控制系统的仿真

连续系统离散相似法数字仿真

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连续系统离散相似法数字仿真

连续系统离散相似法数字仿真

离散相似法的原理

离散相似法的原理

离散相似法数字仿真是以系统的函数方框图为数学模型,并以模型中所包含的典型环节将系统的数学模型离散化。在仿真过程中各环节独立地计算其输出,由连接矩阵建立各环节之间的关系,这种方法的仿真速度较快,且能插入非线性环节,所以能比较方便地推广应用于非线性系统的仿真

离散相似法是在系统的各环节前加入虚拟的采样-保持器得到其离散化的模型,如图1所示

图中X(t)是环节的状态变量。环节的状态方程和输出方程分别为

状态方程的时域解为

对上式进行离散化,并设环节前虚拟的采样——保持器的采样周期为T,则对于t=nT和t=(n+1)T的两任意相邻时刻状态变量的关系为

虚拟保持器的存在,使输入函数U(τ)将具有不同形式,如图2所示

图1

22d1d32

图2

(1)若为零阶保持器

因此       

令                 

代入上式并写成递推式

(2)若为一阶保持器

因此

令                   

代入上式并写成递推式,则

根据各环节的输出方程,可得

显而易见,离散方程系数Φ(T),Φm(T)和决定于环节的状态方程系数矩阵A和B,编制适当程序即可依次递推计算出Xn+1和Yn+1

在实际应用中,通常将控制系统中的典型环节分类,并分别求出相应的离散系数表达式和输出方程表达式,如下表所示

典型环节离散方程系数和输出方程

系数

积分环节

比例+积分

惯性环节

超前-滞后

比例

环节类型H

0

1

2

3

4

典型传

递函数

K

K

Ci/Bi

Ci/Bi

Ci/Bi

Di/Bi

Ci/Ai

a

0

0

Ai/Bi

Ai/Bi

0

b

0

Di/Ci

0

Ci/Di

0

Φ(T)

1

1

e-aT

e-aT

0

Φm(T)

KT

KT

K

KT2/2

KT2/2

0

输出方程

Yn+1=Xn+1

Yn+1=Xn+1+KbUn+1

Yn+1=Xn+1

Yn+1=(b-a)Xn+1+KUn+1

Yn+1=Xn+1

连接矩阵及程序框图

连接矩阵及程序框图

(1)连接矩阵

对于图1所示系统,各环节间的关系可以用连接矩阵来描述,从而构成闭环系统

图中 u1=y0-y4

u2=y1-ay3

u3=y2

u4=y3

其矩阵表示式为

U=WY

图1

其中

W称为连接矩阵,它反映了系统中各环节之间的关系,如Wij表示第i号环节受第j号环节输出yj作用的作用系数

(2)仿真程序框图及说明

利用离散相似法进行连续系统数字仿真的程序框图如图2所示

22d1d34

图2

例如,一控制系统如图3所示,利用系统数字仿真程序,可得仿真的控制系统的响应曲线如图4所示,并打印出,上升时间tr=1.6s,最大超调量σp=52%,调整时间ts=6.8s

22d1d35

图3

22d1d36

图4  控制系统阶跃响应曲线

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