книги из ГПНТБ / Егоров С.В. Основы автоматики и телемеханики. Конспект лекций учеб. пособие

К А Ч Е С Т В О П Р О Ц Е С С А Р Е Г У Л И Р О В А Н И Я

Устойчивость является

необходимым,

н о

н е

достаточным

условием

.применимости

С А Р .

Н е о б х о д и м о

также,

чтобы

С А Р

и м е л а т р е б у е м о е

качество

п р о ц е с с о в регулирования,

Которое

о ц е н и в а ю т

п о

н е к о т о р ы м

показателям

п р о ц е с с а

регулирования

в

р а з л и ч н ы х

типовых

режимах:

,в

р е ж и м е

покоя

(статическом),

в

р е ж и м е

о т р а б о т к и

ступенчатых

у п р а в л я ю щ и х

и

в о з м у щ а ю щ и х

воздействий,

в

р е ж и м е

л и н е й н о - н а р а с т а ю щ и х

во

времени и л и гармонических" воз­

действий и т. д. Естественно,

что н а и б о л е е

в а ж н ы

показа ­

тели

качества

для

того

режима,

к о т о р ы й

н а и б о л е е

х а р а к ­

терен

для д а н н о й

к о н к р е т н о й

С А Р . Так,

для

систем

стаби­

л и з а ц и и

весьма

в а ж н ы

показатели

в

статическом

р е ж и м е ,

для п о з и ц и о н н ы х

следящих

систем

и

систем

программного

р е г у л и р о в а н и я — в

р е ж и м е отработки

ступенчатых

воздей­

ствий, а,

например,

для

системы

с т а б и л и з а ц и и

к о р а б л я

на

качке — в

р е ж и м е

гармонического воздействия и т. д.

Говорят, что

С А Р

имеет

з а д а н н о е

качество,

если

обеспе ­

чиваются

с л е д у ю щ и е

показатели:

1)

заданная

точность,

х а р а к т е р и з у е м а я

о ш и б к а м и

в

т и п о в ы х р е ж и м а х ;

2)

заданное

быстродействие,

х а р а к т е р и з у е м о е

временем

п р о т е к а н и я п е р е х о д н ы х

п р о ц е с с о в

в

системе;

3)

заданный

запас

устойчивости,

• х а р а к т е р и з у е м ы й

склонностью

системы к колебаниям .

§

6-1. Точность

регулирования

Т о ч н о с т ь

С А Р

х а р а к т е р и з у ю т

о ш и б к о й

е

(рис.

6 4 )

в

установившемся

р е ж и м е . Д л я

ее

о п р е д е л е н и я

пользуются

т е о р е м о й о к о н е ч н о м з н а ч е н и и

e y c m =

l i m e ( t ) = l i m pE(p),

(6-1)

p-tO

где E(p) — и з о б р а ж е н и е

о ш и б к и п о Лапласу .

Рис. 6-1.

Если на л и н е й н у ю

систему действует

несколько

воздей ­

ствий,

то ошибка,

как

это следует из

п р и н ц и п а

суперпо ­

зиции,

с о д е р ж и т в

о б щ е м случае

столько

ж е

составляющих,

каждая

из которых

обусловлена

только

своим

воздействием

где

имеется

два

воздействия:

з а д а ю щ е е

(уставка)

г/о

и

в о з м у щ а ю щ е е

/, о ш и б к а имеет две

с о с т а в л я ю щ и х

e(t)=e0(t)+e,(t),

где

е0 показывает о ш и б к у

воспроизведения

воздействия

уо,

я e,f обусловлена

действием

возмущения f.

И з о б р а ж е н и я

п о Л а п л а с у для

ни х легко

н а й т и

п о

прин ­

ц и п у с у п е р п о з и ц и и

g . ' r t - * w i ™ - r . M - , + r i ' M . r t W

-

frw-EWhr--fW.

, +

r

: s s . w

-

= -F(p)-W,itp),

(6-26)

где

Weo(p), Wej(p)

— передаточные

ф у н к ц и и

системы

отно ­

сительно о ш и б к и

соответственно

п о з а д а ю щ е м у

и

возму­

быть

р а з л и ч н ы е - у с т а н о в и в ш и е с я

р е ж и м ы :

1)

пр и постоянных во времени воздействиях — статиче­

ский

р е ж и м ;

2)

пр и л и н е й н о - н а р а с т а ю щ и х

во времени воздействиях -~

3)

п р и

произвольно

и з м е н я ю щ и х с я

воздействиях — дина ­

м и ч е с к и й р е ж и м .

