14518

Проектирование регулятора для линейной системы (краткие теоретические сведения)

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа № 2 Проектирование регулятора для линейной системы краткие теоретические сведения Модели соединений систем Для построения моделей соединений систем в Matlab используются знаки арифметических действий. Эти операции перегружены то есть переопр...

Русский

2013-06-06

228.5 KB

8 чел.

Лабораторная работа № 2

Проектирование регулятора для линейной системы

(краткие теоретические сведения)

Модели соединений систем

Для построения моделей соединений систем в Matlab используются знаки арифметических действий. Эти операции перегружены, то есть, переопределены специальным образом для объектов классов tf, ss и zpk. Введем исходные модели, с которыми будем выполнять все операции:

>> f = tf(1, [1 1]);

>> g = tf(1, [2 1]);

  •  параллельное соединение

 >> w = f + g

Transfer function:

   3 s + 2

---------------

2 s^2 + 3 s + 1

  •  последовательное соединение

 >> w = f * g

Transfer function:

      1

---------------

2 s^2 + 3 s + 1

  •  контур с отрицательной обратной связью

 >> w = feedback(f, g)

Transfer function:

   2 s + 1

---------------

2 s^2 + 3 s + 2

Можно вычислить эту передаточную функцию и так:

>> w = f / (1 + g*f)

Transfer function:

   2 s^2 + 3 s + 1

-----------------------

2 s^3 + 5 s^2 + 5 s + 2

Этот результат может показаться неожиданным. Дело в том, что обе передаточных функции имеют первый порядок, то есть, описываются дифференциальным уравнением (ДУ) первого порядка. Поэтому вся система должны описываться второго порядка, а мы получили третий. Чтобы разобраться в этом, преобразуем модель к форме «нули-полюса»:

>> w_zpk = zpk( w )

Zero/pole/gain:

    (s+1) (s+0.5)

-----------------------

(s+1) (s^2  + 1.5s + 1)

Видно, что числитель и знаменатель передаточной функции содержат общий множитель s+1, который можно сократить, и остается система второго порядка. Для этого надо построить минимальную реализацию, сократив общие множители:

>> w = minreal ( w )

Transfer function:

   s + 0.5

---------------

s^2 + 1.5 s + 1

Эта передаточная функция совпадает с той, что выдает функция feedback.

  •  контур с положительной обратной связью

>> w = feedback(f, -g)

или

 >> w = feedback(f, g, 1)

или

>> w = minreal ( f/(1 - g*f))

Transfer function:

 2 s + 1

-----------

2 s^2 + 3 s

Корневой годограф

Многие важные свойства системы (например, быстродействие, перерегулирование) определяются расположением корней характеристического уравнения на комплексной плоскости.

Простейший способ коррекции системы – применить П-регулятор (усилитель с коэффициентом ), который изменяет коэффициент усиления разомкнутой системы и расположение этих корней. При изменении  от 0 до  корни описывают кривые, которые называются корневым годографом1.

С помощью модуля SISOTool (сокращение SISO=Single Input Single Output обозначает систему с одним входом и одним выходом) можно выбирать нужное расположение корней (и соответствующий коэффициент усиления), «перетаскивая» их мышкой. Заметим, что при перемещении одного корня смещаются и все остальные, поскольку система имеет одну степень свободы – изменяющийся коэффициент усиления контура.

Корни при выбранном коэффициенте усиления  изображаются фиолетовыми квадратиками. Концы годографа для каждого корня помещены крестиком () и кружком (). Сетка (для ее вывода надо нажать ПКМ на графике и выбрать пункт Grid) показывает линии равных показателей колебательности (коэффициента демпфирования, damping factor) – прямые, выходящие из начала координат, и линии равных собственных частот (natural frequency) – окружности с центром в начале координат.

В контекстном меню (ПКМ) можно установить ограничения на расположение полюсов так, чтобы перерегулирование и время переходного процесса не превышали заданных. Для этого надо выбрать пункт Design ConstraintsNew и выбрать в выпадающем списке Percent Overshoot (перерегулирование в процентах) или Settling Time (время переходного процесса с 2%-ной точностью). Ограничения показываются в виде границ запрещенных зон.

