книги из ГПНТБ / Пивоваров В.А. Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин

Логарифмическая фазовая частотная характеристика неустой­ чивого апериодического звена первого порядка в отличие от устой­

неустойчивого звена данного типа, передаточная функция ко­

Следовательно, амплитудно-фазовая характеристика пред­ ставляет собой полуокружность, которая расположена в первом

Отсюда видно, что выражение для А совпадает с (2.48.) Зна­ чит, логарифмическая амплитудная частотная характеристика

гут иметь одно из следующих выражений для передаточной функ­ ции:

Во всех трех случаях будет иметь место неограниченное удале­ ние выходной величины от установившегося значения, так как каждое из характеристических уравнений (2.119) содержит по крайней мере один положительный корень. Переходные функции этих звеньев не представляют интереса, поэтому рассмотрим лишь их частотные характеристики.

чему соответствует кривая в табл. 2 (звено 14), которая является зеркальным отображением относительно оси абсцисс амплитудно­ фазовой характеристики звена 3, поскольку в данном случае при всех значениях со >> 0 V — положительная величина.

Чтобы построить логарифмические частотные характеристики, разложим знаменатель передаточной функции на сомножители:

Выражение для А совпадает с (2.67) и, следовательно, логариф­ мическая амплитудная характеристика L = 20 lg А будет соот­ ветствовать (2.69), а фазовая частотная определяется как сумма фазовых характеристик двух последовательно соединенных не­ устойчивых апериодических звеньев, первого порядка (2.113).

Несколько другой вид имеют частотные характеристики не­ устойчивых звеньев, определяемых передаточными функциями

и W3. Так, для звена 2

66

а для звена 3

Кривые, построенные по (2.122) и (2.123), являются зеркаль­ ным отображением друг друга относительно отрицательной дей­

В частном случае, когда Т 3 = Т4, звенья W2 и W3 превраща­ ются в неустойчивое консервативное звено, для которого

Из (2.125) видно, что амплитудно-фазовая частотная характе­ ристика представляет собой прямую, расположенную на отрица­ тельной действительной оси комплексной плоскости. Здесь при всех значениях со сдвиг фазы ср = — 180° (табл. 2, звено 17).

3. Неустойчивое колебательное звено описывается дифферен­ циальным уравнением

вает на неустойчивый колебательный характер переходной функ­

Сравнивая (2.128) c (2.64) видим, что эти кривые отличаются только знаком перед V. Значит, на комплексной плоскости кри­ вая, построенная по (2.128), является зеркальным отображением кривой, соответствующей (2.64), относительно действительной оси.

Модуль выражения- (2.128) совпадает с (2.71), а выражение для фазового сдвига ср отличается от (2.72) только знаком, т. е. логарифмические амплитудные частотные характеристики устой­ чивого и неустойчивого колебательных звеньев имеют одинако­ вый вид, а логарифмическая фазовая частотная характеристика неустойчивого колебательного звена изменяется от ср = -—360° при со = 0 до ср = —180° при со = оо. Для определения точных логарифмических характеристик при различных значениях коэф­ фициента следует использовать графики на рис. 23 и 24. Дина­ мические характеристики неустойчивого колебательного звена приведены в табл. 2 (звено 18).

68

Инверторные звенья. К инверторным относятся звенья, кото­ рые изменяют лишь знак входного сигнала или знак одного из его составляющих.

1. Простое инверторное звено определяется алгебраическим

которое отличается от (2.36) только знаком, поэтому его динами­ ческие характеристики определяются достаточно просто. Они показаны в табл. 2 (звено 19). В данном случае при всех частотах

Переходные функции для уравнений (2.130) и (2.131) можно получить простой заменой знака соответствующей составляющей на графике в табл. 2 (звено 9).

Рассмотрим частотные характеристики. Согласно (2.130), имеем:

На комплексной плоскости амплитудно-фазовые характери­ стики (2.132) и (2.133) являются прямыми, параллельными мни­

обычного и инверторных пропорционально-дифференцирующих

ср = —180° — arctg Т со, т. е. изменяется от ф = — 180° при со = 0 до ф = —270° при со — оо.

69

Динамические характеристики инверторных пропорциональнодифференцирующих звеньев показаны в табл. 2 (звенья 20, 21). Они наглядно иллюстрируют динамические свойства различных звеньев, входящих в систему автоматического регулирования. При включении этих звеньев в замкнутую систему процессы в них меняются коренным образом, однако, теоретический анализ любой системы регулирования невозможен без знания динами­ ческих свойств отдельно взятых звеньев. В ряде случаев, когда не удается составить дифференциального уравнения какого-либо звена системы, оно может быть подобрано путем сравнения экс­ периментальных переходных функций или частотных характе­ ристик с приведенными в табл. 2 динамическими характеристи­ ками.

10. Критерии устойчивости

Выше уже отмечалось, что обеспечение устойчивости про­ цесса регулирования является важнейшей задачей аналитического исследования любой системы автоматического регулирования. Было получено математическое условие устойчивости линейной системы, согласно которому, для получения затухающего по вре­ мени переходного процесса необходимо, чтобы вещественные части всех корней характеристического уравнения были отрицатель­ ными. Следовательно, если определить численные значения кор­ ней, то вопрос об устойчивости системы будет решен. Однако труд­ ности. нахождения корней быстро возрастают с увеличением сте­ пени характеристического уравнения. Поэтому были разработаны признаки, или критерии, устойчивости, позволяющие судить об устойчивости системы, не решая характеристического урав­ нения.

