14.1. Синтез САУ

В ТАУ можно выделить две характерные задачи: 1) в заданной САУ найти и оценить переходные процессы - это задача анализа САУ; 2) по заданным переходным процессам и основным показателям разработать САУ - это задача синтеза САУ.

Вторая задача сложнее в виду своей неоднозначности, многое определяется творческими способностями проектировщика. Поэтому обычно задачу синтеза САУ ставится ограниченно. Считается, что основная часть системы уже задана, что обычно имеет место. Требуется синтезировать корректирующие звенья, то есть выбрать их схему и параметры. При этом необходимо, чтобы в результате коррекции САУ обеспечивался требуемый запас устойчивости; точность управления в установившихся режимах и качество управления в динамических режимах.

14.1.1. Включение корректирующих устройств

Корректирующее устройство можно включить последовательно, параллельно-согласно или параллельно-встречно (по схеме с обратной связью).

Последовательное корректирующее устройство с передаточной функцией W п включается обычно после предварительного усилителя. На рис.103а предварительный усилитель имеет передаточную функцию W 3 , выходной каскад усилителя - W 2 , исполнительный элемент - W 1 .

Параллельно-согласное корректирующее устройство с передаточной функцией W пс (рис.103б) может иногда при меньшей сложности обеспечить нужное преобразование сигнала. Например, для коррекции свойств САУ часто требуются дифференцирующие и форсирующие звенья, которые конструктивно очень сложны. В то же время параллельно-согласное включение предварительного усилителя (W 3 = K 3 ) и простого апериодического звена с передаточной функцией W пс = позволяет реализовать функцию реального форсирующего звена. Такое соединение можно заменить эквивалентным форсирующим звеном с передаточной функцией

W ф = W 3 + W пс = ,

где T ф1 = ; T ф2 = T пс ; K ф = K 3 + K пс .

Наибольшими возможностями в плане коррекции свойств САУ обладает корректирующее устройство с передаточной функцией W п в , включенное по схеме с отрицательной или положительной обратной связью, охватывающей один из звеньев САУ, как правило исполнительный элемент или выходной каскад усилителя (усилитель мощности)(рис.103в). Такие обратные связи называются местными. При этом передаточная функция эквивалентного звена:

W экв = .

Обычно передаточную функцию выходного каскада усилителя W 2 выбирают из условия |W 2 .W п в| >> 1 в широком диапазоне частот, поэтому

Wэкв 1/W п в .

То есть свойства участка цепи с параллельно-встречным включением корректирующего устройства определяются только свойствами данного корректирующего устройства. Это основное достоинство данного способа включения. Влияние плохих свойств какого либо необходимого для САУ звена, например, его нелинейности, могут быть практически полностью устранены.

Местные корректирующие обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткая обратная связь действует на систему как в переходном, так и в установившемся режиме, то есть W ж (0)0 . Она реализуется безынерционным или инерционным звеном:

W ж = K ж или W ж = .

Гибкая обратная связь действует только в переходном режиме, она реализуется либо дифференцирующим, либо реальным дифференцирующим звеном:

W г = K г p или W г = .

Например, если интегрирующее звено W и = K и /p охвачено жесткой обратной связью звеном W ж = K ж , то

Wэкв = ,

где K экв = 1/K ж , T экв = 1/(K и K экв K ж ). То есть жесткая обратная связь превращает интегрирующее звено в апериодическое. В случае гибкой обратной связи звеном W г = K г p получаем

Wэкв = ,

где K экв = . То есть гибкая обратная связь не изменяет структуру интегрирующего звена, но уменьшает его коэффициент передачи.

Таким образом, даже простейшие обратные связи способны существенно изменить свойства типовых динамических звеньев. Еще больший эффект дают сложные отрицательные и положительные обратные связи. Если основные элементы регулятора по своей природе позволяют создать обратную связь, то динамические свойства этих элементов часто могут быть изменены в нужном направлении.

14.1.2. Синтез корректирующих устройств.

Корректирующие устройства синтезируют на основании требований к свойствам САУ. Для этого необходимо знать передаточную функцию реальной САУ W реал , которая чем то не удовлетворяет разработчика, и желаемую передаточную функцию W жел , которой должна обладать САУ в результате корректировки ее свойств.

При синтезе корректирующих устройств сначала определяю передаточную функцию возможного последовательного корректирующего устройства исходя из соотношения: W п = W жел /W реал . Затем выясняют, при каких передаточных функциях параллельно-согласного W пс и параллельно-встречного W пв корректирующих устройств будет получен тот же эффект. После этого решают, какое из них более целесообразно и проще создать. При этом исходя из рис.103 можно записать:

W жел = WW п = W 1 W 2 .(W 3 + W п с) = W(1 + W п с/W 3 ) = W/(1 + W 2 W п в) ,

где W = W 1 W 2 W 3 . Из этого соотношения можно определить формулы перехода от одного корректирующего устройства к другому.

14.2. Коррекция свойств САУ изменением параметров звеньев

Рассмотрим примеры коррекции свойств некоторой исходной замкнутой САУ (рис.104), передаточная функция которой в разомкнутом состоянии:

W(p) = .

Для этого воспользуемся критерием Найквиста. Значения параметров звеньев в каждом конкретном случае будем оговаривать отдельно.

14.2.1. Изменение коэффициента передачи

Для увеличения точности статической САУ надо увеличивать коэффициент передачи K . С ростом K увеличивается жесткость статической характеристики САУ (рис.105), то есть уменьшается статическая ошибка e .

На рис.106 сплошными линиями показаны частотные характеристики исходной разомкнутой САУ при T 1 = 0.5c, T 2 = 0.02c, T 3 = 0.002c, K = 10.

При увеличении коэффициента передачи K в N раз ЛАЧХ, не меняя своей формы, поднимается вверх на 20lgN (на рисунке изображена пунктирной линией). При этом ЛФЧХ остается без изменения. Из рисунка видно, что с увеличением коэффициента передачи запас устойчивости по модулю уменьшается с h 30дб/дек до h к 15дб/дек, по фазе - с 60 o до к 15 o .

То есть, при повышении точности САУ путем увеличения коэффициента передачи необходимы мероприятия по повышению запаса устойчивости. Это главный недостаток такой коррекции.

К достоинствам можно отнести повышение быстродействия САУ, так как частота среза wср увеличивается, следовательно постоянная времени САУ - уменьшается.

14.2.2. Изменение постоянной времени звена САУ

На рис.107 сплошными линиями изображены ЛЧХ разомкнутой САУ с параметрами: T 1 = 0.05c, T 2 = 0.01c, T 3 = 0.001c, K = 100. Из рисунка видно, что САУ неустойчива. При увеличении постоянной времени T 1 в 5 раз (T 1 ’ = 0.2с) ЛАЧХ и ЛФЧХ приобретают вид, показанный на рисунке пунктирной линией. При этом видим, что замкнутая САУ становится устойчивой. Заметим, что сопрягающая частота W 1 данного звена располагается левее частоты среза ср . Если бы она располагалась правее частоты среза, то есть, если бы мы увеличивали постоянную времени, например, третьего звена T 3 , то это привело бы к уменьшению запаса устойчивости.

Частотные характеристики для этого случая приведены на рис.108.

Аналогичное влияние оказывает постоянная времени колебательного звена. Влияние постоянной времени форсирующего звена обратное, то есть, если сопрягающая частота форсирующего звена располагается левее частоты среза, то увеличение его постоянной времени уменьшает запас устойчивости САУ, если правее, то запас устойчивости увеличивается.

Указанные зависимости справедливы лишь при условии, что сопрягающая частота расположена на некотором удалении (около одной декады) от частоты среза. Бывают и исключения из этого правила.

Вопросы

1. Какие характерные задачи решаются при проектировании САУ?
2. Что называется синтезом САУ?
3. Как включаются корректирующие устройства?
4. Что называется местными обратными связями и для чего они служат?
5. В чем особенности гибкой и жесткой обратных связей? Как они реализуются?
6. Как улучшить динамические свойства САУ, если сам объект управления имеет плохие динамические показатели?
7. Что называется синтезом корректирующих устройств?
8. Как влияет на динамические и статические свойства САУ увеличение коэффициента усиления регулятора?
9. Как отразится на динамических свойствах САУ увеличение постоянной времени самого инертного звена?
10. Как отразится на динамических свойствах САУ увеличение постоянной времени самого динамичного звена?
11. Как отразится на динамических свойствах САУ уменьшение постоянной времени самого инертного звена?
12. Как отразится на динамических свойствах САУ уменьшение постоянной времени самого динамичного звена?

Задачи синтеза. Задачи синтеза САУ заключаются в определении управляющего устройства в виде его математического описания. При этом считается, что задан объект управления, известны требования к точности и качество управления, известны условия работы, включая характеристики внешних воздействий, известны требования к надёжности, весу, габаритам и т.д. Синтез- создание управляющего устройства при известном условии. Задача синтеза - задача на оптимум. Большое число требований и их разнообразие даёт возможность сформировать единый критерий оптимальности и решения задачи синтеза, как задачу надёжности этого экстремума. Поэтому синтез разделяется на ряд этапов и на каждом этапе решается какая то часть задач синтеза(один отдельный аспект).

Частотный метод синтеза корректирующих устройств. Наиболее распространённым является частотный метод синтеза корректирующих устройств с помощью ЛЧХ. Он проводится следующим образом: Строится желаемая ЛАЧХ исходя из требованиям по точности и качества переходного процесса. Эта желаемая характеристика сравнивается с той, которую имеет система без коррекции. В результате сравнения определяется передаточная функция корректирующего устройства. Затем строится ФЧХ и с помощью её определяется полученные запасы устойчивости по амплитуде и фазе.

Формирование НЧ желаемой ЛАЧХ. Требования по точности могут формироваться по разному.

1.Пусть даны рабочая частота и амплитуда ( р и а р)и задана допустимая ошибка А  = доп.

Для области низких частот, гдеW(j) >1

можно записать: Ф  (j p)=1/1+W(j p)1/W(j p)

А  =aW(j)= a/1+W(j p)a/W(j p)

W(j p)а р / доп

3. Для астатических систем задается скорость изменения вх сигнала

Если воздействие задано, как изменение с постоянной скоростью, то пользуются коэффициентами:

к - коэффициент передачи на рабочей частоте

В это случае АЧХ должна проходить выше точки 20lgk

Формирование СЧ желаемой ЛАЧХ.

СЧ – часть формируется исходя из требований к качеству перех проц-ов.

Пусть заданно допустимость перерегулирования  и время процесса tп. Чтобы по этим данным определить частоту среза, используем график:

При=20% 

после этого их сопрягают.

Высокочастотная часть ЛАЧХ заметной роли на качество не играет, поэтому

мы берём её такой же как у неизменяемой части.

Сущ-ет синтез последовательного и параллельного корректирующих устройств

Они взаимозаменяемы, поэтому рассмотрим только последовательные.

Считаем, что заданная ЧХ отличается от желаемой надо пред-ть коэф-т передачи и перед ф-ию КУ, к-ые обеспечили бы желаемые св-ва сис-мы.

Пусть к ж >к 0

Расстояние между W / o и W o – 20 lgk k – коэф-т усиления КУ

чтобы найти W k совмещают на одном графике ЧХ для W ж и для W / o

Общий порядок поэтапного синтеза линейной САУ.

1 этап. Определение порядка астатизма и коэффициента передачи системы, Эти параметры находятся исходя из требований к точности в установленном режиме при детерминированном воздействии. Если коэффициент передачи системы, который определяется по величине астатизма оказывается очень большим, что затрудняет стабилизацию системы, целесообразно повысить порядок астатизма и тем самым свести статическую ошибку к нулю, в независимости от коэффициента передачи системы. Если ввели астатизм, то в этом случае коэффициент передачи системы выбирается исходя только из соображений детальности и качества переходных процессов. На этом же этапе решается вопрос о применении воздействий по основному возмущению. Введение коррекции по возмущению целесообразно, если имеется возможность изменения этого возмущения, и введение коррекции по возмущению позволяющее упростить структуру замкнутого контура.

2 этап. Определение основного, т.е. не варьируемой части системы. При проектировании системы обычно часть звеньев системы оговаривают или определяют. Сюда относится объект управления и слежения с объектом устройства (исполнительный механизм, чувствительный элемент и т.д.).

