Лекция 8 (6 часов)

Оценка качества работы сар Показатели качества работы сар

Устойчивость является необходимым, но недостаточным условием работоспособной системы, поскольку она (САР) должна отвечать дополнительным требованиям в статике и динамике для обеспечения хорошего функционирования, т.е. качественной работы. Под качеством САР понимают совокупность требований, прямо или косвенно характеризующих точность ее работы.

Требования в статике ориентированы на точность работы САР в установившихся режимах. При этом обычно необходимо, чтобы установившаяся ошибка САР e_уст не превышала заданных допустимых значений.

При анализе динамики САР предъявляются вполне определенные требования по отработке либо наиболее характерных управляющих воздействий, либо наиболее неблагоприятных. К числу неблагоприятных воздействий часто относят скачкообразное воздействие . Поскольку мы рассматриваем линейные системы, то изменение величины скачка K влияет только лишь на изменение масштаба по оси ординат, а перерегулирование s, время первого согласования t_c, время достижения переходным процессом максимального значения t_m, а также время регулирования t_p при этом остаются неизменными. Поэтому в качестве скачкообразного воздействия часто принимают единичную функцию Хевисайда .

Нам уже известно, что реакцию САР на единичное воздействие называют переходной функцией . Следовательно, оценку качества работы САР можно осуществлять по переходной функции.

Разделим задачу оценки качества работы САР на две подзадачи:

1. Оценка точности работы САР в установившихся режимах;

2. Анализ качества переходных процессов в САР.

Оценка точности работы сар в установившихся режимах

Коэффициенты ошибок

П ри рассмотрении вопросов точности будем считать, что на систему с единичной отрицательной обратной связью действует управляющее воздействие, которое изменяется достаточно плавно при больших временах наблюдения (рис.8.1), т.е. так, что существенное значение имеют только первые l производных от –

, , …, ,

а остальные, высшие производные могут быть приняты равными нулю.

Наиболее полной характеристикой качества системы в установившемся режиме является установившаяся ошибка. Найдем ПФ САР по ошибке:

.

Разложим в ряд Маклорена, сходящийся при малых s (т.е. при больших временах t):

, (1)

где коэффициенты ряда c₀, c₁, c₂, … определяются по уравнению [1]:

, (2)

где значению i=0 соответствует отсутствие дифференцирования.

Действительно, из (1) с помощью (2) можно получить:

;

;

…………………………………

Ограничиваясь в (1) первыми l+1 слагаемыми (т.е. пренебрегая производными порядка выше l-го), для изображения ошибки запишем выражение:

,

или, переходя к оригиналам:

. (3)

Коэффициенты c₀, c₁, …, c_l называются коэффициентами ошибок.

Коэффициенты ошибок определяют долевое участие в общей ошибке самого сигнала (c₀) и l его производных (c₁, c₂, …, c_l). Если входная и выходная величины одной размерности, то c₀ есть безразмерная величина, размерность c₁ – секунда (с), размерность c₂ – с² и т.д.

Первые три коэффициента ошибки, которыми часто и ограничиваются на практике, имеют специальные названия: c₀ – коэффициент позиционной ошибки; c₁ – коэффициент скоростной ошибки; c₂ – коэффициент ошибки по ускорению.

Примечание. Только что рассмотрен случай, когда на САР действует только управляющее воздействие , поэтому, строго говоря, выше речь шла о коэффициентах ошибки по управляющему воздействию. В случае действия на САР дополнительного возмущающего воздействия в силу линейности рассматриваемых САР

.

При учете второго слагаемого аналогичным образом могут быть введены коэффициенты ошибки по возмущающему воздействию.

Коэффициенты ошибок в статических и астатических САР

Рассмотрим статическую систему ( ). Как известно, при отработке постоянного управляющего воздействия (рис.8.2) в ней имеет место установившаяся ошибка

,

где – коэффициент усиления разомкнутой САР.

Производные первого и высших порядков сигнала равны нулю:

, , , …

При больших временах t (в т.ч. в установившемся режиме, т.е. при ) установившаяся ошибка, согласно (3), равна

.

