13485

Оценка качества управления САР

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа №8. Тема: Оценка качества управления САР Дисциплина: ОПД.Ф.15. Теория автоматического управления 1. Цель работы Исследовать влияние структуры и параметров системы на качество переходных процессов и статическую ошибку. Определить показатели к...

Русский

2013-05-11

288.5 KB

72 чел.

Лабораторная работа №8.

Тема: «Оценка качества управления САР»

Дисциплина: ОПД.Ф.15. «Теория автоматического управления»

1. Цель работы

Исследовать влияние структуры и параметров системы на качество переходных процессов и статическую ошибку. Определить показатели качества представленной в работе САР.

2.Основные теоретические сведения

Качество управления АСУ – совокупность свойств АСУ, характеризующих точность поддержания управляемой величины на заданном уровне в установившихся и переходных режимах.

Назначение АСУ заключается в поддержании равенства

       (1)

при любых изменениях задающего воздействия и возмущающего воздействий. То есть АСУ должна воспроизводить задающее воздействие  xз(t)  и подавлять (компенсировать) действие возмущающих воздействий. Однако из-за инерционности объекта управления и регулятора обе эти функции выполняются АСУ с погрешностью (ошибкой)

       (2)

которая и характеризует точность АСУ. Чем меньше мгновенные значения ошибки (t), тем выше точность АСУ, т. е. ее качество.

Для типовой одноконтурной АСУ, уравнение динамики сигнала ошибки имеет вид

       (3)

Подставляя значение управляемой величины X(p) из выражения, в уравнение (3), приводим последнее к виду

                   (4)

Из полученного выражения следует, что чем больше усилительные свойства регулятора WР(p), тем ошибка (p), а значит и (t) будет меньше и в статике и в динамике.

Так как определение (вычисление) мгновенных значений ошибки (t) при произвольном законе изменения внешних воздействий представляет собой сложную задачу, то точность АСУ (показатели качества управления) принято оценивать по ошибкам в статическом, установившемся  и динамическом переходном режимах работы АСУ.

Показатели качества управления АСУ в статическом режиме 

Статическая АСУ – система, объект управления и регулятор которой являются статическими элементами.

У таких элементов в статическом режиме (т. е. при p = 0)

                         (5)

где kо, kр – передаточные коэффициенты объекта управления и регулятора.

Учитывая значения передаточных функций из выражений (5) в уравнении (4), получаем в статическом режиме ошибку

                (6)

Анализ этого выражения позволяет сделать следующий вывод:

Точность АСУ в статическом режиме тем выше, чем больше передаточный коэффициент (k = kр kо) разомкнутой АСУ.

Точность статической системы принято оценивать коэффициентом статизма

                                               (7)

где

- установившееся отклонение управляемой величины x , вызванное изменением, например,  задающего воздействия xз, в разомкнутой системе (рис. 1,а);

 - установившееся отклонение управляемой величины x , вызванное изменением задающего воздействия xз, в замкнутой системе (рис. 1,б).

             Рис.1. Схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) АСУ

Из алгоритмических схем (1,а и 1,б) следует, что

,                                    (8)

                              (9)

Подставляя значения отклонений параметров из выражений (8 и 9) в выражение (7), получаем коэффициент статизма

                              (10)

Точность системы – удовлетворительная, если коэффициент статизма системы      s = 0,1…0,01. Следовательно передаточный коэффициент разомкнутой системы k должен быть 10…100.

Показатели качества управления АСУ в переходном режиме

Точность АСУ в переходном режиме оценивают при помощи прямых и косвенных показателей качества.

Прямые показатели качества определяют по графику переходного процесса, возникающего в системе при ступенчатом внешнем воздействии.

Косвенные показатели качества определяют по распределению корней характеристического уравнения или по частотным характеристикам системы.

В настоящее время разработаны и получили широкое распространение мощные средства компьютерного моделирования АСУ, позволяющие точно и быстро вычислять переходный процесс, т. е. оценивать точность системы через прямые показатели качества.  Поэтому  на этих показателях качества и сосредоточим свое внимание.

Рис.2.  Переходные процессы в статической и астатической АСУ при ступенчатом (а) и линейном (б) изменении задающего воздействия.

Различают колебательный (1), апериодический (2) и монотонный (3) типовые переходные процессы (рис. 3).

Рис. 3. Типовые переходные процессы в статических и астатических системах, а – по заданию;   б – по возмущению

Познакомимся с показателями качества переходного процесса, вызванного ступенчатым изменением задающего воздействия  xз(t)  (рис. 4).

 Динамическое отклонение (динамическая ошибка)X1 - величина, равная отношению первого максимального отклонения xм управляемой величины x(t)  от ее установившегося значения  x()  к этому установившемуся значению:

              (11)                                                                           (6.11)

Качество управления считается удовлетворительным, если перерегулирование не превышает 30…40%.

Перерегулирование (колебательность) - величина, равная отношению второго (отрицательного) максимального отклонения А2 к первому максимальному отклонению А1:

                        (12)                                                                     (13)

Степень затухания

                                     (13)

Интенсивность затухания колебаний в системе считается удовлетворительной, если                = 0,75…0,95.

Длительность переходного процесса (время регулирования) tп – интервал времени от момента приложения ступенчатого воздействия до момента, после которого отклонения управляемой величины x(t) от ее нового установившегося значения x() становятся меньше некоторого заданного числа п, т. е. до момента, после которого выполняется условие          x(t) - x()      п.

В промышленной автоматике величину п обычно принимают равной 5% от установившегося значения x()  п = 0,05 x() .

Колебательность N – число переходов управляемой величины x(t) через ее установившееся значение x() за время переходного процесса tп.

Рис. 4. Прямые показатели качества процесса управления (регулирования) по каналу задания

Для переходных процессов, вызванных возмущающим воздействием xв(t) на выходе объекта управления (см. рис.5) вводятся следующие показатели качества.

Динамический коэффициент регулирования RД – величина, равная отношению первого максимального отклонения  к отклонению управляемой величины  объекта управления, вызванному тем же возмущением,

                             (14)                                                                                          (14)

где kо – передаточный коэффициент объекта управления.

Коэффициент RД показывает, насколько эффективно компенсирующее действие регулятора на объект управления (регулирования).

Рис. 5. Прямые показатели качества процесса управления (регулирования) по каналу возмущения

Интегральные показатели качества управления АСУ

Каждый из рассмотренных выше прямых показателей качества характеризует лишь одно какое-либо свойство АСУ, лишь один признак переходного процесса. Причем, все показатели связаны с настроечными параметрами регулятора сложными зависимостями, имеющими, как правило, противоречивый характер: изменение параметра приводит к улучшению одних показателей качества и ухудшению других. Это обстоятельство существенно затрудняет выбор параметров регулятора. Поэтому в инженерной практике широко используются интегральные показатели (оценки) качества.

Интегральная оценка качества – определенный интеграл по времени (в пределах от 0 до ) от некоторой функции управляемой величины x(t), а чаще сигнала ошибки (t):

                       (15)

Подынтегральная функция f0 выбирается таким образом, чтобы интеграл (15) лучше характеризовал качество системы и проще выражался через коэффициенты передаточной функции замкнутой системы. Чтобы интеграл был сходящимся, в функцию f0  вводят не абсолютные значения x(t) или (t), а их отклонения от конечных, установившихся значений.

Простейшей интегральной оценкой является линейная интегральная оценка

                (16)

которая равна площади, заключенной между прямой x() и кривой переходного процесса x(t) (рис. 6, а). Интегральная оценка  (6.15) учитывает как величину динамических отклонений, так и длительность их существования. Поэтому чем меньше оценка, тем лучше качество процесса управления.

