Синтез САУ

До сих пор мы в основном изучали задачу анализа САУ, когда математическая модель замкнутой САУ считалась заданной, и требовалось определить качество её работы: устойчивость, точность воспроизведения входного сигнала и т.п.

Важной, и более сложной, является задача синтеза, когда заданными считаются математическая модель управляемого объекта ( и может быть измерительного и исполнительного устройств). Требуется выбрать структуру САУ, закон управления и числовые значения параметров регулятора, определяющие желаемое качество САУ.

С задачами синтеза мы уже встречались. Синтез САУ можно проводить, используя критерии устойчивости, Д-разбиение, методы корневых годографов.

Синтез одномерных одноконтурных САУ с единичной ООС с помощью ЛАФЧХ разомкнутой системы

Этот метод использует тесную связь между переходной функцией замкнутой САУ при ступенчатом воздействии и вещественной частью частотной характеристики замкнутой САУ.

, здесь . (1)

.

Т.о. по частотным характеристикам разомкнутой системы можно определить частотные характеристики замкнутой системы и наоборот. Имеются номограммы, связывающие эти частотные характеристики.

По мы можем оценить переходный процесс (см. (1)).Таким образом, зная , мы можем оценить переходный процесс в системе.

Решать задачу синтеза САУ по частотным характеристикам удобнее, когда частотные характеристики построены в логарифмическом масштабе.

В логарифмическом масштабе по оси ординат у откладывается в дб.

увеличение этого соотношения в 10 раз соответствует увеличению

По оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе.

Декада – изменение частоты в 10 раз.

Главное преимущество построения частотных характеристик в логарифмическом масштабе состоит в том, что их можно строить приближенно, практически без вычислений.

Возьмем инерционное звено . Его передаточная функция ,

-АЧХ. Частота, где , т.е. - частота сопряжения.

При приближенном построении ЛАЧХ:

1) в пренебрегаем и , а дБ

2) в пренебрегаем 1 и и в логарифмическом масштабе

Определим наклон при :

.

Наклон= = - 20дб/дек.

Следовательно, строя АЧХ в логарифмическом масштабе, можно убывающую часть характеристики заменить прямой с наклоном - 20дб/дек. Наибольшая погрешность будет в точке изгиба ( ).

Интегрирующее звено.

, , , при .

Наклон:

Наклон= - 20 дб/дек

Аналогично можно показать, что у дифференцирующего звена наклон будет + 20 дб/дек.

Рассмотрим сначала на примере принцип построения приближенной ЛАЧХ (ФЧХ рассчитываются точно по формулам).

Приближенность построения ЛАЧХ заключается в том, что в частотной характеристике в членах :

1) при пренебрегают членом и звено рассматривают как усилительное ;

2) при пренебрегают 1 и рассматривают их как интегрирующее звено с частотной характеристикой , наклон характеристики которого – 20 дб/дек и при величина амплитуды равна 20lgK.

Частота , где - называется частотой сопряжения.

Определим частоты сопряжения, где ( )

Во что превратится с учетом сделанных предположений:

.

.

Откладываем на оси частот частоты сопряжения.

Построение начинаем с интегрирующего звена: на частоте откладываем 20lgK=20lg100=40дб и проводим линию с наклоном -20дб/дек. На частоте «подсоединяем» еще одно интегрирующее звено – наклон стал -40дб/дек.

На частоте «подсоединяются» два дифференцирующих звена. У одного дифференцирующего звена наклон +20дб/дек, у двух интегрирующих звеньев наклон будет +40дб/дек, следовательно, результирующий наклон при будет -40дб/дек+40дб/дек=0 дб/дек.

На частоте «подсоединится еще одно интегрирующее звено и наклон станет - 20 дб/дек.

Фазо-частотная характеристика рассчитывается.

			1зв 2зв
0,2
0,8
∞

С помощью ЛАЧХ и ФЧХ нетрудно установить устойчивость замкнутой системы.

