1. Введение в теорию автоматического управления.2. Математическое описание систем автоматического управления 2.1 — 2.3, 2.3 — 2.8, 2.9 — 2.13.
3. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕНЬЕВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ. 3.1. Амплитудно-фазовая частотная характеристика: годограф, АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ. 3.2. Типовые звенья систем автоматического управления регулирования. Классификация типовых звеньев. Простейшие типовые звенья. 3.3. Апериодическое звено 1–го порядка инерционное звено. На примере входной камеры ядерного реактора. 3.4. Апериодическое звено 2-го порядка. 3.5. Колебательное звено. 3.6. Инерционно-дифференцирующее звено. 3.7. Форсирующее звено. 3.8. Инерционно-интегрирующее звено (интегрирующее звено с замедлением). 3.9. Изодромное звено (изодром). 3.10 Минимально-фазовые и не минимально-фазовые звенья. 3.11 Математическая модель кинетики нейтронов в «точечном» реакторе «нулевой» мощности.
4. Структурные преобразования систем автоматического регулирования.
5. Передаточные функции и уравнения динамики замкнутых систем автоматического регулирования (САР).
6.4. Частотный критерий устойчивости Михайлова
Советским ученым Михайловым в 30-тых годах впервые был предложен оригинальный критерий оценки устойчивости САР, основанный на исследовании частотных свойств полинома при подстановки вместо , где
Связь между частотными свойствами системы и передаточными функцииями более подробно описана в лекции 3. Частотные характеристики САР
Подставим в формулу 6.4.1
Совершенно очевидно, что:
Критерий устойчивости Михайлова:
Чтобы САР (замкнутая или разомкнутая) была устойчивой, необходимо и достаточно, чтобы годограф при изменении от нуля до переходил поочередно из квадранта в квадрант против часовой стрелки, совершив при этом поворот на угол , где - степень полинома .
На рисунке 6.4.1 представлены варианты годографов для различных степеней n полинома
Если САР устойчива, то вектор при изменении от 0 до совершает поворот на угол , где n - степень полинома .
Следствием частотного критерия Михайлова является перемежаемость (чередование) нулей полиномов и в самом деле (см. рисунок 6.4.1), для кривой с последовательность пресечения осей получается как на рисунке 6.4.2
Если система находится на апериодической границе устойчивости (один нулевой полюс при всех остальных в левой полуплоскости), то годограф имеет следующий «примерный» вид, см. рисунок 6.4.3:
Если система находится на колебательной границе устойчивости (2 чисто мнимых полюса при всех остальных в левой полуплоскости), то годограф имеет вид как на рис. 6.4.4:
Если САР неустойчива, годографы имеют вид как представлено на рисунке 6.4.5:
Докажем ряд основных моментов в критерии Михайлова.
Представим полином в виде произведения:
где - полюса главной передаточной функции.
Учитывая, что любое комплексное число типа можно представить в виде: где – модуль, - фаза.
Рассмотрим изменнение фазы, при изменении от 0 до . Обозначим изменение фазы как
Для устойчивой САР, все полюса D(s) лежат в левой полуплоскости. (см. предыдущию лекцию) Рассмотрим различные варианты расположения полюсов на плоскости:
1-й случай: пусть является реальным числом , например, , где , поскольку корень в левой полуплоскости.
Рассмотрим поведение вектора при изменении от нуля до бесконечности
Из рисунка 6.4.6 очевидно, что
при ,
при .
Т.е. при изменении от 0 до вектор, описывающий скобку повернется в положительном направлении на угол .
2-й случай: Пусть где, преобразуем скобку:
Рассмотрим изменение от до :
при - точка лежит в правом нижнем квадранте коплексной плоскости, фаза (сдвиг фазы):
(см. рис. 6.4.7)
при фаза (сдвиг фазы) (см. рис. 6.4.7)
Изменение фазы:
3-й случай: Пусть (полюс комплексно сопряженный со вторым вариантом). Преобразуем скобку
Рассмотрим изменение от до :
при - точка лежит в правом верхнем квадранте коплексной плоскости, фаза (сдвиг фазы):
(см. рис. 6.4.8)
при фаза (сдвиг фазы) (см. рис. 6.4.8)
Изменение фазы:
Рассмотрим изменения годографа полинома устойчивой системы c учетом изменения фазы для трех случаев полюсов рассмотрены выше.
Пусть у нас общее количество полюсов , - количество сопряженных полюсов полинома, тогда количество вещественных полюсов.
Покольку вещественны полюс дает (cм. формулу 6.4.6), а два комплексно сопряженных корня в сумеее дают (формулы 6.4.7 и 6.4.8)
Это означает, что при изменении частоты от нуля до бесконечности, годограф должен поочередно пройти все квадранты в положительном направлении, если САР – устойчива.
Рассмотрим неустойчивую САР, у которой ряд полюсов полинома расположен в правой полуплоскости.
4-й случай: Пусть где - реальное число.
Преобразуем скобку подставля значения полюса .
Рассмотрим изменние вектора при изменении от 0 до. Примерный вид представлен на рисунке 6.4.9, где :
Изменение фазы вектора:
при ;
при .
