Дифференциальное уравнение в операторной форме

Передаточная функция. В ТАУ часто используют операторную форму записи дифференциальных уравнений

В ТАУ часто используют операторную форму записи дифференциальных уравнений. При этом вводится понятие дифференциального оператораp = d/dt так, что, dy/dt = py, а p n = d n /dt n . Это лишь другое обозначение операции дифференцирования. Обратная дифференцированию операция интегрирования записывается как 1/p. В операторной форме исходное дифференциальное уравнение записывается как алгебраическое:

Не надо путать эту форму записи с операционным исчислением хотя бы потому, что здесь используются непосредственно функции времени y(t), u(t) (оригиналы), а не их изображения Y(p), U(p), получаемые из оригиналов по формуле преобразования Лапласа. Вместе с тем при нулевых начальных условиях с точностью до обозначений записи действительно очень похожи. Это сходство лежит в природе дифференциальных уравнений. Поэтому некоторые правила операционного исчисления применимы к операторной форме записи уравнения динамики. Так оператор p можно рассматривать в качестве сомножителя без права перестановки, то есть py yp. Его можно выносить за скобки и т.п.

Поэтому уравнение динамики можно записать также в виде:

Дифференциальный оператор W(p) называют передаточной функцией. Она определяет отношение выходной величины звена к входной в каждый момент времени: W(p) = y(t)/u(t), поэтому ее еще называют динамическим коэффициентом усиления. В установившемся режиме d/dt = 0, то есть p = 0, поэтому передаточная функция превращается в коэффициент передачи звена K = b_m/a_n.

Знаменатель передаточной функции D(p) = a_op n + a₁p n — 1 + a₂p n — 2 + . + a_n называют характеристическим полиномом. Его корни, то есть значения p, при которых знаменатель D(p) обращается в ноль, а W(p) стремится к бесконечности, называются полюсами передаточной функции.

Числитель K(p) = b_op m + b₁p m — 1 + . + b_m называют операторным коэффициентом передачи. Его корни, при которых K(p) = 0 и W(p) = 0, называются нулями передаточной функции.

Звено САУ с известной передаточной функцией называется динамическим звеном. Оно изображается прямоугольником, внутри которого записывается выражение передаточной функции. То есть это обычное функциональное звено, функция которого задана математической зависимостью выходной величины от входной в динамическом режиме. Для звена с двумя входами и одним выходом должны быть записаны две передаточные функции по каждому из входов. Передаточная функция является основной характеристикой звена в динамическом режиме, из которой можно получить все остальные характеристики. Она определяется только параметрами системы и не зависит от входных и выходных величин. Например, одним из динамических звеньев является интегратор. Его передаточная функция W_и(p) = 1/p. Схема САУ, составленная из динамических звеньев, называется структурной.

Дата добавления: 2015-12-26 ; просмотров: 853 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Формы записи дифференциальных уравнений

Стационарные линейные непрерывные САУ наиболее часто описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами:

. (2.9)

В этом уравнении — выходная переменная (управляемая (регулируемая) величина) САУ, — входная переменная САУ. Правая часть уравнения (3.1) записана относительно управляющего воздействия , однако используются формы записи уравнения относительно задающего воздействия , возмущения или нескольких входных воздействий.

Применяется также операторная форма записи уравнения (2.9):

. (2.10)

В этом уравнении через « » обозначен оператор дифференцирования .

Заметим, что по сложившейся традиции символ « » используется также в преобразованиях Лапласа и Карсона-Хевисайда, но является комплексным числом .

За многолетнюю историю развития ТАУ сложились традиции формальной записи линейных дифференциальных уравнений, описывающих стационарные САУ. В учебной литературе по ТАУ они рассматриваются как стандартные формы записи дифференциальных уравнений. Рассмотрим эти формы записи на примере линейной системы второго порядка:

(2.11)

или в операторной форме

. (2.12)

Первая стандартная символическая форма записи уравнения (2.11) имеет следующий вид:

, (2.13)

где ; ; ; .