Установившиеся

о ш и б к и в "таких

р е ж и м а х носят соответ­

с т в у ю щ и е

названия,

п р и

это м

часто

указывают,

о к а к о й

составляюще й о ш и б к и идет речь.

1а.

Статическая

ошибка

по

задающему

воздействию

находится из (6-2а)

с п о м о щ ь ю

(6-1)

п р и

2/о(0

= А о - 1 ( 0 -

Тогда

-

Y0(p)=A0/p

и

eocr=A0-We0(0).

(6-3)

Если

восс — 0,

то

систему

н а з ы в а ю т

астатической

по

отно­

шению

к

задающему

воздействию,

в п р о т и в н о м

случае —

статической.

К а к

видно из

(6-3),

статическая

ошибк а

по

уставке

отсутствует

е О с т = 0

п р и

| Wv(0)

| =

«о ,

(б-4а)

т. е.

когда

передаточная

ф у н к ц и я

р а з о м к н у т о й

системы

имеет

вид

WP

(р)

=

W,

(р) • W2

(р) =

,

(6-46)

Р -Di (р)

где

v — порядо к

астатизма

системы;

/

К, Di — п о л и н о м ы

от р, и м е ю щ и е н у л е в у ю

м л а д ш у ю

степень

р.

К а к

видно

из

(6-4),

астатизм

системы зависит

от

нали ­

чия

в н е й

и н т е г р и р у ю щ и х

звеньев.

16.

Статическая

ошибка

по

возмущению

находится

из

(6-26)

с

п о м о щ ь ю

(6-1)

при

f(t)

— Co'\(t).

Тогда

efCm=-Co-Wef(0).

(6-5)

Л е г к о

указать

условие

отсутствия

статической

о ш и б к и

п о

в о з м у щ е н и ю :

е}ст=0

п р и

|

№ i ( 0 ) | =

«=•

(6-6)

В самом

деле,

п е р е п и ш е м

(6-5)

в

виде

_ _ а

у 1 № и г , ( р )

=

* . • « » ,

Т

т

Wi(0)

1 +

Wi(0).W8 (0).

Wi(0)

но

W3

(0)

ф0,

где

W3{p)

— п е р е д а т о ч н а я

ф у н к ц и я

з а м к н у т о й

системы;

W\ {р)

— передаточная

ф у н к ц и я

части

системы

м е ж д у

точками п р и л о ж е н и я возмущени я

и

и з м е р е н и я

ошибки .

У с л о в ие

(б-б)

т р е б у е т

наличия

в у к а з а н н о й части

системы и н т е г р и р у ю щ и х звеньев

(см.

(6-4)).

2. Кинетическая

ошибка

по

задающему

воздействию

находится из

(6-2а)

с п о м о щ ь ю (6-1)

п р и

и

We\(p)

.

е , м

м

= а в - и т р -

(6-7)

р->0

Р 2

Если система имеет астатизм v-ro порядка

и

ее передаточная

ф у н к ц и я имеет

вид

Wp(p)

=

WAp)-W.(Р)

=

, *

,

(6-8)

то из (6-7)

получаем

Pv--Di(P)

«•кик =

I *

'

'

(6-9)

10,

v > 2 .

(

В следящих системах величину k в (6-8)

н а з ы в а ю т

доброт­

ностью.

К а к

видно

из (6-9), кинетическая

о ш и б к а следящей

системы тем меньше, чем больше е е добротность .

А н а л о г и ч н о

(6-7)

м о ж н о

получить

из

(6-26)

выраже ­

н и е

для

к и н е т и ч е с к о й

о ш и б к и

п о в о з м у щ е н и ю .

3. Д и н а м и ч е с к а я

о ш и б к а

о б ы ч н о рассматривается для

случая,

когда

воздействия являются

гармоническими.

