- •1. Фундаментальні принципи і класифікація систем автоматичного керування
- •1.1. Системи автоматики на залізничному транспорті
- •1.2. Історія розвитку теорії автоматичного керування
- •1.3. Фундаментальні принципи автоматичного керування
- •1.4. Класифікація систем автоматичного керування
- •Контрольні питання
- •2. Диференціальне рівняння ланки автоматичної системи і перетворення Лапласа
- •2.1. Диференціальне рівняння ланки
- •2.2. Особливості розв’язку диференціального рівняння ланки
- •2.3. Стандартна форма диференціального рівняння ланки
- •2.4. Перетворення Лапласа і його властивості
- •Контрольні питання
- •3.Передатна функція і часові характеристики ланки
- •3.1. Передатна функція ланки
- •3.2. Передатна функція ланки, охопленої зворотним зв'язком
- •3.3. Передатна функція ланки, заданої електричною схемою
- •3.4. Часові характеристики ланки
- •Контрольні питання
- •4. Частотна передатна функція і частотні характеристики ланки
- •4.1. Частотна передатна функція ланки
- •4.2. Частотні характеристики ланки
- •4.3. Годограф частотної передатної функції
- •4.4. Логарифмічні частотні характеристики ланки
- •4.5. Асимптотична логарифмічна ачх
- •Контрольні питання
- •5. Типові ланки автоматичних систем. Пропорційна і коливальна ланки
- •5.1. Класифікація типових ланок автоматичних систем.
- •5.2. Пропорційна ланка.
- •5.3. Коливальна ланка
- •Контрольні питання.
- •6. Ланки інтегрувального типу
- •6.1. Інтегрувальна ланка.
- •6.2. Інерційна ланка
- •6.3. Інтегрувально-інерційна ланка
- •Контрольні питання
- •7. Ланки диференціального типу
- •7.1. Диференціальна ланка
- •7.2. Форсувальна ланка.
- •7.3. Диференціально-інерційна ланка
- •З рисунку видно, диференціально-інерційна ланка реагує на ступеневу функцію на вході коротким імпульсом на виході.
- •Частотна передатна функція ланки має вид
- •Контрольні питання
- •8. Передатні функції і структурні перетворення ланцюга ланок
- •8.1 Передатна функція послідовного сполучення ланок
- •8.2. Передатна функція паралельного сполучення ланок
- •8.3. Передатна функція ланцюга ланок з місцевим зворотним зв'язком
- •8.4. Правила структурних перетворень
- •8.5. Приклад перетворення структури ланцюга ланок
- •Контрольні питання
- •9. Частотні характеристики ланцюга ланок
- •9.1. Ачх, фчх і частотний годограф ланцюга ланок
- •9.2. Асимптотична лачх ланцюга ланок
- •Контрольні питання
- •10. Передатні функції і рівняння замкненої автоматичної системи
- •10.1 Передатні функції відносно керуючої дії
- •10.2. Передатні функції відносно дії збурення
- •10.3. Диференціальне рівняння замкненої системи.
- •10.4. Матрична форма диференціального рівняння
- •10.5. Система рівнянь з неформальними змінними стану
- •Контрольні питання
- •11. Частотні характеристики замкненої системи
- •11. 1. Розрахунок частотних характеристик замкненої системи
- •11.2. Розрахунок дійсної і уявної частин чпф замкненої системи
- •Контрольні питання
- •12. Алгебраїчні критерії стійкості автоматичної системи
- •12.1. Означення, умови, границі і запаси стійкості
- •12.2. Необхідна умова стійкості і особливості розв’язку характеристичного рівняння.
- •12.3. Критерій стійкості Рауса
- •12.4. Критерій стійкості Гурвиця
- •12.5. Визначення границь стійкості системи з критерію Гурвиця
- •Контрольні питання
- •13. Частотні критерії стійкості автоматичної системи
- •13.1. Критерій стійкості Михайлова
- •13.2. Критерій стійкості Найквіста
- •13.3. Визначення запасів стійкості системи з критерію Найквіста
- •Контрольні питання
- •14. Точність системи автоматичного керування
- •14.1. Вимоги до процесу керування і поняття точності системи
- •14.2. Усталена помилка при постійній дії
- •14.3.Усталена помилка при дії з постійною швидкістю зміни
- •14.4. Точність системи при гармонічній дії
- •14.5. Еквівалентна гармонічна дія
- •14.6. Усталена помилка при довільній дії і коефіцієнти помилок
- •Контрольні питання
- •15. Перехідний процес системи і частотні оцінки його якості
- •15.1. Визначення перехідного процесу
- •15.2. Показники якості перехідного процесу і вимоги до них
- •15.3. Зв’язок перехідної характеристики з частотними
- •15.4. Частотні оцінки якості перехідного процесу
- •15.5. Кореневі оцінки якості перехідного процесу
- •15. 6. Інтегральні оцінки якості перехідного процесу
- •Контрольні питання
- •16. Послідовна і паралельна корекція систем автоматичного регулювання
- •16.1. Призначення і класифікація видів корекції
- •16.3. Корекція неодиничним зворотним зв’язком
- •16. 2. Типові ланки послідовної корекції
- •16.6. Схема реалізації ізодромної ланки
- •16.3. Приклад паралельної корекції жорстким зворотним зв’язком
- •16.7. Охоплення аперіодичної ланки жорстоким зворотним зв’язком
- •16.4. Паралельна корекція гнучким зворотним зв’язком
- •16.8. Охоплення аперіодичної ланки гнучким зворотним зв’язком
- •16. 5. Корекція системи керуючою дією
- •16.9. Схема корекції системи вхідною керуючою дією.
