15.1. Коррекция свойств САУ включением последовательных корректирующих звеньев

Это один из наиболее распространенных путей коррекции свойств САУ, особенно в случае структурно неустойчивых САУ. Рассмотрим несколько типичных случаев.

15.1.1. Включение интегрирующего звена в статическую САУ

Если в статическую САУ последовательно с регулятором включить астатическое звено с передаточной функцией W = 1/p, то САУ станет астатической, то есть теоретически она будет иметь нулевую статическую ошибку e_уст = 0 (рис.109). Если в исходной САУ T₁ = 0.5c, T₂ = 0.02c, T₃ = 0.002c, K = 10, то включение последовательного астатического звена приведет к изменению частотных характеристик, как это показано на рис.110 пунктирными линиями.

Видим, что все ветви ЛАЧХ приобрели дополнительный наклон в -20дб/дек. ЛФЧХ интегрирующего звена есть горизонтальная линия = -/2,

поэтому ЛФЧХ разомкнутой САУ после включения данного звена опускается вниз на 90^о. Из рисунка видно, что запас устойчивости по модулю данной САУ снижается с h25дб до h_к10дб, по фазе - с 60^о до _к20^о.

Можно сделать вывод: введение в статическую САУ последовательного интегрирующего звена переводит ее в разряд астатических САУ, повышая тем самым точность управления, но требует, как правило, специальных мер по повышению запаса устойчивости САУ, например, можно уменьшить коэффициент передачи САУ.

Кроме снижения запасов устойчивости существенным недостатком данного способа коррекции САУ является снижение частоты среза wср, следовательно увеличение постоянной времени переходного процесса, то есть уменьшение быстродействия САУ.

15.1.2. Включение апериодического звена

Пусть в исходной САУ T₁ = 0.05c, T₂ = 0.01c, T₃ = 0.001c, K = 40. Введем в прямую цепь апериодическое звено с передаточной функцией

W_a(p) = 1/(T_ap + 1),

где T_a = 8c, то есть постоянная времени корректирующего звена больше, чем постоянные времени остальных звеньев САУ (рис.111). ЛАЧХ дополнительного звена представлена на рисунке тонкой сплошной линией. ЛАЧХ и ЛФЧХ скорректированной САУ представлены пунктирными линиями.

Из рисунка видно, что изначально неустойчивая САУ после коррекции стала устойчивой. Вообще введение в прямую цепь апериодического звена с постоянной времени значительно большей, чем у звеньев исходной САУ, повышает запас устойчивости САУ. К достоинствам можно отнести также снижение высокочастотных помех и колебательности переходных процессов, о чем свидетельствует смещение вниз высокочастотной части ЛАЧХ. Поэтому такой прием повышения запаса устойчивости называется демпфированием с подавлением высоких частот.

Недостаток - уменьшается частота среза wср, то есть снижается быстродействие системы.

15.1.3. Включение форсирующего звена

Передаточная функция идеального форсирующего звена W_ф(p) = T_ф(p)p + 1. При T_ф(p) = 0.005с его ЛАЧХ выглядит так, как это показано на рис.112 тонкой сплошной линией. Частотные характеристики скорректированной САУ показаны пунктирными линиями. Из рисунка видно, что изначально неустойчивая САУ после коррекции стала устойчивой. Кроме того увеличилась частота среза, то есть повысилось быстродействие системы. Это достоинства данного способа корректировки. Вместе с тем высокочастотная часть ЛАЧХ сместилась вверх, то есть усилилось влияние высокочастотных помех. Поэтому данный способ называется демпфирванием с поднятием высоких частот. Это серьезный недостаток, ограничивающий применение данного способа корректировки.

15.1.4. Включение звена со сложной передаточной функцией

Введем в исходную систему дополнительное звено со сложной передаточной функцией: ,

где T_1д = T_2д = 0.01, T_3д = 0.1,T_4д = 0.001.

Частотные характеристики такой САУ приведены пунктирной линией на рис.113. В замкнутом состоянии САУ устойчива. Устойчивость достигается смещением вниз среднечастотной части ЛАЧХ, поэтому данный прием называется демпфированием с подавлением средних частот. Он свободен от недостатков двух предыдущих приемов и его применяют наиболее часто. Но он требует большей тщательности при подборе параметров и структуры корректирующего звена.

15.2. Последовательная коррекция по задающему воздействию

Астатизма, то есть отсутствия статической ошибки, статической САУ можно достичь не только включением интегрирующего звена. Рассмотрим несколько иных путей.