Тем не менее эти звенья должны удовлетворять требованиям по точности и быстродействию. Часто при проектировании задаются другие звенья: преобразователи, усилители, вычислительные устройства. Набор известных элементов составляет костяк структурной схемы системы (иначе это называют основной или не варьируемой частью системы)

3 этап. Выбор коррекции и составление структурной части схемы САУ. Если требования к качеству переходных процессов и точности невысокие, то выбор корректирующих звеньев и варьируемых параметров осуществляется по условию обеспечения устойчивости системы и при этом стремятся к получению как можно больших запасов устойчивости. После выбора корректирующего устройства осуществляется выбор значения варьируемых параметров исходя из требований по точности и качества переходных процессов. Если же требования к качеству переходных процессов и точности достаточно высокие, то корректирующие устройства выбираются исходя из требований по качеству переходных процессов и точности. Корректирующие устройства выбираются таким образом, чтобы в первую очередь обеспечить те требования к качеству управления, которые наиболее жёсткие.

После того как выбрана коррекция предъявляется выполнение других требований к системе и при этом уточняется коррекция. Если мы применяем последовательную коррекцию, то найденная частотная характеристика и будет являться частотной характеристикой корректирующего устройства. По ней определяют передаточную функцию корректирующего устройства. Если предполагается применить корректирующую обратную связь, то её передаточную функцию находят по передаточной функции последовательного корректирующего устройства. Если одновременно используется последовательная и параллельная коррекция, то из передаточной функции варьируемой части сначала выделяется передаточная функция последовательного корректирующего устройства, а за тем оставшаяся часть корректируется как параллельное корректирующее устройство.

4 этап. Построение переходного процесса. Стремятся учесть все те упрощения, которые были сделаны на предыдущих этапах.

Уточнение структурной схемы системы регулирования выбора и расчета ее элементов и параметров. Экспериментальное исследование системы или отдельных ее частей в лабораторных условиях и внесение соответствующих исправлений в ее схему и конструкцию. Проектирование и производство системы регулирования. Наладка системы в реальных условиях работы опытная эксплуатация.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция №6 Синтез систем автоматического управления

СИНТЕЗ САУ – выбор структуры и параметров САУ, начальных условий и входных воздействий в соответствии с требуемыми показателями качества и условиями функционирования.

Проектирование САУ предполагает выполнение следующих этапов:

1. Исследование объекта регулирования: составление математической модели, определение параметров, характеристик и условий работы объекта.
2. Формулирование требований к САР.
3. Выбор принципа управления; определение функциональной структуры (технический синтез).
4. Выбор элементов схемы регулирования с учетом статических, динамических, энергетических, эксплуатационных и др. требований и согласование их между собой по статическим и энергетическим характеристикам (процедура не формализована - инженерное творчество).
5. Определение алгоритмической структуры (теоретический синтез) производится с помощью математических методов и на основании требований, записанных в чёткой математической форме. Определение законов регулирования и расчет корректирующих устройств, обеспечивающих заданные требования.
6. Уточнение структурной схемы системы регулирования, выбора и расчета ее элементов и параметров.
7. Экспериментальное исследование системы (или отдельных ее частей) в лабораторных условиях и внесение соответствующих исправлений в ее схему и конструкцию.
8. Проектирование и производство системы регулирования.
9. Наладка системы в реальных условиях работы (опытная эксплуатация).

Проектирование САУ начинают с выбора объекта управления и основных функциональных элементов (усилителей, исполнительных устройств и др.), то есть разрабатывают силовую часть системы.

Заданные статические и динамические характеристики системы обеспечиваются соответствующим выбором структуры и параметров силовой части, специальных корректирующих устройств и всей САУ в целом.

Назначение корректирующих устройств : обеспечить требуемую точность работы системы и получить приемлемый характер переходного процесса.

Корректирующие звенья вводятся в систему различными способами: последовательно, местная ООС, прямое параллельное включение, внешние (вне контура регулирования) компенсирующие устройства, охват всей САУ стабилизирующей ООС, неединичная главная обратная связь.

Типы электрических корректирующих устройств постоянного тока: активные и пассивные четырехполюсники постоянного тока, дифференцирующие трансформаторы, тахогенераторы постоянного тока, тахометрические мосты и др.

По назначению корректирующие устройства классифицируются:

1. СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ – обеспечивать устойчивость САУ и улучшать их статические и динамические характеристики;
2. КОМПЕНСИРУЮЩИЕ – уменьшать статические и динамические ошибки при построении САУ по комбинированному принципу;
3. ФИЛЬТРУЮЩИЕ – повышение помехозащищенности систем, например фильтрация высших гармоник при демодуляции сигнала прямого канала;
4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ – для придания системе особых свойств, позволяющих улучшить показатели качества системы.

САУ могут быть построены по следующим структурным схемам:

1. С последовательной корректирующей цепью.

Усилитель У должен иметь большое входное сопротивление, чтобы не шунтировать выход корректирующей цепи.

Применяется в случае медленно изменяющихся входных воздействиях, так как при больших рассогласованиях происходит насыщение в реальных нелинейных элементах, частота среза уходит влево и система медленно выходит из состояния насыщения.

Рис.1.

Последовательная коррекция часто используется в системах стабилизации либо для коррекции контура с корректирующей обратной связью.

Уменьшается.

1. Со встречно–параллельной корректирующей цепью.

Рис.2.

Поступает на вход как разность и глубокого насыщения не наступает.

1. С последовательно–параллельной корректирующей цепью.

Рис.3.

1. С комбинированными корректирующими цепями.

Синтез САУ подчинённого регулирования с двумя и более контурами проводится путём последовательной оптимизации контуров, начиная с внутреннего.

Расчёт систем делится на 2 этапа: статический и динамический .

Статический расчёт заключается в выборе основных звеньев системы, входящих в её главную цепь, составление структурной схемы последней и определение параметров основных элементов системы (коэффициентов усиления, обеспечивающих требуемую точность, постоянных времени всех элементов, передаточных чисел, передаточных функций отдельных звеньев, мощности двигателя). Кроме того, сюда входит расчёт и проектирование магнитных и полупроводниковых усилителей и выбор транзисторных или тиристорных преобразователей, двигателей, чувствительных элементов и других вспомогательных устройств систем, а также расчёт точности в установившемся режиме работы и чувствительности системы.

Динамический расчёт включает большой комплекс вопросов, связанных с устойчивостью и качеством переходного процесса (быстродействием, характеристикой отработки и динамической точностью работы системы). В процессе расчёта выбираются корректирующие цепи, места их включения и определяются параметры последних. Проводится также расчёт кривой переходного процесса или моделирование системы с целью уточнения полученных качественных показателей и учёта некоторых нелинейностей.

Платформы, на которых строятся стабилизирующие алгоритмы :

1. Классическая (дифференциальные уравнения - временные и частотные методы);
2. Нечеткая логика;
3. Нейронные сети;
4. Генетические и муравьиные алгоритмы.

Методы синтеза регуляторов:

1. Классическая схема;
2. ПИД – регуляторы;
3. Метод размещения полюсов;
4. Метод ЛЧХ;
5. Комбинированное управление;
6. Множество стабилизирующих регуляторов.

Классический синтез регуляторов

Классическая структурная схема управления объектом приведена на рис. 1. Обычно регулятор включают перед объектом.

Рис. 1. Классическая структурная схема управления объектом

Задача системы управления состоит в том, чтобы подавить действие внешнего возмущения и обеспечить качественные переходные процессы. Эти задачи часто противоречивы. Фактически нам нужно стабилизировать систему так, чтобы она имела требуемые передаточные функции по задающему воздействию и по каналу возмущения:

, .

Для этого мы можем использовать только один регулятор, поэтому такую систему называют системой с одной степенью свободы.

Эти две передаточные функции связаны равенством

Поэтому, изменяя одну из передаточных функций, автоматически меняем и вторую. Таким образом, их невозможно сформировать независимо и решение всегда будет некоторым компромиссом.

Посмотрим, можно ли в такой системе обеспечить нулевую ошибку, то есть, абсолютно точное отслеживание входного сигнала. Передаточная функция по ошибке равна

Для того, чтобы ошибка всегда была нулевой, требуется, чтобы эта передаточная функция была равна нулю. Поскольку ее числитель - не нуль, сразу получаем, что знаменатель должен обращаться в бесконечность. Мы можем влиять только на регулятор, поэтому получаем. Таким образом, для уменьшения ошибки нужно

увеличивать коэффициент усиления регулятора.

Однако нельзя увеличивать усиление до бесконечности. Во-первых, все реальные устройства имеют предельно допустимые значения входных и выходных сигналов. Во-вторых, при большом усилении контура ухудшается качество переходных процессов, усиливается влияние возмущений и шумов, система может потерять устойчивость. Поэтому в схеме с одной степенью свободы обеспечить нулевую ошибку слежения невозможно.

Посмотрим на задачу с точки зрения частотных характеристик. С одной стороны, для качественного отслеживания задающего сигнала желательно, чтобы частотная характеристика была примерно равна 1 (в этом случае). С другой стороны, с точки зрения робастной устойчивости нужно обеспечить на высоких частотах, где ошибка моделирования велика. Кроме того, передаточная функция по возмущению должна быть такой, чтобы эти возмущения подавлять, в идеале мы должны обеспечить.

Выбирая компромиссное решение, обычно поступают следующим образом:

● на низких частотах добиваются выполнения условия, что обеспечивает хорошее слежение за низкочастотными сигналами; при этом, то есть, низкочастотные возмущения подавляются;

● на высоких частотах стремятся сделать, чтобы обеспечить робастную устойчивость и подавление шума измерений; при этом то есть система фактически работает как разомкнутая, регулятор не реагирует на высокочастотные помехи.

Расчет линейных непрерывных САУ по заданной точности

В установившемся режиме работы

Одно из основных требований, которым должна удовлетворять САУ, заключается в обеспечении необходимой точности воспроизведения задающего (управляющего) сигнала в установившемся режиме работы.

Порядок астатизма и передаточный коэффициент системы находят исходя из требований к точности в установившемся режиме. Если передаточный коэффициент системы, определённый по требуемой величине статизма и добротности (в случае астатической САУ), оказывается настолько большим, что существенно затрудняет даже просто стабилизацию системы, целесообразно повысить порядок астатизма и этим свести до нуля заданную установившуюся ошибку вне зависимости от значения передаточного коэффициента системы. В результате становится возможным величину этого коэффициента выбирать, исходя только из соображений устойчивости и качества переходных процессов.

Пусть структурная схема САР приведена к виду

Тогда в квазиустановившемся режиме работы САР рассогласование представимо в виде сходящегося ряда

где выполняют роль весовых констант.

Очевидно, что такой процесс может иметь место только в том случае, если –медленно меняющаяся и достаточно плавная функция.

Если представить передаточную функцию разомкнутой системы в виде

то при r =0

при r =1

при r =2

при r =3

Низкочастотная часть логарифмических амплитудных частотных характеристик обусловливает точность работы системы при отработке медленно меняющихся сигналов управления в установившемся состоянии и определяется коэффициентами ошибок. Коэффициенты ошибок больше не оказывают существенного влияния на точность САУ, и их можно не учитывать при практических расчётах.

1. Расчет установившегося режима работы САР по заданным коэффициентам рассогласования (ошибки)

Точность работы системы в установившемся режиме определяется величиной передаточного коэффициента разомкнутой системы, который определяется в зависимости от формы задания требований к точности системы.

Расчет ведется следующим образом.

1. СТАТИЧЕСКИЕ САР. Здесь задается величина коэффициента позиционной ошибки, по которому определяется: .

дБ

20 lgk pc

ω , с -1

1. АСТАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 1-го порядка.

В этом случае задан коэффициент, по которому определяется

Если заданы коэффициенты и, то, который определяет положение низкочастотной асимптоты ЛАЧХ разомкнутой системы с наклоном -20 дБ/дек, а вторая асимптота имеет наклон -40 дБ/дек при сопрягающей частоте (рис.1).

Рис.1.

1. АСТАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ 2-го порядка.

По заданному коэффициенту определим k pc :

дБ

ω , с -1

2. Расчет установившегося режима работы САР по заданной максимальной величине рассогласования (ошибки) системы

На основании допустимого значения установившейся ошибки и вида управляющего воздействия выбираются параметры низкочастотной части ЛАЧХ системы.

