- •В. П. Кузнецов, с. В. Лукьянец, м. А. Крупская теория автоматического управления
- •Часть 2 Дискретные системы, нелинейные системы, случайные процессы в системах автоматического управления
- •Isbn 978-985-488-070-9 (ч.2)
- •Isbn 978-985-488-048-8
- •Содержание
- •Предисловие
- •1. Дискретные системы автоматического управления
- •1.1.Основные понятия и классификация
- •1.2. Решетчатые функции, разностные уравнения и дискретное преобразование Лапласа
- •1.3. Описание разомкнутых импульсных систем
- •1.4. Частотные характеристики импульсных систем
- •1.5 Характеристики замкнутых импульсных систем
- •1.6. Процессы в импульсных системах
- •1.7. Устойчивость процессов в импульсных системах
- •1.8. Точность импульсных систем
- •1.9. Оценки качества импульсных систем
- •1.10.Условия эквивалентности импульсных и непрерывных сау
- •1.11. Элементы синтеза импульсных систем
- •1.12.Уравнения состояния линейных импульсных систем
- •1.13. Характеристики импульсных систем, описываемых уравнениями в пространстве состояний
- •1.14. Цифровые системы автоматического управления
- •1.15. Исследование цифровых систем автоматического управления
1.10.Условия эквивалентности импульсных и непрерывных сау
Рассмотрим
разомкнутую импульсную систему,
приведенную на рис. 1.5, б, передаточная
функция ЭЛНЧ которой имеет вид
.
Передаточная функция импульсной системы
будет
,
а частотная характеристика
.
Существует связь между частотными
характеристиками ЭЛНЧ
и частотной характеристикой импульсной
системы
,
которая имеет вид [4]:
, (1.68)
где,
как и ранее,
частота
дискретизации.
Итак,
характеристика
получается суммированием смещенных
относительно друг друга вдоль оси
на частоту повторения
характеристик
ЭЛНЧ, умноженных на
.
Из (1.68) вещественные и мнимые части
частотных характеристик
,
(1.69)
.
Предположим,
что вещественная и мнимая частотные
характеристики заданы на интервале
частоты
от
до
(
полоса
пропускания) и вне этого интервала
равны нулю, а спектральные характеристики
входного сигнала
определены на некотором интервале
и равны нулю вне этого интервала. В этом
случае, если
,
справедливо следующее соотношение
. (1.70)
Итак,
при выполнении условия
импульсная система с передаточной
функцией
преобразует входной сигнал точно так
же, как некоторая непрерывная система
с передаточной функцией
.
Фактически
сформулирован аналог известной теоремы
Котельникова:
если спектр частот входного воздействия
ограничен и лежит в диапазоне частот
,
то свойство системы с АИМ, у которой
тождественны свойствам эквивалентной
непрерывной системы с АФЧХ
.
Частотные
характеристики входного сигнала
и системы
на практике реально не ограничены по
частоте величинами
и
,
и можно говорить лишь об их малости при
и
.
Поэтому на практике условие сведения
системы с АИМ к соответствующей
непрерывной системе обычно ужесточают
и требуют, чтобы
, (1.71)
где
– частота, характеризующая полосу
пропускания ЭЛНЧ.
Для
проверки выполнения (1.71) следует
построить
и найти
.
Иногда вместо (1.71) легче воспользоваться
другой более простой рекомендацией
[6]:
, (1.72)
где
– максимальная постоянная времени
передаточной функции
.
Использование
в качестве эквивалентной передаточной
функции неудобно из-за присутствия в
ней передаточной функции формирующего
устройства, АФЧХ которого имеет вид
.
АЧХ и ФЧХ фиксирующего устройства будут:
,
.
Соответственно АФЧХ эквивалентной непрерывной системы
. (1.73)
В
основном методы анализа непрерывных
линейных систем управления разработаны
для случая, когда передаточная функция
разомкнутой системы является
дробно-рациональной относительно
.
Поэтому непосредственное исследование
передаточной функции
, (1.74)
и частотных характеристик разомкнутой системы (1.73) затруднительно.
Рассмотрим возможные варианты дальнейшего упрощения моделей импульсных систем.
Если
полагать в (1.73)
,
то
и
,
а (1.74) превратится в следующее выражение:
. (1.75)
И,
наконец, наиболее простой вид модель
приобретает при условии, когда
мало:
, (1.76)
т.е.
практически с точностью до множителя
передаточные функции
и
совпадают. Очевидно, при
все сказанное соответствует случаю,
когда формирующее устройство является
фиксатором нулевого порядка.
Для всех трех эквивалентных моделей (1.74), (1.75), (1.76) характерно то, что они тем более близки к исходной импульсной системе, чем ниже диапазон рассматриваемых частот, т.е. справедливы в низкочастотной области. Модель (1.74) более точная, но неудобная, модель (1.76) менее точная из всех трех типов.
Пример
1.11. Пусть
.
В примерах 1.3 и 1.7 получена передаточная
функция разомкнутой системы
,
,
.
Передаточная функция замкнутой системы
.
Далее
будем рассматривать для наглядности
случай
,
.
В примерах 1.3 и 1.7 получены следующие
результаты при анализе импульсной
системы:
– область устойчивости
;
– процессы
будут носить монотонный характер
,
если
;
– процессы
будут носить колебательный характер
,
если
;
– переходная
функция
имеет вид
. (1.77)
Основные
выводы: в системе могут при определенных
параметрах существовать как монотонные,
так и колебательные процессы; коэффициент
усиления
ограничен из условия устойчивости и
не может быть сделан сколь угодно
большим.
Вместо
импульсной системы рассмотрим
эквивалентную непрерывную систему с
передаточной функцией вида (1.76). Так
как в нашем примере
,
то имеем
.Вид переходного
процесса в замкнутой системе будет
, (1.78)
а
условие устойчивости:
.
Итак,
коэффициент
можно увеличивать до любого значения
без потери устойчивости, а процессы
(1.78) всегда будут монотонными.
Для
дискретных моментов времени
выражение (1.78) приобретает вид:
. (1.79)
Очевидно,
чем ближе величины
и
,
тем процессы будут ближе между собой.
Так как
,
,
то разлагая функции
и
в ряд Тейлора относительно
и ограничиваясь линейными членами,
получим
,
.
Итак,
при малых
процессы в обеих системах идентичны и
имеют монотонный характер.
Однако,
например, при
и
процесс в дискретной системе (1.77) будет
,
а в соответствующей непрерывной системе
(1.79)
,
т.е. эти процессы совершенно различны.
Рассмотрим
второй случай замены импульсной системы
непрерывной с передаточной функцией
(1.75). Для нашего случая
и
.
Передаточная функция замкнутой системы будет
.
В этом случае приходим к системе автоматического управления с запаздыванием.
Уравнение, связывающее вход и выход системы, будет иметь вид

и
является дифференциально-разностным.
При
оно превращается в дифференциальное.
Условие устойчивости для такой системы
.
Здесь
опять имеем ограничения на коэффициент
усиления
из условий устойчивости, как и в исходной
импульсной системе.
Наконец, замена импульсной системы непрерывной с передаточной функцией (1.74) приводит нас в данном случае к дифференциально-разностному уравнению второго порядка
,
.
