Разработка системы управления многосвязных систем автоматического регулирования исполнительного уровня
p align="left">Построим ЛАЧХ вотрого сепаратного канала. Построение проведем на масштабно-координатной бумаге (Приложение 1б).Первая асимптота ЛАЧХ с наклоном -20 дБ/дек пересекает ось L(w) в точке 20logK2, что соответствует требованию ТЗ по точности. Определим частоту среза. log wср=1.53, wcp=34 рад/с. Она близка к требуемому значению. Построим АЧХ замкнутого сепаратного канала (Рисунок 1.6), определим показатель колебательности М, используя формулу (1.3) Рисунок 1.6 - АЧХ замкнутого сепаратного канала 2 Свойства второго сепаратного канала по колебательности не соответствуют заданным в ТЗ. Определим передаточную функцию второго сепаратного регулятора. Аналогично первому сепаратному каналу, желаемая передаточная функция будет иметь вид: . (1.8) Для оценки параметров желаемой передаточной функции воспользуемся формулами Бесекерского (1.4). Проведем построение желаемой ЛАЧХ на масштабно-координатной бумаге (Приложение 1б), из построения определим постоянную времени Т1 и ЛАЧХ сепаратного регулятора. Таким образом, передаточная функция второго сепаратного регулятора, обеспечивающая заданные в ТЗ свойства второму сепаратному каналу, имеет вид: . Передаточная функция разомкнутого сепаратного канала: (1.9) Определим показатель колебательности скорректированного сепаратного канала по формуле (1.2), для этого построим АЧХ замкнутого сепаратного канала. (Рисунок 1.7) . Свойства сепаратного канала по точности, быстродействию и колебательности соответствуют заданным в ТЗ. Рисунок 1.7 - АЧХ замкнутого сепаратного канала 2 с регулятором
1.2 Исследование свойств сепаратных каналов МСАР Прямые и частотные показатели качества переходного процессаДля определения прямых показателей качества переходного процесса получим переходные характеристики первого и второго сепаратных каналов с помощью программного пакета MATLAB (Приложение 2)1) Первый сепаратный каналПереходная характеристика для первого сепаратного канала изображена на рисунке 1.8.Рисунок 1.8 - Переходная характеристика первого сепаратного каналаИспользуя график переходной характеристики определим время переходного процесса как время, по истечении которого отклонение управляемой величины от установившегося значения станет менее 5%.Определим перерегулирование как отношение максимального отклонения управляемой величины от своего установившегося значения к установившемуся значению. (1.10)Частотный показатель качества переходного процесса - показатель колебательности - был определен в п. 1.1 в рамках проверки свойств сепаратного канала.2) Второй сепаратный каналПереходная характеристика для второго сепаратного канала изображена на рисунке 1.9.Рисунок 1.9 - Переходная характеристика второго сепаратного каналаАналогично первому сепаратному каналу:Определим перерегулирование по формуле (1.10)Частотный показатель качества переходного процесса - показатель колебательности - был определен в п. 1.1 в рамках проверки свойств сепаратного канала.Показатели точностиОпределим показатели точности в виде амплитудных (?А) и фазовых (??) искажений на частоте w1=0,3wср2Частота среза второго сепаратного канала определена техническим заданием.wср2=33 рад/с,w1=0,3•33=9,9 рад/с.Найдем амплитудно-фазовые искажения для каждого сепаратного канала по формулам: (1.11) (1.12)где - частотная передаточная функция замкнутого сепаратного канала.1) Первый сепаратный каналЗапишем частотную передаточную функцию замкнутого канала, используя формулу (1.2): (1.13)Определим амплитудные искажения:Определим фазовые искажения:,где Q(w) и P(w) - мнимая и действительная часть частотной передаточной функции замкнутого канала.2) Второй сепаратный каналЗапишем частотную передаточную функцию замкнутого канала:. (1.14)Определим амплитудные искажения:Определим фазовые искажения:Запасы устойчивостиОпределим запасы устойчивости сепаратных каналов, используя критерий Найквиста на плоскости ЛЧХ.Построим ЛЧХ разомкнутых сепаратных каналов. (Рисунок 1.10)По графикам определим запасы устойчивости 1.3 Исследование свойств исходной МСАР (при Wk(p)=E) Изобразим структурную схему МСАР с учетом перекрестных связей в многомерном объекте управления (Рисунок 1.11) Рисунок 1.11 - Структурная схема МСАР с учетом перекрестных связей в МОУ Передаточная матрица имеет следующий вид: , где , - передаточные функции перекрестных связей в объекте управления , . Устойчивость исходной МСАР1) Обобщенный критерий НайквистаЗапишем передаточную матрицу разомкнутой системы, изображенной на рисунке 1.10 (1.15)Выражение для получения характеристического уравнения:det [E+W(p)] = 0. (1.16)Здесь [E+W(p)] - матрица возвратных разностей. Ее определитель представляет собой дробно-рациональную функцию H(p), в числителе которой - характеристический полином з(p) для замкнутой МСАР, а в знаменателе - характеристический полином р(p) для разомкнутой МСАР:H(p) = з(p)/р(p). (1.17)Эта особенность функции H(p) используется для получения обобщенного критерия Найквиста при исследовании устойчивости замкнутой МСАР.