1. Пусть заданы допустимая максимальная ошибка при гармоническом воздействии с амплитудой и частотой и порядок астатизма системы.

Тогда низкочастотная асимптота ЛАЧХ системы должна проходить не ниже контрольной точки с координатами:

(1)

и иметь наклон -20 r дБ/дек. Зависимость (1) справедлива при.

1. Пусть заданы допустимая максимальная ошибка при максимальной скорости и максимальное ускорение входного воздействия и порядок астатизма r системы.

Часто удобно пользоваться методом эквивалентного синусоидального воздействия, предложенного Я.Е. Гукайло.

В этом случае определяется режим, при котором амплитуды скорости и ускорения равны максимальным заданным значениям. Пусть входное воздействие изменяется в соответствии с заданным законом

. (2)

Приравнивая амплитудные значения скорости и ускорения, полученные дифференцированием выражения (2), заданным значениям и, получим

откуда, . По этим величинам можно построить контрольную

точку В с координатами и

При единичной отрицательной обратной связи,

При неединичной обратной связи.

Если скорость сигнала на входе максимальна, а ускорение убывает, то контрольная точка будет двигаться по прямой с наклоном -20 дБ/дек в диапазоне частот. Если же ускорение равно максимальному значению, а скорость убывает, то контрольная точка движется по прямой с наклоном -40дБ/дек в диапазоне частот.

Область, расположенная ниже контрольной точки В и двух прямых с наклонами -20дБ/дек и -40дБ/дек, представляет собой запретную область для ЛАЧХ следящей системы. Так как точная ЛАЧХ проходит ниже точки пересечения двух асимптот на 3 дБ, то желаемая характеристика при должна быть поднята вверх на эту величину, т.е.

При этом требуемое значение добротности по скорости, а частота в точке пересечения второй асимптоты с осью частот (рис.2)

В том случае, когда управляющее воздействие характеризуется только максимальной скоростью, добротность системы по скорости при заданном значении ошибки:

Если задано только максимальное ускорение сигнала и величина ошибки, то добротность по ускорению:

Рис.2.

1. Пусть задана максимальная статическая ошибка по каналу управления (входное воздействие ступенчатое, система статическая по каналу управления).

Рис.3.

Тогда величина определяется из выражения. Статическую точность автоматической системы можно определить из уравнения:

где – статическая точность замкнутой системы,

– отклонение регулируемой величины в разомкнутой системе,

– передаточный коэффициент разомкнутой системы, требуемый для обеспечения заданной точности.

1. Пусть задана максимальная допустимая статическая ошибка по каналу возмущения (возмущающее воздействие ступенчатое, система статическая по каналу возмущения, рис.3).

Тогда величина определяется из выражения:

где – передаточный коэффициент разомкнутой системы по каналу возмущения,

где – ошибка системы без регулятора.

В статических системах управления установившаяся ошибка, вызванная постоянным возмущающим воздействием, уменьшается по сравнению с разомкнутой системой в 1+. При этом в 1+ раз уменьшается также и передаточный коэффициент замкнутой системы.

1. Пусть задана допустимая скоростная ошибка от управляющего воздействия (входное воздействие изменяется с постоянной скоростью, система астатическая первого порядка).

Следящие системы проектируют обычно астатическими первого порядка. Они работают при переменном управляющем воздействии. Для таких систем в установившемся режиме наиболее характерным является изменение входного воздействия по линейному закону.

Тогда добротность системы по скорости определяется из выражения:

Поскольку установившаяся ошибка определяется низкочастотной частью ЛАЧХ, то по вычисленному значению передаточного коэффициента может быть построена низкочастотная асимптота желаемой ЛАЧХ.

3. Расчет установившегося режима работы САР по заданной максимальной допустимой ошибке системы с неединичной обратной связью

Пусть априорная информация о входном сигнале сведена к минимуму:

1. Максимальное по модулю значение первой производной входного воздействия (максимальная скорость слежения) – ;
2. Максимальное по модулю значение второй производной входного воздействия (максимальное ускорение слежения) – ;
3. Входное воздействие может быть детерминированным или случайным сигналом с любой спектральной плотностью.

Требуется ограничить максимально допустимую ошибку системы управления при воспроизведении полезного сигнала в установившемся режиме работы величиной.

Требование к точности воспроизведения наиболее просто формулируется для гармонического входного воздействия эквивалентного реальному входному сигналу:

в предположении, что амплитуда и частота заданы, а начальная фаза имеет произвольное значение.

Установим связь между допустимой ошибкой воспроизведения входного воздействия и параметрами системы и входного сигнала.

Пусть структурная схема непрерывной САУ сведена к виду (рис.4).

Рис.4.

Ошибка на выходе системы во временной области определяется выражением:

где – эталонная (безошибочная) выходная функция.

Можно показать, что вследствие ограничений на скорости и ускорения выходная функция отличается от ступенчатой.

Отобразим последнее выражение в пространство преобразований Лапласа:

Отобразим в пространство преобразований Фурье:

В области низких частот (, –постоянные времени цепи обратной связи) , тогда

максимальная амплитуда ошибки определяется по выражению:

В реальных системах на низких частотах обычно , ибо следует выполнить требование; математическое выражение для определения преобразуется на контрольной частоте () к виду

и для того, чтобы выходная функция воспроизводилась с максимальной ошибкой не более заданной, ЛАЧХ проектируемой системы не должна проходить ниже контрольной точки с координатами и

4. Расчет установившегося режима работы статической САУ методом предельных переходов

Утверждение

Пусть задана обобщенная структурная схема статической САР:

где, здесь полиномы числителей и знаменателей не содержат множителя p (свободные члены их равны единице),

– передаточный коэффициент регулятора,

– передаточный коэффициент объекта по каналу управления,

– передаточный коэффициент обратной связи,

– передаточный коэффициент объекта по каналу возмущения,

причем в первом приближении статические и динамические передаточные коэффициенты звеньев приняты равными, номинальному входному воздействию соответствует номинальная величина выходной функции по каналу управления, и пусть заданы величина ступенчатого возмущающего воздействия и – допустимая статическая ошибка по каналу возмущения в % от номинального значения выходной функции.

Тогда передаточные коэффициенты системы по каналам управления и возмущения в установившемся режиме равны статическим передаточным коэффициентам замкнутой системы и определяются по формулам:

(1)

Уравнения статики по каналам управления и возмущения имеют вид

(2)

Передаточные коэффициенты регулятора и цепи обратной связи определяются по выражениям:

(3)

Способы повышения статической точности САУ

1. Увеличение передаточного коэффициента разомкнутой системы в статических системах.

Где, .

Однако условия устойчивости при увеличении ухудшаются, то есть увеличиваются погрешности в динамике.

1. Введение в регулятор интегральной составляющей .

2.1. Применение И-регулятора: .

В этом случае система становится астатической по каналам управления и возмущения, а статическая ошибка становится равной нулю. ЛАЧХ системы пойдет значительно круче исходной, а фазовый сдвиг увеличивается на – 90 градусов. Система может оказаться неустойчивой.

2.2. Установка ПИ-регулятора: .

Здесь статическая ошибка равна нулю, а условия устойчивости лучше, чем у системы с И-регулятором.

2.3. Использование ПИД-регулятора: .

Статическая ошибка системы равна нулю, а условия устойчивости лучше, чем в системе с ПИ-регулятором.

1. Введение в систему неединичной обратной связи, если требуется точное воспроизведение информационного уровня входного сигнала.

Полагаем, что и - статические звенья. , требуется подобрать такое,

Чтобы; .

1. Масштабирование входного

воздействия.

Здесь.

Выходная функция будет равна информационному уровню входного воздействия, если, отсюда, где.

1. Применение принципа компенсации по каналам управления и возмущения.

Расчет компенсирующих устройств изложен в разделе «Расчет систем комбинированного управления».

Расчёт динамики САУ

Синтез САУ по ЛЧХ

В настоящее время разработано большое число методов синтеза корректирующих устройств, которые подразделяются на:

• аналитические методы синтеза, в которых используются аналитические выражения, связывающие показатели качества системы с параметрами корректирующих устройств;
• графо-аналитические.

Самый удобный из графо-аналитических методов синтеза – классический универсальный метод логарифмических частотных характеристик.

Сущность метода заключается в следующем. Сначала строят асимптотическую ЛАЧХ исходной системы, затем строят желаемую ЛАЧХ разомкнутой системы; ЛАЧХ корректирующего устройства должна так изменить форму ЛАЧХ исходной системы, чтобы ЛАЧХ скорректированной системы.

Наиболее сложным и ответственным этапом при синтезе является построение желаемой ЛАЧХ. При построении предполагают, что синтезируемая система имеет единичную отрицательную обратную связь и представляет собой минимально-фазовую систему. Количественная связь между показателями качества переходной функции минимально-фазовых систем с единичными ООС и ЛАЧХ разомкнутой системы устанавливается на основании номограмм Честната-Майера, В.В.Солодовникова, А.В.Фатеева, В.А.Бесекерского.

Желаемую ЛАЧХ условно разделяют на три части: низкочастотную, среднечастотную и высокочастотную. Низкочастотная часть определяется статической точностью системы – точность работы САУ в установившемся режиме. В статической системе низкочастотная асимптота параллельна оси частот, в астатических системах наклон низкочастотной асимптоты составляет –20 *  дБ/дек, где  - порядок астатизма ( =1, 2, 3,…). Среднечастотная часть является наиболее важной, так как она в основном определяет динамику процессов в системе. Основные параметры среднечастотной асимптоты – это её наклон и частота среза. Чем больше наклон среднечастотной асимптоты, тем труднее обеспечить хорошие динамические свойства системы. Поэтому целесообразен наклон –20 дБ/дек и крайне редко он превышает –40 дБ/дек. Частота среза определяет быстродействие системы. Чем больше, тем выше быстродействие (тем меньше). Высокочастотная часть желаемой ЛАЧХ незначительно влияет на динамические свойства системы. Вообще говоря, лучше иметь возможно больший наклон её асимптоты, что уменьшает требуемую мощность исполнительного органа и влияние высокочастотных помех.

Желаемую ЛАЧХ строят на основе требований к системе: требования к статическим свойствам задают в виде порядка астатизма  и передаточного коэффициента разомкнутой системы; динамические свойства чаще всего задаются максимально допустимым значением перерегулирования и временем регулирования; иногда задают ограничение в виде максимально допустимого ускорения регулируемой величины при начальном рассогласовании.

Методы построения желаемой ЛАЧХ: построение по В.В.Солодовникову, использование типовых ЛАЧХ и номограмм для них, построение по Е.А.Санковскому – Г.Г.Сигалову, упрощенное построение, построение по В.А.Бесекерскому, по методу А.В.Фатеева и др. методы.

Достоинства частотных методов :

● Частотные характеристики, отражающие математическую модель объекта, могут быть сравнительно просто получены экспериментальным путём;

● Расчёты по частотным характеристикам сводятся в простые и наглядные графо-аналитические построения;

● Частотные методы сочетают простоту и наглядность в решении задач независимо от порядка системы, наличия трансцендентных или иррациональных звеньев передаточной функции.

Синтез желаемой ЛАЧХ

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что ЛАЧХ разомкнутой системы регулирования, устойчивой в замкнутом состоянии, почти всегда пересекает ось частот участком, имеющим наклон –20 дБ/дек. Пересечение оси частот участком ЛАЧХ с наклоном –40 дБ/дек или –60 дБ/дек возможно, но используется редко, ибо такая система устойчива при очень низком передаточном коэффициенте.

Наиболее рациональная форма ЛАЧХ разомкнутой системы, устойчивой в замкнутом состоянии, имеет наклоны:

• низкочастотная асимптота 0, -20, -40 дБ/дек (определяется порядком астатизма системы);
• асимптота, сопрягающая низкочастотную со среднечастотной асимптотами, может иметь наклоны –20, -40, -60 дБ/дек;
• среднечастотная асимптота –20 дБ / дек;
• асимптота, сопрягающая среднечастотную с высокочастотным участком ЛАЧХ, как правило, имеет наклон -40 дБ/дек;
• высокочастотный участок ЛАЧХ строят параллельно асимптотам высокочастотного участка ЛАЧХ исходной разомкнутой системы.

