[Год] [Название документа] [ПОДЗАГОЛОВОК ДОКУМЕНТА] ИЛЬЯ ПОЛИТОВ SPECIALIST REPACK | [Адрес организации] 1 Исходные данные Структурная схема. Передаточные функции звеньев неизменяемой части системы. 𝑊дв (𝑆) = 𝐾му 𝐾дв ; 𝑊му (𝑆) = ; 𝑊эу (𝑆) = 𝐾эу ; 𝑊пр (𝑆) = 𝐾пр 2 𝑇дв 𝑆 + 𝑆 𝑇му 𝑆 + 1 Требования к качеству процессов управления. 1) Допустимая ошибка в установившемся режиме eуст. 2) У управляемой переменной y(t) при единичном импульсном воздействии и Н.Н.У.: a. Допустимое время регулирования tр. b. Допустимое перерегулирование σ Числовые данные. 𝐾дв гр = 10 [ с ] ; 𝑇дв = 1.2[𝑐]; 𝐾му = 7[−]; 𝑇му = 0.3[с]; 𝐾пр = 2[с]; В 𝑔̇ уст = 50 [ гр ] ; 𝑒уст = 0.5[гр]; 𝑡р.д. = 3.5[с]; 𝜎 доп = 30% с Задание. 1) Записать ДУ, рассчитать и построить временные динамические характеристики звеньев неизменяемой части системы, а также все виды частотных характеристик этих звеньев. 2) Определить наименьший потребный коэффициент передачи электронного усилителя Кэу из условия обеспечения допустимой ошибки. 3) Выяснить возможность обеспечения требуемой точности в установившемся режиме без введения корректирующих устройств путем определения диапазона измерения Кэу из условия устойчивости. При этом воспользоваться критерием Гурвица. 4) Провести синтез линейной САУ методом ЛЧХ при заданной точности в установившемся режиме из условия обеспечения заданных показателей качества переходной функции в режиме управления 𝒕р ≤ 𝒕р.д. , 𝝈 ≤ 𝝈доп . Выбрать принципиальную схему технической реализации корректирующего устройства и рассчитать ее параметры. 5) Построить переходную функцию по управляемой переменной и определить действительные показатели качества в режиме управления. 6) Построить импульсную переходную функцию по управляемой переменной в режиме 𝒚(𝒕) стабилизации и определить ее показатели качества у𝒎𝒂𝒙 ; 𝒕р = |у 𝒎𝒂𝒙 | ≤ ∆, ∆= 𝟎. 𝟎𝟓 ∗ |у𝒎𝒂𝒙 | 7) Сделать выводы о степени соответствия синтезированной системы требованиям качества. 2 1 задание. Расчет характеристик звеньев. 1.1. Приемник 𝑊пр (𝑆) = 𝐾пр = 0.2 a) Звено является безынерционным. b) Составим дифференциальное уравнение приемника: 𝑌(𝑠) 𝑊пр (𝑆) = ⇒ 𝑌(𝑆) = 𝑊пр (𝑆) ∗ 𝑈(𝑆) 𝑈(𝑆) c) Перейдем во временную область: y(t) = 𝐾пр ∗ 𝑢(𝑡) = 0.2 ∗ 𝑢(𝑡) d) Переходная функция приемника: 0, 𝑡<0 ℎ(𝑡) = 𝐾пр ∗ 1(𝑡) = 0.2 ∗ 1(𝑡), 1(𝑡) = { 1, 𝑡≥1 e) Импульсная переходная функция dh(t) k(t) = = 𝐾пр ∗ 𝛿(𝑡) = 0.2 ∗ 𝛿(𝑡) dt f) Амплитудно-фазовая характеристика 𝑊(𝑗𝜔) = Кпр = 0.2 g) Вещественная и мнимая части АФХ 𝑃(𝜔) = Кпр = 0.6; 