Показатели качества управления в статическом режиме работы САУ. Статические и астатические системы

Как всякая динамическая система, САУ может находиться в одном из двух режимов — стационарном (установившемся) и переходном. Стационарный режим может быть двух типов: статический и динамический. Ограничимся здесь рассмотрением лишь статического режима.

В статическом режиме, при котором все внешние воздействия и параметры системы не меняются, качество управления характеризуется точностью.

Рассмотрим САУ с двумя воздействиями: задающим и возмущающим , где — амплитуды этих воздействий. Структурная схема такой системы приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1 — Структурная схема одноконтурной САУ

 

В соответствии с принципом суперпозиции линейная непрерывная САУ в операторной форме описывается уравнением динамики:

, (5.1)

где — изображения задающего и возмущающего воздействий;

,

—

передаточные функции замкнутой системы по каждому из воздействий.

Для анализа поведения САУ в статическом режиме (при ), в соответствии с теоремой операционного исчисления о конечном значении оригинала [1—3] , в уравнении (5.1) в передаточных функциях и изображениях нужно принять . При этом уравнение динамики превратится в уравнение статики вида

, (5.2)

где — текущие значения задающего и возмущающего воздействий.

Пусть система, изображенная на рис 5.1, не содержит интегрирующих звеньев, тогда , где — коэффициент передачи разомкнутой цепи, — коэффициент передачи звена обратной связи, — коэффициент передачи разомкнутой САУ по возмущающему воздействию (звена , установленного после точки приложения этого воздействия). Тогда уравнение (5.2) можно представить в виде:

. (5.3)

По уравнению (5.3) можно построить статические характеристики САУ. В зависимости от характера изменения воздействий и различают регулировочные и внешние статические характеристики.

Регулировочная статическая характеристика определяет изменение значения выходной величины при изменении величины задающего воздействия и при постоянном возмущающем воздействии, т.е., например, при регулировочную характеристику можно рассчитать по выражению:

.

Эта характеристика изображена на рис. 5.2, а и представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом , где — коэффициент передачи замкнутой системы по задающему воздействию.

 

Рис. 5.2 — Регулировочная (а) и внешняя (б)

статические характеристики

 

Внешняя статическая характеристика (рис. 5.2, б) определяет изменение значения выходной величины при изменении величины возмущающего воздействия при постоянном задающем воздействии и рассчитывается непосредственно по формуле (5.3) при :

, (5.4)

где — коэффициент передачи замкнутой системы по возмущающему воздействию.

Величина

(5.5)

называется статической ошибкой системы и является основной величиной, определяющей точностные параметры САУ.

В различных областях техники точность в установившемся (статическом) режиме принято характеризовать величиной отклонения выходной координаты в полном диапазоне изменения возмущающего воздействия в следующем виде:

– абсолютной величиной отклонения , где под номинальным значением понимают усредненное значение выходной величины;

– относительной величиной отклонения, выраженной в процентах

(%); (5.6)

– статизмом внешней характеристики, выраженным в процентах

(%),

где — значение выходной величины на холостом ходу (при ).

Наличие статической ошибки в общем случае является нежелательным, т.к. создается погрешность управления. Для ее полного устранения, согласно формуле (5.5), требуется до бесконечности увеличивать коэффициент передачи , а это, чаще всего, невозможно по условию обеспечения устойчивости системы. Системы, в которых нельзя полностью устранить статическую ошибку, называются статическими.

Вместе с тем имеется путь устранения статической ошибки при конечной величине коэффициента передачи .

В статическую САУ (рис. 5.1) введем интегрирующее звено, например с единичным коэффициентом передачи, причем так, чтобы оно находилось между точками приложения задающего и возмущающего воздействий. Уравнение динамики системы будет выглядеть следующим образом:

При получим

.

Отсюда следует, что при включении интегрирующего звена на оговоренном выше участке системы удалось полностью ликвидировать статическую ошибку, т.е. получить .

Пусть теперь интегрирующее звено включено после точки приложения возмущения, например содержится в звене с передаточной функцией , т.е. . Тогда

 

При

, ,

то есть система остается статической.

Системы, в которых при стремлении возмущающего воздействия к постоянной величине отклонение выходной величины стремится к нулю и не зависит от величины приложенного воздействия, называются астатическими.

Изложенное выше позволяет сделать следующий вывод. Система будет астатической только в том случае, если интегрирующее звено будет включено на участке структурной схемы САУ между точками приложения задающего и возмущающего воздействий. Включение его после точки приложения возмущающего воздействия не делает систему астатической. Можно также показать, что введение интегрирующего звена в цепь обратной связи делает систему вообще неработоспособной, поскольку знаменатель ее передаточных функций при обращается в бесконечность и выходная координата становится равной нулю.

Порядок астатизма САУ определяется количеством интегрирующих звеньев, включенных между точками приложения задающего и возмущающего воздействий.

