Динамический синтез систем автоматического управления
Динамический синтез систем автоматического управления
57 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Тема: "Динамический синтез систем автоматического управления" Введение Существует чрезвычайно большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники. В данной курсовой работе производится динамический синтез следящей системы автоматического управления. В следящей системе выходная величина воспроизводит изменение входной величины, причем автоматическое устройство реагирует на рассогласование между выходной и входной величинами. Следящая система имеет обратную связь выхода со входом, которая по сути дела, служит для измерения результата действия системы. На входе системы производится вычитание входного сигнала и сигнала с датчика обратной связи. Величина рассогласования воздействует на промежуточные устройства, а через нее на управляемый объект. Система работает так, чтобы все время сводить к нулю рассогласование. В состав системы входят нелинейности, именно поэтому по характеру внутренних динамических процессов ее относят к нелинейным системам. По протеканию процессов в системе ее относят к непрерывным, т. к. в каждом из звеньев непрерывному изменению входной величины во времени соответствует непрерывное изменение выходной величины. Для того чтобы линеаризованная система отвечала требуемым показателям качества в установившемся режиме и переходном процессе, она подвергается синтезу, а именно, в нее включается регулятор, который реализует выбранный закон управления. В интересах простоты расчета сводим задачу к такой форме, чтобы максимально использовать методы исследования обыкновенных линейных систем, т. к. теория и различные прикладные методы для них наиболее полно разработаны. 1. Синтез линейной системы1.1 Анализ исходной системыРисунок 1.1 Функциональная схема замкнутой системы,гдеЭС - элемент сравнения;УМ - усилитель мощности;ОУ - объект управления;КС - кинематическая связь;ДОС - датчик обратной связи;Усилитель мощности предполагается безынерционным, но с ограниченной зоной линейности ±UВХmax. В кинематической связи между ОУ и ДОС присутствует люфт (зазор) величиной 2 (рис. 1.2.).Рисунок 1.2. - Нелинейные характеристики элементовПередаточные функции ОУ и ДОС известны:,где ,где Составим структурную схему исходной системы:Рисунок 1.3 Структурная схема исходной системыДля линеаризации системы пренебрегаем наличием нелинейных эффектов, то есть, считаем, что:- усилитель мощности имеет неограниченную зону линейности- зазор (люфт) в кинематической связи "выход системы - датчик обратной связи" отсутствует и коэффициент передачи равен единице Усилитель мощности, имея неограниченную зону линейности, будет иметь передаточную функцию вида:,где КУМ - коэффициент передачи УМ.Максимально выходное напряжение усилителя 110В, а зона нелинейности усилителя мощности по входу ±3В.Тогда получим следующую структурную схему линеаризованной системы. Рисунок 1.4 Структурная схема линеаризованной системыПо критерию Гурвица проверим устойчивость замкнутой системы.Передаточная функция замкнутой системы имеет вид: (1.1)Запишем характеристическое уравнение замкнутой системы: Необходимым условием устойчивости системы является одинаковость знака всех коэффициентов. Данное условие выполняется. Достаточным условием является положительность определителей Гурвица. Т.к. система 4 порядка, то следует проверить знак ?3. (В)Следовательно, замкнутая система устойчива.Проверим, удовлетворяет ли система требованиям ТЗ. Т.к. в ТЗ оговариваются только максимальная скорость нmax и максимальное ускорение еmax, то следует перейти к эквивалентному гармоническому сигналу вида: с-1 Амплитуду ошибки найдем по модулю передаточной функции по ошибке.,,где - частотная передаточная функция разомкнутой системы. Так как , то справедливо соотношение . Поэтому Тогда, модуль частотной передаточной функции: (1.2)Относительную динамическую ошибку системы определим по формуле: Подставляя значение щk в формулу, получим Тогда находим Относительная динамическая ошибка системы 25,4%, следовательно, система не удовлетворяет требованиям ТЗ.Проверим, удовлетворяет ли система требованиям ТЗ в переходном режиме, т.е. Для этого нужно построить график переходной характеристики по выходу ДОС.Для построения используем программный пакет MathCadРисунок 1.5 Переходная характеристика по выходу ДОСДля определения перерегулирования () воспользуемся формулой:Тогда Т.е. получили, что перерегулирование удовлетворяет требованиям ТЗ.