Анализ систем автоматического управления (стр. 3 из 4)
Импульсный элемент представляется в виде идеального ключа и формирующего устройства с передаточной функцией:
Структурная схема системы представлена на рис. 2.1. В табл. 2 Т, Т1, τ -постоянные времени имеют размерность секунды, К0 - коэффициент передачи НЧ имеет размерность сек-1и выбирается далее.
Рис 2.1 Структурная схема линейной импульсной системы
1. Для нахождения передаточной функции разомкнутой импульсной САУ W*(z) находим передаточную функцию приведенной непрерывной части:
К W(s) применяется Z-преобразование и получается передаточная функция импульсной системы W*(z) = Z{W(s)}. Преобразуем W0(s) к виду:
Представим W0(s) в виде суммы двух слагаемых
Применим к W0(s) Z-преобразование
Полученную передаточную функцию в конечном виде можно представить следующим образом:
где обозначено
Передаточные функции замкнутой системы находятся по выражениям:
2.Устойчивость системы определяется корнями характеристического уравнения замкнутой системы D*(z) = l+ W*(z) = 0, которое для нашего случая будет иметь вид:
В соответствии салгебраическим критерием замкнутая система будет устойчива при выполнении неравенств
В неравенстве при известных значениях γ, Т, τ1, Т1входит величина К0. Таким образом, можно выделить отрезок значений К0"<К0 <К0, при которых система будет устойчива и далее принять К0= 0.5К'0. Условия устойчивости будут:
После преобразований и возврата к старым переменным получим:
Получим 0<К0<7,112. Таким образом, принимаем К0=0.5 К0’=3,56.
1. Для построения частотных и логарифмических частотных характеристик в выражении W*(z) делаем замену переменной
В результате этого получим частотную характеристику W*(jλ) и далее логарифмическую амплитудно-частотную характеристику L*(λ) = 20Lg|W*(jλ)| и фазочастотную характеристику φ*(λ)= argW*(jλ), графики которых строятся в логарифмическом масштабе.
Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид
Тогда можно воспользоваться следующей последовательностью команд в MATLAB:
>> sys=tf([0.231 0.085],[1 -(1/2.71+1) 1/2.71],1)
Transfer function:
0.231 z + 0.085
---------------------
z^2 - 1.369 z + 0.369
>> sys_tr=d2c(sys,'tustin')
Transfer function:
-0.05332 s^2 - 0.1242 s + 0.4616
--------------------------------
s^2 + 0.9218 s + 2.047e-016
(опция 'tustin’ предназначена для преобразования
)Получаем выражение:
где параметры gи fвидны из вышеприведенного выражения.
Рис 2.2
4. Рассматриваемая система для всех вариантов является астатической с астатизмом первого порядка и имеет следующую передаточную функцию:
В силу астатизма первого порядка в такой системе статическая ошибка всегда равна нулю, а скоростная есквычисляется по формуле:
и следовательно, еск=1,999.
Вычислим коэффициенты ошибок. Величина С0 =0, а коэффициент ошибки
Где
передаточная функция системы по ошибке.Тогда получим производную:
Подставив в последнее выражение найденные ранее значения и z=1, окончательно получим С1=1,999.
5. При входном воздействии вида v(k) =l[k] переходный процесс взамкнутой системе можно вычислить с помощью моделирования импульсной системы в Matlab. Для этого необходимо задать передаточную функцию непрерывной части системы в tf- или zpk-форме, преобразовать ее в дискретную с помощью оператора c2dпри заданном времени дискретизации T, а затем построить переходной процесс системы оператором step. Так же можно построить и логарифмические частотные характеристики импульсной системы -bode. Если задана передаточная функция замкнутой системы в виде:
и периодом дискретизации γT, то получим
>> w0=tf([0.3 1 0],[0.3 1 1.411]) Transfer function:
0.1 s^2 + s
-------------------
0.1 s^2 + s + 3.738
0.2
>> w1=c2d(w0,0.24)
Transfer function:
z^2 - 0.8801 z - 0.1199
------------------------
z^2 - 0.4001 z + 0.09072
Sampling time: 0.24
>> step(W1)
Рис 2.3
На рис.2.4 представлена диаграмма Боде исследуемой дискретной системы с отмеченными на ней запасами устойчивости по амплитуде и фазе.
Рис. 2.4
3.Исследование нелинейной непрерывной системы автоматического управления
Задание:
Используя метод гармонической линеаризации нелинейного элемента, определить на основе частотного способа возможность возникновения автоколебаний в замкнутой системе, их устойчивость, амплитуду и частоту.
Исходные данные:
Структура нелинейной САУ представлена на рис. 3.1, где НЭ— нелинейный элемент, W(s) - передаточная функция непрерывной линейной части системы.
Рис 3.1
1. Передаточная функция W0(s) берется из пункта 1, как передаточнаяфункция скорректированной системы с соответствующими числовыми коэффициентами. Нелинейный элемент НЭ имеет нелинейную характеристику u=f(e) которая для всех заданий является характеристикой идеального реле:
где с=2.
Приближенная передаточная функция нелинейного элемента для случая идеальное реле имеет вид:
где a– амплитуда искомого периодического режима, а>0.
2. На комплексной плоскости строим характеристику:
Это прямая, совпадающая с отрицательным отрезком действительной оси, вдолькоторой идет оцифровка по амплитуде а0= 0, a1,a2, …. В том же масштабе накомплексной плоскости строится АФЧХ разомкнутой системы W0(jw) приизменении частоты от 0 до + inf.
Передаточная функция скорректированной системы:
На рис.3.2 (выделен интересующий фрагмент) пунктиром отмечена АФЧХ
рис.3.2
Точка пересечения кривых (-0,165; -0j).
В точке пересечения АФЧХ W0(jw) и прямой
по графику W(jw) находятся частота искомого периодического (гармонического) режима w=w*, а на прямой в точке пересечения его амплитуда а = а*. Тогда в системе существуют периодические колебания: