Д.П.Ф. Разомкнутого контура такой системы

.

Д.п.ф. системы по задающему воздействию

;

При единичном ступенчатом воздействии изображение выходного сигнала

(4.3)

Можно легко разложить на две дроби

и, пользуясь таблицами обратного z-преобразования, записать переходную функцию

. (4.4)

Построенные по выражению (4.4) переходные процессы при kT = 0,5 (кривая 1), kT = 1 (кривая 2), kT = 1,5 (кривая 3) приведены на рис. 4.1. Очевидно, что при kT = 1 процесс оптимален: перерегулирование равно нулю, длительность процесса минимальная.

При каждом конкретном значении параметра kT переходную функцию можно найти также путем разложения изображения Y(z) в степенной ряд.

Т 2Т 3Т 4Т 5Т

Рис. 4.1 Переходные процессы в импульсной системе

Например, при kТ=1,5 в результате деления числителя выражения (4.3) на знаменатель получим:

Коэффициенты этого ряда соответствуют ординатам колебательного переходного процесса на рис. 4.1 (кривая 3).

Пример. Определим для системы, рассмотренной в предыдущем примере, установившееся значение ошибки при ступенчатом и линейном воздействии.

Передаточная функция системы для сигнала ошибки

;

Так как д.п.ф. рассматриваемого контура W(z) имеет полюс z=1, то при ступенчатом воздействии установившаяся ошибка равна нулю.

При линейном воздействии д(t)=at установившаяся ошибка

5. Структура и характеристики цифровой системы управления

Перспективным направлением в технике автоматического управления является использование цифровых вычислительных машин в режиме ПЦУ. При осуществлении этого режима УВМ включают непосредственно в контур автоматической системы уп­равления. УВМ функционирует в реальном масштабе времени и в тем­пе хода технологического процесса, вырабатывает управляющие воз­действия, которые через исполнительные устройства передаются на управляемый объект. Одновременно УВМ выполняет функции задающего и сравнивающего устройства.

Рассмотрим типичную функциональную структуру однокон­турной цифровой системы управления (рис. 5.1, а). АЦП кван­тует непрерывный сигнал x по уровню и по времени и представляет его в цифровом коде. При этом образуется последовательность чисел , записанных в определенной (обычно двоичной) системе счисления. Цифровое вычислительное устройство ЦВУ в соот­ветствии с заложенным в него алгоритмом выполняет над числами арифметические и логические операции и с периодом повторения Т выдает в виде числа управляющий сигнал . ЦАП состоит из декодирующего и фиксирующего устройств, которые из выходной последовательности чисел формируют непрерывное управляющее воздействие .

Если непрерывная часть системы и алгоритм работы ЦВУ ли­нейны, то рассматриваемую цифровую систему можно исследовать как амплитудно-импульсную. Для этого систему с ЦВУ заменяют эквивалентной импульсной системой. На алгоритмической схеме эквивалентной системы (рис. 5.1, б) АЦП условно представляют в виде идеального импульсного элемента, а сигналы и , ко­торые в действительности являются последовательностями чисел, заменяют соответствующими решетчатыми функциями x* и u*. Квантование по уровню при этом не учитывается (так как шаг кван­тования обычно достаточно мал).

Рис. 5.1 Функциональная (а) и алгоритмическая (б) структуры цифровой системы управления

Период повторения Т условного импульсного элемента опреде­ляется периодичностью опроса датчиков Д отдельных контуров, т. е. с темпом ввода сигналов в УВМ и вывода сигналов из УВМ, который задается от специального таймера через входной и выходной коммутаторы (мультиплексор и демультиплексор). Время, затрачиваемое ЦВУ на вычисления, обычно мало по сравнению с периодом Т, и его можно не учитывать.

Реализуемый в ЦВУ алгоритм преобразования входной после­довательности чисел в выходную на эквивалентной схеме представляют в виде соответствующей д.п.ф. , которая связывает между собой дискретные значения сигналов x* и u*. Звено с передаточной функцией называют дискретным фильтром или цифровым регулятором.

Преобразователю ЦАП в эквивалентной системе соответствует фиксирующий элемент , который в течение одного такта сохраняет мгновенное значение u*.

Д.п.ф. цифровой системы (см. рис. 5.1, а), представленной в виде эквивалентной импульсной системы (см. рис. 5.1, б),

(5.1)

— д.п.ф. приведенной непрерывной части, включающей объект, исполнительное устройство и фикси­рующий элемент; — д.п.ф. цифрового регулятора.

Благодаря большим вычислительным возможностям ЭВМ в циф­ровых системах можно реализовать сложные алгоритмы управле­ния и обеспечить такие переходные процессы, которые недостижимы в непрерывных системах.

Рассмотрим один из возможных подходов к решению задачи синтеза оптимальной цифровой системы. Пусть необходимо полу­чить переходный процесс конечной длительности . При этом правомерно потребовать, чтобы длительность соответствовала порядку уравнения неизменяемой части системы, который опреде­ляется главным образом объектом. Данное требование можно за­писать так:

,

где n — порядок полинома приведенной части. С учетом условия конечной длительности найдем д.п.ф. в следую­щем виде:

.

Полином числителя д.п.ф. цифрового регулятора в дан­ной задаче можно произвольно принять равным

,

где , — передаточные коэффициенты ре­гулятора и приведенной части.

Так как д.п.ф. приведенной части считается известной, то можно определить д.п.ф. ЦЗУ:

(5.2)

В общем случае д.п.ф. (5.2) представляет собой отношение полиномов

.

Соответственно уравнение ЦВУ в операционной форме:

.

Выполняя теперь обратное z-преобразование и учитывая теорему запаздывания, можно получить рекуррентную формулу

(5.3)

которая связывает текущее значение дискретного управляю­щего воздействия с текущим и с предыдущими значениями сигнала ошибки, а также с предыдущими значениями управляющего воз­действия.

Рекуррентная формула (5.3) легко может быть запрограмми­рована на ЦВМ. Для реализации программы требуется выполнение операций умножения, сложения и переадресации.

Изложенный метод позволяет синтезировать импульсную си­стему, оптимальную по быстродействию. Оптимальный переходный процесс достигается за счет выбора амплитуд управляющего воз­действия на интервалах заданной продолжительности. В релейных системах, оптимальных по быстродействию, наименьшая длительность процесса достигается выбором моментов изменения знака постоянного по амплитуде управляющего воздействия.

Пример. Непрерывная часть цифровой системы (см. рис. 5.1 б) состоит из фиксатора и двух последовательно соединенных идеальных интегрирующих звеньев:

.

Требуется определить алгоритм управления, обеспечивающий минимальную длительность переходного процесса при заданных Т=10 с и

Д.п.ф. приведенной непрерывной части системы.

.

Очевидно, что в данном случае , .

Оптимальная д.п.ф. цифрового регулятора согласно формуле (5.2)

Отсюда рекуррентный алгоритм уравнения

Он обеспечивает окончание переходного процесса за два периода повторения.