Имеется несколько критериев устойчивости. Ниже рассма­ триваются без доказательства основные из них: алгебраический критерий Рауса и Гурвица, критерий Михайлова и частотные критерии, основанные на амплитудно-фазовых и логарифмиче­ ских частотных характеристиках [27].

Алгебраический критерий устойчивости Рауса и Гурвица.

Прежде всего заметим, что для устойчивости системы необходимо (но еще недостаточно), чтобы все коэффициенты характеристи­ ческого уравнения (2.7) были положительны и не равны нулю. Если это условие не выполнено, то система заведомо неустойчива. Указанное условие достаточно для систем не выше второй сте­ пени. Для уравнений выше второго порядка требуются дополни­ тельные соотношения Рауса и Гурвица, которые можно получить следующим образом.

Пусть имеется характеристическое уравнение системы

70

Из коэффициентов этого уравнения составляется специальная матрица

вятся нули. Всего должно быть написано п строк. По этой ма­ трице составляется п определителей Рауса и Гурвица

Ді = йь Ао = Й1Й2 — Оойз! Аз = йз(йіЙ2 — йойз) —

— ах(айаъ—oyaj и т. д.

(2.136)

Алгебраический критерий устойчивости формулируется следую­ щим образом: для устойчивости регулирования необходимо и до­ статочно, чтобы все определители Рауса и Гурвица, составленные из коэффициентов характеристического уравнения, были поло­ жительны.

Нетрудно убедиться, что практическое использование крите­ рия Рауса и Гурвица для уравнений выше четвертого порядка сопряжено с громоздкими вычислениями определителей, особенно когда известны не все коэффициенты характеристического урав­ нения и требуется определить их значения для получения устой­ чивой системы. Кроме того, этот критерий страдает еще одним недостатком, заключающимся в том, что он не позволяет непо­ средственно оценить степень устойчивости, т. е. он не дает ответа на вопрос: как далеко находится данная система от границы устой­ чивости. Поэтому критерий Рауса и Гурвица применяется

71

главным образом для уравнений невысокого порядка с целью про­ верки на устойчивость системы с заданной структурой и задан­ ными параметрами.

Критерий устойчивости Михайлова. Кр'итерий Михайлова основан на свойстве годографа характеристического уравнения, известного под названием кривой Михайлова. Чтобы получить кривую Михайлова, нужно в характеристическом уравнении си­ стемы (2.134) заменить г на чистое мнимое значение ісо, как это делалось для определения частотных характеристик. Тогда полу­ чим многочлен

Для каждого значения параметра со величину L (ісо) можно изобразить на комплексной плоскости в виде вектора. При изме­ нении параметра со в интер­

нец (со = оо) всегда уходит в бесконечность. Это следует из вы­ ражения (2.139).

2) Если 11 — степень характеристического уравнения, то кри­ вая Михайлова пересекает вещественную ось пі2 раз при четной п и (п + 1)/2—при нечетной /г. Мнимая ось пересекается кривой п/2 раз при четной п и (/г—1)/2 раз при нечетной п. Значения со, при которых кривая пересекается с вещественной и мнимой осями,

лирования п-й степени была устойчивой, необходимо и доста­ точно, чтобы кривая Михайлова, построенная для характеристи­ ческого уравнения данной системы, поочередно проходила п квадрантов против часовой стрелки, все время окружая начало

72

координат (рис. 28, б, кривая /). Когда система неустойчива, кривая Михайлова минует какие-либо квадранты комплексной плоскости (рис. 28, б, кривая 2).

ней характеристического уравнения z = 0, то это означает, что свободный член ап = 0. В этом случае кривая Михайлова будет

ветствует точке кривой, попавшей в начало координат, опреде­ ляет частоту незатухающих собственных колебаний системы,

V (0,9) = —2- 0,93 + 5- 0,9 = 3,05.

На рис. 29, а показана кривая, построенная для различных значений со. Данная система устойчива, так как кривая на рис. 29, а удовлетворяет крите­ рию Михайлова.

2. Построим кривую Михайлова для системы пятой степени с характери­ стическим уравнением

5гв + 4 zi + Юг3 + 7га + 5г + 9 = 0.

Определяем точки пересечения с осями U и V. Кривая пересекает ось U, когда У (со) = 0, т. е. при

5со6 — 15со3 + 5со = 0,

откуда для положительных частот сох = 0, со2= 0,635, со3= 1,62.

73

Для этих Wзначения U (со) будут: U (0) = 9; U (0,635) = 6,8; U (1,62) = 18.

Далее, кривая пересекает ось V, когда U (со) = 0, т. е. при 4со4— 7со2+

+ 9= 0.

При всех действительных значениях со это уравнение не удовлетворяется и кривая не пересекает ось У. Следовательно, система неустойчива, так как кри­ вая не проходит через пять квадрантов. На рис. 29, б показан вид этой кривой,

построенной по точкам. Она сразу проходит из первого в четвертый квадрант, минуя второй и третий.

Частотные критерии устойчивсти. Рассмотренные выше кри-

Формулируемые ниже частотные критерии справедливы для - систем, у которых степень числителя R (р) передаточной функции G (р) меньше или равна степени 'знаменателя Q (р). Это условие выполняется у большинства систем, в том числе и у систем регу­ лирования гидротурбин.

Чтобы определить устойчивость системы, необходимо построить на комплексной плоскости амплитудно-фазовую частотную ха­ рактеристику разомкнутой системы регулирования G (ш). На этой плоскости отметим точку С с координатами (—1, і-0), ко­ торая называется критической точкой.

74