Синтез астатических систем
При выборе корректирующих звеньев в виде обратных передаточных функций возникает проблема. Она обычно связана с тем, что порядок числителя корректирующего звена становится больше порядка знаменателя. Это означает, что частотные характеристики таких звеньев являются расходящимися, что говорит о том, что физически такие звенья нереализуемы. В тех случаях, когда корректирующие звенья применять… Читать ещё >
Синтез астатических систем (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Федеральное агентство по образованию РФ ГОУ ВПО
" Московский Государственный Текстильный Университет им. А.Н. Косыгина"
ФИТАЭ Кафедра автоматики и промышленной электроники Курсовая работа Тема: «Синтез астатических систем»
Дисциплина: «Теория Автоматического Управления»
Москва 2009
Исходные данные:
ПИ-закон
1. По заданной системе уравнений получить передаточную функцию объекта управления и составить структурную схему замкнутой САУ, считая регулятор звеном с входной величиной Е, выходной U и передаточной функцией
2. Выбрать регулятор таким образом, чтобы система обладала свойством астатизма по отношению к постоянному задающему g (t) и возмущающему f (t) воздействию.
Для того чтобы система обладала астатизмом необходимо выполнение условия — величина установившейся ошибки по заданию и возмущению должна быть равна 0. Проверим это условие на регуляторах:
· Выбираем П — регулятор Т.к. величина установившейся ошибки не равна нулю, то система не обладает астатизмом, а следовательно считать ошибку по каналу f-E нет необходимости.
· Выбираем И — регулятор Обе ошибки равны нулю следовательно система с И — регулятором является астатической. Данный регулятор нам подходит
· Проверим наш ПИ — регулятор Система так же является астатической, что является тем, что выбранный нами ПИ — регулятор подходит к условию задания.
3. Найти область значений постоянной времени регулятора для И — закона управления, обеспечивающих устойчивость системы.
Найдем передаточную функцию замкнутой системы по каналу g-y и затем выделим ее характеристическое уравнение.
Характеристическое уравнение Q (p):
Уравнение 3 порядка, следовательно, для устойчивости системы необходимо чтобы произведение внутренних коэффициентов характеристического уравнения было больше произведения внешних коэффициентов.
Следовательно область значений для И — закона можно определить интервалом .
4. Для И — закона регулирования найти минимальную возможную величину установившейся ошибки, если g (t)=2t и f (t)=-3t.
Для определения минимальной установившейся ошибки нам необходимо узнать при каком значении постоянной времени система находится на границе устойчивости. Для этого отыщем передаточную функцию и характеристическое уравнение системы с И — регулятором. И затем найдем значение
Находим значение постоянной времени на границе устойчивости:
Найдем величину установившейся ошибки при g (t)=2t и f (t)=-3t
Поскольку задающее воздействие у нас g (t)=2t, то используя преобразование Лапласа получаем:
тогда величина установившейся ошибки будет Подставляем полученное значение и получаем
Найдем ошибку по каналу f-E
Подставляем и получаем
Тогда
5. Построить, с использованием ЭВМ, область устойчивости, на плоскости, параметров регулятора при использовании ПИ — закона, обосновать возможность и путь получения допустимой установившейся ошибки при и .
Для построение области устойчивости необходимо найти характеристическое уравнение передаточной функции для данного регулятора.
Отсюда:
Запишем условие, при котором система находится на границе устойчивости:
Выразим зависимость от
Строим область устойчивости по по лученной зависимости:
Ти | Кп | |
0,01 | 4,00 | |
0,02 | 1,50 | |
0,03 | 0,67 | |
0,04 | 0,25 | |
0,05 | 0,00 | |
0,06 | — 0,17 | |
0,07 | — 0,29 | |
0,08 | — 0,38 | |
0,09 | — 0,44 | |
Таким образом выбирая значения параметров регулятора над границей устойчивости — мы получаем устойчивую систему, и наоборот.
