Teoriya avtomatichnogo keruvannya

• що замикання системи регулювання відбувається за допомогою від'ємного зворотного зв'язку. Це враховується введенням знака «мінус» на вході першої ланки, отже, -хпшх = х1их.

У зв'язку з цим рівняння ланок замкнутої системи стабілізації можна записати у вигляді:

де /> (/>) - /> (р)Р2(р)... />я_1 (/>) і о, (/>) = б! (р) 02(р)... Оп_{(р) - добутки поліномів лівих і правих частин усіх рівнянь, крім рівняння об'єкта. Отже, систему з п рівнянь можна замінити двома рівняннями:

\рп(р)хпш* =Оп(Р)Хп-І вих

Підставивши вираз х„_1вих = - — ^ х п ш х у рівняння об'єкта, піс-

Л Ср)

ля нескладних перетворень дістанемо рівняння динаміки системи стабілізації у вигляді

Слід зазначити, що для того, щоб мати можливість скористатися цим рівнянням, складні структурні схеми необхідно спростити і привести до одноконтурного вигляду.

Рівняння незбурених коливань замкнутої системи має вигляд

120

3.8. Рівняння, передаточні функції та частотні характеристики систем автоматичного керування

характеристичне рівняння замкнутої системи можна записати так:

де п — степінь характеристичного рівняння; а0,..., ап — коефіцієнти рівняння, що залежать від параметрів ланок системи.

знайти з рівняння (3.58) у вигляді

И^(р) = *..-их _ Рі(р)$(р)

рР(р) + Є(р)

Розділивши чисельник і знаменник на Р(р) і врахувавши, що

Р\(р) 1 О(р) ч ^

——— = ; —— = уу{р) — передаточна функція розімкнутої систе-

Р(Р) Рп(Р) Р(Р)

ми, а ^^ = Ж / ( р ) — передаточна функція об'єкта за збуренням,

Рп(Р)

дістанемо передаточну функцію системи стабілізації за збуренням:

1 + IV (р)

Відповідна амплітудно-фазова характеристика системи стабілізації

ня за допомогою теореми Крамера. Згідно з т е о р е м о ю Крамера це рів-

няння має вигляд

ний детермінант; хпшх — вихідна (регульована) величина об'єкта. Для знаходження А необхідно записати рівняння ланок системи

автоматичного керування:

121

•сіпп(р) — оператори ланок системи.

Узагальному випадку

ії д ІР) ~ аоРп + а\Рп~1 +а2р"~2 +... + сіп_1р+ап,

відповідних ланок.

Розглядаючи наведені вище рівняння ланок системи як алгебричні і відкидаючи для спрощення запису символ р, маємо

що відповідає регульованому параметру хк, треба замінити відповідними збуреннями (якщо в деяких ланках вони відсутні, то записують нуль).

122

3.8. Рівняння, передаточні функції та частотні характеристики

~систем автоматичного керування

може бути записано у вигляді систем рівнянь ланок першого та другого порядків (у принципі можливий і вищий порядок рівнянь лапок). Рівняння другого порядку завжди можна замінити двома рівняннями першого порядку.

Отже, можна дістати рівняння замкнутої системи у вигляді системи рівнянь першого порядку (що називаються рівняннями в нормаль-

ній формі Коші)\

сіх,

сіі

де х{,х2,хп — координати стану системи. (У правій частині рівнянь деякі коефіцієнти можуть дорівнювати нулю.)

Система рівнянь у нормальній формі Коші в даному разі є математичною моделлю системи. Цю систему рівнянь можна записати в матричній формі:

— ~ Ах , сії — УІЛ

123

де

х =

— вектор-стовпець.

Характеристичне рівняння замкнутої системи

сієї [А - рЕ] = 0,

де р — змінна в характеристичному рівнянні замкнутої системи вигляду

а0р" + ахрп~{ +а2р"~2 + ... + ап_{р+ ап = 0;

одинична матриця.

3.9

Приклад знаходження рівняння динаміки системи стабілізації напруги генератора постійного струму

Розглянемо систему автоматичного керування, спрощену принципову схему якої зображено на рис. 3.28, де Г — генератор, який є об'єктом автоматичного керуван-

ня з напругою ІІГ, що є регульованим параметром; ЕМ — обмотка

124

Е - /:Фсо — електрорушійна сила генератора (к — стала генератора; Ф = с.3І3 — магнітний потік обмотки збудження зі струмом /3 , при сталій с3).

При со = соп5І Е = кГФ може змінюватися тільки за рахунок зміни напруги збудження 1}3.

Для стабілізації напруги генератора при зміні його навантаження потрібно відповідним чином змінювати напругу /У3, що спричинює зміну струму /3 й електромагнітного потоку генератора Ф. Наприклад, якщо навантаження генератора збільшується, що зумовлює зменшення напруги £/г (напруги на обмотці електромагніта то сила притягання електромагніта Ем зменшується, і під дією пружини ІІР якір електромагніту переміщується вниз. При цьому опір резистора К зменшується, відповідно зростають напруга збудження £/3, струм /3 , потік Ф і напруга генератора £/г збільшується. При зменшенні навантаження генератора напруга зростає. При цьому завдяки відповідній дії системи автоматичного керування напруга збудження 11Л зменшується, що стабілізує напругу генератора 1/Г.

Згідно з викладеним раніше розглянута система автоматичного керування є звичайною замкнутою системою стабілізації, в якій реа-

125

лізовано принцип керування за відхиленням. Крім того, вона не має підсилювача в ланцюгу керування і тому є системою прямої дії.

