Приближенные методы исследования нелинейных САУ
⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 6 Метод гармонического баланса При исследовании НЛ САУ иногда можно наблюдать появление периодических изменений выходной величины у(t) даже в тех случаях, когда Однако при таком объяснении малое изменение параметров системы «сдвинет» корень с мнимой оси налево или направо и собственные колебания либо затухают либо раскачиваются. На практике же в нелинейных системах периодические колебания выходного сигнала сохраняются при малых изменениях параметров системы. Такого рода незатухающие колебания объясняются нелинейным характером системы. Они называются автоколебаниями. Рассмотрим метод гармонического баланса, который позволяет по взаимному протеканию АФЧХ линейной части и и характеристики нелинейного элемента определить наличие или отсутствия автоколебаний. Рассмотрим одноконтурную систему, в которой выделяется нелинейный элемент
и линейная часть с передаточной функцией Рис.1 Предполагается: 1. 2. нелинейная характеристика
3.входной сигнал Будем искать выходной сигнал у(t) в виде
где
Гипотеза о синусоидальном характере у(t) выглядит произвольной. Однако далее будут приведены условия, при выполнении которых эта гипотеза становится естественной. Поскольку Пропустим сигнал
Прохождение Так как Спектр
Как известно, любая периодическая функция может быть представлена рядом Фурье:
Мы предполагаем, что свободный член в формуле (4) равен нулю. Это будет иметь место, например, когда характеристика нелинейного элемента удовлетворяет условию
Здесь коэффициенты Фурье
Преобразуем (4), умножив и поделив каждый член в правой части на
(7) Получим
Напомним, что
Таким образом при прохождении сигала Прохождение сигнала Из теории линейных систем мы знаем, что если на вход линейного звена с передаточной функцией Здесь
Используя эти соотношения, мы можем выписать выражения для В силу линейности системы такая процедура законна. Получим, полагая
Полученное выражение (9) для Изучая частотные характеристики типовых элементарных звеньев, мы видели, что их АЧХ стремятся к нулю при Гипотеза фильтра состоит в том, что АЧХ в правой части (9) убывает с ростом частоты настолько быстро, что в (9) можно учитывать лишь первый член, соответствующий к=1, и считать остальные члены пренебрежимо малыми. Другими словами – гипотеза фильтра – это гипотеза о том, что линейная часть САУ практически не пропускает высокочастотные колебания. Поэтому формула (9) (и в этом состоит приближенность метода) упрощается следующим образом:
Таким образом, при замыкании системы в предположении гипотезы фильтра мы получим баланс гармоник (отсюда и название метода – метод гармонического баланса) Рассмотрим как с помощью метода гармонического баланса определить амплитуду а и частоту Введем понятие эквивалентной передаточной функции нелинейного элемента:
Если
Характеристическое уравнение замкнутой САУ (рис.1) имеет вид: или частотная характеристика
Отсюда
Представим Тогда
Тогда уравнение (14) перепишется:
Равенство (14) или (17) является основой графо-аналитического метода определения параметров автоколебаний а и На комплексной плоскости строится АФЧХ линейной части и характеристика нелинейного элемента
Если кривые пересекаются, то в САУ существуют автоколебания. Частота автоколебаний в точке пересечения кривых по Рассмотрим подробнее выделенный участок Мы знаем амплитуду и частоту точек, ближайших к точке пересечения кривых. Амплитуду и частоту в точке пересечения можно определить, например, методом деления отрезка пополам. Метод гармонической линеаризации Это очень эффективный приближенный метод определения периодических колебаний в НЛ САУ. Для применения метода гармонической линеаризации нелинейности необходимо выполнение требования – линейная часть должна обладать свойствами фильтра, т.е. она не должна пропускать высокие частоты. На практике это требование обычно выполняется.
Пусть имеется нелинейный элемент
Пусть Тогда Разложим (1) в ряд Фурье: Напомним, нелинейная функция F(x), разложенная в ряд Фурье, имеет вид:
где
Тогда ряд Фурье для нашей нелинейности будет иметь вид:
Положим постоянную составляющую
Из уравнения (2): Из уравнения (3): Тогда уравнение (4) можно переписать:
В уравнении (5) пренебрегаем высокими частотами и в этом приближенность метода. Таким образом, нелинейный элемент при
Эта процедура называется гармонической линеаризацией. Коэффициенты Коэффициенты гармонической линеаризации некоторых типовых нелинейностей 1. Релейная характеристика
2.Релейная характеристика с зоной нечувствительности
3.Релейная характеристика с петлей гистерезиса
4.Релейная характеристика с зоной нечувствительности и петлей гистерезиса
Теперь рассмотрим замкнутую систему.
Можно ввести понятие передаточной функции нелинейного элемента
тогда
Тогда характеристическое уравнение замкнутой САУ:
Когда в замкнутой системе возникают собственные незатухающие колебания постоянной амплитуды и частоты, то коэффициенты гармонической линеаризации становятся постоянными и САУ становится линейной. А в линейной системе наличие периодических незатухающих колебаний говорит о наличии у нее чисто мнимых корней. Таким образом для определения периодических решений надо в характеристическое уравнение подставить
В этом уравнении неизвестными являются Выделим в этом уравнении действительную и мнимую части. Введем для частоты и амплитуды искомого периодического решения обозначения
Получим два уравнения с двумя неизвестными. Решив эти уравнения, найдем С помощью этих уравнений можно определить не только Тогда, считая К переменным, запишем: Задаваясь К, находим Можно выбрать К так, чтобы 1. 2. 3.автоколебаний не было бы. С помощью этих же уравнений можно на плоскости двух параметров (например, Т и К) построить линии равных значений амплитуды и частоты автоколебаний. Для этого уравнения переписывают: Задаваясь числовыми значениями По этим графикам можно выбирать Т и К. Определение устойчивости решений в нелинейных САУ Автоколебаниям в НЛ САУ должны соответствовать устойчивые периодические решения. Поэтому после нахождения амплитуды Рассмотрим приближенный метод исследования устойчивости периодических решений в НЛ САУ с помощью годографа Михайлова. Пусть НЛ САУ
Характеристическое уравнение замкнутой системы Запишем уравнение характеристической кривой (годографа Михайлова), для чего подставим в него
Тогда для любых заданных постоянных При периодических решениях, соответствующих
Для определения устойчивости периодических решений дадим Если при
Если при
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|