Синтез линейных систем регулирования

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Менеджмент
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    981,59 Кб
  • Опубликовано:
    2013-08-07
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Синтез линейных систем регулирования

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)







КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Математическое моделирование

Тема: Синтез линейных систем регулирования

Автор: студент гр. АПМ-08-2 Змановский В.С.

Руководитель проекта: доцент Суслова О.В.







Санкт-Петербург

Оглавление

1. Задание

. Линеаризация математической модели

. Исследование динамических характеристик объекта управления по математической модели

. Исследование устойчивости замкнутой системы управления

. Синтез линейных систем регулирования

Заключение

1. Задание

Произвести линеаризацию уравнения объекта управления согласно заданному варианту. Оценить точность линеаризации, построив график ошибки в зависимости от входного сигнала.

На основе полученного линеаризованного уравнения записать выражения для АФЧХ, АЧХ, ФЧХ, ВЧХ и МЧХ при x>1 и 0<x<1 и построить АФЧХ, АЧХ и ФЧХ для двух указанных.

Определить устойчивость системы управления по критериям Гурвица и Найквиста для двух вариантов объекта управления и построить переходные характеристики.

Произвести параметрический синтез ПИ-регулятора для своего варианта объекта управления. Построить переходной процесс при полученных оптимальных настройках.

. Линеаризация математической модели

В качестве предмета изучения будем использовать некоторый объект, описываемый дифференциальным уравнением 2-го порядка.:

(1).

Исходные данные. В качестве исходных данных служат коэффициенты уравнения (1) , , , ; границы изменения входной переменной и , номинальный режим выбран как 0,5 диапазона измерения.

Вариант №Точность в %2204Y7Y6X2940,55Решение

Подставим в уравнение (1) значение заданных коэффициентов и запишем полученное выражение:

(2).

Это нелинейное уравнение, так как в нем имеется произведение выходной переменной на ее производную (динамическая нелинейность), вторая степень выходной переменной и третья степень входной переменной .

Для того, чтобы можно было пользоваться стандартными методами теории автоматического управления, применительно к данному объекту, необходимо привести уравнение (2) к виду:

(3),

где , , , - некоторые постоянные коэффициенты.

Уравнение (3) - линейное дифференциальное уравнение. Поэтому процесс приведения к такому виду какого-то нелинейного уравнения называют линеаризацией.

Для линеаризации уравнения (2) введем понятие номинального режима: установившегося режима функционирования объекта (производные равны 0), в котором входная и выходная переменная связываются уравнением статики, и каждая имеет какое-то определенное постоянное значение. Относительно этих значений рассматриваются величины входных и выходных переменных во время работы объекта управления. Сами значения при номинальном режиме могут определяться из различных соображений: исходя из требований технологического регламента или просто как 0,5 диапазона измерения входной (выходной) величины и т.п.

Найдем уравнения статического режима для объекта (2).

Приравняем нулю все производные в уравнении (2) и получим уравнение статики объекта:

, или (4).

Уравнение (4) описывает множество возможных установившихся состояний объекта, в том числе и состояние номинального режима. Найдем значения переменных в номинальном режиме.

Диапазон измерения - от 4 до 9, а номинальное значение соответствует 0,5 (т.к. z=0,5), то есть


Из уравнения (4) найдем значение :


Тогда во всех состояниях значения входной и выходной переменных можно записать в виде уравнений (5):

(5).

Линеаризация производится для режимов, имеющих относительно малое отклонение от номинального режима.

Перенесем правую часть уравнения (2) налево и получим

(6).

Обозначим левую часть уравнения (6) через функцию :

(7).

Разложим ее в ряд Тейлора с учетом всех переменных и производных (производные рассматриваются как самостоятельные переменные) и отбросим все слагаемые второго и более высших порядков, в следствие чего получим:

(8),

где - значение при номинальном режиме, , , , - значения производных по переменным при подставленных номинальных значениях, , , , - отклонения переменных от номинального значения.

Найдем частные производные, необходимые для разложения:

,

,

,

.

Таким образом, подставив найденные значения частных производных в уравнение (8) получим:


Где члены высоких порядков отброшены, а линеаризованное уравнение имеет вид:

(9).

Уравнение (9) является линейным, но описывает объект не в абсолютных физических переменных, а в отклонениях от номинала (приращениях).

