Федеральное агентство по образованию РФ Томский политехнический университет УТВЕРЖДАЮ

Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Томский политехнический университет
УТВЕРЖДАЮ
Декан АВТФ
_____________С.А. Гайворонский
«___»_________________2008г.
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 6
«Определение оценок качества систем и их улучшение»
по дисциплине
«Математические основы общей теории систем»
для студентов направления 010500
«Прикладная математика и информатика»
Томск 2008г.
УДК 681.513.2
Математические основы общей теории систем. Методические указания к выполнению
лабораторной работы № 6. «Определение оценок качества систем и их улучшение » по
дисциплине «Математические основы общей теории системе» для студентов
направления 010500 «Прикладная математика и информатика». – Томск: Изд. ТПУ,
2008. - 10с.
Составители – доц. канд. техн. наук Ю. В. Бабушкин
Резензент – доц. канд. техн. наук В. Г. Гальченко
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изучению методическим
семинаром кафедры прикладной математики «___»_________2008г.
Зав. кафедрой
Проф. д-р физ. -мат. наук _________________Григорьев В.П.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Тема: определение оценок качества систем и их улучшение
1. Цель работы
Определение оценок качества систем и изучение методов их улучшения за счет
повышение порядка астатизма САР и использование неединичной обратной связи.
2. Основные теоретические положения
По характеру протекания переходные характеристики бывают с
перерегулированием (выбросами) (рис. 1а), без перерегулирования (рис. 1б),
монотонные (рис. 1в)
a
h(t)
h max
Tк
2
h()
h (0)
tн
t max
h(t)
t уст
t
h(t)
2
h()
б
2
h()
t уст
t
в
t уст
t
Рис. 1. Типы переходных процессов
2.1. Методы определения оценок качества систем
Используются следующие показатели качества переходных процессов:
1) верхняя (мажоранта) h M и нижняя (миноранта) h m границы области
допустимых значений (рис. 2) при которых
h m  h(t)  h M ;
(1)
2
hM
h()
hm
t уст
t
Рис. 2. Допустимая область протекания переходного процесса
2) начальное значение h(0)  lim h(t ) ;
t 0
3) установившееся значение h()  lim h(t ) ;
t 
Обычно начальное и конечное значения определяются с помощью предельных
теорем операционного исчисления
h (0)  lim pY(p) ,
(2)
h ()  lim pY(p) ;
(3)
p 
p0
4) перерегулирование  – относительная величина максимального выброса h max
переходной характеристики
,% 
h max  [h ()  h (0)]
100 ;
h ()  h (0)
(4)
5) Тмах– время достижения переходной характеристикой первого максимума;
6) время установления (регулирования) – tуст – время, начиная с которого
переходная характеристика не превышает 100%
установившегося значения
( (  0.05) , то есть [h(t )  h()]   при t  t уст ;
7) частота колебаний f к :

1
fк  к  ,
(5)
2 Tк
где Тк – период колебаний;
8) число колебаний Nк – число максимумов (минимумов) переходной
характеристики за время установления tуст:
t
(6)
N к  уст .
Tк
Показатели качества непосредственно связаны с частотными характеристиками
системы. В частности, оценку показателей качества переходной характеристики при
30 o  (c )  60 o по логарифмическим частотным характеристикам можно провести
по приближенным формулам:
,%  73  (c ) ,
3.2  3.4
,
t н , сек 
c
97
,
t уст , сек 
c

f к , гц  с .
2
(7)
Оценку показателей качества можно провести по расположению корней
характеристического уравнения замкнутой системы. Вводятся в рассмотрение
следующие параметры:
1) собственная частота колебаний  0 , равная среднегеометрическому всех
корней
 0  n  1 2 ... n 
n
c0
cn
,
(8)
где с0, сn – коэффициенты характеристического полинома. Величина  0 служит мерой
удаления «созвездия» корней от мнимой оси;
2) степень устойчивости  - расстояние от мнимой оси до ближайшего корня
(пары комплексно сопряженных или кратных корней);
3) относительный коэффициент затухания 
  cos() ;
4) расстояние  от мнимой оси до наиболее удаленного корня (корней).