- •Контрольні питання
- •17. Частотний метод послідовної корекції
- •17.1. Методика частотної послідовної корекції
- •17.2. Приклад реалізації методики частотної послідовної корекції
- •Контрольні питання
- •18. Реалізація пристроїв корекції
- •18.1. Пасивні пристрої корекції
- •18.2. Активні пристрої корекції
- •Контрольні питання
- •19. Система автоматичного керування з запізненням
- •19.1. Ланка з запізненням
- •19.2. Передатна функція системи з запізненням
- •19.3. Частотні характеристики розімкненого ланцюга ланок з елементом запізнення
- •19.4. Стійкість замкненої системи з запізненням
- •Контрольні питання
- •20. Структурні схеми цифрових систем автоматичного регулювання
- •20.1. Структурна схема цифро-аналогової системи
- •20.2. Цифро-аналогове і аналого-цифрове перетворення
- •20.3. Структура математичної моделі цифро-аналогової системи
- •20.4 Структурні схеми цифрової системи
- •Контрольні питання
- •21. Основи z-перетворення і умова стійкості цифрової системи
- •21.2. Основні властивості z- перетворення
- •21.3. Порівняння перетворень Лапласа із z- перетворенням і умова стійкості цифрової системи
- •Контрольні питання
- •22. Методи синтезу цифрового фільтра
- •22.1. Метод дискретизації імпульсної характеристики
- •22.2. Метод дискретизації диференціального рівняння
- •22.3. Метод білінійного перетворення
- •Контрольні питання
- •23. Передатні функції і різницеве рівняння цифрової системи
- •23.1. Передатні функції цифрової системи
- •23.2. Різницеве рівняння цифрової системи
- •23.3. Представлення цифрової системи у вигляді схеми цифрового фільтру
- •Контрольні питання
- •24. Часові і частотні характеристики цифрової системи
- •24.1. Розрахунок часових характеристик цифрової системи
- •24.2 Прямий метод розрахунку частотних характеристик цифрової системи
- •24.3 Наближений метод розрахунку частотних характеристик цифрової системи
- •24.4. Особливості розрахунку частотних характеристик замкненої цифрової системи
- •Контрольні питання
- •25. Критерії стійкості, точність і корекція цифрової системи
- •25.1. Особливості застосування критеріїв стійкості до цифрових систем
- •25.1. Розрахунок точності роботи цифрової системи
- •25.2. Корекція цифрової системи
- •Контрольні питання
Контрольні питання
1. Запишіть вираз, який зв’язує між собою змінні s і z в білінійному перетворенні.
2. Як з дискретної передатної функції знайти різницеве рівняння?
3. Як з різницевого рівняння знайти дискретну передатну функцію?
4. Як за допомогою різницевого рівняння побудувати структурну схему цифрового фільтра?
24. Часові і частотні характеристики цифрової системи
Перелік питань: розрахунок часових характеристик цифрової системи, прямий метод розрахунку частотних характеристик цифрової системи, наближений метод розрахунку частотних характеристик цифрової системи, особливості розрахунку частотних характеристик замкненої цифрової системи.
24.1. Розрахунок часових характеристик цифрової системи
Ефективний метод розрахунку часових характеристик цифрової системи пов’язаний з визначенням її різницевого рівняння, яке в загальному випадку можна записати в такому вигляді
. (1)
Тут вхідна дія x(nT) і вихідна дія y(nT) дорівнюють нулю 0 при n<0 і порядок рівняння позначений символом m.
