- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
- •1.1. Основные понятия теории управления
- •1.2. Структура автоматической системы
- •1.3. Фундаментальные принципы управления
- •1.4. Классификация систем и их элементов
- •1.5. Примеры систем управления техническими объектами
- •Контрольные вопросы и задания
- •2. ЛИНЕЙНЫЕ МОДЕЛИ СИСТЕМ
- •2.1. Общие сведения о моделях
- •2.4. Преобразования Лапласа
- •2.5. Передаточная функция
- •2.6. Линейные непрерывные модели вход-состояние-выход
- •2.7. Режимы работы систем
- •2.8. Статические характеристики систем
- •2.9. Переходные характеристики систем
- •2.10. Частотные характеристики систем
- •2.11. Типовые динамические звенья
- •2.13. Структурные модели систем
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
- •3.1. Основные понятия устойчивости системы
- •3.2. Характеристическое уравнение системы
- •3.3. Корневой критерий устойчивости системы
- •3.4. Критерий Рауса
- •3.5. Критерий Гурвица
- •3.7. Частотный критерий устойчивости Найквиста
- •3.8. Логарифмический критерий устойчивости
- •3.9. Управляемость и наблюдаемость линейных систем
- •3.10. Структурная устойчивость линейных систем
- •Контрольные вопросы и задания
- •4.1. Основные понятия качества регулирования
- •4.3. Прямые показатели качества
- •4.4. Косвенные показатели качества
- •4.5. Связь между показателями качества регулирования
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. СИНТЕЗ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
- •5.1. Основные понятия синтеза линейных систем
- •5.2. Задачи синтеза линейных систем
- •5.3. Коррекция систем
- •5.5. Корректирующие звенья в обратной связи
- •5.6. Методы синтеза линейных систем
- •Контрольные вопросы и задания
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •ПРИЛОЖЕНИЯ
- •Практическая работа № 1
- •ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
- •Практическая работа № 2
- •Практическая работа № 3
- •Практическая работа № 4
- •СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ СИСТЕМ
- •Практическая работа № 5
- •ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ
- •Список рекомендуемой литературы
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
R1 R2 |
|
|
|
4T2T3 |
|
|
|||
T1,T4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
. (5.39) |
|||
2 |
|
R |
1 |
|
|
2 |
|
|||||
T2 |
T3 1 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
R1 R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
T2 |
R2 |
T3 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотренные корректирующие звенья имеют в числителе передаточной функции сумму пропорционального, дифференцирующего и интегрирующего слагаемых. Поэтому эти звенья можно представить в виде параллельного соединения звеньев соответствующего действия. Часто именно в виде совокупности таких простейших звеньев они и реализуются. Это иллюстрируется на рис. 5.13 на при-
мере идеального ПИД звена. |
|
|
|
И |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
X(p)/p |
|
|
|
|
|
WИ(p) |
|
||
|
|
|
Д |
|
||
X(p) |
|
|
|
+ Y(p) |
||
|
|
|
K∙X(p) |
± |
||
|
|
WП(p) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
± |
|
|
б |
p∙X(p) |
|
|||
|
|
|
WД(p) |
|
|
|
и |
|
|
|
|
||
Рис. 5.13. Структурная схема идеального |
||||||
пропорц онально- |
нтегро-дифференцирующего звена |
|||||
С |
|
|
|
|
|
|
В системах автомат ческого регулирования в зависимости от вида применяемой коррекции или закона регулирования регуляторы классифицируются на следующие типы:
1) П-регулятор;
2) ПД-регулятор;
3) ПИ-регулятор;
4) ПИД-регулятор.
5.5. Корректирующие звенья в обратной связи
Рассмотрим коррекцию динамических свойств АСР с помощью обратных связей вокруг отдельных частей системы (рис. 5.1, в).
При охвате звена с передаточной функцией WO(p) обратной связью через корректирующее звено с передаточной функцией WOC(p) получим, согласно (2.130), передаточную функцию
108
WЗАМ |
(p) |
|
WO |
(p) |
|
|
|
|
|
, |
(5.40) |
||
|
|
|
||||
|
1 |
WO (p)WOC (p) |
|
где «+» соответствует отрицательной, «–» – положительной ОС. Обратные связи помимо отрицательной и положительной делят-
ся на «жёсткие» обратные связи (ЖОС) и «гибкие» обратные связи
(ГОС).