Согласно критерию устойчивости Найквиста, замкнутая САУ устойчива, если АФЧХ разомкнутой системы имеет вид (астатическая система):

- запас устойчивости по фазе. Амплитуда равна 1, а до не хватает .

- запас устойчивости по амплитуде. , а до равенства амплитуды 1 не хватает .

Теперь перенесем всё это на ЛАФЧХ.

На частоте амплитуда равна 1 и поэтому - запас устойчивости по фазе.

Когда фаза равна , то - запас устойчивости по амплитуде.

Для устойчивости САУ необходимо, чтобы на

Синтез САУ с помощью ЛАЧХ

проводится следующим образом:

САУ представляют

В входят объект и известные элементы регулятора, например, измерительные, исполнительные устройства.

- корректирующее устройство, которое надо определить в процессе синтеза.

Тогда передаточная функция разомкнутой системы

Здесь - передаточная функция САУ, динамика которой удовлетворяет требованиям, предъявляемым к проектируемой системе.

Тогда в логарифмическом масштабе

.

Для минимально-фазовых САУ вид ЛАЧХ полностью определяет переходный процесс и не надо рассматривать фазо-частотную характеристику.

Минимально-фазовые звенья (системы) – такие, у которых корни числителя и знаменателя расположены в левой полуплоскости. Таким образом, передаточная функция минимально-фазовой системы не должна иметь нулей и полюсов в левой полуплоскости.

По виду можно записать передаточную функцию корректирующего звена. В данном случае она будет иметь вид:

.

В литературе приводятся таблицы, связывающие вид с

и с соответствующими схемами корректирующих устройств, реализующих эти . Приведенная выше может быть реализована в виде следующей корректирующей цепочки:

Здесь и мы знаем.

По графику определяем и , .

- отсюда находим .

По графику определяем .

= - отсюда определяем .

= - отсюда определяем .

- отсюда определяем .

отсюда определяем .

- отсюда определяем .

Определив параметры корректирующего звена, вводим его в систему и моделируем САУ, получаем переходный процесс. Если он не устраивает – меняем параметры звена.

Требования к .

Желаемая ЛАЧХ разомкнутой системы строится из общих требований к системе:

1. точность ( определяет коэффициент усиления),

2. порядок астатизма,

3. время переходного процесса,

4. перерегулирование.

1. должно пересекать ось частот в точке , обеспечивающей заданное время переходного процесса

.

А можно по другому:

, - находится из номограмм, определяющих зависимость , здесь - перерегулирование.

Например,

2. Для того, чтобы САУ была устойчивой, должна пересекать ось частот с наклоном - 20 дб/дек.

3.Для обеспечения заданного

4.Среднечастотную часть характеристики надо делать как можно шире. Чем больше диапазон , тем ближе процесс к экспоненциальному.

Среднечастотная часть в основном и определяет качество переходного процесса.

Низкочастотная часть определяет точность процесса управления.

Существует и другой способ определения конечных точек центрального отрезка:

Запас устойчивости по фазе в точке при , определяемый по ЛФЧХ, должен быть не меньше

Запас устойчивости по модулю (по амплитуде) в точке L₂ выбирается в зависимости от перерегулирования :

Сопряжение центрального отрезка ЛАЧХ с низкочастотной частью производится прямой с наклоном - 40 дб/дек или – 60 дб/дек.

Высокочастотная часть, чтобы не усложнять корректирующее устройство, выбирают аналогичной исходной ЛАЧХ.

После построения надо проверить запас устойчивости по фазе. (на )

К сожалению, этот метод синтеза не гарантирует требуемого качества переходного процесса.

Порядок расчетов при синтезе САУ с последовательным

корректирующим устройством

1. Строится ЛАЧХ неизменной части САУ (без корректирующего уст-

ройства) .

2.По заданным требованиям к качеству строится желаемая ЛАЧХ .

3. По строится соответствующая ЛФЧХ.

4. Определяются запасы устойчивости по амплитуде и фазе.

5. Путем вычитания из находят ЛАЧХ корректирующего устройства .

6.По выбирают его технический аналог.