При построении желаемых ЛЧХ исходят из следующих требований:

1. Скорректированная система должна удовлетворять заданным показателям качества (допустимая ошибка в установившемся режиме, требуемый запас устойчивости, быстродействие, перерегулирование и другие показатели качества переходных процессов).
2. Форма желаемых ЛЧХ должна по возможности мало отличаться от ЛЧХ нескорректированной системы для упрощения стабилизирующего устройства.
3. Следует стремиться к тому, чтобы на высоких частотах не проходила выше ЛАЧХ нескорректированной системы более чем на 20-25 дБ.
4. Низкочастотная часть желаемой ЛАЧХ должна совпадать с ЛАЧХ нескорректированной системы, так как передаточный коэффициент разомкнутой нескорректированной в динамике системы выбирается с учетом требуемой точности в установившемся режиме.

Построение желаемых ЛЧХ можно считать законченным, если удовлетворены все требования к качеству системы. В противном случае следует вернуться к расчету установившегося режима работы и изменить параметры элементов основной цепи (выбрать двигатель другой мощности или менее инерционный, использовать усилитель с меньшей постоянной времени, включить жесткую отрицательную обратную связь, охватывающую наиболее инерционные элементы системы, и т.д.).

Алгоритм построения желаемых ЛЧХ

1. Выбор частоты среза L ж (w ).

Если заданы перерегулирование и время затухания переходного процесса, то используются номограммы В.В.Солодовникова или А.В.Фатеева; если задан показатель колебательности М, то расчет ведут по методу В.А.Бесекерского.

В основу построения номограмм качества В.В.Солодовниковым положена типовая вещественная частотная характеристика замкнутой САУ (рис. 2). Для статических систем ( =0) , для астатических систем ( =1, 2,…) .

Этот метод предполагает, что соблюдается соотношение.

В качестве исходных приняты динамические показатели качества и, которые связаны с параметрами вещественной частотной характеристики замкнутой САУ диаграммой качества В.В. Солодовникова (рис. 3). По заданному с помощью кривой (рис.3) определяется соответствующее значение. Затем по и кривой определяется значение, которое приравнивается заданному, получаем, где – значение частоты среза, при котором время регулирования не превысит заданного значения.

С другой стороны ограничивается допустимым ускорением регулируемой координаты. Рекомендовано, где – начальное рассогласование.

Время регулирования можно приближенно определить, используя эмпирическую формулу, где коэффициент числителя принимается равным 2 при, 3 при, 4 при.

Всегда желательно проектирование системы с максимально возможным быстродействием.

Как правило, не превышает более, чем на ½ декады. Это связано с усложнением корректирующих устройств, необходимостью введения в систему дифференцирующих звеньев, что уменьшает надежность и помехоустойчивость, а также в силу ограничения по максимально допустимому ускорению регулируемой координаты.

Частоту среза можно повышать лишь увеличением. Статическая точность при этом возрастает, но ухудшаются условия устойчивости.

Принятие решения по выбору должно иметь достаточное обоснование.

1. Строим среднечастотную асимптоту .

1. Среднечастотную асимптоту сопрягаем с низкочастотной асимптотой так, чтобы в интервале частот, в котором, иметь избыток фазы. Избыток фазы и избыток модуля определяем по номограмме (рис. 4). Сопрягающая асимптота имеет наклон –20, -40 или –60 дБ/дек при  =0 ( - порядок астатизма системы); -40, -60 дБ/дек при  =1 и -60 дБ/дек при  =2.

Если избыток фазы окажется меньше, то сопрягающую асимптоту следует сместить влево или уменьшить ее наклон. Если избыток фазы больше допустимого, то сопрягающую асимптоту смещают вправо или увеличивают ее наклон.

Первоначальная сопрягающая частота определяется из выражения.

1. Среднечастотную асимптоту сопрягаем с высокочастотной частью таким образом, чтобы в интервале частот, где, избыток фазы был. Сопрягающую частоту определяем по соотношению.

Если на сопрягающей частоте <, то сопрягающую асимптоту смещают вправо или уменьшают ее наклон.

Если >, то сопрягающую асимптоту смещают влево или увеличивают ее наклон. Рекомендуемая разность должна составлять несколько градусов. Правая сопрягающая частота сопрягающей асимптоты.

Как правило, наклон этой асимптоты составляет -40 дБ/дек, а допустимая разность. Проверка производится на частоте, при которой.

1. Высокочастотная часть проектируется параллельно или совмещается с ней.

Эта часть характеристики влияет на плавность работы системы.

Итак, на первом этапе построения частоты, на которых сопрягается среднечастотная асимптота с сопрягающими асимптотами, находятся из условий. На втором этапе уточняются значения сопрягающих частот с учетом избытков фазы. На третьем этапе корректируются все сопрягающие частоты по условию их близости к сопрягающей частоте исходной системы, т. е. , если эти частоты незначимо отличаются друг от друга.

Синтез корректирующей цепи последовательного типа

В схеме рис.1 , отсюда могут быть получены параметры корректирующей цепи:

Перейдем к логарифмическим частотным характеристикам: ,

На высоких частотах ЛАЧХ регулятора «по умолчанию» не должна превышать 20 дБ по условию помехозащиты. Фундаментальный принцип структурно-параметрической оптимизации САУ с обратной связью: регулятор должен содержать динамическое звено с передаточной функцией, равной или близкой обратной передаточной функции объекта управления.

Рассмотрим на примере расчет последовательной корректирующей цепи.

Пусть требуется скорректировать статическую систему. Предположим, что и нами построены. Полагаем, что система с минимально-фазовыми звеньями, поэтому фазо-частотную характеристику не строим (рис.2).

Теперь легко воспроизвести параметры корректирующей цепи. Чаще всего используются активные корректирующие устройства и пассивные RC -цепи. Исходя из физических представлений строим цепь, изображенную на рис. 3.

Ослаблению сигнала делителем R 1- R 2 на высоких частотах соответствует ослабление сигнала * на.

Где,

На высоких частотах не вносит искажений – положительный фактор. Частоту среза имеем возможность сдвинуть влево с помощью корректирующей цепи и обеспечить требуемые устойчивость и качество работы системы.

Достоинства последовательных КУ:

1. Простота корректирующего устройства (во многих случаях реализуются в виде простых пассивных RC -контуров);
2. Простота включения.

Недостатки:

1. Эффект последовательной коррекции уменьшается в процессе эксплуатации при изменении параметров (коэффициентов усиления, постоянных времени), поэтому при последовательной коррекции к стабильности параметров элементов предъявляются повышенные требования, что достигается применением более дорогостоящих элементов;
2. Дифференцирующие фазоопережающие RC -контуры (алгоритмы в микроконтроллерах) чувствительны к высокочастотным помехам;
3. Последовательные интегрирующие RC -контуры содержат более громоздкие конденсаторы (требуется реализация больших постоянных времени), чем контуры в цепи обратной связи.

Применяются обычно в маломощных системах. Это объясняется, с одной стороны, простотой последовательных корректирующих устройств, а с другой стороны, нецелесообразностью применения в этих системах громоздких, соизмеримых с размерами исполнительного двигателя таких параллельных корректирующих устройств, как тахогенератор.

Следует иметь в виду, что из-за насыщения усилителей не всегда целесообразно осуществлять формирование желаемой ЛАЧХ в диапазоне низких и средних частот за счет последовательного включения в систему интегрирующих и интегродифференцирующих цепей или каких-нибудь других элементов с аналогичными характеристиками. Поэтому часто для формирования в диапазоне низких и средних частот применяются обратные связи.

Синтез корректирующих цепей встречно-параллельного типа

При выборе места включения корректирующей цепи следует руководствоваться следующими правилами:

1. Охватывать следует те звенья, которые существенно отрицательно влияют на вид желаемой ЛАЧХ.
2. Наклон ЛАЧХ звеньев, не охваченных обратной связью, выбирают близким к наклону в диапазоне средних частот. Выполнение этого условия позволяет иметь простую корректирующую цепь.
3. Корректирующая обратная связь должна охватывать как можно больше звеньев с нелинейными характеристиками. В пределе необходимо стремиться к тому, чтобы среди звеньев, не охваченных обратной связью, не было элементов с нелинейными характеристиками. Такое включение обратной связи позволяет значительно уменьшить влияние нелинейности характеристик элементов, охваченных обратной связью, на работу системы.
4. Обратная связь должна охватывать звенья с большим передаточным коэффициентом. Только в этом случае действие обратной связи будет эффективным.
5. Сигнал на вход обратной связи должен сниматься с элемента, обладающего достаточной мощностью, чтобы включение обратной связи не нагружало его. Сигнал с выхода обратной связи должен, как правило, подаваться на вход элементов системы, имеющих большое входное сопротивление.
6. При выборе места включения обратной связи внутри контура с корректирующей обратной связью желательно, чтобы наклон ЛАЧХ в диапазоне частот составлял 0 или –20 дБ/дек. Выполнение этого условия позволяет иметь простую корректирующую цепь.

Часто производят охват усилительного тракта системы или охват силовой части системы. Корректирующие обратные связи применяются обычно в мощных системах.

Преимущества КООС:

1. Уменьшается зависимость показателей качества системы от изменений параметров элементов неизменяемой части системы, поскольку в существенном диапазоне частот передаточная функция участка системы, охваченного обратной связью, определяется обратной величиной передаточной функции встречно-параллельного корректирующего устройства. Поэтому требования к элементам исходной системы менее жесткие, чем при последовательной коррекции.
2. Нелинейные характеристики элементов, охваченных обратной связью, линеаризуются, так как передаточные свойства охваченного участка системы определяются параметрами контура в цепи обратной связи.
3. Питание встречно-параллельных корректирующих устройств даже в том случае, когда оно требует большой мощности, не вызывает затруднений, так как обратная связь обычно начинается от оконечных звеньев системы с мощным выходом.
4. Встречно-параллельные корректирующие устройства работают при меньшем уровне помех, чем последовательные, так как сигнал, поступающий на них, проходит через всю систему, являющуюся фильтром низких частот. Благодаря этому эффективность действия встречно-параллельных корректирующих устройств при наложении помех на сигнал ошибки снижается меньше, чем последовательных корректирующих устройств.
5. В отличие от последовательного корректирующего устройства обратная связь позволяет реализовать самую большую постоянную времени желаемой ЛАЧХ при сравнительно небольших значениях собственных постоянных времени.

Недостатки:

1. Встречно-параллельные КУ часто содержат дорогие или громоздкие элементы (например, тахогенераторы, дифференцирующие трансформаторы).
2. Суммирование сигнала обратной связи и сигнала ошибки следует реализовать так, чтобы обратная связь не шунтировала вход усилителя.
3. Контур, образованный корректирующей обратной связью, может оказаться неустойчивым. Сокращение запасов устойчивости во внутренних контурах ухудшает надежность функционирования системы в целом.

Методы определения:

1. Аналитические;
2. Графо-аналитические;
3. Модельно-экспериментальные.

После расчета встречно-параллельной корректирующей цепи следует проверить устойчивость внутреннего контура. Если разомкнуть главную обратную связь, а внутренний контур неустойчив, то элементы системы могут выйти из строя. Если внутренний контур неустойчив, то его устойчивость обеспечивается последовательной корректирующей цепью.

Приближенный метод построения ЛЧХ корректирующей отрицательной обратной связи

Пусть структурная схема проектируемой

Системы приведена к виду, изображенному

На рис.1.

– корректирующая обратная связь;

– передаточная

функция разомкнутой исходной (нескорректированной)

системы.

Для такой структурной схемы передаточная функция скорректированной разомкнутой системы.

В диапазоне частот, где, уравнение запишется так

Т.е.