Изменение фазы:
Следовательно отрицательный реальный полюс дает вращение вектора в отрицательном направлении на угол . Получается наличе одного реального полюса вызывает "недоповорот" вектора на угол .
Рассмотрим два варианта с коплексными полюсами лежашими в левой полуплоскости:
5-й случай: Пусть , где и преобразуем скобку для данного случая:
.
Рассмотрим изменние вектора при изменении от 0 до . Примерный вид представлен на рисунке 6.4.10, где: ,
Рисунок 6.4.10 Вектор длядля комплексного корня. Изменение фазы вектора:
при ;
при .
Изменение фазы:
6-й случай: Пусть , явялется комплексно сопряженным полюсом для 5-го случая, где и преобразуем скобку для данного случая:.
Рассмотрим изменние вектора при изменении от 0 до . Примерный вид представлен на рисунке 6.4.11, где: ,
при ;
при .
Изменение фазы:
При наличии двух комплексно-сопряженных корней в левой полуплоскости (варианты 5 и 6) общее изменение фазы вычисляется по формуле:
Резюмируем:
Если САР - устойчива все полюса полинома степенью лежат в левой полуплоскости, то изменение фазы годографа при изменении on 0 доописывается формулой 6.4.13:
Если один полюс полинома степенью лежит в правой полуплоскости, а остальные в левой полуплоскости, то изменение фазы годографа при изменении on 0 доописывается формулой 6.4.14:
Если в правой полуплоскости расположено L полюсов полинома степенью , а остальные в левой полуплоскости, то изменение фазы годографа при изменении on 0 доописывается формулой 6.4.15:
Предельный случай
Если один из полюсов полинома явялется бесконечным (см. рисунок 6.4.12):
Данный случай возникает, если годограф в этом случае ведет себя как показано на рисунке 6.4.13:
Пример
Исследовать на устойчивость САР , представленную на рисунке 6.4.14 с использованием критерия Михайлова
Полином
Корни полинома : ;
Корни полинома ;
Чередования 0 для полиномов не происходит, (см. рис. 6.4.15)
Определим какие должны быть коэффициенты полинома и что бы САР была устойчивой согласно критерию Михайлов.
Для устойчивой системы, необходимо чередование корней, для нашего случа корни могут распологаться по возрастанию в следующем порядке:
Изменим коэффициент так, что-бы неравенство сталов верным. Например пусть . Тогда решая уравнение для , при получаем коэффициент
Проверим результат численным моделированием. Создадим стуркутурную схему, как показанао на рисунке 6.4.15.
Используем блок передаточная переменная общего вида, где будем задавать, коэффициет k, из условия задачи в качестве глобальной переменной, меня которую можно изменять коэффициент числителя (см. рис. 6.4.15). Зададим в качестве тестового воздействия ступеньку на 5-й секунду, так же поместим на схему блок построения гадогрофа Михайлова. Результаты расчет приведены на рисунке 6.4.16
Меняя коэффициет , можно убедиться, что система остается неустойчивой, при любых значениях коэффициента меняется только амплитуда колебательного процесса. График годографа Михайлова показывает, что годограф переходит из квадранта в квандрат комплексной полсокости, по часовой стрелке (см. рис. 6.4.16).
Изменим коэффициент блока предаточной функции общего вида рассчитанные для получения чердования корней , и повторим расчет. Изменненная модель и результаты моделирования представлены нар рисунке 6.4.17
Измененная система, оказывается устойчивой. При единичном ступенчатом воздействии она приходит в новое состояние равновесия. Точно так же, как для неустойчивой системы, для устойчивой системы коэффицент влияет только на амплитуду выхода, но не влияет на устойчивость. Для устойчиваой системы график годографа Михайлова показывает, что годограф переходит из квадранта в квандрат комплексной полсокости, против часовой стрелке (см. рис. 6.4.17).
Далее будет совсем жестко - годограф Найквиста! Не переключайтесь!
Комментарии (5)
ValeriyS
06.04.2023 09:02+1Если система представима в виде конечного и вычисляемого набора нулей и полюсов, то необходимым и достаточным критерием устойчивости является отсутствие полюсов в правой полуплоскости, или я что-то упустил в этом утверждении?
Я предполагаю, что:
- количество нулей равно количеству полюсов
- общий знак для gain выбран правильно для обеспечения отрицательной обратной связи
Sergeant101
06.04.2023 09:02О! Его величество ТАУ - сопромат от мира систем управления!
Годограф Михайлова.
Хотя мне лично больше ЛАЧХ нравится.
Зачем это здесь?
Автоматчика это совершенно отдельная профессия никак не связанная с программированием, даже промышленным.
Уж я то это вам гарантирую.
Вам с таким на форум математиков надо, желательно сдвинутых. )))
petuhoff Автор
06.04.2023 09:02Не соглашусь вот тут система управления готовая к заливке в контроллеры в виде управляющего ПО:
Nikeware
Формула (6.4.3). Что-то там совершенно не очевидно :-(
при w->0 : D2 к an-1
при w->inf (у Вас опечатка): D2 к +/-inf
Или я что-то не так вижу?
petuhoff Автор
Да это ошибка! у D2 же нет свободного члена, там собранны все слогаемые с i, а и может быть только в паре с и поэтому при