Статические характеристики систем управления

Математические модели систем управления включают два вида описания состояния: статическое и динамическое.

Виды статических характеристик. Режим работы систем, в котором управляемая и все промежуточные величины не изменяются во времени, называется статическим (установившимся) и описывается уравнениями зависимости выходного состояния объекта управления от постоянных (независимых от времени) значений управляющих воздействий u и любых других дестабилизирующих факторов f. Уравнения этой зависимости вида y = F(u,f) называются уравнениями статики систем. Соответствующие им графики называются статическими характеристиками.

Рис. 2.2.1. Статическая характеристика САУ.

Статическая характеристика звена с одним входом u может быть представлена кривой y = F(u). Если звено имеет второй вход по возмущению f, то статическая характеристика задается семейством кривых y = F(u) при различных значениях f, или y = F(f) при различных u (рис. 2.2.1).

Примером функционального звена системы регулирования уровня воды в баке может быть обычный рычаг с поплавком. Уравнение статики для него имеет вид y = K u. Функцией звена является усиление (или ослабление) входного сигнала в K раз. Коэффициент K = y/u, равный отношению выходной величины к входной, называется коэффициентом усиления звена. Если входная и выходная величины имеют разную природу, его называют коэффициентом передачи. Звенья с линейными статическими характеристиками называются линейными. Статические характеристики реальных звеньев систем, как правило, нелинейные. Для них характерна зависимость коэффициента передачи от величины входного сигнала: K=Dy/Du ≠ const, которая может быть выражена какой-либо математической зависимостью, задаваться таблично или графически. Если все звенья системы линейные, то система имеет линейную статическую характеристику. Если хотя бы одно звено нелинейное, то система нелинейная.

Рис. 2.2.2.

Статическое и астатическое регулирование. Если на управляемый процесс действует возмущение (дестабилизирующий фактор) f, то значение имеет статическая характеристика системы в форме y = F(f) при y₀ = const. Возможны два характерных вида этих характеристик (рис. 2.2.2). В соответствии с тем, какая из двух характеристик свойственна данной системе, различают статическое и астатическое регулирование.

Рассмотрим систему регулирования уровня воды в баке. Возмущающим фактором системы является поток Q воды из бака. Пусть при Q = 0 имеем y = y₀, сигнал рассогласования по заданному уровню воды e = 0. Звено управления Р системы (регулятор) настраивается так, чтобы вода при этом в бак не поступала. При Q ≠ 0, уровень воды понижается (e ≠ 0), поплавок опускается и открывает заслонку, в бак начинает поступать вода. Новое состояние равновесия достигается при равенстве входящего и выходящего потоков воды. Следовательно, при Q ≠ 0 заслонка должна быть обязательно открыта, что возможно только при каком-то новом уровне воды y₁, при котором e = К (y₀-y₁) ≠ 0. Причем, чем больше Q, тем при больших значениях e устанавливается новое равновесное состояние. Статическая характеристика системы имеет характерный наклон (рис. 2.2.2б).

Статические регуляторы работают при обязательном отклонении e регулируемой величины y от требуемого значения у₀. Это отклонение тем больше, чем больше возмущение f, и называется статической ошибкой регулятора. Чем больше коэффициент передачи К регулятора, тем на большую величину будет открываться заслонка при одних и тех же значениях e, обеспечивая большую величину потока Q, при этом статическая характеристика системы пойдет более полого. Поэтому для уменьшения статической ошибки надо увеличивать коэффициент передачи регулятора. Этот параметр регулирования получил название статизма d и равен тангенсу угла a наклона статической характеристики, построенной в относительных единицах:

d = tg(a) = (Dy/y_н) / (Df/f_н),

где y_н, f_н- точка номинального режима системы. При достаточно больших значениях К имеем d » 1/K.

Астатический регулятор применяется, если статическая ошибка регулирования недопустима и регулируемая величина должна поддерживать постоянное требуемое значение независимо от величины возмущающего фактора. Статическая характеристика астатической системы не имеет наклона. Для того чтобы получить астатическое регулирование, необходимо в регулятор включить астатическое звено. Астатическое звено отличается тем, что каждому значению входной величины может соответствовать множество значений выходной величины. Так, для регулирования уровня воды в астатическом режиме может быть применен импульсный двигатель. Если уровень воды понизится, то появившееся значение e > 0 включит импульсный двигатель и он начнет открывать заслонку до тех пор, пока значение e не станет равным нулю (по определенному порогу). При поднятии уровня воды значение e сменит знак, и запустит двигатель в противоположную сторону, опуская заслонку.

Астатические регуляторы не имеют статической ошибки, но они инерционны, сложны конструктивно и более дороги.

Обеспечение требуемой статической точности регулирования является первой основной задачей при расчете элементов системы управления.

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СИСТЕМ

Обычно на управляемый процесс действуют различные возмущения, отклоняющие управляемый параметр от заданной величины. Установившийся режим является не более чем частным случаем состояния системы на определенных временных интервалах ее работы. Процесс установления требуемого значения управляемой величины называется регулированием, и, ввиду инерционности звеньев регулирования, развивается во времени.

