- •В. П. Кузнецов, с. В. Лукьянец, м. А. Крупская теория автоматического управления
- •Часть 2 Дискретные системы, нелинейные системы, случайные процессы в системах автоматического управления
- •Isbn 978-985-488-070-9 (ч.2)
- •Isbn 978-985-488-048-8
- •Содержание
- •Предисловие
- •1. Дискретные системы автоматического управления
- •1.1.Основные понятия и классификация
- •1.2. Решетчатые функции, разностные уравнения и дискретное преобразование Лапласа
- •1.3. Описание разомкнутых импульсных систем
- •1.4. Частотные характеристики импульсных систем
- •1.5 Характеристики замкнутых импульсных систем
- •1.6. Процессы в импульсных системах
- •1.7. Устойчивость процессов в импульсных системах
- •1.8. Точность импульсных систем
- •1.9. Оценки качества импульсных систем
- •1.10.Условия эквивалентности импульсных и непрерывных сау
- •1.11. Элементы синтеза импульсных систем
- •1.12.Уравнения состояния линейных импульсных систем
- •1.13. Характеристики импульсных систем, описываемых уравнениями в пространстве состояний
- •1.14. Цифровые системы автоматического управления
- •1.15. Исследование цифровых систем автоматического управления
1.9. Оценки качества импульсных систем
Так же как и для непрерывных систем, для импульсных САУ существуют различные оценки качественных показателей.
Динамические
показатели системы можно оценить по
корням характеристического уравнения
замкнутой системы
(1.38). Качественные показатели динамических
свойств линейной импульсной системы
в основном определяются характером
поведения свободной составляющей
общего решения (1.41) или, что тоже самое,
переходной составляющей, которая
является вторым слагаемым переходной
функции
в (1.42). В случае различных корней
характеристического уравнения (1.38),
свободная (переходная) составляющая
имеет вид (1.45), а при наличии одного
кратного корня
кратности
,
и остальных простых корней
будет
.
Из
приведенных выражений следует, что
характер изменения во времени
зависит от вида корней
.
Будем далее предполагать, что
,
т.е. система устойчива. Тогда при
все составляющие затухают и
.
В
теории линейных импульсных систем
принято вводить корневые оценки
относительно корней
характеристического уравнения
,
получаемого из уравнения
заменой
.
Если
,
а
,
то нетрудно получить связь между
действительными и мнимыми частями
корней
,
,
.
Доминирующей
составляющей (наиболее медленно
затухающей) в переходном процессе будет
та, для которой корень
будет иметь наибольший модуль
,
который обозначим через
.
Этому корню будет соответствовать
корень
,
для которого величина
будет минимальной.
Степенью
устойчивости
будем называть минимальную величину
модуля вещественной части корня
характеристического уравнения
замкнутой системы
. (1.62)
Таким
образом, для определения
следует в (1.62) взять корень
,
имеющий минимальный модуль.
Степень
устойчивости
применяется для оценки быстродействия
системы: чем больше
,
тем меньше
.
С этой точки зрения термин “степень
устойчивости” является неудачным, его
следовало бы заменить на термин “степень
быстродействия”. Однако будем
придерживаться общепринятой терминологии.
Если определить время регулирования
как время вхождения переходной функции
в 5% трубку от установившегося режима,
то это произойдет за
-периодов.
,
. (1.63)
В
частности, для процессов “конечной
длительности” (см. подраздел 1.6) все
корни характеристического уравнения
равны нулю и величина
.
Поэтому такие системы называют системами
сбесконечной
степенью устойчивости.
Второй
корневой оценкой является степень
колебательности
(колебательность системы)
,
определяемая как
. (1.64)
Величина
характеризует склонность системы к
колебаниям: чем больше
,
тем переходные процессы становятся
более колебательными.
Вычисление
и
по корням характеристического уравнения
при высоком порядке последнего –
трудоемкий процесс. Существуют косвенные
методы оценки этих величин, изложенные
в литературе [4].
Следующим видом оценок процессов в импульсных системах являются суммарные оценки вид
,
, (1.65)
где
переходная
функция замкнутой системы,
ее
установившееся значение при
.
Оценка
принимается для монотонных процессов
,
а
как для монотонных, так и для колебательных
.
Поэтому чаще применяются более
универсальная оценка
.
Суммарные оценки, так же как интегральные
для непрерывных систем, одновременно
с помощью одного показателя оценивают
как длительность переходного процесса
(время регулирования
),
так и его отклонения. Считается, что
чем меньше величины
и
,
тем лучше качество динамики системы.
Как показано в [4],
,
, (1.66)
где
при
,
характеристический
полином передаточной функции замкнутой
системы
,
а
.
Методика
определения
может базироваться на построении
графика зависимости квадрата модуля
от частоты на интервале
и определении площади полученной
фигуры.
Перейдем к рассмотрению частотных оценок качества импульсных систем, использующих частотные характеристики разомкнутой и замкнутой системы.
Использование АФЧХ замкнутой системы позволяет ввести так называемый показатель колебательности системы
, (1.67)
который
характеризует колебательность процессов
в системе: чем больше
тем процессы являются более колебательными.
Величина
соответствует отсутствию колебаний.
Обычно приемлемой считается величина
,
лежащая в пределах
.
Использование
позволяет, как об этом говорилось в п.
1.8, ввести понятиеполосы
пропускания замкнутой
системы, т.е. диапазон частот от 0 до
,
в котором ошибка воспроизведения
амплитуды входного гармонического
сигнала на выходе системы не превышает
заданной. Иногда
определяют, как частоту, при которой
.
Отметим,
что прямое определение
требует построения
.
Однако, существуют косвенные методы
определения
по известной АФЧХ разомкнутой системы
.
При
использовании частотных характеристик
разомкнутой системы
,
,
определяют в первую очередь запасы
устойчивости по фазе и модулю. Наиболее
часто их определяют по логарифмическим
характеристикам. Эти запасы легко
определить по графикам, что показаны
на рис. 1.7 в примере 1.3.
Отметим,
что величина
влияет на время регулирования
.
Так же как и в непрерывных системах,
чем больше
,
тем меньше
.
Напомним,
что для непрерывных систем получено
достаточно много аналитических и
графических зависимостей, связывающих
параметры частотных характеристик и
качественных показателей системы
.
К сожалению, этого нельзя сказать об
импульсных системах, у которых эти
связи более сложные и часто менее
прозрачные.
Пример 1.10.
Рассмотрим импульсную САУ из примеров
1.3 и 1.7, где
,
,
,
.
Характеристическое уравнение замкнутой
системы
имеет единственный корень
.
Из условия устойчивости
.
Если
,
то корень
,
если
,
то корень
.
Степень устойчивости
,
которая
при
изменяется от
до 0. Очевидно, при
,
величина
и система будет иметь бесконечную
степень устойчивости.
Величина
при
и
при
.
Найдем
суммарную оценку
.
Так как
,
то в соответствии с (1.66)
.
Эту оценку следует применять при
,
т.е. при
.
Минимальная величина
будет при
,
т.е. в системе с бесконечной степенью
устойчивости.
