Файл: Критерий Найквиста в логарифмическом масштабе.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 1442

Скачиваний: 4

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

C

d W p

dp

T T

k

T

T

k

k

y

p

p

p

p

3

3

3

0

1 2

1

2

2

3

6

2

1

=

=

+







=

( )

Если управляющее воздействие меняется по закону 

g t

g

v t

at

( )

=

+

+

0

0

2

2

то установившаяся ошибка из выражения (4) будет 

ε

уст

p

p

p

v

at

k

a

T

T

k

k

=

+

+

+







0

1

1

2

1

 
 
 

Динамическое поведение САУ

 

 
Задача  анализа  качества  систем  в  переходных  режимах  тесно  связана  с  задачами  анализа 

переходных процессов, хотя и не совпадает с ними. Задача анализа качества регулирования в динамике 
заключается  в  том,  чтобы  оценить  характеристики  переходных  процессов  (ПП)  или  так  называемые 
показатели качества, и предельные значения этих показателей. 

В отличие от анализа  переходных процессов, при анализе качества системы изучается не каждый 

ПП  в  отдельности,  а  только  выясняется  входят  ли  характеристики  ПП  или  показатели  качества  в 
заданные пределы или нет. 

Показатели качества регулирования зависят от типа входного воздействия. 
 
 
 

Показатели качества регулирования при единичном 

ступенчатом сигнале

 

 
Все переходные процессы можно разбить на два класса: 
 

1.  Установившиеся значения выходной величины не совпадают с первоначальными. 

 

2. Установившиеся значения выходной величины и начальные совпадают. 

 
1. В первом случае получаем характеристики ПП выходной величины при изменении управляющего 

воздействия (рис.90). 

x

x

уст

t

Рис.90

1

2

3

 

2.  Во  втором  случае  получаем  характеристики  переходных  процессов  выходной  величины  при 

изменении возмущения (рис.91). 

 
1    – апериодические, 
1,2 – монотонные процессы, 
3    – колебательные переходные процессы. 
 
 
 
 
Колебательные  процессы  соответствуют  комплексным 

корням характеристического уравнения, апериодические – вещественным корням. 

x

t

Рис.91

1

2

3

 

55


background image

При  нулевых  начальных  условиях  в  САУ  2-го  порядка  апериодические  процессы  будут 

монотонными 1 и 2, а колебательные – не монотонными 3. 

В  более  сложных  системах  выше  2-го  порядка  понятия  монотонности  и  апериодичности  не 

совпадают. В системах n-го порядка апериодические процессы могут быть немонотонными. 

x

x

уст

t

Рис.92

 

На  рис.92  приведен  график  переходного  процесса 

выходной  координаты  системы  3-го  порядка.  На 
экспоненциальную 

характеристику 

(пунктир) 

накладывается колебательный процесс. 

Колебательность 

и 

монотонность 

являются 

качественными  оценками  переходных  процессов.  Для 
качественных  САУ  (приборные  системы  и  т.п.)  стремятся 
получить процессы монотонные, слабоколебательные. 

 
 

 
 

Количественные характеристики переходных процессов

 

 
Качество  регулирования  складывается  из  следующих  количественных  показателей  переходного 

процесса: 

1.  Время регулирования –  ; 

t

p

2.  Величина максимального перерегулирования – 

σ

%

3.  Число колебаний переходного процесса –  . 

n

Остановимся на них более подробно: 
1. Время регулирования характеризует быстродействие САУ и определяется интервалом времени 

от  начала  ПП  до  момента,  когда  отклонение  выходной  величины  от  установившегося  значения 
становится меньше определенной величины. Обычно это 

±5% от установившегося состояния (рис.93). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Быстродействие системы можно оценить по корням характеристического уравнения. Если известны 

корни, то время регулирования можно примерно оценить по величине вещественной части ближайшего 
к мнимой оси корня (рис.94). 

x

x

уст

t

Рис.93

±5%

0

t

p

x

max

σ%

Мерой быстродействия является величина 

λ

2

Im

Re

Рис.94

λ

1

λ

i

λ

n

λ

3

λ

4

r

i

i

=

=

min Re

,

,

λ

n

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Величина перерегулирования  – 

σ%: 

2.1. при управляющем воздействии 

 

56


background image

σ

%

max

=

x

x

x

уст

уст

100%

       (рис.93), 

2.2. при возмущающем воздействии. 

