Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Конспект лекций по ТАУ

.pdf
Скачиваний:
632
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

1

 

 

e

уст

= lim s(g(s)W (s)) = lim s

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

s→0

e

s→0

 

s

 

1+

5K p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40(s +1)

 

 

 

40

 

 

 

 

≈

 

 

 

 

 

 

 

 

.

= lim

 

 

+1

 

5K

 

s→0

s + 5K

p

 

p

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.21. Рассмотрим установившуюся ошибку в системе с ПИ-регулятором (рис. 2.16).

Kp

g(t)

e(t)

u(t)

5

y(t)

 

 

 

 

s +1

Ki

s

Рис. 2.16. Пример ПИ-регулятора

Пусть g(t) = 40, тогда

91

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

1

 

 

 

 

 

e = lim s(g(s)W (s)) = lim s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уст

s →0

 

 

 

 

e

 

s →0

 

 

 

 

s

 

 

+

5(K p + Ki / s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40s(s + 1)

 

 

 

 

= lim s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

= 0.

s

 

 

5(K

 

s + K

 

 

 

 

 

s

 

 

s →0

 

 

1

 

p

)

 

s →0

s(s + 1) + 5(K

 

 

+ K )

 

 

 

 

+

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

i

 

 

 

 

s(s + 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При подаче линейно растущего входного сигнала: g(s) = 40/s2

 

 

 

 

 

40(s + 1)

 

 

 

40

 

e

= lim s(g(s)W (s)) = lim

 

 

=

.

 

 

 

уст

s →0

e

s →0

s(s + 1)+ 5(K s + K )

 

5K

 

 

 

 

 

 

 

p

i

 

 

i

2.8. Преобразование структурных схем

Структурная схема САУ состоит обычно из множества блоков, описываемых с помощью ПФ. Различные способы преобразования структурных схем облегчают определение ПФ сложных САУ и дают возможность привести многоконтурную систему к эквивалентной ей одноконтурной схеме.

Преобразование структурной схемы САУ может быть выполнено на основании правил, основные из которых приведены в табл. 2.3.

92

 

 

 

 

 

Таблица 2.3

Правила преобразования структурных схем

Преобразо-

 

 

Структурная схема

 

 

 

 

 

 

вание

 

Исходная

Эквивалентная

 

 

Свертыва-

 

 

 

 

 

ние по-

x

 

y

x

y

следова-

W

W

W

 

W

тельного

 

 

 

W=W1W2…W n

соедине-

 

 

 

ния

 

 

 

 

 

Свертыва-

 

W1

 

x

y

ние па-

x

W2

y

 

W

раллель-

 

 

 

 

ного со-

 

Wn

 

W=W1+W2+…+

единения

 

 

 

Wn

 

 

 

Продолжение табл. 2.3.

Свертыва-

x

 

 

 

 

 

 

 

y

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

ние об-

 

 

±

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ратной

 

 

 

 

 

 

 

 

W =

 

W1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связи

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

± W1W2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перенос

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

y

 

x

 

 

 

 

 

 

y

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

x

узла через

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

звено впе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ред

 

 

 

 

 

x

 

W =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

93

Перенос

 

x

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

y

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

узла через

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

звено на-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

зад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перенос

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

сумматора

 

 

±

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

через звено

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вперед

 

 

x2

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

Перенос

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сумматора

 

 

±

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

через звено

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

назад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 2.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перенос

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

прямой связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

через звено

x

 

 

 

±

 

 

 

 

 

y

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

W

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W4=W3W2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перенос уз-

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ла через

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

сумматор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вперед

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

94

Перенос уз-

y

x1

y

x1

 

 

ла через

 

 

сумматор

 

y

 

назад

 

x2

x2

y

 

При выполнении преобразований следует каждое имеющееся в схеме типовое соединение заменить эквивалентным звеном. Затем можно выполнить перенос точек разветвления и сумматоров, чтобы в преобразованной схеме образовались новые типовые соединения звеньев. Эти соединения опять заменяются эквивалентными звеньями, затем вновь может потребоваться перенос точек разветвления и сумматоров и т. д.

Пример 2.22. Пусть необходимо получить эквивалентное представление для структуры, приведенной на рис. 2.17.

95

W

 

 

 

x

 

 

y

W

W

W

W6

 

W

 

W7

 

 

 

 

Рис. 2.17. Исходная структура САУ

 

Преобразование включает несколько этапов, показанных на рис. 2.18 – 2.21.

W

 

 

 

x

 

 

y

W

W

W

W

W

W 1/

Рис. 2.18. Перенос узла через блок W6

x

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

W

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W =

 

 

W5W6

;

W =

W4

.