Форма (2.13) представляет собой операторно-структурное описание системы, т.е. в виде операторов звеньев, составляющих структурную схему системы (далее эти понятия разъясняются), и связей между ними. В этой форме — постоянные времени звена, измеряемые в секундах; — передаточный коэффициент звена.

Из изложенного выше следует, что уравнение (2.9) в этой форме перепишется в следующем виде:

, (2.14)

где ; ; .

Во второй стандартной форме записи дифференциального уравнения используется передаточная функция системы, которая для рассматриваемого примера (2.11) имеет вид

.

Передаточная функция САУ, поведение которой во времени описывается уравнением (2.9), имеет следующий вид :

.

В формуле (2.15) через и обозначены изображения (по Лапласу) выходной и входной переменных САУ при нулевых начальных условиях и равенстве нулю внешних возмущений, а через и — полиномы относительно комплексной переменной .

Вторая стандартная форма записи дифференциального уравнения имеет следующий вид:

или . (2.16)

В (2.16) и являются полиномами (символическими) относительно оператора .

Из сравнения первой и второй стандартных форм записи дифференциальных уравнений следует, что с математической точки зрения различие между этими формами весьма несущественно и состоит лишь в различном представлении коэффициентов уравнений. В ТАУ принято называть уравнения вида (2.9) — (2.14), (2.16) уравнениями типа «вход-выход».

Третья стандартная форма записи дифференциального уравнения принципиально отличается от форм записи, описанных выше. В этой форме записи используются переменные состояния. Отметим, что понятие «состояние» является базовым в современной ТАУ (СТАУ). Переменные состояния — это промежуточные переменные системы (рис.2.2), число которых равно ее порядку . В общем случае входные и выходные переменные могут быть векторными величинами размерности и соответственно.

Координаты состояния х1, х2 , . ,хn u y Рис.2.2 — Состояние системы

Переменные состояния называют также координатами состояния, так как их совокупность задает вектор состояния .

Множество возможных положений этого вектора образует векторное пространство , называемое пространством состояний системы. В переменных состояния САУ описывается векторно-матричным уравнением

, (2.17)

где — квадратная матрица коэффициентов (ее называют также собственной параметрической матрицей системы); — входная матрица (матрица управления) системы; — выходная матрица системы;

— вектор переменных состояния — внутренних координат системы;

— вектор входных переменных (управляющих и возмущающих);

— вектор наблюдаемых или выходных переменных; размерности матриц , , , соответственно, ( ), ( ), ( ).

Процессы в САУ в свободном движении (без внешних воздействий) согласно уравнению (2.17) описываются векторно-матричным уравнением с характеристическим уравнением , где — единичная матрица, или в развернутом виде системой дифференциальных уравнений

с характеристическим уравнением

. (2.18)

Эти уравнения при определенных начальных условиях дают возможность изучить процессы в системе путем их решения численными методами с использованием ЭВМ.

Разработаны различные способы перехода от уравнений типа «вход-выход» к уравнениям состояния вида (2.17) и наоборот. Один из наиболее распространенных способов состоит в следующем. Пусть САУ описывается уравнением (2.9). Введем обозначения

, , . , ,

.

С помощью этих обозначений преобразуем уравнение (3.1) к следующему виду:

, (2.19)

где ; ;

; .

В нашем примере и являются скалярными величинами. В общем случае (2.17) — это, соответственно, вектор наблюдаемых или выходных переменных и вектор входных переменных (управляющих и возмущающих), поэтому в (2.19) матрицы и выродились в вектор-столбец и вектор-строку соответственно.

Система уравнений (2.19) представляет собой описание линейной непрерывной системы в пространстве состояний . Уравнения (2.19) с матрицей называют уравнениями в форме Фробениуса.

Если , то

; .

Форма уравнений (2.19) с подобными матрицами и называется в ТАУ канонической формой фазовой переменной.

