AUTOMATYCZNA STABILIZACJA KURSU STATKU.ZAD1.RTF

(47 KB) Pobierz
ZADANIE O AUTOMATYCZNEJ STABILIZACJI KURSU STATKU

 

 

ZADANIE O AUTOMATYCZNEJ STABILIZACJI KURSU STATKU.

 

  Neutralnie stabilny system automatycznego sterowania to taki system, w którym po ustaniu wymuszenia ustala się nowy stan równowagi, różny od początkowego i zależny od działającego wymuszenia.

 

  Niech system opisany : a­­0x(n) + a1x(n-1) +...+ anx(1) = 0 ma jeden zerowy pierwiastek. Jest to możliwe, gdy : an = 0. Wówczas równanie charakterystyczne ma postać :

 

                                (a0λn-1 + a1λn-2 +...+ an-1)λ = 0

 

oznaczamy prędkość zmiennej x przez V = x’. Wówczas mamy

 

                                a0Vn-1 + a1Vn-2 +...+ an-1V = 0

 

a więc system okazuje się asymptotycznie stabilny względem V. Sama funkcja x(t) może przyjmować dowolne wartości. Dlatego takie systemy nazywamy stabilnymi neutralnie.

 

ZADANIE

            Uproszczony model neutralnie stabilnego statku dany jest równaniem :

 

                   JΨ’’+ hΨ’ = -kδ        dla J>0, h>0, k>0

 

Ψ – kąt odchylenia od kursu

δ  – wychylenie steru

J  – moment inercji względem osi pionowej przechodzącej przez środek ciężkości

h - współczynnik

k – współczynnik efektywności steru

 

Niech równanie autopilot-maszyna sterowa ma postać

 

                  Tδ’ + δ = αξ + βξ’       dla T>0

 

T – stała czasowa autopilot-maszyna sterowa

α,β – parametry

ξ – pomiar wychylenia od kursu Ψ

 

Pomiar kąta wychylenia nie zachodzi natychmiast (ale opisuje się równaniem) :

 

                  τξ’ + ξ = Ψ             dla τ>0

 

W przestrzeni parametrów (α, β) charakteryzujΉcych układ znaleźć obszar, w którym system w obwodzie zamkniętym składający się ze statku, autopilota i maszyny sterowej jest asymptotycznie stabilny przy nastawie wartości parametrów: J=103, h=102, k=1, T=102, τ=10-1.

 

ROZWIĄZANIE:

 



     JΨ’’+ hΨ’ = -kδ

     Tδ’ + δ = αξ + βξ’

     Τξ’ + ξ = Ψ

 

 

 



     Ψ’’+ hΨ’/J = -kδ/J

     δ’ + δ/T = αξ/T + βξ’/T                                 αξ/T + βξ’/T = u  => u (ξ, Ψ)

     ξ’ + ξ/τ = Ψ/τ

 



     Ψ’ = r

     r’ = -hr/J – kδ/J

     δ’ = -δ/T + αξ/T + βξ’/T

     ξ’ = -ξ/τ + Ψ/τ

 

δ’ = -δ/T + αξ/T + βξ’/T = -δ/T + αξ/T + βΨ/Tτ – βξ/Tτ = -δ/T + βΨ/Tτ + (α/T – β/Tτ)ξ

 



     Ψ’ = r

     r’ = -hr/J – kδ/J

     δ’ = -δ/T + βΨ/Tτ + (α/T – β/Tτ)ξ

     ξ’ = -ξ/τ + Ψ/τ

 

Z tego układu czterech równań tworzymy macierz A

























     Ψ’            0            1            0            0                     Ψ









     r’              0           -h/J        -k/J         0                     r

    δ’            β/Tτ        0          -1/T    (α/T-β/Tτ)           δ                  x’ (t) = Ax (t)

     ξ’             1/τ          0            0         -1/τ                   ξ













Obliczamy macierz A (wstawiając za k, J, h, T i τ odpowiednie wartości) według kryterium Hurwitza  det (A-λJ)

 













     0            1            0            0                  λ  0  0  0             -λ            1            0            0







     0          -10-1       -10-3        0                  0  λ  0  0              0         -10-1-λ    -10-3         0





    β/10        0         -10-2  (α/10-β)/10         0  0  λ  0            β/10         0       -10-2-λ  (α/10-β)/10

    10           0            0           -10                0  0  0  λ             10           0            0         -10-λ









                         -10-1-λ    -10-3         0                                  0         -10-3            0

= (-1)1+1(-λ)        0       -10-2-λ  (α/10-β)/10     + (-1)1+2    β/10     -10-2-λ   (α/10-β)/10    =

                            0            0         -10-λ                              10          0            -10-λ

 









                                   -10-2-λ    (α/10-β)/10                                  β/10       (α/10-β)/10 

=(-1)1+1(-λ)(-10-1-λ)                                           - (-1)1+2(-10-3)                                             =

                                      0             -10-λ                                        10             -10-λ

 

= (λ/10 + λ2) (10-1 + λ/102 + 10λ + λ2) – 10-3(-β – λβ/10 – α/10 + β) = λ/102 + λ2/103 + λ2 +

+ λ3/10 + λ2/10 + λ3/102 + 10λ2 + λ4 + β/103 + λβ/104 + α/104 – β/103 = λ4 + (10 + 10-1 + 10-23 +

+ (1 + 10-1 + 10-32 + (10-2 + β/104)λ + α/104

 

  λ4  +  10,11λ3  +  1,101λ2  +  (10-2 + β/104)λ  +  α/104

  a0          a1                a2                    a3                    a4

 

 

 

 

 









     a1    a3    0    0              10,11     10-2+β/104            0                    0

     a0    a2    a4   0                  1            1,101              α/104               0





     0     a1    a3   0                  0            10,11           10-2+β/104          0

     0     a0    a2   a4                 0               1                   1,101           α/104

 

Aby układ zachował stabilność każdy z minorów tego wyznacznika musi być większy od zera.

 

Δ1= 10,11 >0

 

Δ2= 11,1211 – 0,0001β > 0        dla  β < 1112111 





            10,11    10-2+β/104         0

Δ3=         1            1,101         α/104        > 0

               0            10,11       10-2+β/104





                                 10,11   10-2+β/104

Δ3= (-1)3+2(α/104)                                      + (-1)3+3(10-2+β/1042 = -102,21α/104 + (10-2+β/104)

                                    0           10,11      

 

      (11,1211 – β/104) = -0,0102α + 0,1112 – β/106 + 0,0011β – β2/108 > 0

 

      -10-8β2 + 0,0011β + 0,1112 > 0,0102α  /: 0,0102

      -10-6β2 + 0,1078β + 10,9 > α

                Δ = (0,1078)2 – 4(-10-6)10,9 = 0,0116 + 0,00004 = 0,01164

                √ = 0,1079

 

                   miejsca zerowe  β1 = -50  i  β2 = 107850

                   współrzędne wierzchołka  βw = 53900  i  αw = 26975

Δ34

 

ODP:

         Wszystkie α i β, znajdujΉce się pod parabolą o współrzędnych napisanych powyżej

         i jednocześnie na lewo od prostej β = 1112111, wstawione do układu czterech równań powodują, że układ jest stabilny.

                                                                            











 

Zgłoś jeśli naruszono regulamin