- •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.
14. Анализ устойчивости нелинейных систем методом гармонической линеаризации.
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:
15. Особенности работы импульсных, дискретных и цифровых систем управления, их достоинства и недостатки.
Дискретные системы – это системы, содержащие элементы, которые преобразуют непрерывный сигнал в дискретный. В дискретных системах сигналы описываются дискретными функциями времени.
Квантование - процесс преобразования непрерывного сигнала в дискретный.
На рис.8.1 приведена структурная схема замкнутой цифровой системы управления.
Рис 8.1 Структурная схема замкнутой цифровой системы управления
В состав этой схемы входят следующие блоки:
АЦП - аналого-цифровые преобразователи, преобразующие непрерывные сигналы x(t), y(t) в последовательность чисел x(n), y(n), соответствующих значению сигналов x(t), y(t) в определенные моменты времени (см. рис. 8.2),
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий поступающую на его вход последовательность чисел u(n) в непрерывный сигнал u(t),
ЭВМ - электронно-вычислительная машина, обрабатывающая по определенной программе поступающие на ее входы числа x(n) и y(n).
ОУ - объект управления, на который действует управляющее воздействие u(t).
Состояние объекта характеризуется его выходным сигналом y(t).
Сигналы x(n), u(n) и y(n) называют цифровыми сигналами.
Для нормальной работы цифровых систем управления отсчеты из непрерывных сигналов x(t) и y(t) должны осуществляться с частотой Fд, величина которой должна быть больше определенной частоты, определяемой из теоремы отсчетов Котельникова-Найквиста.
Теорема отсчетов гласит: непрерывный сигнал может быть точно восстановлен по его отсчетам, если отсчеты берутся с частотой Fд>2Fмакс, где Fмакс - максимальная частота спектра непрерывного сигнала.
Частоту отсчетов из сигнала Fд называют обычно частотой дискретизации.
На рис.8.2 приведена временная диаграмма непрерывного сигнала x(t) и отсчеты из него x(n), взятые через период дискретизации T, связанный с частотой дискретизации соотношением T=1/Fд.
Современные системы автоматического управления строятся в основном как цифровые системы. Это объясняется тем, что цифровым системам присущи определенные достоинства:
высокая точность управления,
возможность управления по сложным алгоритмам, включающим адаптацию, самонастраивающиеся процедуры, контроль и диагностику неисправностей,
высокая стабильность параметров,
возможность оперативно изменять алгоритмы и программы управления,
высокая технологичность при изготовлении и идентичность характеристик различных экземпляров цифровых систем управления.
К недостаткам цифровых систем следует отнести:
ограниченный частотный диапазон обрабатываемых сигналов,
высокая стоимость цифровых систем управления даже при простых (примитивных) алгоритмах управления объектами.
Из-за указанных недостатков реальные системы управления строятся как на аналоговой, так и на цифровой элементной базе.
Рис.8.2 Временные диаграммы непрерывного x(t) и цифрового x(n) сигналов
Дискретная система автоматического управления будет импульсной, если в системе наблюдается квантование сигнала по времени. При квантовании по времени квантованный сигнал состоит из последовательности дискрет квантуемого сигнала. Каждую дискрету можно рассматривать как мгновенное значение сигнала в момент квантования и интерпретировать как импульс нулевой длительности. Такой импульс физически не наблюдаем.
Для того чтобы квантованный сигнал можно было бы физически наблюдать и преобразовывать, мгновенные значения квантуемого сигнала накладываются на физические импульсы конечной длительности. В результате в импульсной системе квантованный сигнал физически представлен последовательностью импульсов, несущих информацию о мгновенных значениях квантуемого сигнала в моменты квантования. Название импульсная система обусловлено последним обстоятельством.
Графики на рис. 27 показывают образование импульсного сигнала в импульсной системе. Квантуемый сигнал x(t) подвергается квантованию по времени и образуется квантованный сигнал x*(t), который можно описать решетчатой функцией квантуемого сигнала
Значения дискрет квантованного сигнала накладываются на импульсы определенной формы s(t) и конечной длительности. В результате формируется последовательность импульсов z(t) с периодом следования T, несущая информацию о квантуемом сигнале.
Отличительной особенностью импульсной системы является преобразование непрерывного сигнала x(t) в последовательность импульсов z(t). Поэтому для описания импульсной системы в ее структуру вводят импульсное звено, которому и приписывают описание этого процесса. Остальные компоненты импульсной системы специфических свойств не имеют, они рассматриваются как непрерывная часть системы (т.е. совокупность элементов с непрерывными характеристиками преобразования) и могут быть описаны с использованием методов теории обыкновенных линейных систем.
Обобщенная структура импульсной системы, составленная на основе описанного подхода, приведена на рис. 28. Импульсному звену ИЗ приписывается преобразование непрерывного сигнала x(t) в последовательность импульсов z(t), которая поступает на непрерывную часть импульсной системы с передаточной функцией Wн(p).
В исследуемой системе импульсное звено может быть включено в любой части системы. Путем преобразования структуры исследуемой системы ее всегда можно свести к структуре, представленной на рис. 28. При этом математическое описание импульсной системы сводится к математическому описанию функции преобразования для импульсного звена. Решение последней задачи будет зависеть от способа наложения информации квантованного сигнала на несущие импульсы.