Задание 1

1.1. По дифференциальному уравнению системы:

Для каждого типового звена 1 – 12 (таблицы 2.1) в соответствии с его параметрами вывести дифференциальное уравнение, операторное уравнение, и выражение передаточной функции.

1.2Математическое описание типового звена системы автоматического регулирования записать в трех формах записи дифференциальных уравнений.

Первая стандартная символическая форма операторно-структурное описание системы, т.е. в виде операторов звеньев.

Во второй стандартной форме записи дифференциального уравнения используется передаточная функция системы.

Третья стандартная форма записи дифференциального уравнения — переменные состояния.

Таблица 2.1 – Исходные коэффициенты

Задание 2

2.1Для каждого звена (таблицы 2.2) по его передаточной функции записать дифференциальное уравнение.

2.2 Математическое описание типового звена системы автоматического регулирования записать в трех формах записи дифференциальных уравнений.

Вар	Передаточная функция	Значения параметров передаточной функции
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=1;в1=3; в2=0,8
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; в0=1; в1=3;
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; а4=0,5; в0=10
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; а3 =0,9; в0=10
	а0=1; а1=5; а2 =1,2; а3=0,9;а4=0,5;в0=1;в1=3; в2=0,8;в3=0,3
	Т0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
	Т0=2; Т1=4; Т2=1,1;Т3=1,1;Т4=,9
	К= 10;Т1=4; Т2=1,1;Т3=0,9
	К= 10; Т2=1,1;Т3=0,9 Т4=0,9
	Т0=0,7; Т1=3;Т2=1,2;Т3=0,9;Т4=0,8;Т5=0,5
	К=10 Т0=0,7; Т1=3;Т2=1,2;Т3=0,9;Т4=0,8;Т5=0,5;

Задание №3

3.1 Для заданной схемы необходимо составить операторное уравнение для каждого элемента схемы САУ.

3.2. Определить входные и выходные величины каждого элемента, и определить передаточные функции отдельных элементов функциональной схемы.
Формы записи дифференциальных уравнений.

3.3Сформировать математическое описание систем автоматического регулирования в виде структурной схемы в буквенном и числовом обозначениях.

3.4 Сформировать математическое описание систем автоматического регулирования в виде третьей стандартной формы записи дифференциального уравнения — В переменных состояния САУ описываемых векторно-матричным уравнением.

Схема, показанная на рисунке 2.2, представляет собой САР температуры в помещении. Объектом регулирования (ОР) в дан­ной системе является помещение, для которого регулируемая ве­личина — температура внутри помещения Ө, регулирующее (уп­равляющее) воздействие — температура воздуха Ө_К, поступающего из калорифера, возмущающее воздействие — изменения внешних факторов f(в общем случае изменение температуры атмосферного воздуха, его влажности, скорости ветра). При исследовании сис­темы в качестве основного возмущения следует рассматривать из­менение температуры окружающего воздуха.

Воспринимающим органом — ВО (датчиком, чувствительным элементом) в данной САР является терморезистор R_Д, включен­ный в мостовую схему, обеспечивающую с помощью резистора R_Озадание необходимого значения температуры в помещении и выполняющую также функции сравнивающего органа — СО (эле­мента сравнения). Усиление сигнала разбалансаΔU(сигнала рас­согласования) измерительной мостовой схемы обеспечивается посредством усилителя. Усиленный сигнал Uобеспечивает вра­щение двухфазного исполнительного двигателя, который изменя­ет перемещение клапана (заслонки) на трубопроводе подачи парав калорифер, чем достигается изменение температуры воздуха на входе калорифера — регулирующего воздействия на объектерегулирования.

1 — помещение; 2 — теплообменник (калорифер), 3 — измерительная мостовая схема; 4 — двухфазный ис­полнительный двигатель, 5 — дифференциальный магнитный усилитель; 6 — клапан (заслонка)

Рис. 2.2. Схема САР температуры

Динамические свойства объекта регулирования и элементов системы описываются следующими уравнениями:

где То, Т2, Т3, Т4 — постоянные времени, с; Ө — значение температуры воздуха в помещении, °С, Ө к — значение температуры воздуха на выходе калорифера, °С; к, к₁, к₂, к₃, к₄— коэффициенты передачи; f— возмущающее воздействие на объекте регулирования; Uд —падение напряжения на термодатчике, В; ΔU— напряжение на выходе мостовой схемы (сигнал рассогласования), В; μ. — линейное перемещение клапана, см; U₀ — задающий сигнал, В.

Значения параметров элементов САР по вариантам даны в таб­лице 2.3.

Заданное значение температуры в помещении Ө = 20 °С.

Значения параметров элементов САР

Примечание. Для всех вариантов постоянные времени Т3 = 20 с, Т4=0,5 с.

Схема САР, приведенная на рисунке 2.3, обеспечивает стаби­лизацию угловой скорости электродвигателя постоянного тока который совместно с рабочим механизмом является объектом ре­гулирования. Регулируемая величина объекта — угловая скорость двигателя ω, регулирующее воздействие — напряжение Uг,пода­ваемое от генератора на якорь двигателя. Возмущающее воздейст­вие на объекте регулирования — момент сопротивления М_с, соз­даваемый рабочим механизмом. Угловая скорость двигателя ωконтролируется тахогенератором, сигнал которого Uтг, пропор­циональный скорости, сравнивается с задающим сигналом U₃. Сигнал рассогласования ΔU = U₃— U_Tг усиливается магнитным усилителем и воздействует на обмотку возбуждения генератора, выполняющего функции исполнительного органа (элемента).

Динамические свойства объекта регулирования и элементов САР описываются следующими уравнениями:

гдеТ_д, Ту, T_v — постоянные времени, с; К_д, К_м, К_тг, К_у, К_г — коэффициенты передачи соответствующих элементов систем

1 — задающий потенциометр; 2 — магнитный усилитель; 3 — генератор; 4 — двигатель; 5 — тахогенератор; 6 — рабочий механизм

Рис. 2.3. Схема САР угловой скорости электродвигателя

Значения параметров элементов САР

Значения параметров объекта регулирования и элементов сис­темы для различных вариантов указаны в таблице 2.4. Заданное значение угловой скорости ω = 40 рад/с.

На рисунке 2.4 изображена схема САР давления Р в ресивере (воз­духосборнике) 1, который является в данной системе объектом регу­лирования. Давление в ресивере регулируется посредством изменения количества воздуха Q, зависящего от положения заслонки 2, т.е. от ее линейного перемещения Х₃, которое можно рассматривать как регу­лирующее воздействие на входе объекта регулирования. Внешним возмущением, вызывающим отклонение регулируемой величины — давления Р, является изменение расхода сжатого воздуха Q_c.

Рис 2.4 Схема САР давления Р в ресивере

Давление в данной системе контролируется с помощью сильфонного датчика 3, выход­ная величина которого — пере­мещение Х_с сильфона 5 одно­значно зависит от разности сил ΔF= F₀— F_p, где F_p— сила, соз­даваемая давлением Р, F₀— си­ла натяжения пружины 6, кото­рое можно изменять винтом 7.

Перемещение сильфона Х_сс помощью потенциометрического преобразователя 4 преобразуется в электрический сигнал — напряжение U, которое усиливается электронным усилителем 8. Выходной сигнал усилителя U_yуправляет электромагнитным при­водом 9, связанным с заслонкой 2,

В данной САР сильфонный датчик выполняет функции вос­принимающего, задающего и сравнивающего органов. Как вос­принимающий орган он контролирует давление Р, преобразуя его в силу Fp. Задание требуемого давления в ресивере обеспечивается посредством силы F0. Как сравнивающий орган сильфон обеспе­чивает сравнение величин F0 и Fp, в результате чего, как отмеча­лось ранее, получается ΔF= F0 — Fp — сигнал рассогласования.