𝑄(𝜔) = 0 h) Амплитудно-частотная характеристика А(ω) = √𝑃2 (ω) + 𝑄 2 (ω) = 𝐾пр = 0.2 i) Фазово-частотная характеристика 𝜙(𝜔) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 𝑄(𝜔) =0 𝑃(𝜔) j) Логарифмические Амплитудная и Фазовая характеристики L(ω) = 20 ∗ log(𝐾пр ) = 20 ∗ log(0.2) = −0.7 𝜑(𝜔) = 0 3 4 5 1.2. Магнитный усилитель 𝑊му (𝑆) = 𝐾му 𝑇му 𝑆+1 = 7 0.3∗𝑆+1 a) Звено является безынерционным. b) Составим дифференциальное уравнение приемника: 𝑌(𝑠) 7 𝑊му (𝑆) = ⇒ 𝑌(𝑆) = ∗ 𝑈(𝑆) ⇒ 𝑌(𝑆) ∗ 0.3 ∗ 𝑆 + 𝑌(𝑆) = 7 ∗ 𝑈(𝑆) 𝑈(𝑆) 0.3 ∗ 𝑆 + 1 c) Перейдем во временную область: dy 0.3 ∗ + y(t) = 7 ∗ 𝑢(𝑡) dt d) Переходная функция приемника: ℎ(𝑡) = 𝐾му ∗ (1 − 𝑒 − 𝑡 𝑇му −𝑡 ) = 7 ∗ (1 − 𝑒 0.3 ) = 7 − 𝑒 −3.33𝑡 e) Импульсная переходная функция 𝑡 𝐾му 7 −𝑡 − k(t) = ∗ 𝑒 𝑇му = 𝑒 0.3 = 23.3 ∗ 𝑒 −3.33𝑡 𝑇му 0.3 f) Амплитудно-фазовая характеристика 𝐾му 7 𝑊(𝑗𝜔) = = 𝑇му ∗ jω + 1 0.3 ∗ 𝑗𝜔 + 1 g) Вещественная и мнимая части АФХ 𝐾му 𝐾му 𝑇му 𝜔 7 2.1𝜔 𝑃(𝜔) = 2 2 = ; 𝑄(𝜔) = 2 2 =− 2 𝑇му 𝜔 + 1 0.09𝜔 + 1 𝑇му 𝜔 + 1 0.09𝜔 2 + 1 h) Амплитудно-частотная характеристика 2 А(ω) = √𝑃2 (ω) + 𝑄 2 (ω) = √( 2 𝐾му 𝐾му 𝑇му 𝜔 + = ) ( 2 𝜔2 + 1 2 𝜔 2 + 1) 𝑇му 𝑇му 𝐾му 2 𝜔2 √1 + 𝑇му = 7 √1 + 0.09𝜔 2 i) Фазово-частотная характеристика 𝜙(𝜔) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 𝐾му 2 𝑇му 𝜔 2 + 𝑄(𝜔) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 𝑃(𝜔) ( 1 𝐾му 𝑇му 𝜔 2 𝜔2 + 1 𝑇му = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(𝑇му ∗ 𝜔) = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.3𝜔) ) j) Логарифмические Амплитудная и Фазовая характеристики L(ω) = 20 ∗ log 𝐾му √1 + 𝑇2му 𝜔2 = 20 ∗ log 7 √1 + 0.09𝜔2 ( ) 𝜑(𝜔) = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(𝑇му ∗ 𝜔) = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.3𝜔) 6 7 8 9 1.3. Электродвигатель 𝑊дв (𝑆) = 𝐾дв 𝑇дв 𝑆 2 +𝑆 = 10 1.2∗𝑆 2 +𝑆 a) Звено является безынерционным. b) Составим дифференциальное уравнение приемника: 𝑌(𝑠) 10 2 𝑊дв (𝑆) = ⇒ 𝑌(𝑆) = ∗ 𝑈(𝑆) ⇒ 𝑌(𝑆) ∗ 1.2 ∗ 𝑆 + 𝑌(𝑆) ∗ 𝑆 = 10 ∗ 𝑈(𝑆) 𝑈(𝑆) 1.2 ∗ 𝑆 2 + 𝑆 c) Перейдем во временную область: 𝑑 2 𝑦 dy 1.2 ∗ 2 + = 10 ∗ 𝑢(𝑡) 𝑑𝑡 dt d) Импульсная переходная функция −𝑡 𝑡 10 𝑇дв ) = 10(1 − 𝑒 −1.2 ) k(t) = 𝐿−1 {𝑊дв (𝑆)} = 𝐿−1 { } = 𝐾 (1 − 𝑒 дв 2 1.2 ∗ 𝑆 + 𝑆 e) Переходная функция 𝑡 𝑡 −𝑡 ℎ(𝑡) = ∫ 𝑘(𝑡)𝑑𝑡 = ∫ 𝐾дв (1 − 𝑒 𝑇дв ) 𝑑𝑡 = 𝐾дв [𝑡 − 𝑇дв (1 − 𝑒 0 𝑡 − 𝑇дв )] 𝑡 = 10 (𝑡 − 1.2 (1 − 𝑒 −1.2 )) 0 f) Амплитудно-фазовая характеристика 𝐾дв 10 𝑊(𝑗𝜔) = = −𝑇дв ω + 𝑗𝜔 −1.2𝜔 + 𝑗𝜔 g) Вещественная и мнимая части АФХ 𝐾дв ∗ 𝑇дв 𝐾дв 12 12 𝑃(𝜔) = = ; 