Лабораторная работа №3 качество процессов регулирования

Цель работы:

- изучение основных качественных показателей системы в переходном и установившемся режимах

- определения статической и астатической ошибок САУ.

3. 1Основные теоретические сведения

Численные величины, характеризующие работу системы автоматического управления, носят название показателей качества, которые условно можно разделить на три группы:

а) показатели качества, характеризующие устойчивость системы;

б) показатели качества, характеризующие точность системы;

в) показатели качества, характеризующие качество переходных процессов.

Обеспечение устойчивости является необходимым условием функционирования любой системы управления и гарантирует затухание свободной или переходной составляющей процесса.

К этой первой группе показателей относятся запасы устойчивости по амплитуде и фазе .

После затухания свободной составляющей через достаточно большой промежуток времени в системе протекает установившийся процесс, который обуславливает точность системы. Показателями качества в данном случае выступают величины ошибок в установившемся режиме.

К третьей группе относятся показатели качества переходного процесса, которые характеризуют вид процесса для достаточно малых моментов времени после его начала. Эти показатели могут быть вычислены двумя способами. Первый – непосредственно по виду переходного процесса. В этом случае их называют прямыми оценками качества. Второй способ – это использование косвенных оценок показателей качества без построения кривой переходного процесса[].

На рис. 3.1 представлен наиболее распространенный вид переходной характеристики h (t).Для оценки качества регулирования по виду h (t) вводят следующие показатели качества:

t_р – время регулирования (время переходного процесса), это время, после которого величина , где обычно величина ;

–перерегулирование в процентах;

– частота колебаний переходного процесса;

M – число колебаний за время переходного процесса.

Рис. 3.1

Наиболее важными показателями качества являются t _р и . Величина t _р может изменяться в широких пределах в зависимости от вида системы управления.

Перерегулирование обычно лежит в пределах от 0 до 30%. Число колебаний за время регулирования обычно 1 – 2, а иногда 3 – 4. В некоторых случаях колебания недопустимы.

По виду функции h (t) процессы делятся на три категории (рис. 3.2):
монотонные (1), апериодические (2)и колебательные (3).

Рис.3.2 Виды переходных процессов САУ

К косвенным оценкам качества относятся корневые оценки качества, интегральные оценки качества и частотные оценки.

Корни характеристического уравнения несут всю информацию о системе.По положению корней характеристического уравнения определяют:

– степень устойчивости;

– приближенно время переходного процесса;

– показатель колебательности в системе.

Степенью устойчивости η называется наименьшее из абсолютных значений вещественных частей корней характеристического уравнения

, (3.1)

где – корни характеристического уравнения.

На комплексной плоскости – это расстояние от мнимой оси до ближайшего к ней корня или пары комплексно-сопряженных корней (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Определение степени устойчивости

Связи между временем регулирования и степенью устойчивости имеет вид

. (3.2)

Величина характеризуют предельное быстродействие системы, поэтому иногда величину называют еще мерой быстродействия системы. Доминирующее влияние на характер переходного процесса оказывают ближайшие к мнимой оси корни. Если ближайшими являются комплексно-сопряженные корни , то наряду со степенью устойчивости вводят в рассмотрение колебательность системы (колебательность переходного процесса) .

Возможна оценка качественных показателей системы по виду логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы. Всю характеристику можно условно разбить по оси частот на три диапазона, как это показано на рис. 3.4, где НЧ – диапазон низких частот, СЧ – средних и ВЧ – высоких частот.

Рис. 3.4 Области ЛАЧХ

Логарифмическая характеристика в диапазоне НЧ влияет на точностные характеристики системы, так как первая асимптота определяется двумя величинами: К – коэффициентом усиления разомкнутой системы и – порядком астатизма. Область средних частот вблизи частоты среза в значительной степени определяет такие показатели системы, как запасы устойчивости , , время регулирования , перерегулирование , величину показателя колебательности М.

Перерегулирование, запас устойчивости по фазе и показатель колебательности характеризуют колебательные свойства системы и связаны между собой приближенными соотношениями:

; . (3.3)

Для определенного вида систем справедлива обратно пропорциональная зависимость времени переходного процесса и частоты среза:

. (3.4)

С труктурная схема САУ с единичной обратной связью представлена на рис.3.5.

Рис. 3.5

Точность САУ по отношению к задающему воздействию характеризуется величиной ошибки управления

(3.5)

Если , система называется астатической по отношению к задающему воздействию, в противном случае САУ - статическая. Величину e (t) можно оценить, зная передаточную функцию САУ по отношению к ошибке:

(3.6)

где – передаточная функция разомкнутой системы.

Для астатической САУ передаточная функция имеет вид

, (3.7)

где -полиномы, а - порядок астатизма.

Для статической САУ при входном сигнале вида величина статической ошибки определяется равенством

(3.8)

где K- коэффициент усиления разомкнутой системы.