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

1

+W7W6W5

8

W6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.19. Свертывание обратной связи и последовательного соединения

96

x

 

 

 

y

W10

=

W3W9

 

W1

 

W1

 

1−W8W3W9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W11

= W1 + W2

Рис. 2.20. Свертывание обратной связи и параллельного соединения

Wэк

Wэкв = W10W11

=

W1W3W5W6 + W2W3W5W6

 

1

+ W5W6W7

− W3W4W5

 

 

Рис. 2.21. Свертывание последовательного соединения

Таким образом, первый способ преобразования структурных схем заключается в непосредственном использовании правил, приведенных в табл. 2.3. Неудобство использования этого подхода заключается в том, что порядок применения формул здесь достаточно произволен, возможны ошибочные шаги, усложняющие поиск решения.

2.9. Сигнальные графы и формула Мейсона

Второй способ для получения ПФ многоконтурной системы заключается в использовании модели системы в виде сигнального графа.

Сигнальный граф позволяет графически описать линейные связи между переменными, он состоит из узлов (вершин) и соединяющих их направленных ветвей.

97

Ветвь соответствует блоку структурной схемы, она отражает зависимость входной и выходной переменных. Сумма всех сигналов, входящих в узел, образует соответствующую этому узлу переменную.

Последовательность ветвей между двумя узлами называется

путем.

Контуром называется замкнутый путь, который начинается и заканчивается в одном и том же узле, причем ни один узел не встречается на этом пути дважды. Коэффициент передачи контура – это произведение всех входящих в него дуг.

Контуры называются некасающимися, если они не имеют общих узлов.

Сигнальный граф однозначно соответствует структурной схеме.

Пусть X(s) и Y(s) – входная и выходная переменные системы. Тогда для вычисления ПФ системы управления по ее графу можно воспользоваться формулой Мейсона:

 

X (s)

 

1

N

W (s) =

=

∑ Pi (s) i (s),

 

 

 

Y (s)

i=1

где Pi(s) – передаточная функция i-го отдельного прямого пути от X(s) до Y(s), вычисленная как произведение передаточных

функций дуг, входящих в этот путь;

(s) – определитель графа.

(s) = 1 − ∑ L j (s) + ∑ L j (s)Lk (s) − ∑ L j (s)Lk (s)Lm (s) + ...,

j

j,k

j ,k ,m

где Lj(s) – ПФ j-го замкнутого контура, равная произведению ПФ дуг, входящих в этот контур; Lj(s)Lk(s) – произведение ПФ пары (j-го и k-го) замкнутых контуров, не касающихся ни дугами, ни вершинами, суммирование осуществляется по всем парам не касающихся контуров; Lj(s)Lk(s)Lm(s) – произведение тройки (j-го, k-го и m-го) не касающихся контуров, суммирование производится по всем тройкам не касающихся контуров.

98

i(s) – дополнительный множитель для i-го пути равен определителю графа, в котором приравнены нулю коэффициенты передачи контуров, касающихся этого пути.

Пример 2.23. Получить ПФ системы с обратной связью (рис. 2.22).

X(s)

E(s)

Y(s)

 

 

W1(s)

 

W3(s)

W2(s)

 

 

Рис. 2.22. Система с обратной связью

Соответствующий сигнальный граф показан на рис. 2.23.

X(s)

W1(s)

Y(s)

–W 2(s)

Рис. 2.23. Граф системы с обратной связью

От входа к выходу ведет один путь

P= W (s).

11

Вграфе есть один контур

L1= –W 1W2.

99

Таким образом:

(s) = 1 − ∑Wj (s) = 1 + W1W2 .

j

Дополнительный множитель пути равен 1, следовательно:

 

(s) =

 

W1

(s)

W3

 

 

 

.

 

 

 

 

1

+ W1 (s)W2 (s)

Пример 2.24. Рассмотрим получение ПФ многоконтурной системы с использованием формулы Мейсона для структуры рис. 2.17, которой соответствует граф, показанный на рис. 2.24.

 

W2

 

 

 

 

X(s)

W1

W3

W5

W6

Y(s)

 

 

W4

 

– W7

 

Рис. 2.24. Описание системы управления сигнальным графом

От входа к выходу ведут два пути:

P1=W1W3W5W6,

P2= W2W3W5W6.

В графе есть два контура:

 

L1= W3W5W4,

L2= –W 5W6W7.

Контур L1 касается контура L2 , поэтому определитель графа вычисляется по формуле

= 1 − (L1 + L2 ) .

100