Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

§ 2.1. Уравнения динамики и статики. Линеаризация

На определенном этапе разработки и исследования автоматической системы управления получают ее математическое описание — описание процессов, проистекающих в системе, на языке математики. Математическое описание может быть аналитическим (с помощью уравнений), графическим (с помощью графиков, структурных схем и графов) и табличным (с помощью таблиц).

Для получения математического описания системы обычно составляют описание ее отдельных элементов. В частности, для получения уравнений системы составляют уравнения для каждого входящего в нее элемента. Совокупность всех уравнений элементов и дает уравнения системы.

Уравнения (а также структурные схемы) автоматической системы управления называют ее математической моделью. Такое название обусловлено тем, что при математическом описании (составлении уравнений) физических процессов всегда делают какие-либо допущения и приближения. Математическая модель одной и той же системы в зависимости от цели исследования может быть разной. Более того, иногда полезно при решении одной и той же задачи на разных этапах принимать разную математическую модель: начать исследование с простейшей модели, а затем ее постепенно

Рис. 2.1

усложнять, с тем чтобы учесть дополнительные явления и связи, которые на начальном этапе были отброшены как несущественные. Сказанное обусловливается тем, что к математической модели предъявляются противоречивые требования: она должна, с одной стороны, как можно полнее отражать свойства оригинала, а с другой стороны, быть по возможности простой, чтобы не усложнять исследование.

Система управления и любой ее элемент производят преобразование входного сигнала в выходной сигнал . С математической точки зрения они осуществляют отображение

согласно которому каждому элементу из множества X входных сигналов ставится в соответствие единственный, вполне определенный элемент из множества выходных сигналов . В приведенном соотношении А называется оператором. Оператор, определяющий соответствие между входным и выходным сигналами системы управления (элемента), называется оператором этой системы (элемента). Задать оператор системы — это значит задать правило определения выходного сигнала этой системы по ее входному сигналу.

Рассмотрим математическое описание непрерывных систем управления с помощью дифференциальных уравнений. В большинстве случаев звенья и системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями произвольного порядка. Здесь под звеном понимается математическая модель элемента. Для примера рассмотрим звено (рис. 2.1), которое можно описать дифференциальным уравнением второго порядка

где у — выходная величина; — входные величины; у и u — первыё производные по времени; у — вторая производная по времени.

Уравнение (2.1), описывающее процессы в звене при произвольных входных воздействиях, называют уравнением динамики. Пусть при постоянных входных величинах процесс в звене с течением времени установится:

выходная величина примет постоянное значение Тогда (2.1) примет вид

Это уравнение описывает статический или установившийся режим и его называют уравнением статики.

Статический режим можно описать графически с помощью статических характеристик. Статической характеристикой звена или элемента (а также системы) называют зависимость выходной величины от входной в статическом режиме. Статическую характеристику можно построить экспериментально, подавая на вход Элемента постоянное воздействие и измеряя выходную величину после окончания переходного процесса, или расчетным путем, используя уравнение статики.

Если звено имеет несколько входов, то оно описывается с помощью семейства или семейств статических характеристик. Например, звено, характеризующееся в статическом режиме уравнением (2.2), можно описать графически с помощью семейства статических характеристик, представляющих собой кривые зависимости выходной величины у от одной входной величины и (или при различных фиксированных значениях другой — (или u).