Время переходного процесса оценивается по степени устойчивости  замкнутой системы. Так называется расстояние от самого правого корня характеристического уравнения до мнимой оси. Обычно принимается (как для апериодического звена)

,

где  – величина допустимой ошибки (в Matlab она принимается равной 2% или 0,02). Таким образом, при ограничении только на  область допустимого расположения корней  есть полуплоскость .

Требования к коэффициенту демпфирования добавляют  ограничение в виде сектора

.

Число  называют колебательностью или степенью колебательности замкнутой системы. Каждому заданному  соответствует некоторое  значение.

Перерегулирование (в процентах) оценивается по формуле

.

Каждому перерегулированию соответствует свое значение  и свой сектор, ограничивающий расположение корней.

Таким образом, при использовании двух ограничений (первое – на , второе – на  или ) область допустимого расположения корней представляет собой усеченный сектор в левой части рисунка. Если перетаскиванием корней (то есть, изменением усиления контура) не удается расположить полюса в этой области, надо усложнять регулятор, добавляя его нули и полюса (ПКМ – Add Pole/Zero или ПКМ – Edit Compensator).

Синтез с помощью ЛАФЧХ

В отечественной литературе классическим стал метод синтеза корректирующих устройств с помощью логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик (ЛАФЧХ) разомкнутой системы (диаграмм Боде по зарубежной терминологии).

Пусть разомкнутая система имеет передаточную функцию . ЛАФЧХ включает в себя две кривые – амплитудную частотную характеристику (ЛАЧХ)

и фазовую (ЛФЧХ)

.

Угловая частота (в рад/сек) на оси ординат откладывается в логарифмическом масштабе. При этом так называемые асимптотические ЛАЧХ  представляют собой отрезки прямых, это значительно облегчает ручное построение.

Разложив числитель и знаменатель передаточной функции  на сомножители первого и второго порядков, можно представить ЛАЧХ системы как сумму ЛАЧХ элементарных звеньев (апериодических, колебательных, интегрирующих, дифференцирующих и т.д.) Для

получаем, используя свойства логарифма,

.

Раньше вручную строили асимптотические ЛАЧХ, суммируя ЛАЧХ отдельных звеньев. В среде Matlab существуют средства, позволяющие автоматизировать построение точных (не асимптотических) ЛАФЧХ. При этом можно использовать накопленный за многие годы классический опыт проектирования.

Низкочастотная часть ЛАЧХ определяет точность системы, среднечастотная (вблизи частоты среза ) – устойчивость и качество переходного процесса, высокочастотная – чувствительность к помехам. Если система содержит интегратор, низкочастотная часть имеет ненулевой наклон (20 дБ на декаду для одного интегратора), постоянный сигнал отслеживается без установившейся ошибки. Для системы с двумя интеграторами ЛАФЧХ имеет в области низких частот наклон 40 дБ на декаду, без установившейся ошибки отслеживается не только постоянный, но и линейно возрастающий сигнал. Более сложные требования к точности приводят к тому, что ЛАЧХ не должна заходить в некоторые запретные области.

Запас устойчивости по амплитуде  (в дБ) – это расстояние от ЛАЧХ до горизонтальной прямой дБ на частоте, на которой фазовая характеристика пересекает прямую . На этой частоте система должна иметь коэффициент усиления меньше 1 (или).

Запас устойчивости по фазе  (в градусах) – это расстояние от частотной характеристики до горизонтальной прямой  на частоте среза . На этой частоте фазовая характеристика должна иметь значение больше .

Допустимым считается запас по амплитуде не менее 6 дБ и запас по фазе не менее 30 градусов.

«Подъем» ЛАЧХ означает увеличение коэффициента усиления контура, фазовая характеристика не изменяется. Точность системы (при отработке низкочастотных сигналов) повышается, однако увеличивается и влияние высокочастотных помех. Поскольку частота среза увеличивается, повышается быстродействие системы. При этом переходные процессы приобретают выраженный колебательный характер, запасы устойчивости уменьшаются, при дальнейшем увеличении коэффициента усиления теряется устойчивость.

Обычно требуется, чтобы система имела высокую точность (большой коэффициент усиления по контуру) для низких частот и подавляла высокочастотные помехи (имела низкое усиление в области высоких частот). Частота среза выбирается исходя  из требований к быстродействию. Таким образом, типичная ЛАЧХ имеет вид, показанный на рисунке. Серым цветом показаны запретные области, которые определяются требованиями к точности и подавлению помех.