С помощью программного пакета MathCAD найдем характеристический полином разомкнутой МСАР (Приложение 3а). Приравняем полученный полином к нулю и получим корни характеристического уравнения разомкнутой МСАР:, , , , , Разомкнутая МСАР находится на апериодической границе устойчивости.Построим обобщенный годограф Найквиста. Произведем замену и представим определитель матрицы возвратных разностей в виде суммы действительной и мнимой части:Построим обобщенный годограф Найквиста (рисунок 1.12) с помощью программного пакета MathCAD (Приложение 3б).Рисунок 1.12 - Обобщенный годограф Найквистаа) годограф на высокочастотном участкеб) годограф на среднечастотном участкев) общий вид годографаЕсли разомкнутая система находится на апериодической границе устойчивости, то для устойчивости замкнутой МСАР необходимо и достаточно, чтобы обобщенный годограф Найквиста, дополненный на участке разрыва дугой бесконечно большого радиуса, не охватывал точку с координатами (0; j0).Так как обобщенный годограф Найквиста, дополненный на участке разрыва дугой бесконечно большого радиуса, охватывает точку с координатами (0; j0) (рисунок 1.12 в), то замкнутая МСАР является неустойчивой.2) Метод эквивалентирования относительно первого каналаРассмотрим детализирванную до уровня одномерных звеньев структурную схему МСАР (Рисунок 1.13)Рисунок 1.13 - Детализирванная до уровня одномерных звеньев структурная схема МСАРИзобразим структурною схему с учетом только внешнего воздействия первого канала регулирования, тогда второй канал регулирования представим эквивалентным звеном (Рисунок 1.14).Определим передаточную функцию эквивалентного звена: (1.18)Рисунок 1.14 - Структурная схема с эквивалентным второму каналу регулирования звеномЗапишем передаточную функцию разомкнутой системы (1.19)Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все корнии ее характеристического уравнения были левыми.Запишем характеристическое уравнение замкнутой системы:С помощью программного пакета MathCad найдем его корни (Приложение 4), , , , , Не все корни характеристического уравнения замкнутой системы левые, следовательно, система неустойчива.Колебательная граница устойчивостиС помощью обобщенного годографа Найквиста подберем такую пару значений параметров К1 и К2, при которых МСАР находится на колебательной границе устойчивости.Значения параметров и , при которых МСАР находится на колебательной границе устойчивости, следующие:,.Изобразим годограф Найквиста системы с найденными коэффициентами в области высоких частот (Рисунок 1.15).Рисунок 1.15 - Обобщенный годограф Найквиста при , Проверим правильность найденных значений моделированием МСАР (Приложение 5). Графики переходных процессов, полученные в результате моделирования, представим на рисунке 1.16.Рисунок 1.16 - Переходные характеристикиГрафики переходных характеристик представляют собой незатухающие колебания, следовательно, при заданных параметрах система находится на границе устойчивости.Влияние перекрестных связей на точность МСАР в установившемся режимеЗапишем передаточную матрицу замкнутой системы, изображенной на рисунке 1.10.,где W(p) - передаточная матрица разомкнутой системы (1.15), определенная в пункте 1.3.1.Рассматриваемая система имеет два входа и два выхода, следовательно, передаточная матрица замкнутой системы имеет вид:. (1.20)Передаточная матрица замкнутой системы, соответствующая паре «вх. 1 - вых. 1», - , паре «вх. 1 - вых. 2», - .Построим АЧХ замкнутой МСАР относительно пар «вх. 1 - вых. 1» и «вх. 1 - вых. 2» с помощью программного пакета MathCAD (Приложение 6а).,.Рисунок 1.17 - АЧХ замкнутой МСАР относительно пар «вх. 1 - вых. 1» и «вх. 1 - вых. 2»Определим ординаты построенных характеристик на частоте :,.За точность МСАР в установившемся режиме отвечает низкочастотный участок АЧХ, по которому можно определить амплитудно-фазовые искажения.Проведем сравнение АЧХ первого сепаратного канала и АЧХ исходной системы относительно пары «вх1-вых1». Представим их на одном графике.Рисунок 1.18 - АЧХ замкнутой МСАР относительно пары «вх. 1 - вых. 1» и первого сепаратного каналаЕсли предположить, что установившийся режим существует, то, судя по низкочастотному диапазону АЧХ, следствием влияния перекрестных связей является уменьшение амплитудных искажений на рассматриваемой частоте w1=9.9 рад.Влияние перекрестных связей на динамические свойства МСАРПостроим графики переходных функций относительно пар «вх. 1 - вых. 1», «вх. 1 - вых. 2» в программном пакете MathCAD (Приложение 6б) с использованием ранее записанной передаточной матрицей замкнутой системы (1.20).Рисунок 1.19 - Переходных функций относительно пар «вх. 1 - вых. 1», «вх. 1 - вых. 2»По графикам переходных функций видно, что исходная двумерная САР (при ) является неустойчивой. Таким образом, введенные перекрестные связи в объект управления ухудшают динамические свойства МСАР.