6. Вычислить значения параметров ПИ — регулятора, обеспечивающих устойчивость и установившуюся ошибку в системе = 0,06 при g (t)=2t и f (t)=0
Поскольку возмущение f (t)=0, то. Найдем :
для этого найдем передаточную функцию замкнутой системы по каналу g-E
По условию, тогда подставим это значение в получившееся выражение:
Таким образом для получения в системе установившейся ошибке равной 0,06 необходимо задать параметру постоянной времени значение 0,03.
7. Для интегрального закона регулирования и начальных условий, выбрать оптимальное значение постоянной времени регулятора по критерию: (Рассматривается движение в системе при g (t)=f (t)=0 и ненулевых начальных условиях).
Для решения мы будем использовать метод Мондельштама. Для этого нам необходимо найти передаточную функцию замкнутой системы и взять характеристическое уравнение:
Получаем уравнение:
Поочередно умножаем его на и на Е Интегрируем полученное уравнение по частям Получаем:
Интегрируем полученное уравнение по частям Получаем:
Из полученных уравнений составим систему уравнений:
Выбираем =1,054
8. Для найденного в пункте 7 значения постоянной времени регулятора построить с помощью ЭВМ вещественную частотную характеристику P (щ), приняв входным воздействием g (t) и входной координатой E (t)/
Для нахождения вещественной характеристики нам понадобится передаточная функция замкнутой системы по каналу g-y.
Перейдем в частотную область p=jщ:
Домножаем на сопряженное знаменателю число и получаем:
Отделяем действительную часть U (щ):
При =1,054
w | p (w) | |
0,1 | 1,10 058 | |
0,2 | 1,39 191 | |
0,3 | 1,79 471 | |
0,4 | 1,99 022 | |
0,5 | 0,997 092 | |
0,6 | 0,58 593 | |
0,7 | — 0,6 976 | |
0,8 | — 0,48 243 | |
0,9 | — 0,56 794 | |
— 0,5208 | ||
1,1 | — 0,44 696 | |
1,2 | — 0,3782 | |
1,3 | — 0,32 081 | |
1,4 | — 0,27 428 | |
1,5 | — 0,23 666 | |
1,6 | — 0,20 606 | |
1,7 | — 0,18 095 | |
1,8 | — 0,16 013 | |
1,9 | — 0,14 269 | |
— 0,12 796 | ||
2,5 | — 0,8 003 | |
— 0,5 481 | ||
3,5 | — 0,3 991 | |
— 0,3 037 | ||
4,5 | — 0,2 389 | |
— 0,1 929 | ||
5,5 | — 0,0159 | |
— 0,1 334 | ||
9. По вещественной характеристике P (щ) пункта 8 построить переходной процесс E (t) при единичном ступенчатом изменении g (t) и нулевых начальных условиях методом трапециидальных частотных характеристик.
Для построения переходного процесса нам необходимо разбить получившуюся вещественную характеристику на трапеции и построить переходный процесс для каждой из полученных трапеций.