Разделим обе части уравнения (9) на коэффициент при . Тогда он примет вид:

(10),

где =0,093, =0,285, =1 - коэффициенты; =3,54 -коэффициент усиления объекта. и - производные.

Уравнение (10) является линейным дифференциальным уравнением объекта управления в канонической форме записи. Приведение к такой форме (коэффициент при равен 1) - очень важный момент для правильного определения параметров объекта (например, коэффициента усиления).

Линеаризация существенно снижает точность математической модели. Эта потеря не должна превышать 5%.

Уточним интервал измерения , в котором данная точность реализуема. Проверка проводится для статического режима.


(11),

Сопоставим характеристики (4) и (11).

Поскольку из уравнения (5) следует, что

,

То можем записать на основании уравнения (11):

(12)

Ошибку линеаризации можно посчитать по уравнению (13):

(13),

где , - значения выходной переменной для линеаризованного уравнения (12) и нелинеаризованного уравнения (4).

Подставляя в (5), (12) и (13) различные значения , можно найти значения для линеаризованного () и нелинеаризованного уравнения (). Результаты приведены в таблице.

4,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,06,4928,26210,03211,80213,57215,34217,11218,88220,65222,42224,1927,4078,83810,35111,94213,60715,34317,14619,01620,94922,94324,997,%5,9613,7532,0790,9110,2260,0030,2240,8731,9353,3985,248

Как видно из таблицы, на краях заданного диапазона точность линеаризации недостаточна. Найдем параметры диапазона, в котором ошибка не превышает заданных 5%. Из уравнения (13) получим:

Откуда ,

Решая это уравнение, получаем новые значения границ интервала. Они будут: и . Построим график .


Построим графики и , то есть линеаризованной и нелинеаризованной статических характеристик.


Таким образом, исходное уравнение (1) линеаризуется уравнением вида (10):

,

а требуемая точность достигается в интервале изменения входной переменной от 4,2 до 8,9.

. Исследование динамических характеристик объекта управления по математической модели

В результате линеаризации нелинейной модели объекта управления получено некоторое линейное дифференциальное уравнение 2 порядка. Линеаризованное уравнение имеет вид:

(14)

Напомним, что и - производные по времени, а (14) это уравнение в отклонениях от номинального (знак D опущен для простоты записи). Для уравнения 2 порядка каноническая форма записи имеет вид:

(15)

где - постоянная времени объекта, с; - коэффициент усиления объекта по каналу - ; - так называемый коэффициент демпфирования, смысл которого будет рассмотрен позже.

Следует отметить важность приведения к канонической форме для получения правильных значений параметров объекта. Характерная черта канонической формы дифференциального уравнения объекта - это то, что при выходной переменной () коэффициент равен 1.

Сравнивая выражения (14) и (15), получим:

=0,304, =0,468, =3,54.

Применим к уравнению (14) преобразование Лапласа.

Напомним, что для некоторой функции f(t) преобразование Лапласа определяется, как:

,

где р - комплексная переменная.

Для величин, входящих в уравнение (14), преобразование Лапласа имеет вид:

;

;

С учетом этого, уравнение (16) имеет следующий вид:

, или

(16)

Уравнение (16) называется изображением по Лапласу для уравнения (15). Полином, стоящий в левой части уравнения (16), носит название характеристического полинома.

Уравнение =0 называется характеристическим уравнением.

Для анализа объекта управления обычно используют два вида типовых возмущений:

Х = 1[t] - единичный скачек

Х = d[t] - мгновенный импульс

Решение Y(t) при X = 1[t] называется переходной характеристикой объекта управления h(t). Решение Y(t) при X = d[t] называется импульсной характеристикой (функцией веса) объекта w(t).

Следует отметить, что весовая функция w(t) является производной от функции переходного процесса h(t).

Решение дифференциального уравнения ищется в виде суммы экспонент. Вид решения зависит от входного сигнала.

Для звена второго порядка эти решения имеют вид:

(17)

(18)

Здесь ; - корни характеристического уравнения, которые определяются, как ; , - постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий. Следует обратить внимание на величину x. В случае, когда x>1, дискриминант положителен и корни р1; р2 получаются вещественными. Переходной процесс называется монотонным.