Условие выбора ; (1)

- уравнение выбора (в диапазонах низких и высоких частот ) (2)

В диапазоне частот, где,

Условие выбора ; (3)

получим,

т. е. ,

откуда - уравнение выбора (в диапазоне средних частот) . (4)

Тогда алгоритм построения следующий:

1. Строим.
2. Строим.
3. Строим и определяем диапазон частот, где эта характеристика больше нуля (условие выбора (3)).
4. Исходя из конкретной технической реализации системы, определяется, т.е. места входа и выхода корректирующей обратной связи.
5. Строим.
6. В выделенном диапазоне частот строим логарифмическую частотную характеристику корректирующего звена, вычитая из по уравнению выбора (4).
7. В низкочастотной области, где (условие выбора (1)), выбираем таким, чтобы выполнялось уравнение выбора (2): .
8. В высокочастотной области неравенство (2) обычно выполняется при наклоне асимптоты 0 дБ/дек.
9. Наклон и длину сопрягающих асимптот выбирают, исходя из простоты схемной реализации корректирующего устройства.
10. По ЛАЧХ определяем и проектируем принципиальную схему корректирующего звена.

Пример. Пусть заданы и. Определены звенья, охватываемые обратной связью. Требуется построить. Построение выполнено на рис.2. Исходная система минимально-фазовая. После построения следует проверить рассчитываемый контур на устойчивость.

Точный метод построения ЛЧХ звена корректирующей обратной связи

Если требуется строго выдерживать заданные показатели качества, то нужно рассчитывать точные значения частотных характеристик корректирующей цепи.

Исходная структурная схема нескорректированной САУ

Преобразованная структурная схема

Скорректированной САУ Эквивалентная структурная схема

Введем обозначения: , (1)

тогда.

Это позволяет воспользоваться номограммами замыкания и найти и.

Допустим, что и известны. Пользуемся номограммой замыкания в обратном порядке:

, => , .

Тогда из выражения

ЛЧХ встречно-параллельной корректирующей цепи:

Для выбора параметров корректирующей цепи необходимо ЛАЧХ представить в асимптотической форме.

Построение ЛЧХ прямого параллельного корректирующего звена

Структурную схему проектируемой системы преобразуем к виду рис.1.

В этом случае целесообразно рассматривать передаточную функцию.

Частотные характеристики и определяются аналогично частотным характеристикам последовательной корректирующей цепи.

В диапазоне частот, где, характеристики

т.е. корректирующая цепь не оказывает влияния на работу системы, а в диапазоне частот, где, характеристики

и поведение системы определяется параметрами прямой параллельной цепи.

В диапазоне частот, где, целесообразно при определении ЛЧХ и представить параллельно включенные звенья в виде, где, .

ЛЧХ последовательного корректирующего устройства и построим, как и прежде. Используя номограмму замыкания, найдем и и, наконец, .

Проектирование корректирующего устройства

Критерии качества КУ:

1. Надежность;
2. Низкая стоимость;
3. Простота схемной реализации;
4. Устойчивость;
5. Помехозащищенность;
6. Малое энергопотребление;
7. Простота производства и эксплуатации.

Ограничения:

1. Не рекомендуется установка в одном корректирующем звене конденсаторов или резисторов, номиналы которых отличаются на два-три порядка.
2. ЛАЧХ корректирующих звеньев может иметь протяженность по частоте не более 2-3 декад, ослабление по амплитуде не более 20-30 дБ.
3. Передаточный коэффициент пассивного четырехполюсника не следует проектировать менее 0,05-0,1.
4. Номиналы резисторов в активных корректирующих звеньях:

а) в цепи обратной связи – не более 1-1,5 МОм и не менее десятков кОм;

б) в цепи прямого канала – от десятков кОм до 1 МОм.

1. Номиналы конденсаторов: единицы мкФ – сотни пкФарад.

Виды корректирующих звеньев

1. Пассивные четырёхполюсники (R - L - C -цепи).

Если, то влиянием нагрузки на информационные процессы можно пренебречь. .

Выходной сигнал в этих цепях слабее (или равен по уровню) входного.

Пример. Пассивное интегро-дифференцирующее звено.

где.

Преобладание дифференцирующего эффекта обеспечивается в том случае, если величина ослабления k <0.5 или иначе.

Так как сопротивление является наибольшим, то расчет элементов корректирующей цепи целесообразно начинать с условия, задаваясь.

Обозначим, откуда;

определим промежуточный параметр =>

отсюда, k = D .

Входное сопротивление звена на постоянном токе,

на переменном токе

При согласовании по сопротивлениям достаточным условием на постоянном токе является выполнение соотношения,

на переменном токе.

1. Активные четырёхполюсники.

Если передаточный коэффициент усилителя >>1.

Пример . Активное реальное дифференцирующее звено первого порядка.

Причем, .

– подбирается при наладке (установка нуля усилителя).

на переменном токе, а на постоянном токе входное сопротивление равно.

Выходное сопротивление операционных усилителей составляет десятки Ом и определяется, в основном, величинами резисторов в коллекторных цепях выходных транзисторов.

Схема обеспечивает опережение не во всей области частот, а лишь в определённой полосе около частоты среза системы, расположенной обычно в диапазоне низких и средних частот исходной САУ. Идеальное звено сильно подчеркивает высокие частоты, в области которых располагается спектр помех накладываемых на полезный сигнал, в то время как реальный контур передает их без существенного усиления.

1. Дифференцирующий трансформатор .

Сопротивление цепи первичной обмотки трансформатора.

– коэффициент трансформации трансформатора.

Передаточная функция стабилизирующего трансформатора при

имеет вид,

Где, – индуктивность трансформатора в режиме холостого хода; .

1. Пассивные четырёхполюсники переменного тока .

В цепях переменного тока можно использовать корректирующие цепи постоянного тока.

Схема включения корректирующих цепей следующая:

Согласование элементарных корректирующих звеньев

Производится:

1. По нагрузкам активных звеньев (токи нагрузки усилителей не должны превышать предельно допустимых величин);
2. По сопротивлениям выход – вход (на постоянном токе и верхней частоте диапазона работы системы).

Величины нагрузок операционных усилителей задаются в технических условиях их применения и обычно составляют более 1 кОм.

Примечание. Знак << означает меньше как минимум в 10 раз.

Требования к операционным усилителям:

1. Коэффициент усиления по напряжению.
2. Малый дрейф нуля.
3. Большое входное сопротивление (100 кОм – 3МОм).
4. Малое выходное сопротивление (десятки Ом).
5. Частотный диапазон работы (полоса пропускания).
6. Напряжение источника питания +5В, но не менее 10В.
7. Конструктивное исполнение (число усилителей в одном корпусе).

Типовые регуляторы

Типы регуляторов :

1. – П-регулятор (греч. statos – стоящий; статический регулятор формирует пропорциональный закон регулирования);

При увеличении k п уменьшается установившаяся ошибка, но усиливаются шумы измерения, что приводит к повышению активности исполнительных элементов (работают рывками), механическая часть изнашивается и существенно уменьшается срок службы оборудования.

Недостатки:

● неизбежное отклонение регулируемой величины от заданного значения, если объект статический;

● замедленная реакция регулятора на возмущающие воздействия в начале переходного процесса.

1. – И-регулятор (интегральный);
2. – ПД-регулятор (пропорционально-дифференциальный);
3. – ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный);
4. – ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный);

1. Релейный регулятор.

Регулятор типа Д применяется в обратной связи, а ДИ не применяется.

Эти регуляторы во многих случаях могут обеспечить приемлемое управление , легко настраиваются и дешевы при массовом производстве.

ПД-регулятор

Структурная схема:

форсирующее звено.

– реальная передаточная функция ПД-регулятора.

– закон регулирования.

(1) – без регулятора;

(2) – П-регулятор;

(3) – ПД-регулятор.

Достоинства ПД-регулятора:

1. Увеличивается запас устойчивости;
2. Существенно улучшается качество

регулирования (уменьшается колебательность

И время переходного

процесса).

Недостатки ПД-регулятора:

1. Низкая точность регулирования (статика работы

исходной системы не меняется при k п =1);

1. Помехи на высоких частотах усиливаются и

нарушается работа системы за счет насыщения

усилителей;

1. Сложно реализуется на практике.

Реализация ПД-регулятора

Сигналы входного воздействия и обратной связи суммируются просто.

Если изменить знаки входного воздействия и обратной связи, то к выходу регулятора следует подключить инвертор.

Стабилитроны в обратной связи операционного усилителя предназначены для ограничения уровня выходного сигнала заданной величиной.

Во входных цепях и включаются по необходимости. Желательно, чтобы. Если исключить, то усилитель из-за действия помех может войти в режим насыщения. Подбираются (величина до 20 кОм).

Передаточная функция регулятора по каналу управления:

ПИ-регулятор

(греч. isos – ровный, dromos – бег; изодромный регулятор )

На низких частотах преобладает интегрирующий эффект (отсутствует статическая ошибка),а на высоких частотах – эффект от (качество переходного процесса лучше, чем при И-законе регулирования).

– закон регулирования.

1. – отсутствие регулятора;
2. – П-регулятор;
3. – ПИ-регулятор.

Достоинства :

1. Простота реализации;
2. Существенно улучшает точность регулирования в статике:

Установившаяся ошибка при постоянном входном воздействии равна нулю;

Эта ошибка нечувствительна к изменениям параметров объекта.

Недостатки : повышается астатизм системы на единицу и, как следствие, снижение запасов устойчивости, увеличивается колебательность переходного процесса, увеличивается.

Реализация ПИ-регулятора

ПИД-регулятор

На низких частотах преобладает интегрирующий эффект, а на высоких – дифференцирующий.

– закон регулирования.

Статическая система при установке ПИД-регулятора становится астатической (статическая ошибка равна нулю), однако в динамике астатизм снимается за счет действия дифференцирующей составляющей, т. е. качество переходного процесса улучшается.

Достоинства:

1. Высокая статическая точность;
2. Высокое быстродействие;
3. Большой запас устойчивости.

Недостатки:

1. Применимы для систем, описываемых

дифференциальными уравнениями невысокого

порядка, когда объект имеет один или два полюса

или может быть аппроксимирован моделью второго

порядка.

1. Требования к качеству управления средние.

Реализация ПИД-регулятора

где, причем.

По ЛАЧХ операционного усилителя определяем. Тогда передаточная функция реального регулятора имеет вид.

В системах чаще всего применяется ПИД - регулятор.

1. Для объектов с запаздыванием, инерционная часть которых близка звену первого порядка, целесообразно применять ПИ – регулятор;
2. Для объектов с запаздыванием, инерционная часть которых имеет порядок, наилучшим регулятором является ПИД – регулятор;
3. ПИД – регуляторы эффективны с точки зрения уменьшения установившейся ошибки и улучшения вида переходной характеристики, когда объект управления имеет один или два полюса (или может быть аппроксимирован моделью второго порядка);
4. Когда процесс регулирования характеризуется высокой динамичностью, как, например, в САУ потока или давления, дифференцирующую составляющую не применяют, чтобы избежать явления самовозбуждения.

Расчёт систем комбинированного управления

Комбинированное – такое управление в автоматической системе, когда наряду с замкнутым контуром регулирования по отклонению используется внешнее компенсирующее устройство по задающим или возмущающим воздействиям.

Принцип инвариантности – принцип компенсации динамической и статической ошибок независимо от формы входного воздействия по каналу управления или компенсации возмущающего воздействия.

инвариантной по отношению к

возмущающему воздействию , если после завершения переходного процесса,

определяемого начальными условиями, регулируемая величина и ошибка системы не

зависят от этого воздействия.

Система автоматического регулирования является инвариантной по отношению к

задающему воздействию , если после завершения переходного процесса, определяемого

начальными условиями, ошибка системы не зависит от этого воздействия.

1. Расчет компенсирующих устройств по каналу возмущения

Пусть структурная схема исходной системы преобразована к виду, изображенному

на рис.1.

Перенесем на вход системы точку приложения возмущения (рис. 2).

Запишем уравнение для выходной координаты: .

Влияние на выходную функцию со стороны возмущения f будет отсутствовать, если выполняется условие абсолютной инвариантности системы к возмущающему воздействию:

Условие полной компенсации возмущения.

Внешние регуляторы используются для получения инвариантности по каналу возмущения с точностью до  , так как порядок знаменателя обычно выше порядка числителя.

Пример . Пусть объект и регулятор ведут себя как апериодические звенья. Наибольшая постоянная времени, как правило, принадлежит объекту.

Тогда

Графики на рис. 3.

Компенсирующая цепь должна обладать дифференцирующими свойствами, причем активными дифференцирующими свойствами на высоких частотах (так как характеристика отчасти располагается выше оси частот).