Для обеспечения хорошего качества переходных процессов рекомендуется, чтобы ЛАЧХ пересекала ось  с наклоном 20 дБ/дек. Это объясняется тем, что наклон 20 дБ/дек, соответствующий апериодическому звену, приводит к наименьшей колебательности переходного процесса. Точки перехода (излома асимптотической ЛАЧХ) от низкочастотной части к среднечастотной и далее к высокочастотной  должны отстоять от оси  на 12-16 дБ.

В общем случае строится желаемая ЛАЧХ , удовлетворяющая требованиям к системе, затем ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства определяется как разность между и  и ЛАЧХ существующей разомкнутой системы.

Точность в установившемся режиме

Пусть передаточную функцию разомкнутой системы можно представить в виде

,

где передаточная функция  обладает свойством  . Тогда передаточная функция замкнутой системы по ошибке равна

.

Установившееся значение ошибки при постоянном входном сигнале , имеющем изображение по Лапласу , может быть вычислено по теореме о конечном значении:

.

Таким образом, при увеличении коэффициента усиления ошибка уменьшается (однако запас устойчивости также уменьшается и система может стать неустойчивой). Величина  называется добротностью системы. При любом конечном  в такой системе ошибка будет конечной. Для линейно возрастающего сигнала ошибка будет линейно возрастать.

Теперь пусть

,

где  – целое число и .. Тогда для всех входных сигналов вида

система будет обеспечивать нулевую установившуюся ошибку при любых значениях коэффициентов . Таким образом, при  система отслеживает постоянный сигнал без установившейся ошибки. Такие системы называют астатическими.

Число  называется порядком астатизма. Для сигнала

установившаяся ошибка равна

Выше рассмотрен случай астатизма по отношению к задающему воздействию. Аналогично может идти речь об астатизме по отношении к возмущающему воздействию.

Простейшие типы регуляторов

П-регулятор. Простейшие пропорциональный регулятор (П-регулятор) представляет собой обычный усилитель с передаточной функцией

.

ПД-регулятор. Для улучшения качества регулирования и повышение быстродействия в закон управления вводят производную от сигнала ошибки, так что передаточная функция получающегося пропорционально-дифференциального регулятора (ПД-регулятора) может быть представлена в виде

,

где  – постоянная времени дифференцирующего звена. На практике реализовать идеальное дифференцирование невозможно, так как частотная характеристика звена бесконечно увеличивается на высоких частотах. Поэтому используют дифференцирующее звено с дополнительным фильтром

.

Здесь постоянная времени фильтра  обычно в 3-10 раз меньше, чем . Чрезмерное увеличение  может привести к неустойчивости системы, уменьшение этой величины затягивает переходный процесс.

ПИД-регулятор. В отличие от ПД-регулятора, он содержит интегратор и система становится астатической как по задающему воздействию, так и по возмущению (то есть, постоянное возмущение полностью компенсируется). Его передаточная функция имеет вид

.

где  – постоянная времени интегрирующего звена. При увеличении  переходный процесс затягивается, при уменьшении – уменьшается запас устойчивости, переходный процесс приобретает выраженный колебательный характер, при дальнейшем уменьшении  теряется устойчивость.

С помощью правильно настроенного ПИД-регулятора в большинстве случаев удается обеспечить выполнение всех требований к системе. В силу своей простоты, они получили самое широкое распространение. По статистике более 90% всех промышленных регуляторов представляют собой именно ПИД-регуляторы.

Запас устойчивости по амплитуде, Gain Margin (G.M.)

Запас устойчивости по фазе, Phase Margin (P.M.)

