Структура автоматической системы. Ее основные части. Структурный метод описания автоматических систем.
Обобщённая система автоматического регулирования содержит: объект регулирования (ОР), измеритель (И), датчик рассогласования (ДР), усиленно преобразованный блок (УПБ), сервомотор (СМ), регулирующий орган (РО), корректирующие устройства (КУ). Выходным сигналом ОР является регулируемая физическая величина (U1). На входы ОР поступают: внешнее возмущающее воздействие или нагрузка (F) и регулирующее воздействие (U6). Регулируемая физическая величина измеряется и в виде некоторого сигнала U2 подаётся на датчик рассогласования. ДР вычисляет рассогласование U3 между измеренным сигналом U2 и управляющим воздействием или настройкой (Y). УПБ усиливает и преобразует поданный на него сигнал рассогласования и дополнительные корректирующие сигналы (U7 и U8). Усиленный сигнал U4 подаётся на сервомотор, который выполняет основное силовое воздействие в системе. С выхода СМ сигнал подаётся на регулирующий орган, который оказывает регулирующее воздействие на ОР и тем самым воздействует на регулируемую физическую величину. Корректирующие устройства улучшают статические и динамические характеристики системы. Они включаются как дополнительные параллельные или последовательные звенья (КУ1), также как дополнительные обратные связи (КУ2).
На функциональной схеме штриховой линией выделены объект регулирования и регулятор. Нагрузка F поступает на объект регулирования. Настройка Y подаётся на регулятор.
Первый подход называют функционально-модульным или структурным. В его основу положен принцип функциональной декомпозиции, при которой структура системы описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами.
Понятие динамического звена. Установившейся и переходный режим в автоматической системе. Ачх. Фчх. Афчх.
Для расчета различных систем автоматического управления они обычно разбиваются на динамические звенья.
Под динамическим звеном понимают устройство любого физического вида и конструкции, но описываемое определенным дифференциальным уравнением.
(Другое определение: Динамическое звено – это часть САУ, соответствующая какому-либо элементарному алгоритму).
В соответствии с этим определением классификация звеньев производится по виду дифференциального уравнения (или передаточной функции).
У каждого динамического звена может быть лишь однавходная и выходная величина. Выходная величина всякого динамического звена не оказывает на него какого-либо влияния, т.е. динамические звенья имеют свойство однонаправленности.
Статическая характеристика любого линеаризованного звена может быть изображена прямой линией.
И переходный, и установившийся режимы работы линейной системы могут существовать при подаче изменяющихся воздействий на систему. Отличие заключается в том, что в переходном режиме либо само воздействие, либо некоторые его младшие производные содержат ступенчатые изменения. При этом, старший порядок производной воздействия, приводящего к переходному процессу, определяется степенью полинома числителя передаточной функции системы или, что то же, числом ее нулей (пояснено ниже). Некоторое время после скачка величины воздействия или его младших производных, в системе происходит переходный процесс, а затем, по его окончании, система функционирует в установившемся режиме до появления новых скачков воздействий и их производных или до моментов коммутаций, изменяющих структуру схемы.
Переходный режим возникает из-за несоответствия состояния системы поступающим на нее воздействиям. Несоответствие может возникать вследствие наличия ступенчатых слагаемых в воздействии (и) или в его некоторых младших производных. Второй причиной возникновения переходного процесса является несоответствие начальных условий (значений сигналов на выходах интеграторов модели системы в момент подачи воздействия) подаваемому на модель гладкому сигналу. В первом случае переходный процесс может возникать в любые моменты времени, а во втором случае, когда на систему подается достаточно гладкий сигнал, переходный процесс происходит лишь после подачи сигнала - однократно, после чего, сигналы, поступающие на систему и приведенные ко входу первого интегратора модели становятся непрерывными, изменяются плавно, что и является причиной и признаком установившегося режима.
Таким образом сигналы, воздействия, поступающие на некоторый линейный объект или систему, можно разделить на условно-гладкие, такие, которые не приводят к возникновению переходного процесса, и "шероховатые", приводящие к переходному процессу.
Суть переходного режима это перераспределение энергии между накапливающими элементами системы, такое, которое обеспечивает "согласование" состояния и поведения системы с входным воздействием. Накапливающими элементами, например, в электрической цепи являются конденсаторы и катушки индуктивности, в механических системах это пружины и массивные элементы.
Признаки переходного и установившегося режимов:
В переходном режиме сигналы на входах одного, некоторых, или всех интеграторов модели испытывают ступенчатое изменение. В этот момент начинается переходный процесс.
Переходный процесс возникает при наличии во входном воздействии и (или) его младших производных ступенчатых или более резких (дельта-функция и ее производные) возмущений.
Ступенчатое воздействие на практике может быть заменено хоть и коротким, но более плавным изменением и тогда формально процесс после этого возмущения может рассматриваться как установившийся, но он практически не будет отличаться от переходного. Таким образом границы между переходным и установившимся процессами размыты, и описание реального поведения объекта может выбираться из соображений удобства. Реакцию системы на сравнительно быстрые изменения воздействий целесообразно описывать как переходный процесс, а на относительно медленно изменяющиеся воздействия - как установившийся режим. Условную границу численно можно характеризовать критической скоростью изменения воздействия.
Для линейной системы можно подобрать такой режим изменения задающих (управляющих) воздействий, чтобы переходный процесс отсутствовал. Для этого нужно определять выходные напряжения интеграторов модели на момент резкого изменения управляющего сигнала и соответствующим образом задавать, сглаживать значения сигнала перехода к новому режиму и младших его производных.
Основные показатели качества переходного режима - это время регулирования, характеризующее быстродействие системы в переходном режиме, и перерегулирование. Быстродействие системы в установившемся режиме можно характеризовать коэффициентами ошибки системы по скорости и ускорению или соответствующими коэффициентами отклика.
Они получаются в установленном режиме при задании на входе гармонического сигнала:
-- обобщенный гармонический сигнал ( -- по Эйлеру).
Выражение для передаточной функции, где вместо стоит -- есть частотная передаточная функция.
На основе частотной передаточной функции строятся все остальные характеристики, к которым относятся:
Амплитудно-фазовая частотная характеристика.
Амплитудная частотная характеристика.
Фазовая частотная характеристика.
Логарифмическая амплитудная частотная характеристика.
Логарифмическая фазовая частотная характеристика.
АФЧХ -- это годограф частной передаточной функции, построенный на комплексной плоскости при изменении частоты от 0 до .
-- частотная передаточная функция.
-- вещественная частотная характеристика
-- мнимая частотная характеристика.
выступает в роли параметра и на строится кривая.
АЧХ -- это зависимость модуля частотной передаточной функции от частоты.
.
-- АЧХ при изменении частоты от 0 до .
ФЧХ -- это изменение аргумента (фазы) частотной передаточной функции при изменении частоты в заданных пределах