Если возмущающее воздействие изменяется во времени, то в САУ с астатизмом второго порядка () нулю будет равна не только статическая ошибка, но и ошибка по первой производной от воздействия — скоростная ошибка. В системах с астатизмом третьего порядка, помимо перечисленных, нулю будет также равна ошибка по второй производной — ошибка по ускорению. Это свойство широко используется в следящих системах, системах с программным управлением, иначе, при нарастании задающего или возмущающего воздействий, скоростная ошибка будет также нарастать, а при сколько-нибудь длительном воздействии это недопустимо. Статическими могут быть только системы стабилизации.

Исключение статической и других (скоростной, по ускорению и т.д.) является несомненным достоинством астатических систем. Однако им присущ и ряд недостатков.

1. При введении интегрирующих звеньев снижается частота среза, сужается полоса пропускания средних частот, а как следствие – снижение быстродействия САУ. Расширить полосу пропускания и увеличить быстродействие астатической системы можно путём введения в неё не интегрирующих, а изодромных звеньев с передаточной функцией . Форсирующее звено, входящее в структуру изодромного звена, поднимет ЛАЧХ и ЛФЧХ САУ, увеличивая тем самым частоты среза и переворота фазы и расширяя полосу пропускания.

2. Повышение порядка астатизма снижает устойчивость САУ, и, например при двух интегрирующих звеньях, она может стать структурно неустойчивой. Рассмотрим эту ситуацию на конкретном примере.

Пусть в системе, структурная схема которой изображена на рис. 5.1, заданы следующие передаточные функции: , , . Тогда передаточная функция её разомкнутой цепи , характеристический полином САУ , т.е. , , , , главный минор определителя Гурвица для системы 3-го порядка будет отрицательным при любых положительных значениях коэффициентов и , и система будет структурно неустойчивой.

Для повышения устойчивости астатических систем высокого порядка вместо интегрирующих звеньев также целесообразнее использовать изодромные звенья, позволяющие устранить нулевые коэффициенты в характеристическом полиноме. При соответствующем подборе постоянной времени включение изодромного звена не оказывает или почти не оказывает влияния на запасы устойчивости САУ. Таким путем можно обеспечить астатизм второго, третьего и более высокого порядка.

3. Присутствие оператора Лапласа во втором слагаемом формулы (5.7) соответствует умножению изображения возмущающего воздействия на этот оператор. Благодаря этому статическая ошибка в астатической системе и становится равной нулю. В то же время умножение изображения на соответствует операции дифференцирования оригинала, и при его скачкообразном изменении производная будет равна бесконечности. Следовательно, в астатической САУ (первого порядка) при скачкообразном изменении возмущающего воздействия следует ожидать большого скачка выходной величины в отрицательном направлении в момент подачи возмущения. Правда, этот скачок будет конечным за счёт демпфирующего действия характеристического полинома, но всё равно он будет довольно большим.

Устранить этот недостаток можно, с одной стороны, подбором параметров астатической САУ, а с другой – повышением порядка её астатизма.

 

Пример 5.1

Рассчитать статическую точность системы стабилизации выходного напряжения генератора постоянного тока (рис. 1.3) для следующих параметров и воздействий: А/В; В/А; ; Ом; В; А.

Прежде всего необходимо составить уравнение статики рассматриваемой системы. Не зная передаточных функций отдельных элементов и системы в целом, составим математическое описание для установившегося режима на основе статических характеристик отдельных элементов (примем допущение, что все элементы имеют линейные статические характеристики).

В разомкнутой системе (см. рис. 1.2), как было выведено в разделе 1,

. (а)

ЭДС генератора пропорциональна току возбуждения, т.е. , где — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала магнитопровода генератора, конструктивных особенностей генератора и т.д. Ток возбуждения , в свою очередь, пропорционален входному сигналу усилителя У, т.е. , где — коэффициент передачи функционального усилителя У.

С учетом этого соотношение (а) можно записать в следующем виде:

. (б)

Уравнению (б) соответствует структурная схема, представленная на рис. 5.3, а.

В замкнутой системе (см. рис. 1.3) часть выходного напряжения сравнивается с задающим и разность этих напряжений подается на вход усилителя У, в соответствии с чем можно записать

, (в)

где — коэффициент передачи делителя.

С учетом формулы (в) на основе структурной схемы разомкнутой системы составим структурную схему замкнутой системы, как показано на рис. 5.3, б.

В соответствии с правилами преобразования структурных схем для схемы, изображенной на рис. 5.3, б, получим уравнение

. (г)

Уравнение статики (г), как видим, полностью соответствует обобщенному уравнению (5.3), отличаясь лишь обозначениями.

Подставим в уравнение (г) заданные значения величин и определим максимальное и минимальное значения выходного напряжения, соответствующие минимальному А и максимальному А токам нагрузки:

В;

В.

 

Рис. 5.3 — Пример статического расчета САУ

 

Представим выходное напряжение в форме (5.6):

В;

В;

%.

 

Таким образом, при изменении в оговоренном диапазоне возмущающего воздействия (тока нагрузки) отклонение выходного напряжения не превысит величины ±1,84% от номинального значения.