Если измеренное значение регулируемой величины, приходящее к элементу сравнения, пропорционально выходной величине, то такая обратная связь называется «жёсткой», если же измеренное значение пропорционально скорости или ускорению выходной величины – «гибкой».
Поэтому корректирующее звено в «жёсткой» ОС является пропорциональным, а в «гибкой» ОС – дифференцирующим. В статическом установившемся режиме «жёсткая» ОС вносит коррекцию в систему, а «гибкая» ОС – нет, что видно из передаточных функций
|
|
|
|
|
|
WЖОС |
(0) KOC |
; |
И |
(5.41) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
WГОС (0) 0. |
|
|
(5.42) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Идеальной ЖОС (рис. 5.14, а) является связь с идеальным уси- |
|||||||||||||||||||||
лительным звеном (см. п. 2.11). |
|
|
Д |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Рассмотрим влияние идеальной ЖОС на апериодическое звено с |
|||||||||||||||||||||
неварьируемой частью с стемыА, имеющей передаточную функцию |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
(5.20). Передаточная функц я звена, замкнутого такой ОС, WЗАМ(p) не |
|||||||||||||||||||||
изменяется и имеет в д |
KO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KO |
|
|
|
|
|
|
KЗАМ |
|
|
|||
W |
p |
|
TO p 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, (5.43) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ЗАМ |
|
1 |
KOKОС |
|
|
T p 1 K |
|
K |
|
T p 1 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
O |
|
ОС |
|
ЗАМ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
TO p 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где новые параметры передаточной функции KЗАМ и TЗАМ |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
KЗАМ |
|
|
KO |
|
|
; |
|
|
|
|
|
(5.44) |
|||
|
|
|
|
|
|
1 KOKОС |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
TЗАМ |
|
|
TO |
|
. |
|
|
|
|
|
(5.45) |
||||
|
|
|
|
|
|
1 KOKОС |
|
|
|
|
|
109
|
|
а |
|
|
|
б |
|||||
х |
|
|
|
у |
х |
|
|
|
|
|
у |
|
WO(p) |
|
|
|
WO(p) |
||||||
± |
y∙KOC |
|
|
|
± y KOC∙p |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
KOC |
|
|
|
|
KOC∙p |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.14. Структурные схемы звеньев, охваченных обратной связью: а – идеальной «жесткой»; б – идеальной «гибкой» первого порядка
Таким образом, в результате охвата апериодического звена ЖОС его постоянная времени и коэффициент передачи изменятся в (1 KOKОС ), т. е. уменьшаться в случае отрицательной обратной связи
и увеличатся при положительной обратной связи. Поэтому для кор- И
рекции систем применяется в основном отрицательная ОС для уменьшения инерционности.
При охвате идеальной ЖОС интегрирующего звена (2.76) оно становится позиционным апериодическим, что видно из следующей
передаточной функции: |
|
|
KO |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
KO |
|
|
|
KЗАМ |
|
|
|||||
|
б |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
WЗАМ p |
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
, |
(5.46) |
||||||
1 |
|
KOKОС |
|
|
p K |
|
|
K |
|
|
T p 1 |
|
|
|||||
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
O |
|
ОС |
ЗАМ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где новые параметры передаточной функции KЗАМ и TЗАМ |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
K |
|
|
|
1 |
; |
|
|
|
|
|
|
(5.47) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
и |
ЗАМ |
|
|
|
KОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
С TЗАМ |
|
1 |
|
|
. |
|
|
|
|
(5.48) |
||||||||
KOKОС |
|
|
|
|
Практический интерес при этом представляет только отрицательная обратная связь, т.к., согласно (5.40), при положительной обратной связи получается неустойчивое звено. Отрицательная обратная связь вокруг интегрирующего звена широко применяется для снижения порядка астатизма системы и соответственно улучшения ее устойчивости и качества переходных процессов в тех случаях, когда у системы оказывается излишний порядок астатизма. С этой целью, например, часто охватывают жесткой обратной связью электрические и гидравлические двигатели, используемые в качестве исполнительных
110
звеньев управляющих устройств для перемещения органов управления объектами. Без обратной связи эти двигатели представляют собой интегрирующие звенья, если выходной величиной является перемещение.