R (0) | Wo | Wd | ||||
I | ; | 0,99 021 688 | 0,38 | 0,1 | 0,263 158 | |
II | 1,666 965 285 | 0,88 | 0,43 | 0,488 636 | ||
III | ; | 0,567 943 597 | 0,95 | 0,158 333 | ||
1-я трапеция
t табл | h (?) | t=t табл/Wo | h=R (0)*h (?) | |
0,5 | 0,199 | 1,315 789 474 | — 0,19 705 316 | |
0,386 | 2,631 578 947 | — 0,38 222 372 | ||
1,5 | 0,56 | 3,947 368 421 | — 0,55 452 145 | |
0,709 | 5,263 157 895 | — 0,70 206 377 | ||
2,5 | 0,833 | 6,578 947 368 | — 0,82 485 066 | |
0,928 | 7,894 736 842 | — 0,91 892 127 | ||
3,5 | 0,994 | 9,210 526 316 | — 0,98 427 558 | |
1,039 | 10,52 631 579 | — 0,102 883 534 | ||
4,5 | 1,057 | 11,84 210 526 | — 0,104 665 924 | |
1,067 | 13,15 789 474 | — 0,105 656 141 | ||
5,5 | 1,067 | 14,47 368 421 | — 0,105 656 141 | |
1,054 | 15,78 947 368 | — 0,104 368 859 | ||
6,5 | 1,043 | 17,10 526 316 | — 0,103 279 621 | |
1,035 | 18,42 105 263 | — 0,102 487 447 | ||
7,5 | 1,025 | 19,73 684 211 | — 0,10 149 723 | |
1,024 | 21,5 263 158 | — 0,101 398 209 | ||
8,5 | 1,022 | 22,36 842 105 | — 0,101 200 165 | |
1,025 | 23,68 421 053 | — 0,10 149 723 | ||
9,5 | 1,027 | — 0,101 695 274 | ||
1,027 | 26,31 578 947 | — 0,101 695 274 | ||
10,5 | 1,028 | 27,63 157 895 | — 0,101 794 295 | |
1,025 | 28,94 736 842 | — 0,10 149 723 | ||
11,5 | 1,021 | 30,26 315 789 | — 0,101 101 144 | |
1,015 | 31,57 894 737 | — 0,100 507 013 | ||
12,5 | 1,01 | 32,89 473 684 | — 0,100 011 905 | |
1,005 | 34,21 052 632 | — 0,99 516 797 | ||
13,5 | 35,52 631 579 | — 0,99 021 688 | ||
0,997 | 36,84 210 526 | — 0,98 724 623 | ||
14,5 | 0,996 | 38,15 789 474 | — 0,98 625 601 | |
0,995 | 39,47 368 421 | — 0,9 852 658 | ||
15,5 | 0,995 | 40,78 947 368 | — 0,9 852 658 | |
0,995 | 42,10 526 316 | — 0,9 852 658 | ||
16,5 | 0,995 | 43,42 105 263 | — 0,9 852 658 | |
0,995 | 44,73 684 211 | — 0,9 852 658 | ||
17,5 | 0,995 | 46,5 263 158 | — 0,9 852 658 | |
0,995 | 47,36 842 105 | — 0,9 852 658 | ||
18,5 | 0,994 | 48,68 421 053 | — 0,98 427 558 | |
0,992 | — 0,98 229 515 | |||
19,5 | 0,991 | 51,31 578 947 | — 0,98 130 493 | |
0,991 | 52,63 157 895 | — 0,98 130 493 | ||
2-я трапеция
t табл | h (?) | t=t табл/Wo | h=R (0)*h (?) | |
0,5 | 0,24 | 0,568 181 818 | 0,400 071 669 | |
0,461 | 1,136 363 636 | 0,768 470 997 | ||
1,5 | 0,665 | 1,704 545 455 | 1,108 531 915 | |
0,833 | 2,272 727 273 | 1,388 582 083 | ||
2,5 | 0,967 | 2,840 909 091 | 1,611 955 431 | |
1,061 | 3,409 090 909 | 1,768 650 168 | ||
3,5 | 1,115 | 3,977 272 727 | 1,858 666 293 | |
1,142 | 4,545 454 545 | 1,903 674 356 | ||
4,5 | 1,138 | 5,113 636 364 | 1,897 006 495 | |
1,118 | 5,681 818 182 | 1,863 667 189 | ||
5,5 | 1,092 | 6,25 | 1,820 326 092 | |
1,051 | 6,818 181 818 | 1,751 980 515 | ||
6,5 | 1,018 | 7,386 363 636 | 1,696 970 661 | |
0,993 | 7,954 545 455 | 1,655 296 528 | ||
7,5 | 0,974 | 8,522 727 273 | 1,623 624 188 | |