Достижение абсолютной инвариантности невозможно, однако эффект компенсации может быть значительным даже при простой компенсирующей цепи, обеспечивающей реализацию в ограниченном диапазоне частот (на рис. 3).

Технически трудно и не всегда возможно измерить возмущение, поэтому при проектировании систем часто используют косвенные методы измерения возмущающих воздействий.

2. Расчет систем с компенсацией ошибки по каналу управления

Для этой системы, структурная схема которой изображена на рис. 4, справедливы следующие соотношения:

– передаточная функция по ошибке.

Можем добиться условия полной компенсации ошибки, если выбрать компенсирующую цепь с параметрами:

(1) – условие абсолютной инвариантности системы к ошибке по каналу управления.

Следящие системы реализуются астатическими. Рассмотрим пример для таких систем (рис.5).

В области высоких частот дифференцирование второго порядка в компенсирующей цепи приводит к насыщению усилителей при высоком уровне помех. Поэтому осуществляется приближенная реализация, которая дает ощутимый эффект регулирования.

Астатические системы характеризуются добротностью – передаточный коэффициент k определяется при  =1 и  = k .

Если k =10, то ошибка в 10%, так как

Система низкого качества (рис.6).

Введем компенсирующую цепь с передаточной функцией

Такой цепью может служить тахогенератор, если

Вход механический. Реализация системы с малой добротностью

Проста.

Пусть, из условия (1) получим.

Тогда, имея систему с астатизмом 1-го порядка, получим систему с

астатизмом второго порядка (рис.7).

Всегда Y отстает от управляющего сигнала; введя, уменьшаем ошибку. Компенсирующая цепь не влияет на устойчивость.

Как правило, компенсирующее звено должно обладать дифференцирующими свойствами и реализовываться с использованием активных элементов. Точное выполнение условия абсолютной инвариантности невозможно в виду технической нецелесообразности получения производной выше второго порядка (в контур регулирования вводится высокий уровень помех, возрастает сложность компенсирующего устройства) и инерционности реальных технических устройств. Количество апериодических звеньев в компенсирующем устройстве проектируют равным числу элементарных форсирующих звеньев. Постоянные времени апериодических звеньев рассчитывают по условию работы звеньев в существенной области частот, т.е.

Принцип построения многоконтурной САУ с каскадным включением регуляторов называют принципом подчинённого регулирования .

Синтез САУ подчинённого регулирования с двумя и более контурами проводится путём последовательной оптимизации контуров, начиная с внутреннего.

∆θ ,

град

∆ L,

дБ

W и (p)

W A1 (p)

1/Т p

1/Т 0

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
2007.		Динамический режим систем автоматического управления	100.64 KB
	Динамический режим САУ. Уравнение динамики Установившийся режим не является характерным для САУ. Таким образом основным режимом работы САУ считается динамический режим характеризующийся протеканием в ней переходных процессов. Поэтому второй основной задачей при разработке САУ является анализ динамических режимов работы САУ.
12933.		СИНТЕЗ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ	221.91 KB
	Задача синтеза цифровых устройств управления В тех случаях когда замкнутая дискретная система составленная из функционально необходимых элементов является неустойчивой или её показатели качества не удовлетворяют требуемым возникает задача её коррекции или задача синтеза устройства управления. В настоящее время наиболее рациональным путем построения устройств управления является использование управляющих вычислительных машин или специализированных цифровых вычислителей ЦВ–...
2741.		СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ	407.23 KB
	Построим переходные и частотные характеристики непрерывной и дискретной модели: Рис. Переходная характеристика непрерывной системы Рис. Переходная характеристика дискретной системы Рис. Частотные характеристики непрерывной системы Рис.
3208.		Основы анализа и построения систем автоматического регулирования	458.63 KB
	Для заданного динамического объекта разработать самостоятельно, либо взять из литературы схему системы автоматического регулирования, работающей по принципу отклонения. Разработать вариант комбинированной системы, включающей контуры управления по отклонению и по возмущению.
5910.		Системы автоматического управления с ЦВМ	928.83 KB
	В последние два десятилетия значительно повысилась надёжность и снизилась стоимость цифровых компьютеров. В связи с этим они всё шире стали применяться в системах управления в качестве регуляторов. За время, равное периоду квантования, компьютер способен выполнить большое количество вычислений и сформировать выходной сигнал, который затем используется для управления объектом
5106.		Основные виды исследования систем управления: маркетинговые, социологические, экономические (их особенности). Основные направления совершенствования систем управления	178.73 KB
	В условиях динамичности современного производства и общественного устройства управление должно находиться в состоянии непрерывного развития, которое сегодня невозможно обеспечить без исследования путей и возможностей этого развития
14277.		Введение в анализ, синтез и моделирование систем	582.75 KB
	Строго говоря различают три ветви науки изучающей системы: системологию теорию систем которая изучает теоретические аспекты и использует теоретические методы теория информации теория вероятностей теория игр и др. Организация системы связана с наличием некоторых причинноследственных связей в этой системе. Организация системы может иметь различные формы например биологическую информационную экологическую экономическую социальную временную пространственную и она определяется причинноследственными связями в материи и социуме. У...
5435.		Усовершенствование системы автоматического управления процессом сгущения шламов	515.4 KB
	Гранулят «Уралкалия» в основном экспортируется в Бразилию, США и Китай, где он в дальнейшем используется либо для непосредственного внесения в почву, либо смешивается с азотными и фосфорными удобрениями.
20340.		АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ	338.39 KB
	Совершенствование системы управления, а также сегодняшняя практика управления в современных условиях указывают на острую проблему потребности в исследовательском подходе как к управлению, предприятием, так и его совершенствования и развития.
1891.		Синтез дискретного модального закона управления по методу Л.М. Бойчука	345.04 KB
	По функции W(z) составить описание дискретного объекта в пространстве состояний. Проверить выполнение условий управляемости и наблюдаемости данного объекта.

Метод логарифмических частотных характеристик используется для определения частотных передаточных функций корректирующих устройств, приближающих динамические показатели к желаемым. Наиболее эффективно этот метод применяется для синтеза систем с линейными или цифровыми корректирующими устройствами, поскольку в таких системах частотные характеристики звеньев не зависят от амплитуды входных сигналов. Синтез САУ методом логарифмических частотных характеристик включает в себя следующие операции:

На первом этапе по известной передаточной функции неизменяемой части САУ строится ее логарифмическая частотная характеристика . В большинстве случаев достаточно использование асимптотических частотных характеристик.

На втором этапе строится желаемая логарифмическая частотная характеристика САУ , которая удовлетворяла бы поставленным требованиям. Определение вида желаемой ЛАЧХ проводится, исходя из назначения системы, времени переходного процесса, перерегулирования и коэффициентов ошибок. При этом часто используются типовые частотные характеристики для систем с разным порядком астатизма. При построении желаемой ЛАЧХ необходимо быть уверенным, что вид амплитудной характеристики полностью определяет характер переходных процессов, и нет необходимости вводить в рассмотрение фазовую частотную характеристику. Последнее справедливо в случае минимально-фазовых систем, для которых характерно отсутствие нулей и полюсов, расположенных в правой полуплоскости. При выборе желаемых логарифмических амплитудной и фазовой характеристик важно, чтобы последняя обеспечила требуемый запас устойчивости при частоте среза системы. Для этого используют специальные номограммы, вид которых приводится на рис. 1.

Рисунок 16‑1 Кривые для выбора запаса устойчивости по амплитуде (а)и фазе (б) в зависимости от величины перерегулирования

Удовлетворительные качественные показатели САУ в динамических режимах достигаются при пересечении амплитудной характеристики оси абсцисс с наклоном –20 дб/дек.

Рисунок 16‑2 Определение характеристик ПКУ

На последнем этапе из сравнения частотных характеристик некорректированной системы и желаемых частотных характеристик определяются частотные свойства корректирующего устройства. При использовании линейных средств коррекции логарифмическая частотная характеристика последовательного корректирующего устройства (ПКУ) может быть найдена вычитанием ЛАЧХ некорректированной системы из желаемой ЛАЧХ САУ, то есть

Следовательно

Следует отметить, что по передаточной функции последовательного корректирующего устройства легко определить передаточные функции звеньев в цепи прямой или обратной связи, с помощью которых осуществляется коррекция динамических показателей САУ.

Следующим этапом является определение способа реализации, схемы и параметров корректирующего устройства.

Последним этапом синтеза устройства коррекции является проверочный расчет САУ, который заключается в построении графиков переходных процессов для системы с выбранным корректирующим устройством. На этом этапе целесообразно использование средств вычислительной техники и моделирующих программных комплексов VinSim, WorkBench, CircuitMaker, MathCAD.

Задача коррекции состоит в повышении точности систем как в установившихся режимах, так и в переходных. Она возникает тогда, когда стремление уменьшить ошибки управления в типовых режимах приводит к необходимости использования таких значений коэффициента усиления разомкнутой САУ, при которых без принятия специальных мер (установки дополнительных звеньев - корректирующих устройств) система оказывается неустойчивой.

Типы корректирующих устройств

Различают три вида основных корректирующих устройств (Рис.6.1): последовательные (W к1 (p)), в виде местной обратной связи (W к2 (p)) и параллельные (W к3 (p)).

Рис.6.1. Структурные схемы корректирующих устройств.

Способ коррекции с помощью последовательных корректирующих устройств прост в расчетах и легко технически реализуется. Поэтому он нашел широкое применение, особенно при коррекции систем, в которых используются электрические цепи с немодулированным сигналом. Последовательные корректирующие устройства рекомендуется применять в системах, в которых нет дрейфа параметров звеньев. В противном случае требуется подстройка параметров коррекции.
Коррекция систем управления с помощью параллельного корректирующего устройства эффективна, когда имеется необходимость высокочастотного шунтирования инерционных звеньев. В этом случае формируются достаточно сложные законы управления с введением производных и интегралов от сигнала ошибки со всеми вытекающими из этого недостатками.
Коррекция местной (локальной) обратной связью используется в системах автоматического управления наиболее часто. Достоинством коррекции в виде местной обратной связи является существенно ослабление влияния нелинейностей характеристик звеньев, входящих в местный контур, а также снижение зависимости параметров настройки регуляторов от дрейфа параметров устройств.
Использование того или иного вида корректирующих устройств, т.е. последовательных звеньев, параллельных звеньев или обратных связей, определяется удобством технической реализации. В этом случае передаточная функция разомкнутой системы должна быть одной и той же при различном включении корректирующих звеньев:

Приведенная формула (6.1) позволяет произвести пересчет одного типа коррекции на другой, чтобы выбрать наиболее простой и легко реализуемый.

Кафедра Дистанционного и Заочного

Синтез САУ

Синтез системы - это направленный расчет, целью которого является: построение рациональной структуры системы; нахождение оптимальных величин параметров отдельных звеньев. При множестве возможных решений первоначально необходимо сформулировать технические требования к системе. А при условии накладываемых на САУ определенных ограничений необходимо выбрать критерий оптимизации - статическая и динамическая точность, быстродействие, надежность, затраты энергии, цена и т.д.
При инженерном синтезе ставятся задачи: достижение требуемой точности; обеспечение определенного характера переходных процессов. В этом случае синтез сводится к определению вида и параметров корректирующих средств, которые необходимо добавить к неизменяемой части системы, чтобы обеспечить показатели качества не хуже заданных.
Наибольшее распространение в инженерной практике получил частотный метод синтеза с помощью логарифмических частотных характеристик.
Процесс синтеза системы управления включает в себя следующие операции:
- построение располагаемой ЛАЧХ L 0 (ω) исходной системы W 0 (ω), состоящей из регулируемого объекта без регулятора и без корректирующего устройства;
- построение низкочастотной части желаемой ЛАЧХ на основе предъявляемых требований точности (астатизма);
- построение среднечастотного участка желаемой ЛАЧХ, обеспечивающего заданное перерегулирование и время регулирования t п САУ;
- согласование низко- со среднечастотным участком желаемой л.а.х. при условии получения наиболее простого корректирующего устройства;
- уточнение высокочастотной части желаемой л.а.х. на основе требований к обеспечению необходимого запаса устойчивости;
- определение вида и параметров последовательного корректирующего устройства L ку (ω) = L ж (ω) - L 0 (ω), т.к. W ж (р) = W ку (р)*W 0 (р);
- техническая реализация корректирующих устройств. В случае необходимости проводится перерасчет на эквивалентные параллельное звено или ОС;
- поверочный расчет и построение переходного процесса.
Построение желаемой л.а.х. производится по частям.
Низкочастотная часть желаемой л.а.х. формируется из условия обеспечения требуемой точности работы системы управления в установившемся режиме, то есть из условия того, что установившаяся ошибка системы Δ() не должна превышать заданное значение Δ()≤Δ з.
Формирование запретной низкочастотной области для желаемой л.а.х. возможно разными способами. Например, при подаче на вход синусоидального сигнала требуется обеспечить следующие допустимые показатели: Δ m - максимальная амплитуда ошибки; v m - максимальную скорость слежения; ε m - максимальное ускорение слежения. Ранее было показано, что амплитуда ошибки при воспроизведении гармонического сигнала Δ m =g m / W(jω k) , т.е. определяется модулем передаточной функции разомкнутой САУ и амплитудой входного воздействия g m . Для того, чтобы ошибка САУ не превышала Δ з, желаемая л.а.х. должна проходить не ниже контрольной точки А к с координатами: ω=ω к, L(ω к)= 20lg|W(jω k)| =20lg g m /Δ m .
Известны соотношения:
g(t) = g m sin(ω k t); g"(t) = g m (ω k t); g""(t) = -g m ω k 2 sin(ω k t);
v m = g m k; ε m = g m ω k 2 ; g m = v m 2 /ε m ; ω k = ε m / v m . (6.2)
Запретная область, соответствующая системе с астатизмом 1-го порядка и обеспечивающая работу с требуемой погрешностью по амплитуде слежения, скорости и ускорению слежения, представлена на рис. 6.2.

