Факультет дистанционного образования
ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Лабораторная работа №1
По дисциплине «Цифровые системы автоматического управления-1»
Вариант №19
Цель лабораторной работы – освоить на практике методы получения и анализа уравнений состояния цифровой системы автоматического управления.
Исходные данные – импульсная передаточная функция замкнутой системы W(z).
Задание по лабораторной работе можно разбить на несколько этапов.
-
Получение диаграмм состояния с помощью трех методов декомпозиции:
а) непосредственной,
б) последовательной,
в) параллельной.
-
На основе диаграмм состояния составляют уравнения состояния и уравнения выхода
x (k + 1) = Ax(k) + B r(k), (4.1)
y(k) = C x(k) . (4.2)
Для каждого из методов п.1 результат представляют в виде квадратной матрицы А, вектор-столбца В и вектор-строки С.
-
Находят решение уравнений состояния (4.1) и уравнений выхода (4.2). Для этого:
а) вычисляют переходную матрицу Φ(k),
б) записывают решение уравнения (4.1) так же, как это сделано в учебном пособии [1, с. 102] в форме
(4.3)
Переходная матрица Φ(k) вычисляется для уравнений состояния, полученных
-
непосредственной декомпозицией – с помощью метода z-преобразования [1, с. 95–96];
-
последовательной декомпозицией – с применением теоремы КэлиГамильтона [1, с. 94];
-
параллельной декомпозицией – как диагональная матрица [1, с. 93].
Подстановка решения (4.3) в уравнение (4.2) дает решение для выходного сигнала системы
(4.4)
Решение необходимо записать для k=3 для заданных r(k) и нулевых начальных условий (y(0)= y(1)=0). Для записи решения в виде (4.4) потребуется пересчитать начальные условия для y(k) в начальные условия для x(k).
а) методом непосредственной декомпозиции:
Представим
передаточную функцию в более удобном
виде:
.
Диаграмма состояний:
,
,
.
,
,
.
Найдем переходную матрицу методом z-преобразования:
Осталось взять обратное z-преобразование от каждого элемента последней матрицы, предварительно представив эти элементы в виде суммы простых дробей. Имеем:
Получаем переходную матрицу:
Выход системы:
,
исходя из того, что y(0)=y(1)=0,
найдем x(0):
Подставляя в формулу k=0, получаем:
Полагая k=1, имеем:
Учитывая начальные условия для выхода y(k), получим начальные условия для вектора состояния x(k):
.
Таким образом,
б) методом последовательной декомпозиции.
Представим передаточную функцию в более удобном виде:
,
Диаграмма состояний:
,
,
,
,
.
Найдем переходную матрицу по теореме Кэли-Гамильтона:
Собственные числа
матрицы
равны
.
Решим систему
уравнений
:
;
,
Подставляем найденные коэффициенты в выражение для переходной матрицы:
В итоге получаем:
Решение уравнения выхода в общем виде:
При k=0
При k=1
Значит,
в) методом параллельной декомпозиции.
Представим передаточную функцию в более удобном виде:
Диаграмма состояний:
,
,
,
,
,
.
Представим переходную матрицу в виде:
Имеем:
Решение для выхода системы в общем виде:
При k=0
При k=1
Откуда
Для выхода системы имеем