𝑄(𝜔) = = − 2 𝜔2) 2 𝜔2) −(1 + 𝑇дв −(1 + 1.44𝜔 2 ) 𝜔(1 + 𝑇дв 𝜔(1 + 1.44𝜔 2 ) h) Амплитудно-частотная характеристика А(ω) = √𝑃2 (ω) + 𝑄2 (ω) = √( 𝐾дв ∗ 𝑇дв 2 ) +( −(1 + 𝑇2дв 𝜔2 ) 𝐾дв 2 ) = 𝜔(1 + 𝑇2дв 𝜔2 ) 𝐾дв 2 𝜔2 𝜔√1 + 𝑇дв = 10 𝜔√1 + 1.44𝜔 2 i) Фазово-частотная характеристика 𝐾дв 𝑄(𝜔) 𝜔(1 + 𝑇2дв 𝜔2 ) 1 𝜙(𝜔) = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( ) = −𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.83𝜔) 𝐾дв ∗ 𝑇дв 𝑃(𝜔) 𝑇дв 𝜔 2 ( −(1 + 𝑇дв 𝜔2 ) ) j) Логарифмические Амплитудная и Фазовая характеристики L(ω) = 20 ∗ log ( 𝐾дв 𝜔√1 + 𝑇2дв 𝜔2 𝜑(𝜔) = − ) = 20 ∗ log 10 𝜔√1 + 1.44𝜔2 𝑝𝑖 1 𝑝𝑖 − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( ) = − − 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.83𝜔) 2 𝑇дв 𝜔 2 10 11 12 13 2 задание. Определение наименьшего значения Kэу. Рассмотрим систему без корректирующего устройства: Задающее воздействие имеет вид: 𝑔(𝑡) = ̇ 𝑔0 + 𝑔𝑡 Передаточная функция разомкнутой системы: 𝑊раз (𝑆) = 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) П.Ф. замкнутой системы, относительно задающего воздействия: Ф𝑦𝑔 (𝑆) = 𝑊раз (𝑆) 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) 𝑌(𝑆) = = (𝑆) (𝑆)𝑊 (𝑆)𝑊 (𝑆)𝑊 (𝑆) 1 + 𝑊раз 1 + 𝑊пр 𝐺(𝑆) му эу дв П.Ф. замкнутой системы, относительно ошибки: Ф𝑒𝑔 (𝑆) = 1 𝐺(𝑆) − 𝑌(𝑆) = = 1 − Ф𝑦𝑔 (𝑆) 1 + 𝑊раз (𝑆) 𝐺(𝑆) Тогда, П.Ф. разомкнутой системы будет иметь вид: 𝑊раз (𝑆) = 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) Таким образом, П.Ф. замкнутой системы относительно ошибки: 1 Ф𝑒𝑔 (𝑆) = 1+ 𝐾пр𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) = 𝑆(𝑇дв𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) 𝑆(𝑇дв𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв Разложим Ф𝑒𝑔 (𝑆) в Ряд Тейлора: Ф𝑒𝑔 = 𝐶0𝑔 + 𝐶1𝑔 + 𝐶0𝑔 = Ф𝑒𝑔 (𝑆)|𝑠=0 ; 𝐶1𝑔 = 𝐶2𝑔 2 𝐶𝑛𝑔 𝑛 𝑆 +. . + 𝑆 , где: 2! 𝑛! 𝑑Ф𝑒𝑔 (𝑆) 𝑑𝑆 | ; 𝐶2𝑔 = 𝑠=0 Изображение ошибки: 𝐸(𝑆) = 𝐶0𝑔 𝐺(𝑆) + 𝐶1𝑔 𝑆 ∗ 𝐺(𝑆) + Во временной области: 𝑒𝑔0 (𝑡) = 𝐶0𝑔 𝐺(𝑡) + 𝐶1𝑔 𝑑2 Ф𝑒𝑔 (𝑆) 𝑑𝑔(𝑡) 𝑑𝑡 + В данном системе: 𝑔̇ уст = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 ⇒ 𝑔̈ = 𝑔⃛ =. . = 𝑔𝑛 = 0 𝐶2𝑔 2! 𝑑𝑆2 ;… 𝑠=0 𝑆2 𝐺(𝑆) + ⋯ 𝐶2𝑔 𝑑2 𝑔(𝑡) 2! | 𝑑𝑡 2 +⋯ 14 Следовательно, уравнение ошибки имеет вид: 𝑒𝑔0 (𝑡) = 𝐶0𝑔 𝐺(𝑡) + 𝐶1𝑔 𝑑𝑔(𝑡) 𝑑𝑡 Найдем коэффициенты ошибок: 𝐶0𝑔 = 𝐶1𝑔 = 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) 𝑑 ( )| 𝑑𝑆 𝑆(𝑇дв 𝑆 + 1)(𝑇му 𝑆 + 1) + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв = 𝑠=0 | = 0; 𝑠=0 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 1 = 2 (𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв ) 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв Таким образом, установившаяся ошибка: 𝑒уст = 𝐾дв 𝑔̇ 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв гр = 10 [ с ] ; 𝑇дв = 1.2[𝑐]; 𝐾му = 7[−]; 𝑇му = 0.3[с]; 𝐾пр = 0.2[с]; В 𝑔̇ уст = 50 [ гр ] ; 𝑒уст = 0.5[гр]; 𝑡р.