальных условий, называется фазовой
картиной (фазовым портретом).
В
случае расходящегося колебательного
процесса (рис. 8.7, а) амплитуда колебаний
увеличивается и соответствующая
такому процессу фазовая траектория
будет иметь вид расходящейся
логарифмической спирали (рис. 8.7, б).
Наоборот, затухающий
колебательный процесс (рис. 8.8,
а) на фазовой плоскости изображается в
виде логарифмической спирали, сходящейся
к началу координат (рис. 8.8, б). Фазовые
портреты, соответствующие различным
значениям начальных условий для таких
процессов приведены соответственно на
рис. 8.7, в и рис. 8.8, в.
Таким
образом, по виду фазовой траектории
можно наглядно судить об устойчивости
системы.