В  случае  ПП  вызванных  возмущением 

(рис.95), 

максимальное 

отклонение 

определяется  величиной 

  по  отношению 

к установившемуся состоянию 

x

max

x

x

t

max

(

)

=∞

=

σ

 

САУ 

считается 

хорошей, 

если 

σ

%

=

÷

10 30%

В 

некоторых 

САУ 

перерегулирование недопустимо. 

x

x

уст

t

Рис.95

±5%

t

p

x

max

 
3. Обычно, приемлемым числом колебания в САУ считается  n = 1–3. Число колебаний равно числу 

минимумов  в  кривой  переходного  процесса  в  интервале  времени 

.  Колебательность  связана  с 

размещением  корней  характеристического  уравнения  системы  и  определяется  как  максимальное 
отношение мнимой и вещественной частей комплексных корней, т.е. 

t

p

µ

ω

α

=

=

max

,

,

i

i

i

i

n

1

Для  того,  чтобы  ограничить  колебательность,  на  плоскости  корней  задают  сектор,  определяемый 

максимальным значением 

µ

 (рис.94). 

В общем случае задача анализа состоит из определения допустимых пределов ПП (рис.96). 

При  выборе  структурной  схемы  и  значений 

параметров  САУ,  выполнить  все  перечисленные 
требования  можно  только  принятием  компромиссных 
решений из-за противоречивости этих требований. 

x

уст

x

t

Рис.96

+m

–m

t

p

x

max

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

Оценка качества регулирования по косвенным критериям

 

 
Полное представление о качестве ПП дает, естественно, сама кривая ПП 

x t

( )

. Однако, при синтезе 

систем необходимо иметь возможность судить об основных показателях качества ПП без их построения, 
по  каким-либо  косвенным  признакам,  которые  определяются  более  просто,  чем  кривая 

x t

( )

,  и,  кроме 

того, позволяют связать показатели качества непосредственно со значениями параметров системы. Такие 
косвенные  признаки  разработаны  и  называются  критериями  качества  ПП.  При  исследовании  качества 
ПП они играют ту же роль, что и критерии устойчивости при исследовании устойчивости САУ. 

Существует три группы критериев качества: 
 

1.  Частотные. 

 

2.  Корневые. 

 

3.  Интегральные. 

1. Частотные критерии основаны на связи между параметрами переходного процесса с параметрами 

частотных характеристик системы. 

 

57


background image

2.  Корневые  критерии  основаны  на  распределении  нулей  и  полюсов  передаточной  функции 

замкнутой системы. На качество ПП влияет расположение всех корней, как полюсов (знаменатель), так и 
нулей  (числитель).  Наиболее  разработаны  методы  по  распределению  полюсов,  поэтому  их 

целесообразно применять для систем с ПФ, не имеющими нулей,  

W p

K

D p

з

( )

( )

=

где 

D p

( )

 – полином, имеющий  n - корней (полюсов), 

 

K const

=

 – коэффициент усиления замкнутой системы. 

К числу корневых критериев относятся: 
 

1. Метод корневого годографа. 

 

2. Диаграмма Вишнеградского. 

3.  При  интегральном  критерии  строятся  определенные  интегралы  от  координат  системы,  от  их 

производных, а также комбинации координат и производных. 

По  величине  этих  интегралов  можно  судить  о  качестве  ПП.  Отметим,  что  прямой  связи  между 

интегральным  критерием  и  непосредственной  оценкой  кривой  ПП  не  обнаружено,  но  его  можно 
употреблять  как  самостоятельный  критерий.  По  нему  лучшей  является  та  система,  у  которой 
интегральная оценка меньше. 

 
 
 

Частотные критерии качества переходных процессов

 

 
Эти критерии, как уже говорилось, позволяют судить о качестве ПП по частотным характеристикам 

замкнутой САУ. 

Связь частотных характеристик замкнутой системы с переходной функцией 

Если 

F p

( )

  изображение  по  Лапласу  функции 

f t

( )

,  то  оригинал 

f t

( )

  можно  определить  по 

формуле обратного преобразования Лапласа: 

  –

f t

j

F p e dp

pt

c j

c j

( )

( )

=

− ∞

+ ∞

1

2

π

(1) 

 

где С – абсцисса абсолютной сходимости интеграла. 

Если обозначить изображение по Лапласу переходной функции через 

H p

( )

, то получим 

H p

W p G p

з

( )

( )

( )

=

(2) 

где 

W p

з

( )

 – передаточная функция замкнутой системы. 