Недостатком линейной интегральной оценки QЛ является то, что ее можно применять лишь для заведомо не колебательных, апериодических переходных процессов. Интеграл (6,б), вычисленный для знакопеременной кривой 1, (рис. 6, б) будет существенно меньше интеграла, вычисленного для апериодической кривой 2 (хотя качество переходного процесса 2 явно лучше).

Рис. 6. Интегральные оценки качества

В связи с этим для колебательных переходных процессов применяют такие интегральные оценки, знакопеременность подынтегральной функции которых тем или иным способом устранена. Такой оценкой является, например,  модульная интегральная оценка

.              (17)

Исторически сложилось так, что часто используется интегральный квадратичный показатель:   .     (18)

Все рассмотренные интегральные показатели используют не только для оценки качества, но и для определения оптимальных значений настроечных параметров АСУ. Оптимальными считают такие значения, которые соответствуют минимуму интегрального показателя QМ.

3. Порядок выполнения работы

  1.  Подготовить схему системы автоматического регулирования (нагревательной печи, в звене чистого запаздывания установить τ=40сек.)температуры при помощи ПИ-регулятора:

Рис. 7. Структурная схема САР нагревательной печи

2. Запустите модель, задать и изменить время процесса, можно следующим образом: Simulation->Simulation parameters->на вкладке Solver start time и stop time.

3. Запустите Scope 1, убедитесь, что характер переходного процесса удовлетворяет графику, приведённому выше.

4. Запустите Scope2, проанализируйте интегральные характеристики САР.

5. Определите показатели качества САР:

а)Статическую ошибку

В промышленной автоматике величину п обычно принимают равной 5% от установившегося значения x()  п = 0,05 x() .

б)Динамическое отклонение (динамическую ошибку)

в) Перерегулирование

г) Динамический коэффициент регулирования:

д) Степень затухания:                                                                                                                   

Интенсивность затухания колебаний в системе считается удовлетворительной, если                = 0,75…0,95.

 

е) Длительность переходного процесса (время регулирования) tп.

ж) Колебательность N

з) Интегральную оценку качества:                                                       

и) Линейную интегральную оценку:         

    к) Модульная интегральная оценка

                                                                                                     

л) Интегральный квадратичный показатель:   .

     

6. Попробуйте поменять параметры объекта регулирования, например,. Коэффициент 2.8 замените на 3, посмотрите, что при этом изменится. Можно изменить время запаздывания.  

Сделайте вывод.

Изменяя параметры, определяйте показатели качества САР и занесите данные в таблицу:

К

Т

τ

δ

RД

N

tп

2,8

200

40

 

 

3

220

60

 

 

Предоставить к защите работу в электронном варианте, выполненную в среде Mathlab и отчёт, оформленный в текстовом редакторе Word (согласно инструкциям ЛР №1).

4.  Контрольные вопросы:

1) Как влияет наличие интегратора в системе на статическую ошибку?

2) Какое ещё звено можно ввести в регулятор? Как называется тип  регулятора который будет синтезирован при этом?

3) Почему данное звено не используется в данной системе?

4)Как влияет изменение коэффициента усиления разомкнутой системы на статическую ошибку  и качество переходного процесса?

5) Какая система называется астатической?

6) Каким образом можно изменить качество регулирования нагревательной печи, если в процессе нагрева свойства объекта регулирования изменяются?

5. Литература

       1.  Сенигов П.Н. Теория автоматического управления: Конспект лекций. – Челябинск: ЮУрГУ, 2001 - 93с.