0,966 | 9,90 909 091 | 1,610 288 466 | ||
8,5 | 0,966 | 9,659 090 909 | 1,610 288 466 | |
0,97 | 10,22 727 273 | 1,616 956 327 | ||
9,5 | 0,975 | 10,79 545 455 | 1,625 291 153 | |
0,982 | 11,36 363 636 | 1,63 695 991 | ||
10,5 | 0,987 | 11,93 181 818 | 1,645 294 737 | |
0,993 | 12,5 | 1,655 296 528 | ||
11,5 | 0,997 | 13,6 818 182 | 1,66 196 439 | |
0,997 | 13,63 636 364 | 1,66 196 439 | ||
12,5 | 0,997 | 14,20 454 545 | 1,66 196 439 | |
0,997 | 14,77 272 727 | 1,66 196 439 | ||
13,5 | 0,998 | 15,34 090 909 | 1,663 631 355 | |
15,90 909 091 | 1,666 965 285 | |||
14,5 | 1,002 | 16,47 727 273 | 1,670 299 216 | |
1,005 | 17,4 545 455 | 1,675 300 112 | ||
15,5 | 1,008 | 17,61 363 636 | 1,680 301 008 | |
1,011 | 18,18 181 818 | 1,685 301 904 | ||
16,5 | 1,011 | 18,75 | 1,685 301 904 | |
1,012 | 19,31 818 182 | 1,686 968 869 | ||
17,5 | 1,009 | 19,88 636 364 | 1,681 967 973 | |
1,008 | 20,45 454 545 | 1,680 301 008 | ||
18,5 | 1,006 | 21,2 272 727 | 1,676 967 077 | |
1,001 | 21,59 090 909 | 1,668 632 251 | ||
19,5 | 0,998 | 22,15 909 091 | 1,663 631 355 | |
0,996 | 22,72 727 273 | 1,660 297 424 | ||
3-я трапеция
t табл | h (?) | t=t табл/Wo | h=R (0)*h (?) | |
0,0000 | 0,0000 | |||
0,5 | 0,184 | 0,0833 | — 0,1045 | |
0,256 | 0,1667 | — 0,1454 | ||
1,5 | 0,516 | 0,2500 | — 0,2931 | |
0,655 | 0,3333 | — 0,3720 | ||
2,5 | 0,833 | 0,4167 | — 0,4731 | |
0,863 | 0,5000 | — 0,4901 | ||
3,5 | 0,928 | 0,5833 | — 0,5271 | |
0,974 | 0,6667 | — 0,5532 | ||
4,5 | 0,977 | 0,7500 | — 0,5549 | |
1,012 | 0,8333 | — 0,5748 | ||
5,5 | 1,019 | 0,9167 | — 0,5787 | |
1,013 | 1,0000 | — 0,5753 | ||
6,5 | 1,009 | 1,0833 | — 0,5731 | |
1,006 | 1,1667 | — 0,5714 | ||
7,5 | 1,006 | 1,2500 | — 0,5714 | |
1,008 | 1,3333 | — 0,5725 | ||
8,5 | 1,01 | 1,4167 | — 0,5736 | |
1,016 | 1,5000 | — 0,5770 | ||
9,5 | 1,022 | 1,5833 | — 0,5804 | |
1,025 | 1,6667 | — 0,5821 | ||
10,5 | 1,028 | 1,7500 | — 0,5838 | |
1,029 | 1,8333 | — 0,5844 | ||
11,5 | 1,027 | 1,9167 | — 0,5833 | |
1,025 | 2,0000 | — 0,5821 | ||
12,5 | 1,022 | 2,0833 | — 0,5804 | |
1,019 | 2,1667 | — 0,5787 | ||
13,5 | 1,017 | 2,2500 | — 0,5776 | |
1,016 | 2,3333 | — 0,5770 | ||
14,5 | 1,015 | 2,4167 | — 0,5765 | |
1,014 | 2,5000 | — 0,5759 | ||
15,5 | 1,014 | 2,5833 | — 0,5759 | |
1,014 | 2,6667 | — 0,5759 | ||
16,5 | 1,014 | 2,7500 | — 0,5759 | |
1,013 | 2,8333 | — 0,5753 | ||
17,5 | 1,012 | 2,9167 | — 0,5748 | |
1,011 | 3,0000 | — 0,5742 | ||
18,5 | 1,009 | 3,0833 | — 0,5731 | |
1,008 | 3,1667 | — 0,5725 | ||
19,5 | 1,006 | 3,2500 | — 0,5714 | |
1,005 | 3,3333 | — 0,5708 | ||
20,5 | 1,004 | 3,4167 | — 0,5702 | |
1,003 | 3,5000 | — 0,5696 | ||
21,5 | 1,003 | 3,5833 | — 0,5696 | |
1,002 | 3,6667 | — 0,5691 | ||
22,5 | 1,002 | 3,7500 | — 0,5691 | |
1,002 | 3,8333 | — 0,5691 | ||