д. = 3.5[с]; 𝜎 доп = 30% с Следовательно, коэффициент передачи электронного усилителя: 𝐾эу = 𝑔̇ , где: 𝑔̇ уст = 50; 𝑒уст = 0.5; 𝐾дв = 10; 𝐾му = 7; 𝐾пр = 0.2 𝐾пр 𝐾му 𝐾дв ∗ 𝑒уст ̇ 𝐾эу = 50 = 7.14 0.2 ∗ 7 ∗ 10 ∗ 0.5 Таким образом наименьший потребный коэффициент передачи электронного усилителя: 𝑲эу = 𝟕. 𝟏𝟒 15 3 задание. Определение возможности не введения к.у. Структурная схема системы без корректирующего устройства: Передаточная функция разомкнутой системы: 𝑊раз (𝑆) = 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) Передаточная функция замкнутой системы: 𝑊з (𝑆) = 𝐾пр𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 𝑊раз (𝑆) 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) = = 3 1 + 𝑊раз (𝑆) 1 + 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) 𝑇му 𝑇дв 𝑆 +𝑇му 𝑆2 +𝑇дв 𝑆2 + 𝑆 + 𝐾пр𝐾му 𝐾эу 𝐾дв Характеристическое уравнение замкнутой системы: 𝐴(𝑆) = 𝑇му 𝑇дв 𝑆 3 +𝑇му 𝑆 2 +𝑇дв 𝑆 2 + 𝑆 + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 𝐴(𝑗𝜔) = −𝑇му 𝑇дв 𝑗𝜔3 − 𝑇му 𝜔2 − 𝑇дв 𝜔2 + 𝑗𝜔 + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв = −0.36𝑗𝜔3 − 0.3𝜔2 + 𝑗𝜔 + 14𝐾эу 𝐴(𝑗𝜔) = (−0.3𝜔2 + 14𝐾эу ) + 𝑗(−0.36𝜔3 + 𝜔) 𝐴(𝑗𝜔) = 0.36𝑆 3 + 0.3𝑆 2 + 1𝑆 + 14𝐾эу Вещественная и мнимая части частотной характеристики замкнутой системы: P(ω) = −0.3ω2 + 14𝐾эу = 0; ⇒ 14𝐾эу = 0.3ω2 ; ⇒ 𝐾эу = 0.0214𝜔2 3 𝑄(𝜔) = −0.36𝜔 + 𝜔 = 0 ⇒ 𝑄(𝜔) = 𝜔(1 − 0.36𝜔 2) 𝜔2 = =0⇒ 1 =2.778 0.36 𝜔1 = +1.667 {𝜔2 = −1.667 𝜔3 = 0 0.0214 ∗ 0 0 𝐾эу = { ={ 0.0214 ∗ 2.778 0.059 Составим определитель Гурвица: 𝑎2 ∆= |𝑎3 0 𝑎0 𝑎1 𝑎2 0.3 14𝐾эу 0 0 | = |0.36 1 0 0.3 𝑎0 0 0 | 14𝐾эу ∆1 = 0.3 > 0 ∆2 = 0.3 ∗ 1 = 0.36 ∗ 14𝐾эу ≥ 0 ∆3 = 14𝐾эу ∗ (0.3 − 5.04𝐾эу ) 0.3 ≥ 14𝐾эу ∗ 0.36 → 𝑲эу ≤ 𝟎. 𝟎𝟓𝟗𝟓𝟐𝟗 Таким образом, максимальный коэффициент передачи электронного усилителя: 𝐾эу = 0,0595 16 Следовательно, диапазон изменения 𝐾эу, при котором система сохраняет устойчивость: 𝐾эу [0. .0.0595]. Максимально возможный коэффициент передачи электронного усилителя равный 𝐾эу = 0,0595 в 120 раз меньше минимального необходимого, найденного в пункте «2» и равный 7.14. Это означает, что без введения корректирующего устройства невозможно достигнуть необходимой точности системы, сохранив