Теперь найдем время регулирования (tp). Для этого строим “коридор”, равный 0,022Из рисунка видно, что tp=1,04сТ.е. время регулирования не удовлетворяет требованиям ТЗ и данную систему следует откорректировать.1.2 Анализ системы с пропорциональным регулятором1.2.1 Структурная схема линеаризованной системы с пропорциональным регуляторомПропорциональный регулятор реализует простейший линейный закон управления, при котором управляющий сигнал, подаваемый на вход объекта управления, представляет собой усиленный по величине и по мощности сигнал ошибки (рассогласования). В системах с невысокими требованиями такой закон иногда может обеспечить приемлемое качество регулирования и всегда полезно узнать, не относится ли к ним и наша система.Cоставим структурную схему с пропорциональным регулятором:Рисунок 1.6 Структурная схема с пропорциональным регуляторомВ установившемся режиме заданную точность обеспечивает низкочастотный участок. Проще всего оценить точность системы по ее реакции на гармонический входной сигнал.,Из пункта 1.1 Для того, чтобы входное воздействие воспроизводилось с ошибкой, не превышающей m, ЛАХ системы должна проходить не ниже контрольной точки Ak c координатами: (1.3) Построим запретную область (ЗО) Рисунок 1.7 Запретная областьОпределим минимальный коэффициент усиления разомкнутой системы [1, § 12.6]с пропорциональным регулятором, учитывая, где еm- относительная ошибка системы с-1 Отсюда, коэффициент усиления пропорционального регулятора: 1.2.2 Проверка устойчивости замкнутой системыДля проверки устойчивости замкнутой системы воспользуемся алгебраическим критерием Гурвица. [1, § 6.2]Запишем характеристическое уравнение системы:Т.к. система 4 порядка, то достаточно определить 3Т.к. определитель больше нуля и все коэффициенты положительны, то замкнутая система с пропорциональным регулятором устойчива. Теперь проверим систему по критерию Найквиста: [1, § 6.5] анализируем разомкнутую систему, а вывод делаем об устойчивости замкнутой системы.Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:Запишем характеристическое уравнение разомкнутой системы:Все корни характеристического уравнения левые, кроме одного нулевого. Если разомкнутая система на границе устойчивости, то для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы годограф Найквиста, дополненный на участке разрыва дугой бесконечно большого радиуса, не охватывал особую точку с координатами (-1;j0).Выделим действительную и мнимую часть:(1.5)Будем изменять значения от 0 до и находить соответствующие значения Р и Q.Таблица 1.1|
| P | Q | | 0 | -11.25 | - | | 234.5 | 0 | 4,584*10-3 | | 26.2 | -0.95 | 0 | | | 0 | 0 | | | Рисунок 1.8 Годограф НайквистаИз рисунка видно, что замкнутая система устойчива.Проверим устойчивость замкнутой системы по логарифмическим частотным характеристикам.Построим логарифмическую амплитудную частотную характеристику (ЛАЧХ) и логарифмическую фазовую частотную характеристику (ЛФЧХ).[1, § 4.4]Определим модуль частотной передаточной функции для разомкнутой системы:;(1.7)Определим L(w) и ; ; Рисунок 1.9 ЛАЧХ и ЛФЧХ системы с регуляторомВидно, что точка пересечения ЛФЧХ с линией -180о лежит немного правее точки пересечения ЛАЧХ с осью абсцисс. Следовательно, замкнутая система устойчива.Проверим систему на устойчивость по критерию Михайлова. [1, § 6.3]Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова начинался на вещественной положительной полуоси и при увеличении частоты последовательно проходил число четвертей, соответствующее порядку системы (нигде не обращаясь в 0).Функция Михайлова для нашей системы: Выделим вещественную и мнимую части:; Построим годограф Михайлова по следующим значениям:Таблица 1.2|
w, | X(w) | Y(w) | | 0 | 85,227 | 0 | | 25,6 | 0 | 1,105 | | 26,2 | -4,252 | 0 | | 233,1 | 0 | -1,8259•104 | | | ? | -? | | | Рисунок 1.10 Годограф Михайлова для малых и больших частот соответственноСледовательно, система устойчива.Частота среза разомкнутой и замкнутой системы, запасы устойчивости, критический коэффициент усиления, прямые показатели качества и косвенный показатель качестваЧастота среза - это частота, в которой ЛАЧХ системы пересекает ось абсцисс. Определим ее по графику ЛАЧХ (рисунок 1.9):L(w)=0 при w=25.59 c-1Критическая частота(wkp) - частота, при которой фазовая характеристика пересекает уровень -1800.wkp=1,418 с-1Запасы устойчивости определим по формулам: - запас устойчивости по амплитуде, -запас устойчивости по фазе Получаем:Определим критический коэффициент усиления системы Kkp по критерию Михайлова.Критический коэффициент усиления - такое значение Kp, при котором замкнутая система находится на границе устойчивости.