В случае, когда 0<x<1, дискриминант отрицательный и корни р1; р2 получаются комплексными, вида где . В этом случае, выражение (17) можно представить в виде:

(19),

а выражение (18) в виде:

(20).

Здесь a - степень затухания амплитуды (учитывает вещественную часть корней характеристического уравнения); w - круговая частота колебаний выходной переменной (учитывает мнимую часть корней характеристического уравнения); А - начальная амплитуда колебаний, f - фазовый сдвиг.

Переходной процесс, получающийся при решении такого вида, называется колебательным.

Значение постоянных можно найти по выражениям:

(21)

В данном случае =0,304, =0,468, =3,54 следовательно:

, , ,

Тогда по (19) и (20)

(22)

(23)

Для получения монотонного процесса прибавим к x единицу. Тогда при x>1 (x=1,468):

,

следовательно р1=-1,309, р2=-8,349, а по (17) и (18) получаем:

линейный регулирование математическая модель


Тогда

(24)

(25)

По приведенным выражениям строим графические характеристики:


Переходные характеристики объекта при x>1 и 0<x<1


Импульсные характеристики объекта при x>1 и 0<x<1

Уравнение (16) можем переписать следующим образом:

(26)

Выражение вида при нулевых начальных условиях, называют передаточной функцией объекта управления.

В случае, когда к дифференциальному уравнению объекта управления применяют преобразование Фурье:

(27)

Выражение (23) называют амплитудно-фазовой частотной характеристикой (АФЧХ) объекта управления, поскольку выражение, являющееся коэффициентом перед экспонентой, характеризует зависимость амплитуды колебаний, а показатель экспоненты - фазового сдвига от частоты.

АФЧХ можно разбить на две составляющие:

) Амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) - А(w)

) Фазо-частотную характеристику (ФЧХ) - j(w)

) АФЧХ объекта второго порядка имеет вид: , поэтому:

АЧХ: (28)

А) при 0<x<1:

Б) при x>1:


) ФЧХ объекта второго порядка имеет вид:

ФЧХ: (29)

А) при 0<x<1:

Б) при x>1:


Следует отметить, что АФЧХ является комплексным числом, поэтому может быть представлена в виде:


Здесь Р(w) называется вещественной частотной характеристикой (ВЧХ), а Q(w) - мнимой частотной характеристикой (МЧХ), при этом:

;

Для рассматриваемого объекта АФЧХ имеет вид:


то есть:

; (30)

А) при 0<x<1: ;

Б) при x>1: ;


АФЧХ объекта строится в виде годографа на комплексной плоскости, при этом по оси абсцисс откладывают ВЧХ, а по оси ординат - МЧХ. Один для апериодического звена (x=1,468>1), а другой для колебательного звена (0< x=0,468 <1).


. Исследование устойчивости замкнутой системы управления

Под устойчивостью АСУ понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния. В любой АСР, в результате возмущающих сил с одной стороны и восстанавливающего действия регулятора с другой, возникает переходной процесс.

Схема системы регулирования по отклонению

Переходной процесс в системе может быть 3 видов:

) Система не может восстановить состояние равновесия и значение Y все больше отклоняется от заданного. Такой процесс называется расходящимся, а система - неустойчивой.

) Система возвращается к равновесному состоянию и значение управляемой координаты Y после окончания переходного процесса отличается от заданного лишь на некоторую статическую ошибку. Такой процесс называется сходящимся, а система - устойчивой.

) В системе устанавливаются периодическое движение. Такой процесс называется незатухающим колебательным, а система находится на границе устойчивости. Любое воздействие на такую систему может привести ее как к сходящемуся, так и к расходящемуся переходному процессу.

Основными законами автоматического регулирования являются:

) Пропорциональный (П - закон). При таком законе управления управляющий сигнал m прямо пропорционален сигналу рассогласования межну выходной координатой и ее заданным значение., то есть:


) Пропорционально-интегральный (ПИ - закон). Управляющий сигнал складывается из пропорциональной части и интеграла ошибки за некоторый период Т:


) Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД - закон). К ПИ - закону добавляется производная от ошибки (скорость ее изменения).


Выбирая Кр; Ти; Тд, можно усиливать или ослаблять соответствующие части регулятора, добиваясь наилучшего качества регулирования. Оценка устойчивости системы производится при помощи критериев устойчивости 2 видов: алгебраических и частотных.

