Теория автоматического управления (стр. 5 )

1.2 Общие сведения

Регулярные сигналы, используемые для исследования САР, называются типовыми воздействиями. Они позволяют сравнивать свойства различных систем при равных начальных условиях и входных сигналах одинаковой формы. К типовым обычно относятся ступенчатое (скачок) A∙1(t) или функция Хевисайда, импульсное A∙δ(t) или функция Дирака, гармоническое A∙sinωt и степенное A∙tn воздействия (функции). При А = 1 воздействие называется единичным.

Любую функцию времени с допустимой погрешностью можно разложить на совокупность типовых воздействий с соответствующими коэффициентами веса. Тогда по принципу суперпозиции реакция на это воздействие определится как сумма реакций линейной системы на отдельные воздействия, принцип вычисления которых известен.

Переходной функцией h(t) называется реакция системы на еди­ничный скачок 1(t) при нулевых начальных условиях. Реакция на скачок произвольной величины называется кривой разгона.

Импульсной (весовой) функцией g(t) называется реакция систе­мы на единичный импульс δ(t) при нулевых начальных условиях.

Основным инженерным методом решения дифференциальных уравнений, т. е. исследования поведения САР во времени, является преобразование Лапласа, которое операции дифференцирования и интегрирования заменяет более простыми алгебраическими операциями умножения и деления на комплексную переменную s. Операторная передаточная функция (ПФ) является основной формой описания систем в операторной области по методу один вход, один выход.

Передаточной функцией W(s) называется отношение изображений по Лапласу выходной величины Y(s) к входной X(s) при нулевых начальных условиях. Обычно m ≤ n, где n – порядок системы.

По дифференциальному уравнению системы составим ПФ W(s)

.

В соответствии с теоремами о начальном и конечном значениях функции времени (оригинала) начальное и конечное (установившееся) значения переходной характеристики равны отношению коэффициентов при s в степени n числителя и знаменателя передаточной функции в первом случае, и отношению свободных членов ПФ (коэффициенту усиления в установившемся режиме k(∞) или kуст) во втором.

Начальное значение:

Конечное значение: .

1.3 Указания к работе

Предварительно необходимо для фильтра, входящего в состав регулятора (рисунок 1) и состоящего из звеньев 1-4 , вычислить передаточные функции по выходам a, b, c, d относительно входа e сначала в общем виде, а затем с учетом численных значений своего варианта (таблица 1), используя правила структурных преобразований (приложение А).

Для получения экспериментальных переходных характеристик фильтра используется программа TIMECHAR "Временные характеристики" из библиотеки LinCAD (рисунок 2). Поочередно вводят передаточные функции фильтра Wae(s), Wbe(s), Wce(s), Wde(s) для выходов a, b, c и d на ЭВМ – сначала порядок полинома числителя и его коэффициенты, начиная со старшего, затем порядок полинома знаменателя и его коэффициенты, включая нулевые. Не забывайте, что разделителем целой и дробной частей числа у программ LinCAD является точка.

Рисунок 2

На вход фильтра подают сигнал в виде единичного скачка 1(t) и зарисовывают полученный график переходной характеристики h(t) в масштабе рядом с соответствующей передаточной функцией, определяя числовые значения всех характерных точек (начальное, конечное значения, максимум, минимум). Длительность периода исследования подбирают экспериментально так, чтобы в конце графика переходный процесс заканчивался (кривая шла горизонтально), но в то же время все параметры начальной части характеристики легко определялись. Начать подбор можно с 50-80 секунд, затем уменьшать значение до оптимального. Учитывая периодический характер сигнала, допускается зарисовывать вид реакции только за первую половину периода.

Каждый раз входное воздействие разлагается в ряд Фурье

,

постоянная составляющая a0, частота первой гармоники ω и коэффи­циенты Ak, Bk части гармоник которого (не более пятнадцати) выво­дятся для иллюстрации на экран. Поскольку отклик фильтра является суммой реакций на гармонические воздействия, число m которых ог­раничено, отсутствие высших гармоник может искажать начальную часть кривой – снижать ее максимальное значение при t = 0.

1.4 Методический пример

Передаточная функция фильтра по выходу a относительно входа e

.

Переходная характеристика haе(t) должна иметь начальное значение b0/a0 = 3.2/2 = 1.6 и конечное значение bm/an = 1.6/1 = 1.6.

1.5 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать название, цель работы, структурную схему фильтра с обозначениями входа и выходов, затем для каждого типа фильтра – передаточную функцию в общем виде и после подстановки численных значений, рядом полученную переходную характеристику h(t) в масштабе, с числовыми данными и обозначениями.