2.2. Коэффициенты динамических ошибок
Пусть изображение ошибки E(p) определяется формулой
(9)
E(p)  Wош (p) U(p) ,
(10)
где Wош ( p) - передаточная функция системы по ошибке;
U(p) – управляющий сигнал.
Результат деления полинома числителя на знаменатель в Wош ( p) можно
представить в виде полинома с коэффициентами сi и тогда изображение ошибки будет
следующим
E(p)  c0 U(p)  c1pU(p)  c 2 p 2 U(p)  ....
(11)
или в области оригиналов
du( t )
d 2 u(t)
e( t )  c 0 u ( t )  c1
 c2
 ....
dt 2
dt 2
(12)
du( t ) d 2 u ( t )
,
... – составляющие ошибки установившегося режима по
dt 2
dt 2
положению, по скорости, по ускорению, по i-ой производной;
с0, с1, с2 – коэффициенты ошибки по положению, по скорости и по ускорению.
Коэффициенты ошибок связаны с передаточной функцией ошибки следующими
соотношениями
где c 0 u ( t ) , c1
c 0  Wош (0) ;
dWош (p)
;
c1 
p 0
dp
1 d 2 Wош (p)
c2 
p 0 .
2 dp 2
(13)
2.3. Методы улучшения качества систем
Для повышения качества работы систем используются следующие способы:
- повышение порядка астатизма системы введением неединичной обратной
связи;
- использование переменной структуры системы;
- введение различного рода корректирующих звеньев и т. п.
2.3.1 Неединичная обратная связь
Структурная схема системы с неединичной обратной связью имеет вид
u(t)
e(t)
y(t)
W(p)
Woc(p)
Рис. 3. Структурная схема системы с неединичной обратной связью
Пусть исходная система является статической (Woc(p)=1), то есть имеет
ненулевую установившуюся ошибку при подаче на вход системы постоянного
задающего воздействия x(t) = const.
Примем, что Woc(p)=L, где L - некоторая неизвестная величина. Передаточная
функция замкнутой системы имеет вид
W ( p)
W ( p)
(14)
Wз(p) 

1  W(p) Woc (p) 1  W(p)L
где W(p) 
B(p)
, B(p)  b0 p m  b1p m1  ....  b m , D(p)  d 0 p n  d1p n 1  ....  d n .
D(p)
Запишем изображение Лапласа функции ошибки е(t) = х(t) - y(t)
e(p)  F(p) x (p)
(15)
где х(р) - изображение задающего воздействия;
F(р) - передаточная функция системы по ошибке.
Выражение для F(р) имеет вид
F(p)  1  Wз (p) .
(16)
Для коэффициента ошибки c0 можно записать
c 0  lim
F(p)  lim
(1  Wз (p))  1 
p 0
p 0
В исходной системе (L=1) c 0 
bm
d n  Lb m
(17)
dn
#0 .
dn  bm
dn
исходная статическая система преобразовывается
bn
в астатическую. То есть устраняется статическая ошибка системы.
Подбором величины L  
Аналогично можно показать, что статическая система преобразуется в систему с
астатизмом второго порядка путем введения звена обратной связи вида
k oc
(18)
Woc (p) 
1  Toc p
соответствующим выбором параметров Кос и Тос.
3. Технологический объект регулирования
В качестве технологического объекта
описываемый передаточными функциями вида
W1 (p) 
регулирования
выбран
объект,
1
1
, W ( p) 
,
T1p  1
T2 p  1
где Т1, Т2 - фиксированные параметры объекта, полученные в результате его
математического описания.
4. Регулятор
В качестве регулятора выбрано устройство, включаемое в цепь обратной связи,
передаточная функция которого имеет вид
Wr (p) 
kr
Tr p  1
где krmax>kr>krmin - коэффициент передачи регулятора;
Trmax>Tr>Trmin - постоянная времени регулятора.
5. Варианты заданий
Исходные данные приведены в таблице 1.
