3. Построение структурной схемы исходной сар
Используя передаточные функции из пункта 2, возможным становится построение структурной схемы САР и дальнейшая работа с этой моделью. Построение проводится в специализированной программе VisSim 3.0, которая в дальнейшем упростит работу по исследованию (построение характеристик) и оптимизации САР. Построенная модель (рис. 2) не учитывает возмущения, т. к. строится для определения устойчивости САР
Из рисунка 2 можно заключить, что САР неустойчива [2, с. 159] (наличие обратных связей в САР приводит ее в неустойчивое состояние). Т. о. необходимо коррекция параметров элементов САР, изменение которых допускается (обратные связи и усилитель). Возможно, потребуется изменение структуры системы.
4. Оценка устойчивости и стабилизация сар.
Параметрическая оптимизация.
4.1 Стабилизация разомкнутой САР
Система неустойчива из-за наличия обратных связей. Чтобы устранить неустойчивость всей системы нужно сначала оптимизировать внутренний контур обратной связи [2, с. 153], также это позволит воспользоваться логарифмическим критерием Найквиста для коррекции замкнутой САР
Рисунок 2. Модель исходной САР ЧВ ДПТ «ОМЕГА-12». Переходная характеристика указывает на неустойчивость САР, т.к. колебательный процесс имеет постоянно увеличивающуюся амплитуду
Из рисунка 3 видно, что контур гибкой обратной связи неустойчив. Значит необходимо откорректировать параметры элементов контура.
Изменение только передаточного коэффициента усилителя для обеспечения необходимых характеристик разомкнутого контура [1] не дало нужного результата (рис. 4), т.к. усиление контура относительно мало и запас устойчивости по амплитуде меньше 2 дБ. Следовательно, необходимо изменять и параметры звена обратной связи.
Рисунок 3. Модель разомкнутой САР ЧВ ДПТ «ОМЕГА-12». Контур внутренней обратной связи по напряжения неустойчив, т.к. переходная характеристика имеет постоянно увеличивающуюся колебательность
Рисунок 4. Модель разомкнутой САР ЧВ ДПТ «ОМЕГА-12». Переходная характеристика стремится к значению 4.45 (усиление -12,9 дБ), запас устойчивости ≈ 2дБ. Этих показателей недостаточно, необходимо усиление в 10 ÷ 100 и запас устойчивости по амплитуде 6 ÷ 20 дБ.
Уменьшение постоянной времени гибкой обратной связи позволяет вывести систему на границу устойчивости при значительно большем коэффициенте усилителя удается получить необходимые усиление разомкнутого контура (43 дБ), запас устойчивости по амплитуде (рис. 5).
Рисунок 5. Окончательно стабилизированный разомкнутый контур САР. Усиление усилителя уменьшено с 150 до 13, (запас устойчивости по амплитуде 20 дБ) контура местной обратной связи. Результирующее усиление разомкнутого контура всей САР составляет примерно 150 единиц
Разомкнутая САР ЧВ ДПТ «ОМЕГА-12» стабильна, что позволяет использовать логарифмический критерий Найквиста для стабилизации замкнутого контура САР [2, c.172].
4.2 Стабилизация и предварительная коррекция замкнутой сар
Предварительная коррекция замкнутой САР осуществляется изменением коэффициента усиления разомкнутого контура. Для этого, по предложению [1], в схему между сумматорами можно ввести П-регулятор, который влияет только на усиление, но не сдвигает по фазе гармонические составляющие сигнала (ФЧХ не изменяется [1]). Введение П-регулятора обеспечит разомкнутый контур необходимым запасом устойчивости по фазе и амплитуде [2, c.201], что позволит замкнуть контур главной обратной связи без потери системой устойчивости. ЛАЧХ и ФЧХ для разомкнутого контура приведены на рисунке 6, видно, что запасы устойчивости отрицательны [2, c.201], нужно ослабить усиление контура. Для этого ЛАЧХ опускается до достижения необходимых запасов устойчивости (рисунок 7).
Заданием требуется обеспечить запасы устойчивости в следующих пределах [1]:
по фазе в пределах 400 - 700 и более;
по амплитуде 12 – 20 дБ,
Из рисунка 7 видно, что ЛАЧХ опущена на 32 дБ, т.е. контур ослаблен в 39 раз. Такое сильно ослабление разомкнутого контура придало ему удовлетворительные запасы устойчивости, но усиление 10 дБ (в 3,16 раз) мало, что приведет низкому качеству регулирования в установившемся режиме. Замкнутая САР с введенным П-регулятором изображена на рисунке 8. Из него можно заключить, что система устойчива в замкнутом состоянии, но относительная ошибка регулирования составляет e ≈1– 14·0,056≈21.6%.
Т. о введение П-регулятора не дало необходимого качества регулирования. Следовательно, необходима более серьезная структурно-параметрическая стабилизация [1; 2, с. 243].
Рисунок 6 ЛАЧХ и ЛФЧХ стабилизированной в разомкнутом состоянии САР «Омега 12». Система имеет отрицательные запасы устойчивости.
Рисунок 7. Обеспечение необходимых запасов устойчивости путем опускания ЛАЧХ. Усиление контура мало (10 дБ)