При (система с астатизмом первого порядка) при воздействиях вида и величина ошибки соответственно для первого и второго типов входного сигнала определяется по формулам

, , (3.9)

где ошибку будем называть ошибкой по скорости (скоростной ошибкой).

На рис. 3.6 показаны переходные процессы в различных системах при отработке скачка по положению и скорости: кривая 1 – для статической системы, 2 – для системы с астатизмом первого порядка, 3 – для системы с астатизмом второго порядка.

Рис. 3.6.

Точность САУ по отношению к возмущающему воздействию f (t)можно оценить, используя соответствующую передаточную функцию по возмущению:

(3.10)

Порядок астатизма системы по отношению к возмущению определяется числом интегрирующих звеньев, расположенных на структурной схеме до точки приложения возмущения и не охваченных местными обратными связями.

Выражение для ошибки в исследуемой системе (рис.3.7) имеет вид

При u (t)=const, f (t)=constможно найти статическую ошибку

.

В статической системе ошибка не равна нулю, и её абсолютная величина определяется значениями v и f, а также коэффициентом усиления разомкнутой системы: чем он больше, тем меньше ошибка. Однако необходимо помнить, что с увеличением коэффициента усиления уменьшается запас устойчивости системы, т.е. требования точности и устойчивости оказываются противоречивыми.
В астатической системе составляющая ошибки от действия v= const всегда будет равна нулю, а от f= const обращается в ноль только в том случае, когда точка приложения возмущения «расположена» после интегратора.

3.2 Порядок выполнения работы

Структурная схема исследуемой системы автоматического управления приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7

Соответствующие передаточные функции имеют вид:

; ;

Параметры для каждого варианта задания представлены в табл. 3.1.

На вход системы скачком подается задающее воздействие . Также имеются возмущающие воздействия и , приложенные в разных точках прямого канала системы.

1.В соответствии с вариантом задания (см. таблицу 3.1) необходимо собрать цифровую модель исследуемой системы в пакете Matlab/Simulink. Подайте на вход модели ступенчатое воздействие в соответствии с номером варианта, возмущающие воздействия следует отключить. Получить с помощью осциллографа Scope переходную характеристику САУ h (t). Определить прямые показатели качества.

2. Получить графики расположения корней характеристического уравнения, используя LTI-Viewer. Определить косвенные оценки качества.

3.Повторить пункты 1и 2 при удвоенном значении входного сигнала. Сделать вывод о зависимости показателей качества от величины задающего воздействия.

4. Получить графики переходного процесса, расположения корней характеристического полинома при уменьшенном и увеличенном значении коэффициента усиления K ₁, а именно K ₁=1, 75 и K ₁=7. Определить прямые и косвенные показатели качества. Сделать вывод о влиянии коэффициента усиления на показатели качества процесса управления.

5.Получить графики переходного процесса, расположения корней характеристического полинома для следующих значений постоянной времени T ₁, а именно T ₁=0, 17 c и T ₁=0.25. Определить прямые и косвенные показатели качества. Сделать вывод о влиянии постоянной времени на показатели качества процесса управления. Построить ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы для заданного изменения значения T ₁ и определить запасы устойчивости по амплитуде и фазе.

6. Определить показатели качества процесса управления относительно возмущающих воздействий. Снять графики e (t), y (t)при

а)

б)

7. Определить прямые показатели качества процесса управления. Рассчитать установившиеся ошибки и сравнить их с определенными путем моделирования. Сделать вывод о порядке астатизма системы по отношения к входному и возмущающим воздействиям.

Таблица 3.1

Параметры передаточных функций

3.3Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Структурная схема системы управления и ее параметры;

3.Кривые переходных процессов, распределения корней и найденные по ним прямые и косвенные показатели качества;

4.Расчет статических ошибок;

5.Логарифмические частотные характеристики разомкнутой системы, запасы устойчивости;

6. Анализ результатов исследования по каждому пункту работы и общие выводы по работе.

3.4 Контрольные вопросы

1. Что понимают под качеством процесса управления?

2. Назовите показатели качества установившегося режима и переходного процесса.

3. Какие вы знаете оценки качества переходного процесса?

4. Чем отличаются прямые методы оценки качества переходного процесса от косвенных?

5. Как рассчитывается установившаяся ошибка относительно воздействия: а) задающего? б) возмущающего?

6. Какая система называется статической? Какая система называется астатической?

7. Как зависит точность системы от порядка ее астатизма? Как по структурной схеме определяется порядок астатизма системы?

8. Как влияет местоположение интегратора в системе на точность работы САУ по отношению к возмущающему воздействию?

9. Как оценивается качество переходного процесса с помощью АЧХ замкнутой системы?

10. Как оценивается качество переходного процесса с помощью ЛАЧХ разомкнутой системы?