Таблица 1
Вариант задания
Параметр
1
K1
Т1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1.25 2.50 4.00 2.00 2.50 1.25 2.00 4.00 3.00 3.50
С
0.2
0.4
0.9
0.6
0.8
0.3
0.5
0.7
0.5
0.4
Т2
С
0.4
0.5
0.9
0.2
0.4
0.5
0.7
0.8
0.8
1.0
6. Теоретический анализ системы
Для статической системы провести следующие исследования:
6.1. Исследование исходной системы (Wr(p) =1)
6.1.1. Найти передаточную функцию разомкнутой системы.
6.1.2. Найти передаточную функцию замкнутой системы.
6.1.3. Найти передаточную функцию замкнутой системы по ошибке.
6.1.4. Получить формулы расчета коэффициентов ошибок с0, с1, с2.
6.1.5. Найти выражение для ошибки регулирования системы Е(р) при задающем
воздействии u(t) = 3.
6.1.6. Найти выражение для ошибки регулирования е(t) при u(t) = 3. Построить
графики зависимости входного сигнала, сигнала ошибки и выходного сигнала.
Определить показатели качества системы.
6.2. Исследование системы с неединичной обратной связью
6.2.3. Найти передаточную функцию замкнутой системы по ошибке.
6.2.4. Получить формулы расчета коэффициентов ошибок с0, с1, с2.
6.2.5. Найти выражение для ошибки регулирования системы Е(р) при задающем
воздействии u(t) = 3.
6.2.6. Найти значение kr, Tr соответствующие преобразованию исходной системы
в систему с астатизмом первого порядка. Найти выражение e(t) при u(t) = 3.
Построить графики зависимости входного сигнала, сигнала ошибки и выходного
сигнала. Определить показатели качества системы.
6.2.7. Найти выражение для ошибки регулирования системы Е(р) при задающем
воздействии u(t) = u1*t.
6.2.8. Найти значение Tr, kr соответствующие преобразованию исходной системы
в систему с астатизмом второго порядка. Найти выражение e(t) при u(t) = u1*t, u1 =
6/c. Построить графики зависимости входного сигнала, сигнала ошибки и выходного
сигнала. Определить показатели качества системы.
7. Контрольные вопросы
7.1. Почему введение неединичной обратной связи позволяет свести к нулю
статическую ошибку системы?
7.2. Можно ли введением неединичной обратной связи добиться отслеживания
задающего воздействия u(t)=t с нулевой ошибкой, если исходная САР является
статической?
8. Порядок проведения лабораторной работы
8.1. Выполнить пункты раздела 6.
8.2. Запустить пакет программ ТАУ-1 на диске X в каталоге Tsoft, разделе
TAU1файл taу.bat.
8.3. Набрать систему с единичной обратной связью.
8.4. При u(t) = 3, u(t) = u1*t, где u1 = 6.0/c получить переходные процессы и
измерить показатели качества. Начертить графики исходного сигнала, сигнала ошибки
и выходного сигнала.
8.5. Набрать систему с астатизмом первого порядка.
8.6. При u(t) = 3, u(t) = u1*t, где u1 = 6.0/c получить переходные процессы и
измерить показатели качества. Начертить графики исходного сигнала, сигнала ошибки
и выходного сигнала.
8.6. Набрать систему с астатизмом второго порядка.
8.7. При u(t) = 3, u(t) = u1*t, где u1 = 6.0/c получить переходные процессы и
измерить показатели качества. Начертить графики исходного сигнала, сигнала ошибки
и выходного сигнала.
9. Требования к отчету
В отчете должны быть представлены: цель работы, структурная схема системы,
исходные данные, результаты аналитического и экспериментального изучения
системы, выводы.
Литература
1. Основы автоматического регулирования и управления. Под ред. В.М.
Пономарева, А.П. Литвинова, М., Высшая школа, 1974 г.
2. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления. Под
ред. В.А. Бесекерского, М., Наука, 1978 г.
3. Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и
управления. Под ред. Е.А. Санковского, Мн., Вышэйш. школа, 1973 г.