Последовательной коррекцией по задающему воздействию называется включение в цепь задающего воздействия до замкнутого контура корректирующего звена со специально подобранной передаточной функцией W_к (рис.114). Передаточная функция замкнутой САУ в этом случае находится из выражения:

W_экв(p) = .

В установившемся режиме:

K_экв(p) = .

Если принять K_k(p) = , то в итоге получаем K_экв(p) = 1, то есть y_уст(p) = K_экв(p)y_o(p) = y_o(p), то есть статическая ошибка равна нулю. САУ, оставаясь статической, ведет себя как астатическая. При этом, так как корректирующее звено вынесено за пределы замкнутого контура, условия устойчивости и быстродействие не ухудшаются. Корректирующее звено может быть обычным пропорциональным звеном.

Недостаток этого способа в том, что астатизм обеспечивается только при строго определенных K_k(p). Любые неточности, особенности из-за изменения параметров в процессе эксплуатации САУ, ведут к появлению статической ошибки, в то время как, астатизм, достигнутый введением интегрирующих звеньев, сохраняется и при изменении параметров САУ.

15.3. Коррекция с использованием неединичной обратной связи

Астатизм САУ относительно задающего воздействия можно обеспечить также использованием неединичной обратной связи, когда корректирующее устройство включается в цепь главной обратной связи (рис.115). При этом

W_экв(p) = .

В установившемся режиме:

y = y_o(p).

Если принять K_k(p) = , то получим

y = = y_o(p),

то есть K_экв(p) = 1. Преимущества и недостатки данного способа коррекции те же, что и в предыдущем случае.

15.4. Компенсация возмущающего воздействия

Если возмущающее воздействие доступно измерению, то точность управления можно существенно повысить включив в САУ цепь компенсации возмущающего воздействия (рис.116), обеспечив тем самым комбинированное регулирование. Компенсирующую цепь обычно включают между входным и выходным каскадами усилителя. Составим передаточную функцию относительно возмущающего воздействия:

где W = W₁W₂W₃W₄ - передаточная функция прямой цепи. Если W₂W₃W₅W₆ = 1, то W_fy(p) = 0, то есть любое возмущение f не будет оказывать никакого влияния на выходную величину y. В этом случае говорят, что регулируемая величина инвариантна (независима) относительно возмущения f. САУ, в которых выходная величина не зависит от возмущений, называется инвариантной.

Абсолютно инвариантной САУ называется САУ, в которой W_fy(p) тождественно равна нулю (как в установившемся, так и в переходном режимах). Это обеспечить очень сложно, поэтому обычно ограничиваются упрощенным исполнением регулятора по возмущению, что обеспечивает частичное выполнение принципа инвариантности. При этом достигается условие = Kfy<<1, то есть Kfy0 и влияние возмущения f на управляемую величину очень мало. В этом случае говорят, что достигается инвариантность с точностью до малой величины e.

Этот вид регулирования имеет большие достоинства, так как в результате уменьшения влияния возмущения снижаются требования к замкнутому контуру регулирования. Это позволяет уменьшить передаточный коэффициент разомкнутой САУ, а следовательно повысить запас устойчивости замкнутой САУ. Сама компенсирующая цепь не влияет на устойчивость замкнутого контура, но она в свою очередь сама должна быть устойчивой.

Вопросы

1. В чем состоит особенность статического режима астатической САУ?
2. Можно ли добиться астатизма без включения интегрирующего звена?
3. Как отражается на динамических свойства САУ величина частоты среза?
4. Как отражается на динамических свойства САУ наклон высокочастотного участка ЛАЧХ?
5. Как отражается на динамических свойства САУ наклон низкочастотного участка ЛАЧХ?
6. Что называется демпфированием с поднятием высоких частот?
7. Что называется демпфированием с подавлением высоких частот?
8. Что называется демпфированием с подавлением средних частот?
9. Как изменятся динамические и статические характеристики САР при включении в регулятор интегрирующего звена?
10. Как изменятся динамические и статические характеристики САР при включении в регулятор астатического звена?
11. Как изменятся динамические и статические характеристики САР при включении в регулятор форсирующего звена?
12. Как осуществляется последовательная коррекция по задающему воздействию?
13. Как осуществляется коррекция с использованием неединичной обратной связи?
14. В чем общий недостаток астатических САУ без интегрирующего звена?
15. Как подобрать передаточную функцию корректирующего устройства при компенсации возмущающего воздействия?