Рис. 2.3.1.

Динамическим называется режим работы системы, при котором входная и выходная величины системы изменяются во времени. Как правило, динамический режим возникает в результате перехода системы от одного установившегося состояния к другому, и поэтому его часто называют переходным режимом, а процесс перехода от одного установившегося состояния к другому - переходным процессом. Типичный пример переходных процессов для статических и астатических систем приведен на рис. 2.3.1.

Динамический режим, характеризующийся протеканием в ней определенных переходных процессов, является основным режимом работы систем. Зависимость выходной величины от изменяющейся во времени входной величины называют динамической характеристикой системы.

Все динамические характеристики можно разделить на две группы.

К первой группе относятся зависимости выходной величины системы от времени, если входная величина изменяется по типовому закону (импульсный, линейный и т.п.). Это так называемые временные характеристики.

Вторую группу динамических характеристик составляют частотные характеристики. К ним относятся зависимости выходной величины или ее параметров от частоты входной величины, изменяющейся по гармоническому закону.

Переходные процессы в системе. Зависимость выходной величины системы от времени, если входная величина изменилась на единый скачок, называют переходной характеристикой.

Рис. 2.3.2.

Допустим, система находится в установившемся режиме, и имеет значение выходной величины y = y₀. Пусть в момент t = 0 на объект воздействовал какой-либо управляющий или возмущающий фактор x(t), отклонив значение регулируемой величины от номинальной. Через некоторое время регулятор вернет систему к первоначальному состоянию (с учетом статистической ошибки). Если этот переходной процесс происходит по апериодическому временному закону (как на рис. 2.3.1), то процесс регулирования называется апериодическим. При резких возмущениях в системах возможен колебательный затухающий процесс (рис. 2.3.2), а в неустойчивых системах - возникновение незатухающих колебаний и расходящийся колебательный процесс.

Таким образом, переходная характеристика - это реакция элемента системы на ступенчатое изменение входной величины, как правило, единичное x(t) = 1(t). Под входной величиной понимается любой из управляющих или возмущающих воздействий, в многомерных или многоканальных системах – одно из воздействий. Переходная характеристика может быть задана таблично, графически или аналитически в виде системы уравнений {x = 1(t), y = F(t)}.

Оценки переходных характеристик производятся с помощью следующих показателей:

∎ Характер временной зависимости. По характеру зависимости переходные характеристики делятся на монотонные и колебательные. Переходная характеристика считается монотонной, если она имеет не более одного экстремума. В противном случае переходную характеристику относят к колебательной (немонотонной).

∎ Время переходного процесса – это время, в течение которого выходная величина после начала изменения входной достигает нового установившегося значения. Теоретически это время стремиться к бесконечности, поэтому за время переходного процесса принимают время, за которое выходная величина достигает нового установившегося значения с заданной степенью точности t_пп, обычно порядка 3-5% от нового установившегося значения. Нетрудно заметить (рис. 2.3.2). что степень точности D соответствует статической ошибке регулирования.

∎ Динамическая ошибка - это разность между действительным значением выходной величины y_i в данный момент (t_i) и её новым установившемся значением y₀, т.е

Dy(t) = y(t) – y₀. (2.2.1)

Динамическая ошибка представляет собой функцию времени. Максимальную положительную относительную ошибку за время переходного процесса называют выбросом. Выброс определяется формулой (см. рис. 2.3.2):

s = (y_м – y₀) / y₀ (2.2.2)

∎ Колебательность - количество полных колебаний за время переходного процесса. Колебательность может характеризоваться частотой или периодом колебаний выходной величины.

Импульсная характеристика является другой не менее распространенной временной характеристикой системы. Её называют импульсной переходной характеристикой или функцией веса и обозначают h(t). Это зависимость выходной величины системы от времени, если входная величина изменилась на единичный идеальный импульс.

Рис. 2.3.3.

Для получения импульсной характеристики используют импульсы прямоугольной формы (рис. 2.3.3). Такой импульс аналитически определяется выражениями:

A(t) = 0, 0 > t > t;

A(t) = a, 0 ≤ t ≤ t;

A(t) dt = at.

Рис. 2.3.4.

Произведение at часто называют величиной импульса. Если величина импульса равна единице, то импульс называют единичным. Если t → 0, то импульс называет идеальным. Он является теоретической дельта-функцией d(t) с бесконечной амплитудой в точке t=0 и площадью, равной 1.

Импульсная характеристика - это реакция системы на идеальное единичное импульсное изменение входной величины. Она может быть задана аналитически в виде системы уравнений {x = d(t), y = F(t)}. Так как идеальный импульс представляет собой производную скачка, d(t) = d 1(t) / dt, то импульсная характеристика есть производная переходной характеристики системы. Оценка импульсной характеристики производится теми же показателями, что и переходной. Пример характеристики приведен на рис. 2.3.4.