Файл: Лекция Принципы управления 2 Общие понятия 2 Лекция Статический режим сау 7.doc

 

y^св(0) = y₀, = y₀’, ..., = y₀^(n-1).

 

Кроме того

 

y^св( ) = 0, ( ) = 0,..., ( ) = 0,

 

так как процесс затухает и при t свободная составляющая и все производные становятся равны нулю. Подставляя эти значение, получаем:

 

J_oo = (a₀y₀^(n-1) + a₁y₀^(n-1) + ... + a_n-1y₀)/(a_n.

 

То есть линейную оценку качества регулирования можно легко вычислить, зная начальные условия и коэффициенты дифференциального уравнения. Возможны и другие линейные оценки качества, но они используются реже, например:

 

J₀₁ = св(t) t dt;

 

J_0n = св(t) tⁿdt.

 

 



Линейные оценки качества неприменимы при колебательном процессе. Так как площади, ограниченные кривой y^св(t) и осью абсцисс складываются с учетом знака, то минимальному значению J_oo может соответствовать процесс с большим числом колебаний и малым быстродействием (рис.93). В этом случае более эффективны квадратичные оценки качества, например,

 

J₂₀ = y^св₂(t)dt.

 



Значение этого интеграла соответствует площади под кривой y^св₂(t) и осью абсцисс, которая всегда положительна (рис.94).

Выбирая параметры САУ по минимуму J₂₀ мы приближаем кривую y^св(t) к осям координат, что приводит к уменьшению времени регулирования (рис.95). Вывод формулы для вычисления этой оценки сложен, поэтому ограничимся замечанием, что значение  вычисляется через коэффициенты дифференциального уравнения a₀...a_n,b₀...b_m. При вычислении слагаемых в этой формуле используются определители Гурвица, так что даже расчет по ней сопряжен с определенными трудностями и требует использования ЭВМ или специальных таблиц.

---

При выборе параметров САУ по минимуму J₂₀ часто получают нежелательную колебательность процесса, так как приближение y^св(t) к оси ординат вызывает резкое увеличение начальной скорости, что в свою очередь может вызвать большое перерегулирование, уменьшив при этом запас устойчивости. Для того, чтобы обеспечить плавность протекания процесса, в квадратичную оценку качества добавляется слагаемое, зависящее от скорости изменения регулируемого параметра y^св’(t). Получаем критерий качества

 

J₂₁ = св₂(t) + t₂ (y^св’(t))₂]dt,

 

где - некоторая наперед заданная постоянная времени, определяющая весовое соотношение между оценкой по y^св и по y^св’. При малых значениях уменьшение колебательности будет незначительным. Завышение увеличит время переходного процесса так, что ее выбор определяется конкретными условиями.



Этот интеграл имеет наименьшее значение, если переходный процесс соответствует экспоненте с постоянной времени (рис.96). Другими словами, по соображениям качества управления следует стремиться к тому, чтобы переходная характеристика замкнутой САУ как можно меньше отличалась от характеристики инерционного звена первого порядка, имеющего наперед заданную постоянную времени , значение которой определяются техническими условиями.

Задача выбора параметров САУ по минимуму J₂₀ и J₂₁ решается аналитически только в случае невысокого порядка дифференциального уравнения. Иначе используют ЭВМ.

---

Лекция 13. Частотные методы оценки качества

13.1. Теоретическое обоснование

 

Частотные методы основаны на привычном для инженеров графическом изображении динамических характеристик, которые можно снять экспериментально, поэтому они находят широкое применение. В частности зная АФЧХ разомкнутой САУ W_p(j ), можно построить АФЧХ замкнутой САУ

 

Wз(j ) = = P_з( ) + jQ_з( ),

 

а по ней - требуемую для частотных методов вещественную ЧХ замкнутой САУ P_з( ). Зная ВЧХ замкнутой САУ, можно приближенно построить переходную характеристику САУ h(t), которую снять экспериментально очень трудно, и по ней определить показатели качества управления.

Теоретическое обоснование этого в том, что любую функцию, в том числе и единичную ступенчатую, можно разложить в ряд Фурье:

 

1(t) = A₀ + A_k1cos(k t) + A_k2sin(k t)].