 

G p

( )

 – изображение входного сигнала. 

При  

g t

( )

 – единичный ступенчатый сигнал 

 

G p

p

( )

=

1

, тогда 

H p

W p

p

h t

з

( )

( )

& ( )

=

=

где  

 – переходная функция. 

h t

( )

h t

j

W p

p

e dp

з

pt

c j

c j

( )

( )

=

− ∞

+ ∞

1

2

π

(3) 

Отметим,  что  строить  переходный  процесс  имеет  смысл  только  для  устойчивых  систем. 

Следовательно,  абсцисса  абсолютной  сходимости  С=0  и  можно  перейти  от  обратного  преобразования 
Лапласа к обратному преобразованию Фурье: 

h t

W j

j

e d

з

j t

( )

(

)

=

−∞

+∞

1

2

π

ω

ω

ω

ω

(4) 

 

58


background image

Если  передаточная  функция  замкнутой  системы  представляет  собой  дробно-рациональную 

функцию 

W p

M p

N p

з

( )

( )

( )

=

, где 

M p N p

( ),

( )

 – соответственно полиномы числителя и знаменателя от 

p

 

ПФ замкнутой системы, то уравнение (3) можно преобразовать к следующему виду 

h t

M

N

M

N

e

i

i

i

t

i

n

i

( )

( )

( )

( )

( )

=

+

⋅ ′

=

0

0

1

λ

λ

λ

λ

 – формула Хевисайда, 

(5) 

где 

λ

i

 – полюсы передаточной функции системы; 

 

n – порядок характеристического уравнения замкнутой системы. 

=

=

=

N

N

i

n

i

i

( )

( )

,

,

λ

∂ λ

∂λ

λ λ

1

Однако,  для    n>3  представляются  большие  трудности  в  нахождении  корней 

λ

i

  и  представлении 

 в виде зависимости (5). 

h t

( )

Запишем ПФ замкнутой системы в виде 

W j

P

jQ

A

e

з

j

(

)

( )

( )

( )

( )

ω

ω

ω

ω

ϕ ω

=

+

=

(6) 

Для  установления  зависимости 

  от  частотной  функции  замкнутой  системы,  воспользуемся 

конечным значением интеграла Фурье для единичной ступенчатой функции в виде 

h t

( )

1

1
2

1

0

( )

sin

t

t

d

= +

π

ω

ω

ω

(7) 

Выражение (7) показывает, что единичная ступенчатая функция может быть представлена суммой 

постоянной  составляющей  и  суммы  бесконечного  числа  слагаемых  (гармоник)  вида 

d

t

ω

πω

ω

sin

,  где 

0

< < ∞

ω

Таким  образом  на  вход  системы  действует  постоянная  составляющая 

1
2

  и  бесконечное  число 

гармоник. 

Реакция системы на постоянную составляющую получаем в виде 

A( )

0

2

Если на вход системы подан гармонический сигнал, то на выходе установится также гармонический 

сигнал вида 

A

d

t

( )

sin[

( )]

ω ω

πω

ω

ϕ ω

+

 – для каждой гармоники. 

Применим  принцип  суперпозиции  (справедливо  только  для  линейных  систем),  и  тогда  получим 

реакцию системы на 

 в виде 

1( )

t

h t

A

A

t

d

( )

( )

( )

sin[

( )]

=

+

+

0

2

1

0

π

ω

ω

ω ϕ ω ω

(8) 

В (8) разложим 

sin[

( )]

ω ϕ ω

t

+

, получим 

h t

A

A

td

A

td

( )

( )

( ) cos ( )

sin

( ) sin ( )

cos

=

+

+

0

2

1

0

0

π

ω

ϕ ω

ω

ω ω

ω

ϕ ω

ω

ω ω

(9) 

Так как 

A

P

Q

( )

( )

( )

ω

ω

=

+

2

2

ω

а 

Q( )

ω

 – функция, нечетная от 

ω

, то при 

ω

= 0

,      

Q( )

0

0

=

,   тогда 

A

P

P

( )

( )

( )

0

0

2

=

=

(10) 

0

ϕ ω

ω

ω

( )

( )

( )

arctg

Q

P

,         

ϕ

( )

0

0

=

 

59

=

=

).

(

sin

)

(

)

(

),

(

cos

)

(

)

(

ω

ϕ

ω

ω

ω

ϕ

ω

ω

A

Q

A

P

 

(11)