Різницеве рівняння являє собою функцію дискретної величини y(nT) від дискретного аргументу x(nT) задану в рекурентній формі. Воно дозволяє розраховувати часові і частотні характеристики ЦС при умові подачі на вхід системи потрібний для тієї чи іншої характеристики вхідний сигнал x(nТ). Для розрахунку, наприклад, імпульсної характеристики потрібно вхідний сигнал x(nT) задати рівним d(0). Тоді різницеве рівняння для розрахунку імпульсної характеристики прийме такий вигляд:
. (2)
Для розрахунку перехідної характеристики потрібно вхідний сигнал x(nT) задати рівним 1(nT). Різницеве рівняння для розрахунку перехідної характеристики прийме такий вигляд:
. (3)
Розв’язування різницевого рівняння вручну (за допомогою калькулятора) просте, але надто трудомістке при високому порядку рівняння і при великій потрібній кількості n значень функції y(nT). Тому розрахунок виконують на ПЕОМ за допомогою математичної програми. Різницеве рівняння легко програмується, тому програму розрахунку різницевого рівняння не важко скласти самостійно.
При необхідності виконати обчислення за допомогою стандартної математичної програми можна застосувати просту в користуванні програму MathCad. В цій програмі обчислення перехідної характеристики з рівняння третього порядку виконується таким обчислювальним фрагментом:
З результатів розрахунку h(nT) визначають практичну тривалість q перехідного процесу, величину пере регулювання s% та інші показники якості перехідного процесу.
24.2 Прямий метод розрахунку частотних характеристик цифрової системи
Частотну передатну функцію W(jω), з якої визначають амплітудно-частотну і фазово-частотну характеристики, одержують із звичайної передатної функції, яку для цифрової системи можна записати в такому загальному вигляді:
. (1)
Загальний метод розрахунку частотної передатної функції для неперервних і цифрових систем зводиться до заміни в передатній функції змінної sзмінною jω. В передатній функції неперервної системи змінна s присутня явно, а в передатній функції дискретної системи її можна виявити двома основними способами. Перший спосіб виконується точною заміною z на s за формулою
. (2)
Метод розрахунку частотних характеристик з використанням підстановки (2) назвемо прямим або точним і розглянемо його детальніше. Замінимо в (2) z на jω і представимо результат заміни в більш практичній для розрахунків комплексно-алгебраїчній формі:
z = exp(jwT) = cos(ω∙T) + j∙sin(ω∙T). (3)
Тепер в (1) замінимо змінну z на cos(ω∙T) + j∙sin(ω∙T). Результатом заміни буде комплексна частотна передатна функція W(w), комплексні вирази у чисельнику і знаменнику якої представимо спочатку у комплексно-алгебраїчній формі
, (4)
але після розрахунку дійсної і уявної складових комплексних виразів чисельника і знаменника для зручності подальших розрахунків представимо комплексні вирази чисельника і знаменника частотної ПФ в експоненціальній формі
(5)
де
, , (6)
, (7)
. (8)
Тут для компактності формули для f1(w) і f2(w) записані так, як вони обчислюються програмою MathCad у відповідності з повною формулою обчислення функції arctg(b/a) для визначення кута величини a+jb. Смисл обчислення за формулами (7) і (8) очевидний: якщо дійсна складова комплексного виразу від’ємна то до головного значення функції arctg додається кут π.
Амплітудно-частотну характеристику цифрової системи визначимо з (5) як
A(w)=|W(w)|=M1(w) / M2(w), (9)
а фазово-частотну характеристику як
j(w)=arg W(w)=f1(w) - f2(w). (10)
При порівнянні частотних характеристик цифрової і неперервної систем слід пам’ятати, що воно можливе тільки в діапазоні частот від 0 до половинної частоти дискретизації p/T, де характеристики можуть бути подібними але не можуть для реальних систем точно співпадати між собою. Якщо дискретна передатна функція W(z) синтезована методом білінійного перетворення заміною s на z за формулою
, (11)
то розбіжність між частотними характеристиками цифрової системи і її аналогового прототипу можна визначити з таких міркувань. Зробимо в (11) заміну z на esT з наступною заміною в лівій частині змінної s на jω, а в правій на jωc, де символом ωc позначимо „цифрову” частоту, тобто частоту для частотних характеристик цифрової системи. В результаті такої заміни одержимо залежність між „аналоговою” і „цифровою” частотами у вигляді:
. (12)
Звідси видно, що цифрова і аналогова частотні осі мало відрізняються між собою тільки в діапазоні низьких частот, коли аргумент тангенса <<1.Чим менший інтервал дискретизації T, тобто чим більша частота дискретизації F=(1/T), тим ширший діапазон частот, в якому спостерігається наближена рівність ωc @ ω, але завжди половинній частоті дискретизації ωc =(π/T) цифрової системи відповідає частота ω = ¥ аналогової системи. Це означає, що увесь безконечний інтервал [0,¥] „аналогових” частот відображений в інтервалі [0,π/T] „цифрових” частот.