К защите знать назначение преобразования Лапласа, правила вычисления передаточной функции по структурной схеме, все типовые воздействия и временные характеристики. Уяснить взаимосвязь вида передаточной функции и соответствующей переходной характеристики фильтра с учетом свойств преобразования Лапласа, т. е. правил вычисления начального и конечного значений оригинала, уметь по виду передаточной функции представить вид переходной характеристики и наоборот.

2 Исследование частотных характеристик фильтра

2.1 Цель работы

Целью работы является изучение типовых частотных характеристик САР, исследование реакции на гармоническое воздействие в частотной области звеньев (фильтров) с разной передаточной функцией.

2.2 Общие сведения

Основной формой описания систем в частотной области является частотная передаточная функция или комплексный коэффициент передачи

.

Зависимости отношения амплитуд A(w) и разности фаз j(w) выходного и входного гармонического сигналов системы от частоты w в установившемся режиме называются соответственно амплитудной (АЧХ) и фазовой (ФЧХ) частотными характеристиками. АЧХ начинается при значении bm/an = kуст и заканчивается в нуле (для m<n) или при b0/a0 (для m= n). P(ω) = ReW(jω) или вещественная частотная характеристика (ВЧХ) соответствует проекции вектора W(jω) на действительную ось, Q(ω) = ImW(jω) или мнимая частотная характеристика (МЧХ) соответствует проекции вектора W(jω) на мнимую ось.

Обобщающей является амплитудно-фазовая частотная характе­ристика (АФЧХ или просто АФХ) – графическое изображение частот­ной передаточной функции W(jω) на комплексной плоскости.

Кривая (годограф), которую чертит на комплексной плоскости конец вектора при изменении частоты ω от 0 до +∞, на­зывается АФЧХ.

Реакцию системы на гармоническое воздействие любой частоты ω в показательной форме получают путем умножения на А(ω) при этой частоте амплитуды входного сигнала и добавления φ(ω) к его фазе.

Частотные характеристики системы можно изменять желаемым образом с помощью специальных корректирующих звеньев (фильтров). Фильтром называется четырехполюсник, предназначенный для выделения из состава сложного входного сигнала частотных составляющих, расположенных в полосе пропускания, и подавления частотных составляющих, расположенных в полосе задерживания.

В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и задерживания различают (рисунок 3):

а б в г

Рисунок 3

а) фильтр низких частот (ФНЧ) с полосой пропускания от нуля до w2 и полосой задерживания от частоты wз2 > w2 до бесконечности;

б) фильтр верхних частот (ФВЧ) с полосой пропускания от частоты w1 до бесконечности и полосой задерживания от нуля до частоты wз1 < w1;

в) полосовой фильтр (ПФ) с полосой пропускания, заключенной между частотами w1 и w2 и полосой задерживания частот меньших, чем wз1, и больших, чем wз2;

г) заграждающий (режекторный) фильтр (РФ) с полосой задерживания, заключенной между частотами wз1 и wз2, и полосой пропускания частот меньших, чем w1, и больших, чем w2.

2.3 Указания к работе

Используя программу FREQCHAR "Частотные характеристики" из библиотеки LinCAD (рисунок 4) и рассчитанные в предыдущей работе передаточные функции фильтра по выходам a, b, c, d относительно входа e, получить на ЭВМ (для логарифмического масштаба изменения частоты) и зарисовать в отчет АЧХ и ФЧХ для каждой передаточной функции. Начальное и конечное значения частот подбирают экспериментально, так, чтобы значительное изменение АЧХ приходилось примерно на середину графика, а в левой и правой части графика АЧХ была горизонтальной (можно начать подбор с частот 0.01 и 100).

Рисунок 4

Найти для каждого типа фильтра полосы пропускания и задерживания, построив по реальным характеристикам асимптотические (прямолинейные) и определив по точкам пересечения отрезков частоты сопряжения (граничные частоты полос), обозначить, какому типу фильтра соответствует каждая передаточная функция и график. Касательные к горизонтальным и наклонным участкам АЧХ (асимптоты) можно строить прямо на экране монитора, совмещая с получаемыми графиками линейку. Значения характеристик для конкретной точки получают в окне просмотра, перемещая стрелками курсора указатель по рабочему полю к месту сопряжения отрезков (касательных).

2.4 Методический пример

Передаточная функция фильтра по выходу a относительно входа e

.

Полученные амплитудная и фазовая частотные характеристики соответствуют заграждающему фильтру (РФ) с полосой задерживания на частоте ωз = 0.697 рад/с, полосой пропускания менее частоты ω1 = 0.032 рад/с и более частоты ω2 = 1.462 рад/с. Начальное значение АЧХ равно bm/an = 1.6/1 = 1.6, конечное b0/a0 = 3.2/2 = 1.6.

2.5 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать название, цель работы, для каждого из четырех фильтров рассчитанную передаточную функцию и полученную характеристику в масштабе с измеренными значениями амплитуды в характерных точках, частотами пропускания, задерживания и другими необходимыми обозначениями.