Рис.6.2. Запретная область желаемой л.а.х.

Добротность по скорости K ν =v m / Δ m , добротность по ускорению K ε =ε m /Δ m . В том случае, если требуется обеспечить только статическую ошибку регулирования при подаче на вход сигнала g(t)=g 0 =const, то низко-частотный участок желаемой л.а.х. должен иметь наклон 0 дБ/дек и проходить на уровне 20lgK тр, где К тр (требуемый коэффициент усиления разомкнутой САУ) рассчитывается по формуле

Δ з ()=ε ст =g 0 /(1+ К тр), откуда К тр ≥ -1.

Если требуется обеспечить слежение с заданной точность от задающего воздействия g(t)=νt при ν=const, то установившаяся скоростная ошибка ε ск () =ν/К тр. Отсюда находится К тр =ν/ε cк и проводится низкочастотная часть желаемой ЛАХ с наклоном -20 дБ/дек через добротность по скорости К ν = К тр =ν/ε cк или точку с координатами: ω=1 c -1, L(1)=20lgk тр дБ.
Как было показано ранее, среднечастотный участок желаемой л.а.х. обеспечивает основные показатели качества переходного процесса - перерегулирование σ и время регулирования t п. Среднечастотный участок желаемой л.а.х. должен иметь наклон -20 дБ/дек и пересекать ось частот на частоте среза ω ср, которая определяется по номограммам В.В.Солодовникова (рис.6.3). Рекомендуется учитывать порядок астатизма проектируемой системы и выбирать ω ср по соответствующей номограмме.

Рис.6.3. Номограммы качества Солодовникова:
а - для астатических САУ 1-го порядка; б - для статических САУ

Так например, для σ m =35% и t п =0.6 с, пользуясь номограммой (рис.6.3,а) для астатической системы 1-го порядка, получим t п =4.33 π/ω ср или ω ср =21.7 с -1 .
Через ω ср =21.7 с -1 необходимо провести прямую с наклоном -20 дБ/дек, а ширина среднечастотного участка определяется из условия обеспечения требуемого запаса устойчивости по модулю и фазе. Известны разные подходы к установлению запасов устойчивости . Необходимо помнить, что чем выше в системе частота среза, тем больше вероятность того, что при расчетах скажется погрешность не учитываемых малых постоянных времени отдельных устройств САУ. Поэтому рекомендуется с ростом ω ср искусственно увеличивать запасы устойчивости по фазе и модулю. Так для двух типов САУ рекомендуется пользоваться приведенной в таблицей. При высоких требования к качеству переходных процессов, например,

20%<σ m <24%; ,

25%<σ m <45%; ,

рекомендуются следующие средние показатели устойчивости: φ зап =30°, H м =12 дБ, -H м =10 дБ.
На рис.6.4 приведен вид среднечастотного участка желаемой л.а.х., ширина которого обеспечивает требуемые запасы устойчивости.

Рис.6.4. Среднечастотная часть желаемой л.а.х.

После этого участки средних и низких частот сопрягаются отрезками прямых с наклонами -40 или -60 дБ/дек из условия получения наиболее простого корректирующего устройства.
Наклон высокочастотного участка желаемой л.а.х. рекомендуется оставить равным наклону высокочастотного участка располагаемой л.а.х. В этом случае корректирующее устройство будет более помехозащищенным. Согласование средне- и высокочастотного участков желаемой л.а.х. также проводится с учетом получения простого корректирующего устройства и, кроме того, обеспечения нужных запасов устойчивости.
Передаточная функция желаемой разомкнутой системы W ж (p) находится по виду желаемой л.а.х. L ж (ω). Затем строятся фазовая частотная характеристика желаемой разомкнутой САУ и переходная характеристика желаемой замкнутой системы и оцениваются реально полученные показатели качества проектируемой системы. Если они удовлетворяют требуемым значениям, то построение желаемой л.а.х. считается законченным, в противном случае построенные желаемые ЛЧХ необходимо скорректировать. Для снижения перерегулирования расширяют среднечастотный участок желаемой л.а.х. (увеличивают значение ±H м). Для повышения быстродействия системы необходимо увеличить частоту среза.
Для определения параметров последовательного корректирующего устройства необходимо:
а) вычесть из желаемой л.а.х. L ж располагаемую л.а.х. L 0 , т.е. найти л.а.х. минимально-фазового корректирующего устройства L ку;
б) по виду л.а.х. последовательного корректирующего устройства L ку написать его передаточную функцию и пользуясь справочной литературой подобрать конкретную схему и реализацию.
На рис.6.5 приведен пример определения передаточной функции последовательного корректирующего устройства.

Рис.6.5. ЛАХ располагаемой L 0 , желаемой L ж разомкнутой системы
и последовательного корректирующего устройства L ку

После графического вычитания получаем следующую передаточную функцию корректирующего устройства

Параллельное корректирующее устройство или корректирующее устройство в виде местной обратной связи может быть получено пересчетом по формуле (6.1).
По полученной передаточной функции W ку (р) необходимо спроектировать реальное корректирующее устройство, которое может быть реализовано аппаратно или программно. В случае аппаратной реализации требуется подобрать схему и параметры корректирующего звена. В литературе имеются таблицы типовых корректирующих устройств как пассивных, так и активных, как на постоянном, так и переменном токе. В том случае, если используется для управления САУ ЭВМ, то предпочтительнее программная реализация.

© В.Н. Бакаев, Вологда 2004. Разработка электронной версии: М.А.Гладышев, И.А. Чуранов.
Вологодский Государственный Технический Университет.
Кафедра Дистанционного и Заочного обуч

Большое распространение получили в настоящее время системы, построенные по принципу подчиненного регулирования, который поясняется рис.6.6. В системе предусматривается n контуров регулирования со своими регуляторами W pi (p), причем выходной сигнал регулятора внешнего контура является предписанным значением для внутреннего контура, т.е. работа каждого внутреннего контура подчинена внешнему контуру.

Рис.6.6. Структурная схема САУ подчиненного регулирования

Два главных достоинства определяют работу систем подчиненного регулирования.
1. Простота расчета и настройки. Настройка в процессе наладки ведется начиная с внутреннего контура. Каждый контур включает в себя регулятор, за счет параметров и структуры которого получаются стандартные характеристики. Причем в каждом контуре компенсируется наибольшая постоянная времени.
2. Удобство ограничения предельных значений промежуточных координат системы. Это достигается за счет ограничения определенным значением выходного сигнала регулятора внешнего контура.
Вместе с тем, из принципа построения системы подчиненного регулирования очевидно, что быстродействие каждого внешнего контура будет ниже быстродействия соответствующего внутреннего контура. Действительно, если в первом контуре частота среза л.а.х. составит 1/2T μ , где 2T μ - сумма малых нескомпенсированных постоянных времени, то даже при отсутствии во внешнем контуре других звеньев с малыми постоянными времени, частота среза его л.а.х. будет 1/4T μ и т.д. Поэтому системы подчиненного регулирования редко строятся с числом контуров больше трех.
Возьмем типовой контур рис.6.7 и настроим его на модульный (МО) и симметричный (СО) оптимумы.

Рис.6.7. Схема типового контура

На схеме рис.6.7 обозначены: Т μ - сумма малых постоянных времени;
Т о - большая постоянная времени, подлежащая компенсации; К ε и К O - соответственно коэффициенты усиления блоков с малыми постоянными времени и объекта управления. Следует заметить, что от типа звена, постоянную времени которого следует компенсировать, зависит и тип регулятора W p (p). Он может быть П, И, ПИ и ПИД. В качестве примера возьмем ПИ - регулятор:

.

Для модульного оптимума выберем параметры:

Тогда передаточная функция разомкнутого контура будет иметь вид:

Логарифмические частотные характеристики, соответствующие передаточной функции W(p), изображены на рис.6.8,а.

Рис.6.8. ЛЧХ и h(t) при модульной настройке

При ступенчатом управляющем воздействии выходная величина в первый раз достигает установившегося значения через время 4,7Тμ, перерегулирование составляет 4,3%, а запас по фазе 63° (рис.6.8, б). Передаточная функция замкнутой САУ имеет вид

Если представить характеристическое уравнение замкнутой САУ в виде Т 2 р 2 +2ξТр+1=0, то коэффициент демпфирования при модульном оптимуме имеет величину . В тоже время видно, что время регулирования не зависит от большой постоянной времени Т о. Система имеет астатизм первого порядка. При настройке системы на симметричный оптимум выбирают параметры ПИ - регулятора следующим образом:

Тогда передаточная функция разомкнутого контура имеет вид

Соответствующие ей логарифмические частотные характеристики и график переходного процесса представлены на рис.6.9.

Рис.6.9. ЛЧХ и h(t) при настройке на симметричный оптимум

Время первого достижения выходной величиной установившегося значения составляет 3,1Т μ , максимальное перерегулирование достигает 43%, запас по фазе -37° . САУ приобретает астатизм второго порядка. Следует отметить, что если звено с наибольшей постоянной времени представляет собой апериодическое 1-го порядка, то с ПИ - регулятором при Т о =4Т μ переходные процессы соответствуют процессам при настройке на МО. Если Т о <4Т μ , то настройка регулятора на τ=Т μ теряет смысл. Необходимо выбрать другой тип регулятора.
В ТАУ известны и другие типы оптимальных настроек регуляторов, например:
- биномиальная, когда характеристическое уравнение САУ представляется в виде (p+ω 0) n - где ω 0 - модуль n - кратного корня;
- баттерворта, когда характеристические уравнения САУ различных порядков имеют вид


Эти настройки целесообразно применять, когда в системе используется модальное управление по каждой координате.

© В.Н. Бакаев, Вологда 2004. Разработка электронной версии: М.А.Гладышев, И.А. Чуранов.
Вологодский Государственный Технический Университет.

Построение переходного процесса

Существуют три группы методов построения переходных процессов: аналитические; графические, использующие частотные и переходные характеристики; построение переходных процессов с помощью ЭВМ. В наиболее сложных случаях используются ЭВМ, которые позволяют кроме моделирования САУ, подключать к машине отдельные части реальной системы, т.е. близки к экспериментальному методу. Первые две группы используются в основном в случае простых систем, а также на этапе предварительного исследования при существенном упрощении системы.
Аналитические методы основаны на решении дифференциальных уравнений системы или определении обратного преобразования Лапласа от передаточной функции системы.
Расчет переходных процессов по частотным характеристикам используют тогда, когда анализ САУ с самого начала ведется частотными методами. В инженерной практике для оценки показателей качества и построения переходных процессов в системах автоматического управления получил распространение метод трапецеидальных частотных характеристик, разработанный В.В.Солодовниковым .
Установлено, что если на систему действует единичное задающее воздействие, т.е. g(t)=1(t), а начальные условия являются нулевыми, то реакцию системы, которая представляет собой переходную характеристику, в этом случае можно определить как

(6.3)
(6.4)

где P(ω) - вещественная частотная характеристика замкнутой системы; Q(ω) - мнимая частотная характеристика замкнутой системы, т.е. Ф g (jω)=P(ω)+jQ(ω).
Метод построения заключается в том, что построенную вещественную характеристику P(ω) разбивают на ряд трапеций, заменяя приближенно кривые линии прямолинейными отрезками так, чтобы при сложении всех ординат трапеций получилась исходная характеристика рис.6.10.