 

Так как замкнутая САУ линейна, то при подаче на вход суммы сигналов с выхода снимается сигнал, равный сумме реакций на каждый из входных сигналов. Входному сигналу ui(wi,t) на выходе будет соответствовать составляющая выходного сигнала y_i( _i,t) = W(j _i) u_i( _i,t), тогда

 

 

h(t) = = A₀W(0) + (jkw) [A_k1cos(kwt) + A_k2sin(kwt)].

Преобразование этого выражения приводит к двум равнозначным формулам определения h(t) через составляющие ВЧХ:

 

; ,

 

где P( ) и Q( ) - вещественная и мнимая части АФЧХ замкнутой САУ. Предпочтение обычно оказывают первой формуле, хотя с одинаковым успехом можно использовать и вторую.

Точно вычислить эти интегралы можно только с помощью ЭВМ, но в практике нашел широкое применение приближенный способ построения переходной характеристики на основе

---

линейной аппроксимации ВЧХ замкнутой САУ, который называется метод трапеций. Прежде, чем рассматривать этот метод, рассмотрим без доказательства основные соотношения между ВЧХ замкнутой САУ и ее переходной характеристикой.

 

13.2. Основные соотношения между ВЧХ и переходной характеристикой

1. Начальное значение ВЧХ P(0) равно установившемуся значению переходной характеристики hу_ст = P( ) = P(0).

 



 

2.  САУ с вогнутой ВЧХ (рис.97а кривая 1) не имеет перерегулирования, то есть ей соответствует монотонная переходная характеристика (рис.97б кривая 1).

3.  САУ с трапециидальной ВЧХ (рис.97а кривая 2, такую ВЧХ можно аппроксимировать трапецией) имеет апериодическую переходную характеристику (рис.97б кривая 2), причем величина перерегулирования s_max не превышает 18%.

4. Кривые 3 и 4 на рис.97а соответствуют колебательной переходной характеристике (рис.97б кривая 3). Величина перерегулирования s_max тем больше, чем больше отношение P( )_max/P(0). Если это отношение стремится к бесконечности, то есть имеет место разрыв ВЧХ, то переходная характеристика приобретает вид незатухающих колебаний и САУ переходит на границу устойчивости. Величину перерегулирования можно приблизительно вычислить исходя из соотношения

 

s_max < .

 



Наличие отрицательного экстремума у ВЧХ (кривая 4) свидетельствует о повышенной колебательности системы.

5.  Время переходного процесса t_пп можно оценить приблизительно по виду ВЧХ без построения кривой h(t). Оно определяется полосой частот w_п, при которых P( ) > 0.2P(0) (рис.98). _п называют интервалом положительности P( ). При этом всегда t_пп >p/ _п. Для кривой 1 рис.97а: t_пп 4 / _п. Для кривой 2: t_пп (1..4)4 / _п. Для кривых 3 и 4 коэффициент пропорциональности больше, причем он тем больше, чем больше отношение P( )_max/P(0).

 

---

13.3. Метод трапеций

Этот метод основан на свойствах ВЧХ, следующих из полученной ранее формулы, которые мы рассмотрим без доказательств.

1. Свойство линейности: если ВЧХ можно представить суммой  P( ) = SPi( ), то каждой составляющей Pi( ) будет соответствовать составляющая переходной характеристики



 

,

 

при этом h(t) = (рис.99а). Поэтому, если ВЧХ имеет сложную форму, ее можно представить суммой трапециидальных ВЧХ, примыкающих к вертикальной оси. Затем все трапеции перерисовывают, перенося их основания на горизонтальную ось (рис.99б). Каждой такой трапеции соответствует своя составляющая переходной характеристики h_i(t), имеющая апериодический характер (рис.99в).

Результирующая кривая строится суммированием данных составляющих.

2. Если умножить P( ) на постоянный множитель а, то соответствующая ей h(t) также умножается на а. То есть, чем выше ВЧХ, тем выше и переходная характеристика (рис.100).

3. Если аргумент w в выражении ВЧХ P( ) умножить на постоянный множитель а, то аргумент в h(t) будет делиться на это число, то есть

 



.



То есть переходный процесс в случае P(a ) будет протекать в а раз быстрее, чем в случае P( ) (рис.101).

Рассмотрим трапециидальную ВЧХ (рис.102а). Она характеризуется коэффициентом наклона k = _{1 2}. Под единичной трапецией (рис.102б) понимают трапецию, две стороны которой совпадают с осями координат и равны по 1 в соответствующих масштабах; наклон k может быть различным: P₁( ) = .

---