2-16 дБ

12-16 дБ

1 Этим термином также называется совокупность траекторий, которые описывают корни характеристического уравнения при изменении любого числового коэффициента в системе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76762. Внутреннее основание черепа 184.16 KB
  Внутренняя граница между сводом и основанием выделяется не во всех учебниках: слепое отверстие лобной кости и основание ее глазничных отростков; соединение малых и больших крыльев клиновидной кости латеральная оконечность верхней глазничной щели стык теменноклиновидного и лобнотеменного швов; основание пирамиды височной кости и сосцевиднотеменной шов; борозда поперечного синуса крестообразное возвышение и внутренний выступ затылочной кости. Передняя черепная яма образована: по бокам глазничными частями лобной кости; в центре ...
76763. Наружное основание черепа 183.43 KB
  Наружная граница между сводом и основанием проходит по носолобному шву надглазничным краям скуловым отросткам лобной кости подвисочному гребню клиновидной по основанию скуловых отростков височных костей над наружным слуховым отверстием по верхнему краю через основание сосцевидных отростков; заканчивается по верхней выйной линии и наружному затылочному выступу. В своде по наружной поверхности выделяют передний отдел лоб лобная область с рельефом: чешуя лобной кости на ней лобные бугры правый и левый; надбровные дуги у границы с...
76764. Классификация соединений костей 181.35 KB
  Среди соединений костей различают по анатомической классификации: непрерывные когда между концами костей имеется сплошная соединительная или хрящевая а в последующем и костная ткань; прерывные соединения или суставы главными признаками которых является наличие щели полости между суставными концами костей и синовиальной оболочки в капсуле; полупрерывные соединения или симфизы когда в прослойке между костями хряща или фиброзной ткани появляется щель. В основу биомеханической классификации положены оси проводимые через соединения костей...
76765. Строение и классификация суставов 184.21 KB
  Дополнительные вспомогательные структуры суставов включают: прослойки из хряща: диски мениски суставные губы; укрепляющие устройства из соединительной ткани: связки мембраны окружающие зоны мышечные сухожилия; скопления жировой клетчатки под синовиальной оболочкой; синовиальные складки сумки влагалища завороты синусы. Фиброзный наружный слой образуется из плотной волокнистой соединительной ткани с обилием продольных волокон; укрепляется связками: капсульными внутрикапсульными и внекапсульными. Синовиальный слой мембрана...
76766. Соединения костей черепа 186.79 KB
  В костном небе различают: срединный небный шов между небными и отростками правой и левой верхней челюсти и горизонтальными пластинками небных костей; поперечный небный шов перпендикулярный срединному шву и соединяющий верхние челюсти с небными костями. Межнижнечелюстной симфиз соединяет правую и левую половины тела нижней челюсти в области подбородка в плодном периоде и грудном возрасте. Основными частями височнонижнечелюстного сустава являются: правая и левая головки нижней челюсти; правая и левая нижнечелюстные ямки височной кости;...
76767. Развитие и строение скелета верхней конечности 185.58 KB
  Вначале кости обращены сгибательной поверхностью к туловищу потом поворачиваются на 90 градусов кнаружи. Все кости кроме ключицы развиваются как вторичные то есть проходят через перепончатую хрящевую и костную стадии. Лопатка плечевая кость кости предплечья трубчатые кости кисти развиваются эндо и перихондральным окостенением кости запястья энхондральным. Трубчатые кости растут в длину за счет метаэпифизарных хрящей: длинные верхнего и нижнего ростковая активность каждого зависит от возраста и меняется поочередно короткие ...
76768. Кости и соединения плечевого пояса 181.88 KB
  Строение лопатки плоской кости треугольной формы: реберная передняя поверхность с лопаточной ямой для одноименной мышцы; задняя дорсальная поверхность с лопаточной остью над и подостной ямами для одноименных мышц; три угла: латеральный угол с суставной впадиной над и подсуставным бугорками шейкой лопатки; верхний угол для прикрепления поднимателя лопатки нижний угол на уровне УIII го межреберного промежутка ориентир при определении границ легких; два крупных отростка: клювовидный акромиальный с суставной поверхностью для...
76769. Плечевой сустав 180 KB
  У основания клювовидного отростка располагается подсухожильная синовиальная сумка подлопаточной мышцы сообщающаяся с полостью сустава. Мышцы выполняющие движения в плечевом суставе Сгибание дельтовидная передние пучки большая грудная двуглавая клювоплечевая мышцы. Разгибание дельтовидная задние пучки длинная головка трехглавой широчайшая мышца спины большая круглая и подостная мышцы. Отведение до горизонтального уровня дельтовидная и надостная а выше отводят трапециевидная мышца ромбовидные подниматель лопатки приведение...
76770. Соединения костей предплечья и кисти 183.33 KB
  В своей верхней части под проксимальным лучелоктевым суставом она имеет косой пучок толстых фиброзных волокон именуемый косой хордой. Проксимальный лучелоктевой сустав образуется при сочленении суставной окружности на головке луча и лучевой вырезки на проксимальном эпифизе локтевой кости. Он входит в состав локтевого сустава.