Алгебраические критерии позволяют судить об устойчивости системы по коэффициентам характеристического уравнения. Рассмотрим один из наиболее часто встречающихся алгебраических критериев - критерий Гурвица.

Напомним, что рассматриваемый объект управления представляет собой колебательное звено 2 порядка, передаточная функция которого имеет вид:

(31)

Выберем в качестве закона регулирования ПИ - закон, то есть передаточная функция регулятора будет иметь вид:

(32)

Передаточная функция замкнутой системы управления определяется по выражению:

(33)

Подставляя значения Wo(p), Wp(p) и производя необходимые упрощения, получим:


Характеристическое уравнение такой системы будет иметь вид:

(35)

Обозначим:

; ; ;

Критерий устойчивости Гурвица заключается в вычислении определителей так называемой матрицы Гурвица. Система управления считается устойчивой, если все определители матрицы Гурвица больше нуля. Для системы 3 порядка необходимо вычислить следующие определители:

; ; (36)

Вычисление определителей матрицы Гурвица можно производить и вручную, но наиболее удобно сделать это с использованием математических пакетов типа MathCad и др.

Так как,

; ,

где D - допустимая статическая ошибка регулирования, которую примем равной 5 %. то

,

Подставим найденные значения в характеристическое уравнение


и найдем:

А) при 0<x<1:

,, ,

;

;

Определители матрицы Гурвица и все коэффициенты больше 0, из чего можно заключить, что система устойчива

Б) при x>1:

,,,

;

;

Определители матрицы Гурвица и все коэффициенты больше 0, из чего можно заключить, что система устойчива

Среди частотных критериев устойчивости наиболее распространенным является критерий Найквиста. Этот критерий заключается в построении годографа разомкнутой системы и определении положения годографа относительно точки (-1; j0). Если годограф пересекает ось абсцисс левее этой точки, то система считается неустойчивой, если правее - система устойчива. Если же годограф проходит через эту точку, называемую точкой Найквиста - система находится на границе устойчивости.

Можем записать: , или:

(37)

Передаточную функцию разомкнутой системы преобразуют в амплитудно-фазовую частотную характеристику, строят годограф, и по нему оценивают устойчивость системы.

В заключение построим переходной процесс в системе, как реакцию на типовое возмущение - единичный скачек. Определим корни характеристического уравнения замкнутой системы управления (6) и представим решение дифференциального уравнения замкнутой системы в виде:

(38)

где: (39)

Подставляя корни характеристического уравнения (31) в выражение (35), определяем константы интегрирования и строим по выражению (34) переходной процесс.

Построим графики переходного процесса и годографа Найквиста с помощью программного математического пакета Matlab 2009b.

Переходный процесс при 0<x<1

>> p=[0.056 0.173 12.184 18.97]=

.0560 0.1730 12.1840 18.9700

>> roots(p)=

.7575 +14.6497i

.7575 -14.6497i

.5742

>> w=tf([0.61*3.54 0],[0.056 0.173 12.184 18.97])function:

.159 s

--------------------------------------

.056 s^3 + 0.173 s^2 + 12.18 s + 18.97

>> step(w)


Годограф Найквиста при 0<x<1

>> wr=tf([5.36*3.54*0.61 5.36*3.54],[0.056 0.173 0.61 0])function:

.57 s + 18.97

-----------------------------

.056 s^3 + 0.173 s^2 + 0.61 s

>> nyquist(wr)


Система находится на границе устойчивости.

Переходный процесс при x>1

>> p=[0.056 0.544 12.184 18.97]=

.0560 0.5440 12.1840 18.9700

>> roots(p)=

.0277 +13.7108i

.0277 -13.7108i

.6588

>> w=tf([0.61*3.54 0],[0.056 0.544 12.184 18.97])function:

.159 s

--------------------------------------

.056 s^3 + 0.544 s^2 + 12.18 s + 18.97

>> step(w)


Годограф Найквиста при x>1

>> wr=tf([5.36*3.54*0.61 5.36*3.54],[0.056 0.544 0.61 0])function:

.57 s + 18.97

.056 s^3 + 0.544 s^2 + 0.61 s

>> nyquist(wr)


Система находится на границе устойчивости

. Синтез линейных систем регулирования

Рассмотрим методику расчета параметров регулятора для получения наилучшего качества переходного процесса в системе по минимуму средней квадратической интегральной оценки.

