Расчёт значений ФЧХ ведём в логарифмическом масштабе. Результаты записываем в таблицу 5. Размерность ФЧХ – радианы (рад).

Таблица 5. ФЧХ

Строим график ФЧХ – рис. 5.

Рис. 5. ФЧХ

8. Структурная схема системы

Записываем матричные уравнения системы:

;

.

Подставляем исходные данные:

;

.

Производим умножение матриц:

,

,

.

Получили систему уравнений, на основе которой строим структурную схему – рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема системы

Часть 2:

Осуществить синтез замкнутой системы с собственными числами

{–1; –4; 5j}.

Построить наблюдатель полного порядка.

Дано:

,

,

.

Решение:

1. Синтез замкнутой системы

Рассматриваем линейную систему с постоянными параметрами:

,

.

Пусть управление линейно зависит от координат состояния системы:

,

где

– входной командный сигнал,

К – матрица коэффициентов обратной связи.

После замыкания эта система имеет структуру, изображённую на рис. 7.

Рис. 7. Структура исходной системы

Движение системы описывается линейным дифференциальным уравнением:

.

Таким образом, динамические свойства системы полностью определяются матрицей А – ВК, её характеристическими числами.

Характеристический многочлен исходной системы равен:

.

Спектр характеристических чисел (корни характеристического многочлена):

.

Желаемый характеристический многочлен замкнутой системы по условию имеет 4 собственных числа, но наша исходная система имеет третий порядок, поэтому одно из собственных чисел необходимо убрать, убираем собственное число (–1), тогда:

.

Пусть матрица коэффициентов обратной связи , тогда характеристический полином замкнутой системы:

.

Приравниваем коэффициенты при равных степенях многочленов и :

,

,

,

.

Решая полученную систему уравнений, получаем:

,

,

.

Искомое управление принимает вид:

.

Структура синтезированной системы представлена на рис. 8.

Она построена по уравнениям:

,

,

,

,

.

Рис. 8. Структура синтезированной системы

2. Построение наблюдателя полного порядка

Система

называется асимптотическим наблюдателем полного порядка, если для любого начального состояния х(0) и всех оценка с ростом времени асимптотически приближается к вектору состояния .

Найдём структуру асимптотического наблюдателя, для чего определим ошибку восстановления и найдём модель её изменения:

.

Затем потребуем, чтобы при всех и .

Это равенство возможно при:

,

.

Таким образом, структура асимптотического наблюдателя полного порядка определяется моделью вида:

.

На рис. 9 изображена структура системы и её наблюдателя.

Рис. 9. Структура системы с наблюдателем

Задача синтеза наблюдателя системы состоит в том, чтобы найти матрицу . Это можно сделать, исходя из условия асимптотической сходимости оценки к вектору состояния при любых начальных состояниях наблюдателя и системы.

Пусть ошибка восстановления , тогда

.

Ошибка восстановления описывается линейным однородным дифференциальным уравнением с матрицей и ненулевыми начальными условиями, а поэтому асимптотическая сходимость ошибки к нулю возможна тогда и только тогда, когда собственные числа матрицы , которые называют полюсами наблюдателя, располагаются в левой полуплоскости.

Пусть матрица

,

тогда матрица

.

Полюса наблюдателя определяются уравнением:

.

Переходные процессы в наблюдателе будут несравнимы с процессами в системе, если полюса наблюдателя будут значительно левее полюсов системы. Поскольку характеристические числа замкнутой системы равны:

{– 4; 5j},

то расположим полюса наблюдателя в точках:

.

Желаемый характеристический полином наблюдателя принимает вид:

,

что будет иметь место тогда, когда:

,

,

.

Решая полученную систему уравнений, получаем:

;

;

.

Находим матрицу:

Модель асимптотического наблюдателя системы принимает вид:

,

,

,

.

Структура системы со своим асимптотическим наблюдателем полного порядка представлена на рис. 10.

Она построена по уравнениям:

,

,

,

,

,

,

.