Реальной ЖОС является связь, имеющая инерционность, т. е. имеющая для коррекции апериодическое звено (см. п. 2.11):
W |
p |
KОС |
. |
(5.49) |
|
||||
ОС |
|
TОС p 1 |
|
|
|
|
|
Инерционность реальной отрицательной ЖОС при сохранении принципиальных выводов, сделанных ранее, приводит к увеличению быстродействия за счет замедления роста сигнала ХОС обратной связи
и, следовательно, удлинения форсирования на входе звена. |
|
KO |
И |
Соответственно при этом |
порядок знаменателя передаточной |
функции звена WЗАМ(p), замкнутого реальной отрицательной ЖОС, повышается на единицу против порядка исходного звена WO(p) при
TОС << 1 и TОС << TО:
где новые параметры передаточной функции KЗАМ и TЗАМ определятся по (5.44) и (5.45)С.
WЗАМ p |
|
|
|
TO p 1 |
|
|
|
KЗАМ TOС p 1 |
, (5.50) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
p 1 |
|||
|
1 |
|
|
KOKОС ДT |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
ЗАМ |
|
|
||
|
T p 1 T |
p 1 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
O |
|
OС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
||
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, реальная отрицательная ЖОС привела к появлению в числителе передаточной функции WЗАМ(p) дополнительного форсирующего воздействия по производной, как в случае применения реального ПД звена. Данная ОС, как и ПД звено, вносит частотную коррекцию в систему и может рассматриваться как фильтр высоких частот.
Идеальной ГОС (рис. 5.14, б) является связь с идеальным дифференцирующим звеном первого (см. п. 2.11) или второго порядка. Такая ОС называется также обратной связью по скорости или ускорению.
Идеальная ГОС, не влияя на коэффициент передачи охватываемого звена, изменяет коэффициент при операторе Лапласа в знаменателе его передаточной функции WЗАМ(p), например, для исходного апериодического звена (5.20)
111
|
|
|
KO |
|
|
|
KO |
|
|
|
||
WЗАМ p |
|
TO p 1 |
|
|
|
|
|
. |
(5.51) |
|||
|
|
KOKОС p |
|
T |
K K |
|
|
|||||
1 |
|
|
|
|
p 1 |
|
||||||
|
T p 1 |
|
|
O |
O |
ОС |
|
|
|
O
Т. е. постоянная времени звена изменяется на величину KOKОС . При этом отрицательная идеальная ГОС увеличивает постоянную времени, а положительная – уменьшает. В отличие от отрицательной ЖОС применение положительной ГОС позволяет повышать быстродействие без снижения коэффициента передачи звена.
При охвате идеальной ГОС интегрирующего звена (2.76), она, в отличие от действия идеальной ЖОС, изменяет коэффициент переда-
чи звена, не изменяя его структуры: |
|
|
И |
|
|
||||||||
|
|
|
KO |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
KO |
|
|
|
|
||||
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|||
WЗАМ p |
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
. |
(5.52) |
||
|
|
|
|
|
|
1 K |
|
K |
|
p |
|||
|
1 |
KOKОС p |
O |
ОС |
|
|
|||||||
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Реальной ГОС является связь с реальным дифференцирующим |
|||||||||||||
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
звеном (см. п. 2.11). Инерционность реальной ГОС сказывается на динамике охватываемого звена так же, как и реальная ЖОС, т. е. при
отрицательной ОС инерционностьи повышает быстродействие, а при
положительной – сн жает. Так м о разом, благодаря простоте реализации инерционные обратные связи широко применяются для повышения быстродейств я (форс рования переходных процессов).
Особенно широкое распространение получила реальная ГОС
вокруг интегрирующего звена, которая называется изодромной ОС,
в данном случае передаточная функция охваченного звена WЗАМ(p) |
||||||||||||||
имеет вид |
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
KO |
|
|
|
|
|
|
KO |
|
|
KO TOС p 1 |
|
WЗАМ p |
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
.(5.53) |
||
|
KOKОС p |
|
|
|
|
|
|
TOС p2 p 1 KOKОС |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
KOKОС |
|
|
||||||
|
|
1 |
|
p |
|
|||||||||
p T |
p 1 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
OС |
|
|
|
|
|
|
TOС p 1 |
|
|
В начале переходного процесса, когда скорость изменения переменных велика, TОС∙p >> 1. Поэтому в первой половине переходного процесса инерционная гибкая обратная связь ведет себя как ЖОС, превращая охваченное ею интегрирующее звено в апериодическое. В результате облегчаются условия стабилизации АСР в целом, и возни-
112