Если система находится на границе устойчивости, то левая часть характеристического уравнения равна 0.Откуда вытекают два равенства: Следовательно, годограф Михайлова должен проходить через начало координат.Запишем функцию Михайлова:Выделим вещественную и мнимую части и приравняем их к нулю:; Из уравнения Y(w)=0 находим w:Подставляем это значение в уравнение X(w)=0 и находим критический коэффициент усиления KkpПрямые показатели качества системы и tp определим по графику переходной характеристики замкнутой системы с пропорциональным регулятором по выходу ДОС. [приложение 2]Рисунок 1.11 График переходной характеристики замкнутой системы по выходу ДОСПо графику находим:hmax=1,95 = 1Найдем перерегулирование Для определения tp построим “коридор” равный .tp=22,72 с.Показатель колебательности определяется по АЧХ замкнутой системы.Запишем передаточную функцию замкнутой системы по выходу ДОС (1.8) Преобразуем и выделим вещественную и мнимую части:; .Запишем модуль частотной передаточной функции по выходу ДОС: (1.9) По формуле (1.9) построим АЧХ замкнутой системыРисунок 1.12 АЧХ замкнутой системы по выходу ДОСПоказатель колебательности определим по формуле: , где максимальное значение ординаты АЧХ замкнутой системы по выходу ДОС;N(0) - значение ординаты АЧХ при w=0.По рисунку определяем: ; N(0)=1; Откуда находим: M=75,214 Анализ на соответствие системы с пропорциональным регулятором требованиям ТЗПроверим систему на требования по точности воспроизведения входного сигнала.Относительную динамическую ошибку системы определим по формуле: ; Передаточная функция разомкнутой системы: Тогда, модуль частотной передаточной функции: Подставляя значение щk в формулу для , находим Относительная динамическая ошибка системы 2,5%, следовательно, система не удовлетворяет требованиям ТЗ.Время переходного процесса tp=22,72 с. и перерегулирование, найденные ранее, не удовлетворяют требованиям ТЗ.При введении пропорционального регулятора прямые показатели качества не удовлетворяют требуемым.При введении регулятора увеличился коэффициент усиления разомкнутой системы и время регулирования. Хотя величина ошибки уменьшилась, тем не менее, она не удовлетворяет требованиям ТЗ. В результате введения регулятора качество переходного процесса ухудшилось. 1.3 Синтез регулятораОписание методики синтеза регулятора для одноконтурной следящей системыДинамический синтез - направленный расчет, имеющий конечной целью отыскание рациональной структуры системы и установление оптимальных величин параметров отдельных ее элементов.Более узкая цель синтеза - определение вида и параметров корректирующего устройства, которое нужно добавить к некоторой неизменяемой части системы, чтобы обеспечит требуемое качество системы в установившемся и переходном режимах.Наиболее приемлемым для решения задачи динамического синтеза является метод логарифмических амплитудных характеристик (метод ЛАХ). [1, § 12.5] Стадии синтеза по методу ЛАХ включают:1. построение располагаемой ЛАХ, т.е. ЛАХ исходной системы2. построение желаемой ЛАХ системы, удовлетворяющей требованиям ТЗ3. определение вида и параметров корректирующего устройства4. проверочный расчет - моделирование СУ, позволяющее убедиться в том, что спроектированная система удовлетворяет всем требованиям ТЗ.Построение исходной ЛАХПередаточная функция исходной разомкнутой системы:;Построим исходную асимптотическую ЛАХ. lg(wа)=0,921; lg(wв)=2; lg(wс)=2,699На оси lgw отмечаем lg-ы частот сопряжений. Проводим низкочастотную асимптоту с наклоном -20дБ/дек до первой частоты сопряжения wa. Эта асимптота пересекает ось L в точке . На частоте сопряжения эта асимптота изменяет наклон до -40дБ/дек и проводится до wв. На частоте wв изменяем наклон до -60дБ/дек и проводим асимптоту до wс. На частоте wс меняем наклон до -80 дБ/дек и проводим асимптоту.Построенная исходная асимптотическая ЛАХ представлена на миллиметровке.Построение желаемой ЛАХЖелаемую ЛАХ условно разбивают на 3 участка:1 участок - низкочастотный. Он отвечает за обеспечение требуемой точности системы в установившемся режиме. Чем в большем диапазоне частот он расположен, тем в большем диапазоне частот не происходит заметного ослабления входного сигнала.2 участок - среднечастотный. Он отвечает за устойчивость и качество системы в переходном режиме (оценивается величиной запасов устойчивости, прямыми показателями качества - , tр, косвенным показателем М). Этот участок характеризуется 2 параметрами: частотой среза wср и наклоном асимптоты, проходящей через частоту среза.
Страницы: 1, 2, 3
|
|