1.4 Расчет последовательного компенсатора (частичный синтез автономной САР) Изобразим структурную схему МСАР с последовательным компенсатором (Рисунок 1.20) Рисунок 1.20 - Структурная схема МСАР с учетом перекрестных связей в МОУ Передаточная матрица компенсатора имеет вид a) - для компенсатора с прямыми перекрестными связями; b) - для компенсатора с обратными перекрестными связями, Здесь . , - подлежащие определению передаточные функции перекрестных связей последовательного компенсатора. Передаточные функции прямых и обратных перекрестных связейНеобходимым и достаточным условием полной автономности каналов регулирования является диагональный вид передаточной матрицы Ф(p) замкнутой МСАР относительно задающих воздействий: Фij(p)=0 при i j или Ф(p) =diag{Фii(p)}. Для структуры с единичной отрицательной обратной связью (ЕООС) математические условия автономности можно получить для передаточной матрицы разомкнутой системы. В рассматриваемом случае САР является двумерной, когда число перекрестных связей невелико, их передаточные функции легко получить на основе принципа двухканальности Б.Н. Петрова. 1) МСАР с прямыми перекрестными связями в компенсаторе Рассмотрим детализирванную до уровня одномерных звеньев структурную схему разомкнутой МСАР (Рисунок 1.21) Рисунок 1.21 - Детализирванная до уровня одномерных звеньев структурная схема разомкнутой МСАР Передаточную функцию прямой перекрестной связи Wx1(p) определим из условия равенства нулю суммы передаточных функций двух каналов распространения сигнала ?1(p) до второго выхода МОУ. . Аналогично определим и передаточную функцию Wx2(p): . Динамические свойства автономных каналов регулирования в общем случае могут отличаться от свойств соответствующих сепаратных каналов регулирования, получаемых формальным отбрасыванием всех перекрестных связей и МОУ, и в регуляторе. В случае точного совпадения этих свойств в МСАР достигается абсолютная автономность, а иначе ? обычная, простая автономность. Определим вид автономности системы. Для этого сравним передаточные функции разомкнутых автономных и сепаратных каналов регулирования. Передаточная функция разомкнутой системы с учетом перекрестных связей имеет вид: (1.21) Передаточная матрица разомкнутой системы без учета перекрестных связей: Соответствующие передаточные функции разомкнутых автономных и сепаратных каналов регулирования не совпадают, а, следовательно, не совпадают и свойства этих каналов. Значит, наблюдается простая автономность каналов. 2) МСАР с обратными перекрестными связями в компенсаторе Рассмотрим детализирванную до уровня одномерных звеньев структурную схему разомкнутой МСАР (Рисунок 1.20) Рисунок 1.20 - Детализирванная до уровня одномерных звеньев структурная схема разомкнутой МСАР Передаточную функцию обратной перекрестной связи Wx1(p) определим из условия равенства нулю суммы передаточных функций двух каналов распространения сигнала ?1(p) до второго выхода МОУ. . Аналогично определим и передаточную функцию Wx2(p): . Определим вид автономности системы. Для этого сравним передаточные функции разомкнутых автономных и сепаратных каналов регулирования. Передаточная функция разомкнутой системы с учетом перекрестных связей имеет вид: (1.22) Передаточная матрица разомкнутой системы без учета перекрестных связей: Соответствующие передаточные функции разомкнутых автономных и сепаратных каналов регулирования совпадают, а, следовательно, совпадают и свойства этих каналов. Значит, наблюдается абсолютная автономность каналов. Исследование частотных и временных характеристик автономных каналов МСАР1) МСАР с прямыми перекрестными связями в компенсатореЗапишем передаточную матрицу замкнутой системы.,где W(p) - передаточная матрица разомкнутой системы (1.21), определенная в пункте 1.4.1 (1)Рассматриваемая передаточная матрица имеет вид:
Страницы: 1, 2, 3
|
|