Розглянувши принцип роботи окремих елементів і системи в цілому, перейдемо до складання функціональної схеми.

При цьому треба мати на увазі, що принциповим є відповідність розміщення елементів згідно з їх дією один на одного й узгодження вхідних і вихідних величин.

Тому об'єкт керування може бути розміщений у будь-якому місці функціональної схеми. Але здебільшого прийнято розміщувати його в правій частині схеми. Дотримуватимемося цього і далі. Згідно з наведеними на принциповій схемі зображеннями і функціональним призначенням окремих елементів при виконанні завдань автома-

тичного керування функціональна схема буде такою, як показано на рис. 3.29.

У схемі, наведеній на рис. 3.28, рухому сукупність елементів, до якої нале-

жить якір електромагніту, поршень демпфера Д, пружина ПР та двигунок реостата можна розглядати як єдиний елемент КЕ (див. рис. 3.29), який виконує керуючі функції в функціональній схемі. Інші позначення на рис. 3.29 такі: Рем — зусилля тяги електромагніту;

х— переміщення двигунка реостата; /(/)— збурення генератора, яке

вданому разі можна розглядати як струм в якірному колі генератора, що залежить від еквівалентного опору всіх споживачів електроенергії, підключених до якоря генератора (електричної мережі, якщо вона живиться тільки від цього генератора).

Спочатку розглянемо систему в розімкнутому стані. Принципово розімкнути систему можна в будь-якому місці схеми, але найчастіше це роблять на виході об'єкта, тому вважатимемо, що вихідна величина розімкнутої системи є вихідна величина об'єкта І)г, а вхідна — напруга на обмотці електромагніта СІШ. У цьому разі рівняння розімкнутої системи має дати залежність у динаміці

=) •

Як було показано раніше, для знаходження рівнянь системи необхідно скласти рівняння окремих їх елементів.

126

3.9. Приклад знаходження рівняння динаміки системи стабілізації напруги генератора постійного струму

Рівняння динаміки генератора Г. Це рівняння матиме вигляд

и г

При складанні рівнянь окремих елементів розробник має деяку свободу дій, завдяки якій окремий досить складний елемент можна представити його окремими (складовими) частинами. При цьому важливо узгодити їхні вхідні та вихідні величини і відобразити взаємодію окремих частин елемента.

У даному разі генератор можна розглядати як складний елемент, основними частинами якого є обмотка збудження та якірне коло генератора. Рівняння генератора виведено раніше. Це рівняння в операторній формі

(Т[Р+\)АІІг=кгАІ/,,

де Тї — стала генератора; АІ/Г, А£/3 — відхилення від початкових значень відповідних величин; кг — передаточний коефіцієнт генератора.

Рівняння обмотки електромагніта. У загальному випадку його рівняння має дати залежність у динаміці

= /(«ем )•

Якщо знехтувати коефіцієнтом самоіндукції котушки, то зусилля тяги елемента можна подати у вигляді

Р = с І/2

ом ^ аи ^ ом 1

де сем — коефіцієнт пропорційності.

^ем„ + Д^ем = Сем^ем„ + Сем 2і/ем„ А^ем •

127

Враховуючи, що рівняння рівноваги для початкового положення

запишемо рівняння динаміки обмотки електромагніту у відхиленнях:

хомі елементи (якір електромагніту, поршень демпфера, пружина та двигунок реостата) можна розглядати як єдину механічну систему елементів з масою т.

сіі

електромагніту; Рш — зусилля опору переміщенню рухомої частини елементів. Зусилля Роп в даному разі визначається жорсткістю пружини сп р , величиною переміщення рухомої частини елементів х та вагою С0 , опором, яке спричинює масло при переміщенні в цьому середовищі поршня П демпфера, а також опором переміщенню двигунка резистора який має бути порівняно невеликим (ним можна знехтувати).

Розглянемо ці складові Роп окремо:

• опір пружини

^пр =спрх = спр(х о + Ах);

• опір переміщенню поршня демпфера

де сд — стала демпфера, яка зумовлюється властивостями масла і особливостями конфігурації поршня П (наприклад, кількістю «активних» отворів у поршні та ін.).

Наприклад, поршень з отворами матиме менший опір переміщенню в масляному середовищі, ніж суцільний. При цьому чим більше отворів у площині поршня демпфера, тим менший опір його переміщенню. Ставлячи заглушки в деякі отвори поршня демпфера, можна ступінчасто змінювати його властивості (величину сд).

128

3.9. Приклад знаходження рівняння динаміки системи стабілізації напруги генератора постійного струму

При нерухомому поршні опір ГД відсутній.

Нехтуючи порівняно невеликим опором двигунка резистора, запишемо

сі Ах

^ о п о + Л / 7 о п = ^ п р ^ о + С п р Д Х + С д — + с 0 .

Виключивши рівняння статики /70П() = спрх{) + С(), дістанемо

Нехтуючи величиною спрАх, яка значно менша від «динамічних» складових опору, запишемо рівняння елемента КЕ у відхиленнях в операторній формі:

= (тр2 + сЛр)Ах.

Позначивши — = Гд; — = кке, дістанемо

Рівняння резистора, який є безінерційним елементом, можна записати у вигляді

де кЛ — коефіцієнт пропорційності або передачі даного елемента. Отже, рівняння елементів, з яких складається дана система,