ее устойчивость. Установившаяся ошибка при максимально возможном коэффициенте передачи электронного усилителя: 𝑒уст = 𝑔̇ 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 0.5 0.5 = 0.2∗0.0595∗10∗7 = 0.833 = 0.60024 [гр] 4 задание. Синтез линейной САУ. Построим переходную функцию САУ без корректирующего устройства, при Кэу=0.0595 (значение из диапазона, при котором система сохраняет устойчивость). Тогда передаточная функция системы примет вид: 𝑊(𝑆) = 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) 1 + 𝑊пр (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) = 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв 3 2 2 𝑇му 𝑇дв 𝑆 +𝑇му 𝑆 +𝑇дв 𝑆 + 𝑆 + 𝐾пр 𝐾му 𝐾эу 𝐾дв = 0.36𝑆 3 0.833 + 1.5𝑆 2 + 𝑆 + 0.833 Показатели качества системы: 𝑡р = 13.5 [c] –Время регулирования. 𝜎= 13.5−1 ∗ 1 100% = 28% -перерегулирование. Данная система хоть и устойчива, но обладает плохими показателями качества, не удовлетворяющими заданным требованиям: 𝑡р = 3.5 [c]. 17 Для того чтобы САУ удовлетворяла заданным требованиям необходимо увеличить 𝐾эу до 7.14 , однако, такая система будет неустойчива. Для сохранения устойчивости надо ввести корректирующее устройство. Для получения передаточной функции КУ проведем синтез САУ методом ЛЧХ при заданной точности. Построим ЛАХ нескорректированной системы: 𝐾пр 𝐾эу 𝐾му 𝐾дв 𝑊раз (𝑆) = 𝑆(𝑇 дв 𝑆+1)(𝑇му 𝑆+1) – передаточная функция исходной САУ. Пусть 𝐾пр 𝐾эу 𝐾му 𝐾дв = 𝐾 , где 𝐾эу = 7,14 (из пункта 2), тогда: 𝐾 = 7.14 ∗ 0.2 ∗ 7 ∗ 10 = 100 Тогда передаточная функция исходной САУ: 𝑊и (𝑆) = 100 𝑆(1.2𝑆 + 1)(0.3𝑆 + 1) 1) Низкочастотный участок ЛАХ: НЧ асимптота имеет наклон −20 дб⁄дек ,так как присутствует интегрирующее звено. На частотах ωдв и ωму наклон увеличивается на −20 дб⁄дек. 𝜔дв = 1 1 1 1 = = 0.833; 𝜔му = = = 3.333 𝑇дв 1.2 𝑇му 0,3 Так как шкала частот логарифмическая: log(𝜔дв ) = −0.079; log(𝜔му ) = 0.523 НЧ асимптота с наклоном −20 дб⁄дек пересечет ось ординат в точке 20 log(𝐾) = 40дб. 5 задание. Переходная функция h(t). В режиме управления возмущающее воздействие отсутствует, т.е. f=0. 18 𝑊(𝑆) Ф𝑦𝑔 (𝑆) = 1+𝑊(𝑆) – передаточная функция системы по управляемой переменной. 𝑊 (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) пр 𝑊(𝑆) = 1+𝑊 ку (𝑆)𝑊му (𝑆)𝑊эу (𝑆)𝑊дв (𝑆) 𝑊пр (𝑆) = 0.2; - передаточная функция замкнутой системы, где: 𝑊му (𝑆) = 7 ; 0.3𝑆 + 1 𝑊эу (𝑆) = 7.14; 𝑊дв (𝑆) = 10 𝑆(1.2 + 1) 𝑊ку (𝑆) = Для построения переходной функции воспользуемся системой компьютерной математики MATLAB. Ф𝑦𝑔 (𝑆) =