Если

,yo(t)

=Am-sinaot,

то

амплитуда

установившейся

гармонической

о ш и б к и

п о

з а д а ю щ е м у

в о з д е й с т в и ю

р а в н а

e 0

m

= Am-\We0(frQ)\^-^—

(6-Юа)

А н а л о г и ч н о

м о ж н о

н а й т и д и н а м и ч е с к у ю

о ш и б к у п о

возму­

щ е н и ю : если

f(t)

=

C m - s i n Wft,

то из (6-26)

п о л у ч а е м

ампли­

туду у с т а н о в и в ш е й с я

Ошибки п о

в о з м у щ е н и ю

'

/

-

-

^

•

I ^

W

I

^ j

^

-

.

(6-106,

П р и м е р

6-1. Р а с с м о т р и м

С А Р . с к о р о с т и

двигателя

(см.

рис . 1-7).

Д л я

д а н н о й

системы

с т а б и л и з а ц и и

характе -

К и н е т и ч е с к ая

о ш и б к а

п р и

Qv(t)—£lo-t-l(t)

равна

(см. (6-9))

_ йо

^0 КЫК

7

•

К

Если следящая

система стабилизируется

т а х о м е т р и ч е с к о й

о б р а т н о й связью

(см.

рис.

6-2),

то

передаточная

ф у н к ц и я

р а з о м к н у т о й системы

с к о р р е к ц и е й

(Т^кут^О)

УС,

ЭНУ

AS,

Ред

i

Рис. 6-2

__Wp(p)

1 + ^ 0 . ™ ( Р ) - ^ ( Р )

'

где

( 1 + р Г 1 ) ( 1 + р Г , )

Если

применяется

ж е с т к а я

обратная

связь,

когда

^ к у ( р ) —кос,

то кинетическая

о ш и б к а равна

Яо

1

+

>е01

£о лак —'

П р и г и б к о й

о б р а т н о й

связи,

когда

WKy{p)=

,

"О кип

0 KUH'

Т а к и м

образом, с т а б и л и з а ц и я системы

г и б к о й о б р а т н о й

связью предпочтительнее,

чем с т а б и л и з а ц и я

ж е с т к о й

обрат ­

н о й связью,

поскольку

н е

с н и ж а е т

д о б р о т н о с т и системы и,

следовательно,

не увеличивает

к и н е т и ч е с к у ю

ошибку .

Н а п р а к т и к е

с н и ж е н и е

д о б р о т н о с т и

приводит

т а к ж е и

к у в е л и ч е н и ю

статической

ошибки,

о б

у с л о в л е н н о й

трением .

§ 6-2. Качество

п е р е х о д н ы х

п р о ц е с с о в

р е г у л и р о в а н и я

П е р е х о д н ы е

п р о ц е с с ы

в

С А Р

п о з в о л я ю т

судить о

ее

быстродействии

и

запасе

устойчивости .

Н а и б о л е е

полно

п о з в о л я ю т

судить

о качестве

С А Р

п е р е х о д н ы е

п р о ц е с с ы

п р и ступенчатых воздействиях .

Т а к и е

воздействия,

к р о м е

того,

часто

н а и б о л е е

х а р а к т е р н ы

в

системах.

Как

и

п р и

р а с с м о т р е н и и ошибок,

м о ж н о раздельно

судить

о

качестве

С А Р

п р и

о т р а б о т к е

е ю

ступенчатых

з а д а ю щ и х

и

воз ­

м у щ а ю щ и х

воздействий . Для

простоты рассмотрим

т и п о в у ю

структуру С А Р

(рис.

6-1), п о л о ж и в

/ =

0

(т. е.

будем

рас ­

сматривать качественные п о к а з а т е л и переходного

процесса,

возникшего

п р и

о т р а б о т к е

только

задающего

воздействия

г/о). Если взять yo(t)

=

l(t),

то

в

этом

случае

н а

выходе

будем

наблюдать

п е р е х о д н у ю

ф у н к ц и ю

з а м к н у т о й

системы

y(t) =h(t)

(рис.