К защите знать все виды частотных характеристик, их смысл, методы вычисления и построения, формулировки, типы фильтров и вид их характеристик. Уяснить связь вида передаточной функции и соответствующей амплитудной частотной характеристики, т. е. уметь по виду передаточной функции построить АЧХ фильтра в соответствующем масштабе. Уметь определить с помощью АЧХ выходной сигнал по входному для заданной частоты и типа фильтра. Объяснить названия полос пропускания и задерживания.

3 Исследование устойчивости по критерию Михайлова

3.1 Цель работы

Целью работы является изучение методов оценки устойчивости САР, исследование устойчивости системы с помощью частотного критерия Михайлова.

3.2 Общие сведения

Устойчивость – это свойство системы возвращаться в исходное состояние равновесия после снятия воздействия, выведшего систему из этого состояния.

Признаки (условия) устойчивости линейной системы:

а) физический – система устойчива, если свободная составляющая yсв(t) переходного процесса с увеличением времени стремится к нулю, неустойчива – если она стремится к бесконечности, и нейтральна, если она стремится к некоторой постоянной величине;

б) математический – для устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы все корни характеристического уравнения имели отрицательную действительную часть(все полюса системы были левыми). Система находится на апериодической границе устойчивости, если при остальных левых корнях имеет один нулевой корень, и на колебательной (периодической) границе устойчивости, если при остальных левых корнях характеристического уравнения имеет пару чисто мнимых корней. Характеристическое уравнение образуется из знаменателя передаточной функции системы D(s) = 0.

При невозможности вычислить корни используют косвенные признаки – критерии устойчивости. Алгебраические критерии (Гурвица, Рауса) оценивают устойчивость системы по значениям коэффициентов характеристического уравнения, частотные критерии (Михайлова, Найквиста) – по виду частотных характеристик системы.

Критерий Михайлова основан на исследовании характеристической функции D(jω) = U(ω) + jV(ω), полученной из характеристического многочлена подстановкой s = jω.

Основная формулировка: система n-го порядка устойчива, если кривая Михайлова, начинаясь при w=0 на действительной положительной полуоси, проходит при изменении частоты w от нуля до плюс бесконечности последовательно против часовой стрелки n квадрантов комплексной плоскости.

Дополнительная формулировка (следствие или форма 2): система устойчива, если четная U(w) и нечетная V(w) функции при изменении частоты w от нуля до плюс бесконечности обращаются в нуль поочередно, начиная с нечетной функции, т. е. их корни перемежаются. Для построения графика используется та же таблица частот, что и в основной форме.

3.3 Указания к работе

Предварительно следует найти главную передаточную функцию системы (рисунок 1) Wyr(s) по выходу y относительно входа r с учетом параметров блоков 5 и 6 – сначала в общем виде, затем с численными значениями данных по своему варианту (значение коэффициента обратной связи k ос принять равным единице).

Используя программу MICHCHAR "Критерий Михайлова" из библиотеки LinCAD и характеристическое уравнение системы (знаменатель передаточной функции), необходимо получить кривую Михайлова на комплексной плоскости (рисунок 5) с таблицей частот, соответствующих пересечениям кривой с осями координат и крайним точкам кривой по каждой оси. Кривая Михайлова представляет собой раскручивающуюся спираль, уходящую в бесконечность. Поэтому диапазон частот следует подобрать экспериментально, от нуля до значения частоты, при котором кривая последний раз пересекает какую-либо ось, для более точного определения координат пересечения действительной и мнимой осей и желаемого вида кривой Михайлова.

Рисунок 5

Таблица особых частот включает только минимум точек, поэтому, пользуясь перемещающимся маркером, желательно определить координаты точек, соответствующих наибольшим отклонениям по действительной или мнимой оси, и добавить их в таблицу. По расширенной таблице нужно построить кривую Михайлова в произвольном масштабе, по ее виду дать заключение об устойчивости системы. Если какой-либо оси не оказалось на графике, ее следует дорисовать приближенно, а на кривой поставить стрелку в сторону увеличения частоты.

Самостоятельно, используя полученную таблицу частот, построить графики четной U(ω) и нечетной V(ω) функций в соответ­ствии со второй формой (следствием) критерия Михайлова, проверить сделанный ранее вывод об устойчивости системы. На всех графиках обязательно указывать порядок системы (полинома) n.

3.4 Методический пример

Характеристическое уравнение САР

D(s) = s4 + 2s3 + 3s2 + 4s + 5 = 0.

Расширенная таблица частот

ω, рад/с	U(ω)	V(ω)
0.000	5.000	0.000
0.800	3.490	2.176
1.230	2.750	1.198
1.427	3.037	-0.101
1.700	4.177	-2.280

Годограф характеристической функции D(jω)