- •Модуль 1. Линейные системы автоматического управления
- •1. Общие сведения о системах управления
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Принципы управления, принципы построения
- •1.3. Классификация систем управления
- •Структура и основные элементы системы автоматического управления
- •Математическое описание элементов и систем управления
- •2.1. Общие понятия
- •2.2. Линеаризация дифференциальных уравнений
- •2.3. Формы записи линеаризованных уравнений
- •3. Динамические звенья и их характеристики
- •3.1. Характеристики линейных звеньев
- •3.2. Типовые динамические звенья и их характеристики
- •3.3. Структурные схемы. Способы соединения звеньев
- •Построение логарифмических частотных характеристик разомкнутой цепи звеньев
- •Составление исходных уравнений замкнутых систем автоматического управления
- •4.1. Дифференциальные уравнения и передаточные функции замкнутых систем управления
- •4.2. Многомерные системы управления
- •5. Устойчивость систем управления
- •5.1. Понятие устойчивости систем
- •5.2. Устойчивость линейных систем
- •5.3. Алгебраические критерии устойчивости
- •5.4. Частотные критерии устойчивости
- •5.5. Запасы устойчивости
- •5.6. Оценка устойчивости по лчх
- •6. Оценка качества управления
- •6.1. Общие понятия
- •6.2. Оценка точности работы систем
- •6.3. Показатели качества переходного процесса
- •6.4. Частотные оценки качества
- •6.5. Корневые оценки качества
- •6.6. Интегральные оценки качества
- •6.7. Моделирование систем управления
- •Точность и чувствительность систем управления
- •7.1. Общие методы повышения точности систем управления
- •7.2. Теория инвариантности и комбинированное управление
- •7.3. Неединичные обратные связи
- •7.4. Чувствительность систем автоматического управления
- •8. Улучшение качества процесса управления
- •8.1. Постановка задачи
- •8.2. Законы управления. Типовые регуляторы
- •8.3. Корректирующие устройства
- •8.4. Синтез систем автоматического управления
- •9. Случайные процессы в системах управления
- •9.1. Введение в статистическую динамику систем
- •9.2. Общие сведения о случайных процессах
- •Оценка работы линейных автоматических систем
- •Вопросы к разделу 9
- •10. Анализ систем в пространстве состояний
- •10.1. Описание систем в пространстве состояний
- •10.2. Структура решения уравнений переменных состояния
- •10.3. Характеристики систем в пространстве состояний
- •10.4. Нормальная форма уравнений в пространстве состояний
- •10.5. Управление по состоянию. Системы управления
- •10.6. Оценивание координат состояния систем
- •10.7. Прямой корневой метод синтеза систем управления
- •Библиографический список к модулю 1
- •Модуль 2 нелинейные системы автоматического управления
- •2.1. Общие понятия и особенности нелинейных систем
- •2.2. Прямой метод Ляпунова
- •2.3. Частотный метод в.М. Попова
- •2.4. Метод гармонической линеаризации
- •2.5. Методы фазового пространства
- •Виды фазовых портретов для линейных систем второго порядка
- •2.6. Коррекция нелинейных систем
- •2.7. Скользящие режимы в релейных системах
- •2.8. Статистическая линеаризация нелинейных характеристик
- •Библиографический список к модулю 2
- •Содержание
10.4. Нормальная форма уравнений в пространстве состояний
Нормальная форма уравнений в пространстве состояний получается из стандартной формы (10.1) посредством преобразования подобия. При этом предполагается, что собственные числа матрицы А различные.
Введем линейное преобразование
X=MQ, (10.32)
где М - модальная матрица матрицы А.
Уравнения (10.1) перепишем
. (10.33)
Умножив первое уравнение из (10.33) слева на М-1 , получим
. (10.34)
Так как M - модальная матрица, то
М-1АМ = = - диагональная матрица;
где i (при i = 1, 2, ... , n) - собственные числа матрицы А.
Следовательно, можно записать
, (10.35)
где =М-1АМ, Вn= М-1B, Cn=CM, Dn=D матрицы;
Q=[q1,q2,...,qn]T - вектор состояния системы, элементами которого являются новые переменные состояния qi (при i=1, 2, ... , n).
Система (10.35) представляет собой нормальную форму уравнений описания систем управления в пространстве состояний.
Нормальная форма уравнений состояния позволяет декомпозировать многосвязную систему n-го порядка на n взаимонесвязанных систем, при этом дифференциальные уравнения становятся развязанными относительно переменных состояния q1,q2,...,qn, т.е. они имеют вид
, (10.36)
где fi - внешнее воздействие на i-ю переменную состояния.
Таким образом, переход к нормальной форме существенно упрощает исследование многосвязных систем.
В случае кратных собственных чисел матрицы A диагональная матрица заменяется матрицей J, которая строится из клеток Жордана, например,
. (10.37)
Таким образом, из сравнения уравнений (10.1) и (10.35) следует, что при математическом описании одного и того же динамического процесса различному выбору переменных состояния соответствуют различные матрицы системы, управления, наблюдения, связи и различные векторные дифференциальные уравнения, каждое из которых полностью определяет выходную величину системы.
Пример. Написать уравнения состояний в нормальной форме для динамической системы, представленной на рис.10.3.
Рис. 10.3. Структурная схема системы в переменных состояния
Решение. Выберем в качестве переменных состояния системы сигналы на выходах интеграторов x1 и x2. В этом случае структурной схеме (рис.10.3) соответствует следующая система уравнений (стан-дартная форма)
Откуда матрицы
, , , D=[2].
Собственные числа матрицы A: 1= 1, 2= 2.
Модальная матрица M= и M-1= .
Тогда диагональная матрица системы, матрица управления, матрица наблюдения и матрица связи будут
= , Вn= М-1B= , Cn=CM=[-1 -1], Dn=D=[2].
Отсюда получаем уравнения состояний системы в нормальной форме
,
которым соответствует структурная схема системы, приведенная на рис.10.4.
Рис. 10.4. Структурная схема системы в переменных состояния
по полюсам