23,5 | 1,002 | 3,9167 | — 0,5691 | |
1,001 | 4,0000 | — 0,5685 | ||
24,5 | 4,0833 | — 0,5679 | ||
4,1667 | — 0,5679 | |||
25,5 | 0,999 | 4,2500 | — 0,5674 | |
0,999 | 4,3333 | — 0,5674 | ||
Суммируем графически полученные процесы и получаем
10. Определить время регулирования и максимальное перерегулирование в системе.
11. Разработать и начертить структурную схему комбинированной САУ, инвариантной по отношению к контролируемому возмущению .
Привести передаточную функцию устройства управления.
Проверить выполнение условия инвариантности.
Условия инвариантности:
если
если
При выборе корректирующих звеньев в виде обратных передаточных функций возникает проблема. Она обычно связана с тем, что порядок числителя корректирующего звена становится больше порядка знаменателя. Это означает, что частотные характеристики таких звеньев являются расходящимися, что говорит о том, что физически такие звенья нереализуемы. В тех случаях, когда корректирующие звенья применять необходимо, порядок числителя этих звеньев искусственно приравнивают к порядку знаменателя, отбрасывая в числители высшие порядки.
12. Предложить и обосновать методы компенсации действия неконтролируемых возмущений, если известен класс функций, которыми они описываются.
астатический автоматический управление моделирование программа Решить проблему инвариантности можно, если известна предварительная информация о классе возмущающих воздействий. В частности, если известен математический аппарат, описывающий функцию f (t), заданный в виде решения некоторого дифференциального уравнения.
Процедура синтеза предусматривает:
1. восстановление вида дифференциального уравнения по заданному решению;
2. получение характеристического уравнения;
3. выбор передаточной функции регулятора, в которой знаменатель совпадает с видом полученного характеристического уравнения. Числитель передаточной функции регулятора выбирается того же порядка, что и знаменатель;
4. неизвестные коэффициенты числителя передаточной функции регулятора определяются из условий устойчивости замкнутой системы.
13. Провести моделирование в программе MatLab. Определить настройки регулятора, обеспечивающего минимизацию времени регулирования.
При нулевом задающем воздействии со значением регулятора, полученными в 7 пункте:
При единичном задающем воздействии:
Для снижения времени регулирования можно немного увеличить значения регулятора примерно до 1,085.
Так же значительно уменьшает время регулирование и введение пропорциональной составляющей, т. е. использование ПИ — регулятора. С его помощью легко можно уменьшить время регулирования примерно в 1,7 раза.
Список используемой литературы
· Лекции по курсу ТАУ, Румянцев Ю.Д.
· «Теория автоматического управления», Воронов А.А.
· «Теория систем автоматического управления», Бесекерский В.А.
Приложение