17.2. Нелинейные корректирующие устройства

Все корректирующие устройства, применяемые в системах автоматического управления, можно разделить на линейные и нелинейные. Линейные корректирующие устройства имеют ряд достоинств и широко применяются для улучшения динамических свойств как линейных, так и нелинейных автоматических систем. Вместе с тем линейным корректирующим устройствам присущи и недостатки. К ним, в частности, следует отнести жесткую зависимость между амплитудными и фазовыми частотными характеристиками. Так, например, дифференцирующие фазоопережающие цепи создают положительный сдвиг, но одновременно вносят ослабление в области низких частот, т. е. в области спектра полезного сигнала. Этим объясняется низкая помехоустойчивость дифференцирующих цепей. Интегрирующие корректирующие контуры подавляют высокие частоты, но при этом создают запаздывание по фазе, что приводит к ухудшению переходных процессов и т. д. В то же время было бы желательно, чтобы корректирующие устройства' создавали опережение по фазе без изменения амплитудной характеристики, подавляли высокие частоты без изменения фазовой характеристики, обеспечивали опережение по фазе и одновременно ослабляли высокие частоты. Эти задачи могут быть решены с помощью нелинейных корректирующих устройств.

Кроме указанных недостатков, линейные корректирующие устройства имеют ограниченные возможности в получении высоких показателей качества в автоматических системах. Например, если в линейной системе для повышения быстродействия (уменьшения времени переходного процесса t_п, рис.) увеличивать коэффициент усиления разомкнутой системы k_p то это приводит к уменьшению запаса устойчивости, увеличению колебательности переходного процесса. Для иллюстрации сказанного на рис.17.12 приведены кривые 1 и 2 переходных процессов линейной САУ при k_p1 и k_p2 соответственно . Применение линейных корректирующих устройств позволяет повысить в некоторых пределах значение коэффициента усиления системы, однако это не снимает указанного противоречия и необходимости компромиссного решения при выборе коэффициента усиления системы и настройке корректирующего устройства.

Указанное противоречие можно устранить применением нелинейных корректирующих устройств, изменяющих свое влияние на систему в зависимости от величины отклонения от установившегося режима (ошибки системы).

Рисунок 17.12. Переходные процессы САУ при линейной (1 и 2) и нелинейной коррекции

В результате применения такой нелинейной коррекции может быть получен желаемый процесс, изображенный, например, на рис.17.12 кривой 3. Как видно из рисунка, он сочетает полезные свойства процессов 1 и 2: начальная часть процесса 3 совпадает с процессом 2 линейной системы, благодаря чему обеспечивается большое быстродействие системы, а окончание процесса 3 подобно окончанию процесса 1, т. е. является монотонным. Такой процесс, может быть, достигнут, например, изменением коэффициента усиления разомкнутой системы, k_p в зависимости от величины ошибки . При большихзначениеk_p должно быть большим, чтобы обеспечить быстрое уменьшение ошибки (начальный участок кривой 3), а по мере уменьшения значениеk_p должно уменьшаться для завершения переходного процесса без перерегулирования. Такое изменение k_p может быть реализовано, например, с помощью простейшего последовательного нелинейного корректирующего устройства (рис.17.13).

При больших значениях напряжения ошибки и_в нелинейное сопротивление R1 мало и поэтому коэффициент усиления цепи большой. По мере уменьшения и_в нелинейное сопротивление R1 увеличивается, а коэффициент усиления k₁ уменьшается.

Рисунок 17.13. Последовательное нелинейное корректирующее устройство (а) и его характеристика (б)

Примерный график зависимости k₁ от и_в изображен на рис.17.13,б. По такому же графику будет изменяться и коэффициент усиления системы k_p. Недостаток коррекции с помощью рассматриваемого корректирующего устройства состоит в том, что оно изменяет лишь k_p системы, не компенсируя при этом вредное влияние инерционности ее элементов. Из-за этого получаются малые значения k_p в установившихся динамических режимах, а, следовательно, большие динамические ошибки системы.