_________________________________________________________________________

PAGE  1


EMBED Visio.Drawing.5  

EMBED Visio.Drawing.5  

EMBED Visio.Drawing.5  

EMBED Visio.Drawing.5  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15180. Жүсіпбек Аймауытов - әдебиет сыншысы 71.5 KB
  Рақымжан Тұрысбек Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің профессоры филология ғылымдарының докторы Ж.АЙМАУЫТҰЛЫ ӘДЕБИЕТ СЫНШЫСЫ Ұлттық сөз өнеріне оның өрісті өркендеуіне өлшеусіз үлес қосқан Жүсіпбек Аймауытұлы әдеби мұра мен оны зерт...
15181. Жүсіпбек Аймауытов 107 KB
  ЖҮСІПБЕК АЙМАУЫТОВ 18891931 Аймауытов Жүсіпбек 1889 1931 қазақтың көрнекті жазушысы қазақ әдебиетін қалыптастырушылардың бірі.Туып өскен жері Павлодар облысының Баянауыл ауданына қарасты бұрынғы Қызыл ту қазіргі Жүсіпбек Аймауытов ауылы.Әкесі Аймауыт кед
15182. Жұбан Молдағалиев 64 KB
  Бір естелік 86ның ызғарлы желтоқсанындағы дүрбелең халық көкейінде әлі жаңғырып тұр. Уақыт алға жылжыған сайын кезінде айтылуға тыйым салынған шындықтар тамтұмдап болса да оқиғаны көзбен көргендердің аузымен айтыла бастады. Жастардың зиялы қауымға деген сенімсізд
15183. Зейнолла Шыраев 74 KB
  ЖЫР ОТЫМЕН БІРГЕ ЖАНЫП ӨМІРДЕН ӨТКЕН АҚЫН Г.Е.Махамбетжанова Н.Т.Қожанова Қызылорда облысы Қазалы қаласындағы Ғ.Мұратбаев атындағы № 17 орта мектебі Cыр өңірі қашаннан хас таланттардың отаны болып табылады. Бұл өңірден түлеп ұшқан жырау жыршы шайырлардың ақынд...
15184. Иса Байзақов 47 KB
  ИСАНЫ ТАНИ АЛДЫҚ ПА Біз әдетте талантты адамды көрсек сегіз қырлы бір сырлы деп жатамыз. Оның өнерінің қандай қасиеттері барына назар аудармай әйтеуір мадақ жөні осы екен деп жаттанды сөздерді оңдысолды қолдана береміз. Сөздің сауабы мен обалы бар екенін
15185. Ілияс Жансүгіров 85 KB
  ІЛИЯС ЖАНСҮГІРОВ 1894-1938 Ілияс Жансүгіров ақын драмашы прозашы оның поэзиясы ұлттық әдебиеттің классикалық байлығының қатарына жатады. Ақынның терең идеялы көркем мүсінді эпикалық кең тынысты шығармаларының танымдық тәрбиелік мәні зор.Олар қалың оқырманның о
15186. Кенен Әзірбаевтың әдеби шығармашылығы 193.5 KB
  Адамзат тарихындағы үшінші мыңжылдықтың басталуы жаңа қоғамдық құндылықтардың қалыптасу жолында өткен дәуірлердегі мәдени, тарихи процестерге жаңаша көзқараспен қарауға зор мүмкіншілік тудырды. Соның ішінде, қазақ әдебиеті тарихының ХІХ ғасырдағы әдебиет пен өнер саласындағы тарлан тұлғаларының шығармашылық мұраларын қайтадан қарап, жарияланбаған еңбектерін халыққа насихаттауға еркін қол жетті.
15187. Көкбай Жанатайұлы 78 KB
  КӨКБАЙ ЖАНАТАЙҰЛЫ 1861-1925 Ұлттық мәдениетіміз бен әдебиетімізді рухани өмірімізді тас қамауда шынжыр қоршауда қадағалап ұстап келген коммунистік саясаттың қанды торының үзілуі елімізге тың серпіліс әкелді. Өткен тарихымызға әдебиетіміз бен мәдениетіміздің ойы ме...
15188. Қажығұмар Шабданұлы 34 KB
  PAGE 2 ШАБДАНҰЛЫ ҚАЖЫҒҰМАР Жазушы ақын драматург. Қытай қазақтары жазба әдебиетінің негізін қалаған тұлғалардың бірі болып саналады. Жазушылық таланты адами адалдығы және өз көзқарастарына қатаң беріктігі үшін әсіресе Қытай қазақтары арасында зор б...