Динамические свойства объекта регулирования и элементов САР описываются следующей системой уравнений:

Физическая сущность переменных, входящих в уравнения, от­ражена выше в описании схемы САР. Параметры T0, T1, T2, T3 и К0, Кq, Кв, Кc, Кп, Ку, К₃ — соответственно постоянные времени и ко­эффициенты передачи. Их размерности и значения по вариантам даны в таблице 2.5. Требуемое значение давления Р = 500 кПа.

Значения параметров элементов САР

На электрических станциях при производстве электроэнергии предъявляют определенные требования к стабильности частоты f генерируемой ЭДС. Частота f однозначно определяется угловой скоростью ω рабочего колеса гидротурбины. В связи с этим гид­ротурбины на электростанциях оснащают САР угловой скорости. На рисунке 2.5 показана схема одного из вариантов такой САР.

В данной системе объектом регулирования является гидротур­бина 1, регулируемой величиной — угловая скорость ω .Она при постоянном расходе воды изменяется в зависимости от нагрузки на валу турбины, т. е. от мощности Р, которая потребляется от ге­нератора 2 (с увеличением мощности угловая скорость снижается, с уменьшением — возрастает). Таким образом, мощность Р явля­ется внешним возмущающим воздействием на объекте регулиро­вания. Для регулирования угловой скорости предусмотрена за­слонка 3, с помощью которой изменяется расход воды через тур­бину. Он однозначно зависит от вертикального перемещения X заслонки. Следовательно, перемещение заслонки X можно рас­сматривать как регулирующее воздействие объекта регулирова­ния. Угловая скорость ω контролируется посредством тахогенератора 4, ЭДС Е которого сравнивается с задающим напряжением U0. Сигнал рассогласования Δ U через усилитель 5 управляет по­средством электродвигателя 6 и редуктора 7 заслонкой 3.

Рис. 2.5 Схема САР угловой скорости рабочего колеса гидротурбины

Динамические свойства элементов САР описываются следую­щей системой уравнений:

Дифференциальное уравнение в операторной форме

Сущность операторного метода заключается в том, что функции вещественной переменной t, которую называют оригиналом, ставится в соответствие функция комплексной переменной , которую называют изображением. В результате этого производные и интегралы от оригиналов заменяются алгебраическими функциями от соответствующих изображений (дифференцирование заменяется умножением на оператор р, а интегрирование – делением на него), что в свою очередь определяет переход от системы интегро-дифференциальных уравнений к системе алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных. При решении этих уравнений находятся изображения и далее путем обратного перехода – оригиналы. Важнейшим моментом при этом в практическом плане является необходимость определения только независимых начальных условий, что существенно облегчает расчет переходных процессов в цепях высокого порядка по сравнению с классическим методом.

Изображение заданной функции определяется в соответствии с прямым преобразованием Лапласа:

.

(1)

В сокращенной записи соответствие между изображением и оригиналом обозначается, как:

или

Следует отметить, что если оригинал увеличивается с ростом t, то для сходимости интеграла (1) необходимо более быстрое убывание модуля . Функции, с которыми встречаются на практике при расчете переходных процессов, этому условию удовлетворяют.

В качестве примера в табл. 1 приведены изображения некоторых характерных функций, часто встречающихся при анализе нестационарных режимов.

Таблица 1. Изображения типовых функций

Оригинал	Изображение
A

Некоторые свойства изображений

Изображение суммы функций равно сумме изображений слагаемых:

.

.

С использованием этих свойств и данных табл. 1, можно показать, например, что

.

Изображения производной и интеграла

В курсе математики доказывается, что если , то , где — начальное значение функции .

Таким образом, для напряжения на индуктивном элементе можно записать

или при нулевых начальных условиях

.

Отсюда операторное сопротивление катушки индуктивности

.

Аналогично для интеграла: если , то .

С учетом ненулевых начальных условий для напряжения на конденсаторе можно записать:

.

или при нулевых начальных условиях

,

откуда операторное сопротивление конденсатора

.