Смысл синтеза АСР по минимуму средней квадратической интегральной оценки заключается в подборе настроек регулятора, минимизирующих интеграл

(36)

где t0 - момент времени включения регулятора, ε(t) - суммарная ошибка регулирования входной величины, включающая в себя ошибки, связанные с изменением заданной величины и колебаниями возмущения.

Рис. 12. Схема системы регулирования

Для ошибки регулирования можем записать выражение:

(37)

Поскольку на входе системы имеем единичный скачек, Х(р)=1/р. Передаточная функция разомкнутой системы:

(38)

Тогда равенство (37) примет вид:

где , , , , , ,


Тогда

А) при 0<x<1:

, , , , , ,

Б) при x>1:

, , , , ,,

Последнее выражение получено в области Лапласовых изображений и переход к оригиналу следует произвести через замену р на jw, при этом интеграл (36) примет вид:

(39)

Подобные интегралы табулированы и решение для полинома 3 степени в знаменателе имеет вид:

(40)

Подставив в (40) числовые значения получим

А) при 0<x<1:

Взяв производную по , приравняем ее к нулю и решим получившееся уравнение.

Получатся 2 корня:

,

Критерий не может быть отрицательным, поэтому выбираем .

Следовательно, , - эти настройки и принимаются в качестве оптимальных.

Характеристическое уравнение такой системы будет иметь вид:


Обозначим:

; ; ;

Вычислим определители критерия устойчивости Гурвица:

;

;

Определители матрицы Гурвица и все коэффициенты больше 0, из чего можно заключить, что система устойчива.

В заключение построим переходной процесс в системе, как реакцию на типовое возмущение - единичный скачек.

Переходный процесс при 0<x<1

>> p=[0.056 0.173 0.891 0.46]=

.0560 0.1730 0.8910 0.4600

>> roots(p)=

.2610 + 3.5903i

.2610 - 3.5903i

.5673

>> w=tf([0.61*3.54 0],[0.056 0.173 0.891 0.46])function:

.159 s

-------------------------------------

.056 s^3 + 0.173 s^2 + 0.891 s + 0.46

>> step(w)


Годограф Найквиста при 0<x<1

>> wr=tf([0.13*3.54*0.61 0.13*3.54],[0.056 0.173 0.61 0])function:

.2807 s + 0.4602

-----------------------------

.056 s^3 + 0.173 s^2 + 0.61 s

>> nyquist(wr)


Б) при x>1:


Взяв производную по , приравняем ее к нулю и решим получившееся уравнение.

,

Критерий не может быть отрицательным, поэтому выбираем .

Следовательно, , - эти настройки и принимаются в качестве оптимальных.

Характеристическое уравнение такой системы будет иметь вид:


Обозначим:

; ; ;

Вычислим определители критерия устойчивости Гурвица:

;

;

Определители матрицы Гурвица и все коэффициенты больше 0, из чего можно заключить, что система устойчива.

В заключение построим переходной процесс в системе, как реакцию на типовое возмущение - единичный скачек.

Переходный процесс при x>1

>> p=[0.056 0.552 1.638 1.685]=

.0560 0.5520 1.6380 1.6850

>> roots(p)=

.5839

.1366 + 0.9074i

.1366 - 0.9074i

>> w=tf([0.61*3.54 0],[0.056 0.552 1.638 1.685])function:

.159 s

--------------------------------------

.056 s^3 + 0.552 s^2 + 1.638 s + 1.685

>> step(w)


Годограф Найквиста при x>1

>> wr=tf([0.476*3.54*0.61 0.476*3.54],[0.056 0.552 0.61 0])function:

.028 s + 1.685

-----------------------------

.056 s^3 + 0.552 s^2 + 0.61 s

>> nyquist(wr)


Заключение

В результате работы был произведен параметрический синтез ПИ-регулятора на основе линеаризованного уравнения объекта управления, а также был построен переходной процесс при полученных оптимальных настройках.

В результате оценки устойчивости системы были произведены расчеты критериев устойчивости 2 видов: алгебраических и частотных, которые подтвердили устойчивость системы.

Похожие работы на - Синтез линейных систем регулирования

 

Не нашли материал для своей работы?
Поможем написать уникальную работу
Без плагиата!