7. Если технический аналог отличается, надо скорректировать с учетом технического аналога.

Если получен хороший результат, то решение задачи синтеза заканчивается. Если результат не удовлетворяет выбирается другой аналог.

Синтез САУ методом корневых годографов

Качество проектируемой САУ с точки зрения быстродействия и запаса устойчивости может характеризоваться расположением корней числителя и знаменателя передаточной функции замкнутой системы.

Зная корни, можно изобразить их расположение на комплексной плоскости. Корни могут быть определены расчетами с использованием стандартных программ.

Чем больше - степень устойчивости, и чем меньше - степень колебательности, тем лучше качество САУ.

При плавном изменении значения какого-либо параметра корни будут перемещаться на плоскости корней, прочерчивая некоторую кривую, которая называется траекторией корней или корневым годографом. Построив траектории всех корней , можно выбрать такое значение варьируемых параметров, которые соответствуют наилучшему расположению корней.

Пусть имеется передаточная функция замкнутой системы

.

Коэффициенты числителя и знаменателя определенным образом выражены через параметры объекта, регулятора, корректирующих устройств. Если нужно выбрать величину какого-либо параметра, то необходимо принять некоторые постоянные значения для всех остальных параметров, а для искомого параметра задавать различные числовые значения. Для каждого задаваемого значения варьируемого параметра необходимо вычислять значения корней числителя и знаменателя и строить траектории корней, по которым выбирают то значение параметра, которое обеспечивает наилучшее расположение корней.

Синтез с использованием стандартных переходных процессов

(метод стандартных коэффициентов)

Частный способ использования этого метода – диаграмма Вышнеградского для систем третьего порядка.

Стандартные переходные процессы строятся в нормированном виде при единичном входном воздействии по безразмерному времени , где - среднегеометрический корень характеристического уравнения, определяющего быстродействие системы ( не степень устойчивости).

.

Пусть все корни вещественные и равные.

Тогда характеристическое уравнение

(1)

Здесь - коэффициенты бинома Ньютона или биноминальные коэффициенты, которые определяются из треугольника Паскаля.

Коэффициенты имеют вид:

Например. n=5, заданное t_пп=3.По графику (ниже) находим, что .

Тогда

Тогда передаточная функция, обеспечивающая t_пп=3 будет иметь вид:

Как проводится синтез с использованием этого метода:

1. Выбирается приемлемый вид стандартного переходного процесса.

2. По нему определяется , из которого находится

3. По , n и коэффициентам бинома Ньютона ( из таблицы) находят коэффициенты передаточной функции.

4. Введением корректирующих устройств и выбором других параметров регулятора добиваются, чтобы коэффициенты передаточной функции системы равнялись коэффициентам

Синтез линейных САУ путем выделения границ устойчивости и границ заданной степени устойчивости

Выделив методом Д-разбиения область устойчивости, мы должны выбирать рабочую точку (определяемую параметрами системы) внутри этой области. Однако разным точкам будет соответствовать разное распределение корней характеристического уравнения, а следовательно, и разный характер переходного процесса. Хотелось бы иметь хороший переходный процесс.

Известно, что длительность переходного процесса определяется ближайшим к мнимой оси корнем.

. Если нам задано требуемое время переходного процесса , то мы можем определить . Если корни будут расположены левее , то длительность переходного процесса будет меньше заданного .

С помощью метода Д-разбиения можно отобразить на комплексную плоскость не только мнимую ось, но и границу заданной степени устойчивости

Выбирая рабочую точку внутри области , будем иметь длительность переходного процесса , меньше заданного .

Для построения границы заданной степени устойчивости в характеристическое уравнение

(1)

надо подставить

Тогда

(2)

Преобразуем (2):

(3)

В уравнении (3) коэффициенты являются функциями и .

Если в уравнении (3) параметры, в плоскости которых хотим построить границу заданной степени устойчивости, входят в характеристическое уравнение линейно независимо, то к уравнению (3) можно применить рассмотренный раньше метод Д- разбиения. Выделенная граница будет линией заданной степени устойчивости.