Закон Ома в операторной форме

Пусть имеем некоторую ветвь (см. рис. 1), выделенную из некоторой

сложной цепи. Замыкание ключа во внешней цепи приводит к переходному процессу, при этом начальные условия для тока в ветви и напряжения на конденсаторе в общем случае ненулевые.

Для мгновенных значений переменных можно записать:

.

Тогда на основании приведенных выше соотношений получим:

.

,

(2)

где — операторное сопротивление рассматриваемого участка цепи.

Следует обратить внимание, что операторное сопротивление соответствует комплексному сопротивлению ветви в цепи синусоидального тока при замене оператора р на .

Уравнение (2) есть математическая запись закона Ома для участка цепи с источником ЭДС в операторной форме. В соответствии с ним для ветви на рис. 1 можно нарисовать операторную схему замещения, представленную на рис. 2.

Законы Кирхгофа в операторной форме

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма изображений токов, сходящихся в узле, равна нулю

.

Второй закон Кирхгофа:алгебраическая сумма изображений ЭДС, действующих в контуре, равна алгебраической сумме изображений напряжений на пассивных элементах этого контура

.

При записи уравнений по второму закону Кирхгофа следует помнить о необходимости учета ненулевых начальных условий (если они имеют место). С их учетом последнее соотношение может быть переписано в развернутом виде

.

В качестве примера запишем выражение для изображений токов в цепи на рис. 3 для двух случаев: 1 — ; 2 — .

В первом случае в соответствии с законом Ома .

Во втором случае, т.е. при , для цепи на рис. 3 следует составить операторную схему замещения, которая приведена на рис. 4. Изображения токов в ней могут быть определены любым методом расчета линейных цепей, например, методом контурных токов:

откуда ; и .

Переход от изображений к оригиналам

Переход от изображения искомой величины к оригиналу может быть осуществлен следующими способами:

1. Посредством обратного преобразования Лапласа

,

которое представляет собой решение интегрального уравнения (1) и сокращенно записывается, как:

.

На практике этот способ применяется редко.

2. По таблицам соответствия между оригиналами и изображениями

В специальной литературе имеется достаточно большое число формул соответствия, охватывающих практически все задачи электротехники. Согласно данному способу необходимо получить изображение искомой величины в виде, соответствующем табличному, после чего выписать из таблицы выражение оригинала.

Например, для изображения тока в цепи на рис. 5 можно записать

.

Тогда в соответствии с данными табл. 1

,

что соответствует известному результату.

3. С использованием формулы разложения

Пусть изображение искомой переменной определяется отношением двух полиномов

,

где .

Это выражение может быть представлено в виде суммы простых дробей

,

(3)

где — к-й корень уравнения .

Для определения коэффициентов умножим левую и правую части соотношения (3) на ( ):

.

При

.

Рассматривая полученную неопределенность типа по правилу Лопиталя, запишем

.

.

Поскольку отношение есть постоянный коэффициент, то учитывая, что , окончательно получаем

.

(4)

Соотношение (4) представляет собой формулу разложения. Если один из корней уравнения равен нулю, т.е. , то уравнение (4) сводится к виду

.

В заключение раздела отметим, что для нахождения начального и конечного значений оригинала можно использовать предельные соотношения

которые также могут служить для оценки правильности полученного изображения.

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

1. В чем заключается сущность расчета переходных процессов операторным методом?
2. Что такое операторная схема замещения?
3. Как при расчете операторным методом учитываются ненулевые независимые начальные условия?
4. Какими способами на практике осуществляется переход от изображения к оригиналу?
5. Для чего используются предельные соотношения?
6. Как связаны изображение и оригинал в формуле разложения? Какие имеются варианты ее написания?

С использованием теоремы об активном двухполюснике записать операторное изображение для тока через катушку индуктивности в цепи на рис. 6.

Ответ: .

С использованием предельных соотношений и решения предыдущей задачи найти начальное и конечное значения тока в ветви с индуктивным элементом.

Ответ: .