Сравнивая последние два выражения для установившейся ошибки, получаем, что коэффициент ошибки

.

Астатические системы ( ), как было показано раньше, постоянный управляющий сигнал (рис.8.2) отрабатывают без ошибки в установившемся режиме:

.

Следовательно, для любой астатической системы коэффициент ошибки c₀ равен нулю:

. (4)

Рассмотрим астатическую систему 1-го порядка ( ). Подадим на ее вход линейно изменяющийся сигнал (рис.8.3). Производные: , .

Согласно (3) и с учетом свойства (4) астатических САР, установившаяся ошибка может быть записана в виде:

.

Вспоминая понятие добротности по скорости , определяем, что коэффициент ошибки c₁ в астатической системе 1-го порядка равен

,

где – коэффициент передачи разомкнутой САР.

Таким образом, в астатической системе 1-го порядка коэффициент ошибки c₁ по скорости изменения задающего воздействия есть величина, обратная добротности САР по скорости.

Астатические системы 2-го порядка ( ) линейно изменяющееся управляющее воздействие (рис.8.3) отрабатывают без установившейся ошибки, поэтому для них, кроме условия (4),

. (5)

Подадим на вход астатической системы 2-го порядка воздействие, изменяющееся в квадратичной зависимости от времени (с постоянным ускорением), (рис.8.4). Производные , , .

Поэтому установившаяся ошибка с учетом (3) – (5) равна

.

С другой стороны, вспоминая понятие добротности по ускорению , определяем, что коэффициент ошибки c₂ в астатической системе 2-го порядка равен

.

Таким образом, в астатической системе 2-го порядка коэффициент ошибки c₂ по ускорению изменения задающего воздействия есть величина, обратная половине добротности САР по ускорению.

Для астатических систем более высокого порядка ( ) рассуждения проводятся аналогично.

Определение некоторых коэффициентов ошибок

по ЛАЧХ разомкнутой САР

Точность работы САР в установившихся режимах связана с характером изменения ЛАЧХ разомкнутой системе в области низких частот (т.е. с ее наклоном в самой левой области частот). Суть определения коэффициентов ошибок по ЛАЧХ разомкнутой САР -го порядка состоит в определении частоты, при которой низкочастотный участок ЛАЧХ пересечет ось частот, равной

,

где – коэффициент ошибки при отработке управляющего воздействия, представляющего собой кривую -го порядка вида . При этом коэффициенты ошибок c₀, c₁, …, c_n–1 будут равны нулю.

На рис.8.5 изображены начальные (низкочастотные) участки ЛАЧХ статической и астатических (n=1, 2, 3) САР и указаны коэффициенты ошибок при отработке указанного воздействия.

При более сложных (полиномиальных) законах изменения управляющего воздействия следует пользоваться формулами (1) и (2) (что иногда очень затруднительно), либо воспользоваться следующим алгоритмом.

Определение коэффициентов ошибок

по передаточной функции САР по ошибке

Пусть имеется ПФ системы по ошибке:

Коэффициенты ошибок в общем виде можно определить, если числитель этой ПФ разделить на знаменатель (по правилу деления полиномов), а затем сравнить полученный результат с равенством (1).

Для удобства выполнения операции деления полиномов рекомендуется члены делимого и делителя располагать в порядке увеличения степени s:

Деление выполняют до тех пор, пока либо остаток не становится равным нулю, либо при достижении нужного количества слагаемых в частном, позволяющих определить необходимые коэффициенты ошибок. Для определения же коэффициентов ошибок полученный результат сравнивается с выражением (1).

Пример. Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

.

Определить коэффициенты ошибок.

Решение. Определяем ПФ замкнутой системы по ошибке:

.

Выполняем деление числителя на знаменатель:

Сравнивая результат деления с (1), определяем:

; ; .

Пусть задающее воздействие, действующее на систему, имеет вид:

.

Тогда установившаяся ошибка по (3) равна

.