Рис.6.10. Вещественная характеристика замкнутой системы

где: ω рi и ω срi - соответственно частота равномерного пропускания и частота среза каждой трапеции.
Затем для каждой трапеции определяется коэффициент наклона ω рi /ω срi и по таблице h-функций строятся переходные процессы от каждой трапеции hi. В таблице h-функций дано безразмерное время τ. Для получения реального времени t i необходимо τ разделить на частоту среза данной трапеции. Переходный процесс для каждой трапеции необходимо увеличить в P i (0) раз, т.к. в таблице h-функций даны переходные процессы от единичных трапеций. Переходный процесс САУ получается алгебраическим суммированием построенных h i процессов от всех трапеций.

© В.Н. Бакаев, Вологда 2004. Разработка электронной версии: М.А.Гладышев, И.А. Чуранов.
Вологодский Государственный Технический Университет.
Кафедра Дистанционного и Заочного обучения

Вопросы по теме №6

1. Что понимается под улучшением качества процесса управления и как это достигается?
2. Назовите линейный стандартный закон управления.
3. Расскажите о типовых законах управления и типовых регуляторах.
4. Каково назначение корректирующих устройств? Укажите способы их включения и особенности.
5. Поясните постановку задачи синтеза систем.
6. Перечислите этапы синтеза систем.
7. Объясните построение желаемой ЛАХ проектируемой системы.
8. Каким образом формируется передаточная функция разомкнутой проектируемой системы?
9. Как определяются передаточные функции корректирующих устройств?
10. Каковы достоинства и недостатки параллельных и последовательны корректирующих устройств?
11. Каким образом пользуются номограммами "замыкания"?
12. Перечислите методы построения переходных процессов.
13. Как по вещественной характеристике определить установившееся значение переходного процесса?
14.Как изменить желаемую л.а.х. для повышения запасов устойчивости?

© В.Н. Бакаев, Вологда 2004. Разработка электронной версии: М.А.Гладышев, И.А. Чуранов.
Вологодский Государственный Технический Университет.
Кафедра Дистанционного и Заочного обу

Тема №7: Нелинейные САУ

Введение

Большинство характеристик реальных устройств в общем случае являются нелинейными и некоторые из них не могут быть линеаризованы, т.к. имеют разрывы второго рода и к ним кусочно-линейная аппроксимация неприменима. Работу реальных звеньев (устройств) могут сопровождать такие явления, как насыщение, гистерезис, люфт, наличие зоны нечувствительности и т.д. Нелинейности могут быть естественными и искусственными (преднамеренно вводимые). Естественные нелинейности присущи системам в силу нелинейного проявления физических процессов и свойств у отдельных устройств. Например, механическая характеристика асинхронного двигателя. Искусственные нелинейности вводятся разработчиками в системы, чтобы обеспечить требуемое качество работы: для оптимальных по быстродействию систем применяют релейное управление, наличие нелинейных законов в поисковых и безпоисковых экстремальных системах, системы с переменной структурой и т.д.
Нелинейной системой называется такая система, в состав которой входит хотя бы один элемент, линеаризация которого невозможна без потери существенных свойств системы управления в целом. Существенными признаками нелинейности являются: если некоторые координаты или их производные по времени входят в уравнение в виде произведений или степени, отличной от первой; если коэффициенты уравнения являются функциями некоторых координат или их производных. При составлении дифференциальных уравнений нелинейных систем сначала составляют дифференциальные уравнения для каждого устройства системы. При этом характеристики устройств, допускающих линеаризацию, линеаризуются. Элементы, не допускающие линеаризации, называются существенно нелинейными . В результате получают систему дифференциальных уравнений, в которой одно или несколько уравнений нелинейные. Устройства, допускающие линеаризацию, образуют линейную часть системы, а устройства, которые не могут быть линеаризованы, составляют нелинейную часть. В простейшем случае структурная схема САУ нелинейной системы представляет собой последовательное соединение безынерционного нелинейного элемента и линейной части, охваченное обратной связью (рис.7.1). Так как для нелинейных систем не применим принцип суперпозиции, то, проводя структурные преобразования нелинейных систем, единственным ограничением по сравнению со структурными преобразованиями линейных систем, является то, что нельзя переносить нелинейные элементы через линейные и наоборот.

Рис. 7.1. Функциональная схема нелинейной системы:
НЭ - нелинейный элемент; ЛЧ - линейная часть; Z(t) и X(t)
соответственно выход и вход нелинейного элемента.

Классификация нелинейных звеньев возможна по различным признакам. Наибольшее распространение получила классификация по статическим и динамическим характеристикам. Первые представляются в виде нелинейных статических характеристик, а вторые - в виде нелинейных дифференциальных уравнений. Примеры таких характеристик приведены в . На рис.7.2. приведены примеры однозначных (без памяти) и многозначных (с памятью) нелинейных характеристик. В этом случае учитывается направление (знак) скорости сигнала на входе.

Рис.7.2. Статические характеристики нелинейных элементов

Поведение нелинейных систем при наличии существенных нелинейностей имеет ряд особенностей, отличных от поведения линейных САУ :
1. выходная величина нелинейной системы непропорциональна входному воздействию, т.е. параметры нелинейных звеньев зависят от величины входного воздействия;
2. переходные процессы в нелинейных системах зависят от начальных условий (отклонений). В связи с этим, для нелинейных систем введены понятия устойчивости "в малом", "в большом", "в целом". Система устойчива "в малом", если она устойчива при малых (бесконечно малых) начальных отклонениях. Система устойчива "в большом", если она устойчива при больших (конечных по величине) начальных отклонениях. Система устойчива "в целом", если она устойчива при любых больших (неограниченных по величине) начальных отклонениях. На рис.7.3 приведены фазовые траектории систем: устойчивой "в целом" (а) и системы устойчивой "в большом" и неустойчивой "в малом" (б);

Рис.7.3. Фазовые траектории нелинейных систем

3. для нелинейных систем характерен режим незатухающих периодических колебаний с постоянной амплитудой и частотой (автоколебаний), возникающий в системах при отсутствии периодических внешних воздействий;
4. при затухающих колебаниях переходного процесса в нелинейных системах возможно изменение периода колебаний.
Эти особенности обусловили отсутствие общих подходов при анализе и синтезе нелинейных систем. Разработанные методы позволяют решать лишь локальные нелинейные задачи. Все инженерные методы исследования нелинейных систем разделяются на две основные группы: точные и приближенные. К точным методам относится метод А.М.Ляпунова, метод фазовой плоскости, метод точечных преобразований, частотный метод В.М.Попова. Приближенные методы основаны на линеаризации нелинейных уравнений системы с применением гармонической или статистической линеаризации. Границы применимости того или иного метода буду рассмотрены ниже. Следует заметить, что в обозримом будущем имеется необходимость дальнейшего развития теории и практики нелинейных систем.
Мощным и эффективным методом исследования нелинейных систем является моделирование, инструментарием которого служит компьютер. В настоящее время многие сложные для аналитического решения теоретические и практические вопросы сравнительно легко могут быть решены с помощью вычислительной техники.
Основными параметрами, характеризующими работу нелинейных САУ, являются:
1. Наличие или отсутствие автоколебаний. Если автоколебания имеются, то необходимо определить их амплитуду и частоту.
2. Время выхода регулируемого параметра в режим стабилизации (быстродействие).
3. Наличие или отсутствие скользящего режима.
4. Определение особых точек и особых траекторий движения.
Это далеко не полный перечень исследуемых показателей, сопровождающих работу нелинейных систем. Системы экстремальные, самонастраивающиеся, с переменными параметрами требуют оценки и дополнительных свойств.

© В.Н. Бакаев, Вологда 2004. Разработка электронной версии: М.А.Гладышев, И.А. Чуранов.
Вологодский Государственный Технический Университет.
Кафедра Дистанционного и Заочного обучения.

Идея метода гармонической линеаризации принадлежит Н.М. Крылову и Н.Н. Боголюбову и базируется на замене нелинейного элемента системы линейным звеном, параметры которого определяются при гармоническом входном воздействии из условия равенства амплитуд первых гармоник на выходе нелинейного элемента и эквивалентного ему линейного звена. Метод является приближенным и может быть использован только в случае, когда линейная часть системы является фильтром низких частот, т.е. отфильтровывает все возникающие на выходе нелинейного элемента гармонические составляющие, кроме первой гармоники. При этом линейная часть может быть описана дифференциальным уравнением любого порядка, а нелинейный элемент может быть как однозначным, так и многозначным.
В основе метода гармонической линеаризации (гармонического баланса) лежит предположение, что на вход нелинейного элемента подается гармоническое воздействие с частотой ω и амплитудой А, т.е. x = А sinωt. В предположении, что линейная часть является фильтром низких частот, спектр выходного сигнала линейной части ограничивается только первой гармоникой, определяемой рядом Фурье (в этом и заключается приближенность метода, т.к. высшие гармоники выбрасываются из рассмотрения). Тогда связь между первой гармоникой выходного сигнала и входным гармоническим воздействием нелинейного элемента представляется в виде передаточной функции :

(7.1)

Уравнение (7.1) называется уравнением гармонической линеаризации, а коэффициенты q и q" - коэффициентами гармонической линеаризации, зависящие от амплитуды А и частоты ω входного воздействия. Для различных видов нелинейных характеристик коэффициенты гармонической линеаризации сведены в таблицу . Следует заметить. что для статических однозначных коэффициент q"(А)=0. Подвергнув уравнение (7.1) преобразованию по Лапласу при нулевых начальных условиях с последующей заменой оператора p на jω (p = jω), получим эквивалентный комплексный коэффициент передачи нелинейного элемента

W нэ (jω,A) = q + jq". (7.2)

После того, как проведена гармоническая линеаризация, для анализа и синтеза нелинейных САУ возможно применение всех методов, применяемых для исследования линейных систем, в том числе и использование различных критериев устойчивости. При исследовании нелинейных систем на основе метода гармонической линеаризации в первую очередь решают вопрос о существовании и устойчивости периодических (автоколебательных) режимов. Если периодический режим устойчив, то в системе существуют автоколебания с частотой ω 0 и амплитудой А 0 . Рассмотрим нелинейную систему, включающую в себя линейную часть с передаточной функцией

(7.3)

и нелинейный элемент с эквивалентным комплексным коэффициентом передачи (7.2). Расчетная структурная схема нелинейной системы приобретает вид рис.7.5.

Рис.7.5. Структурная схема нелинейной САУ

Для оценки возможности возникновения автоколебаний в нелинейной системе методом гармонической линеаризации необходимо найти условия границы устойчивости, как это делалось при анализе устойчивости линейных систем. Если линейная часть описывается передаточной функцией (7.3), а нелинейный элемент (7.2), то характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид

d(p) + k(p)(q(ω,A) + q"(ω,A)) = 0 (7.4)

На основании критерия устойчивости Михайлова границей устойчивости будет прохождение годографа Михайлова через начало координат. Из выражений (7.4) можно найти зависимость амплитуды и частоты автоколебаний от параметров системы, например, от коэффициента передачи k линейной части системы. Для этого необходимо в уравнениях (7.4) коэффициент передачи k считать переменной величиной, т.е. это уравнение записать в виде:

d(jω) + K(jω)(q(ω,A) + q"(ω,A)) = Re(ω 0 ,A 0 ,K) +Jm(ω 0 ,A 0 ,k) = 0 (7.5)

где ω o и A o - возможные частота и амплитуда автоколебаний.
Тогда, приравнивая к нулю действительную и мнимую части уравнения (7.5)

(7.6)