6-3),

п о к о т о р о й

м о ж н о

судить

о

следую ­

щ и х п о к а з а т е л я х

качества:

/7,

2Sf/u)t

hm

/ | \

\ z /

г

I-

г

1

1

1

0

1

t

4

Рис. 6-3

1)

установившееся

значение

/ г у с т =

Нш h(t),

к о т о р о е

х а р а к т е р и з у е т точность воспроизведения задающего

воздей­

ствия;

2)

время

регулирования

is,

о п р е д е л я е м о е

из

условия

I h(t) — h u

c

m I < А пр и

t >

ts,

где

А — д о п у с к

(обычно

Л =

5%

Ауст),

к о т о р о е

характери ­

зует

быстродействие системы;

3)

время

до

максимального

перерегулирования

tp,

кото­

р о е т а к ж е

х а р а к т е р и з у е т

быстродействие

САР ,

н о

с

точки

з р е н и я быстроты нарастания

выходного

воздействия;

4)

максимальное

перерегулирование

Т =

hm~hy™

-100%,

hycm

к о т о р о е х а р а к т е р и з у е т

колебательность

системы;

5)

частота собственных

колебаний

со* и л и

число

пере ­

р е г у л и р о в а н и й

з а

время i s .

Д л я суждения

о б у к а з а н н ы х показателях

качества

м о ж н о

воспользоваться

н е п о с р е д с т в е н н ы м

методом

п о с т р о е н и я

п е р е х о д н о й

ф у н к ц и и ,

л и б о

воспользоваться

у к а з а н н ы м и

далее

косвенными

методами .

Для

непосредственного

п о с т р о е н и я ф у н к ц и и

h(t) = L-^-L.W3(p)},

( 6 - П )

где

Lrx

— символ

обратного

п р е о б р а з о в а н и я

п о

Лапласу,

н е о б х о д и м о

знать

п о л ю с а п е р е д а т о ч н о й

•функции

С А Р ,

что затруднительно, если

ее

п о р я д о к

высок.

К

косвенным

методам

о ц е н к и

качества

С А Р

относятся

н а ш е д ш и е

ш и р о к о е р а с п р о с т р а н е н и е

частотные

методы

( с у ж д е н и е

о

качестве

по

частотным

х а р а к т е р и с т и к а м )

и весьма

р е д к о

п р и м е н я е м ы е

в и н ж е н е р н о й

п р а к т и к е

корне­

вые

методы

( с у ж д е н и е

о

качестве

по

р а с п о л о ж е н и ю

н у л е й

и п о л ю с о в

п е р е д а т о ч н о й

ф у н к ц и и

САР)/.

Э ф ф е к т и в н ы м

методом

создания

систем

с

н а и л у ч ш и м

качеством

является

метод

интегральных

оценок.

§

6-3. О ц е н к и

качества п е р е х о д н о г о

п р о ц е с с а

п о

частотным

х а р а к т е р и с т и к а м

Э т и о ц е н к и

д а ю т связь

м е ж д у

н е к о т о р ы м и

показателями

п е р е х о д н о й ф у н к ц и и С А Р и ее в е щ е с т в е н н о й

ч а с т о т н о й

х а р а к т е р и с т и к о й

( В Ч Х )

i?(co).

П о с к о л ь к у замкнутая

система

устойчива,

то

ее

п е р е д а - '

точная ф у н к ц и я

W3(p)

н е имеет

п о л ю с о в в

п р а в о й

полу -

п л о с к о с ти

и

на

м н и м о й

оси.

П о э т о м у

используя

о б р а т н о е

Фурье - преобразование,

получаем

(см. (6-11))

h (0 =

—

Г —

• W3

(/со) -'е'аЧа

=

2л

J

у'со

•f [R (со) + / / (со)] (cos cor;-)-/ sin co?;)cfco

=

Я j

Cfl

•sin

wtdw,

(6-12)

0

где

R,

I — соответственно

в е щ е с т в е н н а я

и

мнимая

части

п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и С А Р .

П о

ф о р м у л е

(6-12)

получены

с л е д у ю щ и е

оценки .

•

1.

Начальное

и

установившееся

значения

h(t)

равны

ft(0)

=

lim#(co),

hycm — l i m ^ ( c o ) ,

что

легко

получается

из

теорем

о

начальном

и

к о н е ч н о м

з н а ч е н и и

(см. §

3-3).

2.

Критерий

малых

перерегулирований.

Ч т о б ы величина

п е р е р е г у л и р о в а н и я

у была

не

больше

13%,

достаточно,

чтобы

В Ч Х

з а м к н у т о й

системы

была

н е п р е р ы в н о й

п о л о ж и т е л ь н о й

н е в о з р а с т а ю щ е й

ф у н к ц и е й

(рис. 6-4,а).