Качество процессов автоматического регулирования

 

САУ характеризуются не только устойчивостью, но и другими динамическими характеристиками или свойствами. К таким динамическим свойствам относятся:

- поведение системы в начальный момент времени (сразу после приложения воздействия);

- характер поведения управляемой переменной в переходном процессе;

- поведение системы при приближении к новому установившемуся состоянию;

- длительность перехода системы из одного установившегося состояния в другое.

 

Если при рассмотрении устойчивости линейных систем было определено, что устойчивость не зависит от входных воздействий, а определяется только параметрами системы, то при исследовании качества вид входного воздействия и его амплитудное значение имеют существенное значение.

Все методы анализа качества переходного процесса можно разделить на две группы:

1. Прямые методы – это непосредственное решение дифференциальных уравнений, которые описывают систему и выполнение графического построения переходного процесса. Эти методы наиболее точны и находят все более широкое применение.

Прямые показатели качества оценивают по переходным характеристикам. При этом прямые показатели качества делят на:

основные:

1.вид переходной характеристики (колебательная, апериодическая, монотонная и т. д.)

2.время переходного процесса () (время регулирования) – время от момента подачи входного сигнала и до момента достижения выходным сигналом уровня , где ∆ допустимая ошибка в установившемся режиме (задается в % от y_∞)

3.величина наибольшего отклонения в переходном процессе, перерегулирование

4.величина ошибки в установившемся режиме ε (t) (% от y_∞), ε (t) ≤ ∆

5.колебательность переходного процесса, характеризуется числом колебаний за время регулирования.

вспомогательные:

1.время установления () - время, за которое выходная величина достигает максимального за время регулирования значения.

2.время запаздывания () – время, за которое выходная величина изменяется от 0 до 50% от установившегося значения.

3.время нарастания (t_нар) – время, за которое выходная величина изменяется от 10 до 90% своего установившегося значения.

Рис. 15 Критерии качества САУ на примере колебательного процесса.

 

2. Косвенные методы позволяют обойти непосредственное решение уравнений, описывающих систему. Применяют обычно следующие косвенные методы:

1. Корневые (основаны на факте зависимости переходного процесса от корней характеристического уравнения, таким образом, зная корни характеристического уравнения, можно оценить вид и некоторые параметры переходного процесса).

2. Частотный (основан на взаимной связи переходных процессов и частотных характеристик САУ, их удобно использовать совместно с исследованием устойчивости по критерию Найквиста).

3. Интегральные (нацелены на получение общей оценки скорости затухания и величины отклонения регулируемого параметра одновременно).

Сущностью косвенных методов является:

- Замена точного управления динамики САУ приближенным за счет отбрасываемых слагаемых левой части, имеющих на нерасчетных частотах малые значения, а также замена сложной функции внешнего воздействия более простой функцией.

- Оценка качества процесса по распределению нулей и полюсов ПФ с использованием нормировочных диаграмм

- Использование интегральных оценок и метода стандартных коэффициентов при приближении некоего процесса к некоторому эталонному

- Оценка качества процесса по виду вещественной ЧХ

Замена точного управления приближенным является наиболее частым способом при косвенной оценке качества. Такая аналитическая аппроксимация может быть применена предварительно к ПФ.

По виду переходных характеристик можно определить следующие виды процессов:

 

 

 

Монотонный Колебательный Апериодический S- образный

Рис. 16 Примеры переходных процессов в САУ.

 

Это группа процессов статических объектов.

 

В динамических объектах:

1 - идеально интегрирующее звено

2 - реально интегрирующее звено

1 2

 

Рис.17 Примеры переходных процессов в динамических объектах.

 

Основным показателем качества систем является установившаяся (статическая) ошибка. Допустимое значение статической ошибки ε_уст не должно превышать 5% от h_уст.

 

СИНТЕЗ САУ. РЕГУЛЯТОРЫ.

 

Под синтезом САУ понимают работу по расчету ее рациональной структуры и оптимальных параметров отдельных элементов. При решении задачи синтеза часть структуры системы, например, объект управления, регулирующие органы, средства измерения и т.д., известны. Неизвестной является регулирующая часть САУ. Задачей математического синтеза является определение оптимального, т.е. наилучшего в данных условиях, алгоритма или закона регулирования.

Для большинства используемых в тепловой автоматике САУ структура и алгоритмы регулирования известны. Например, САР уровня жидкости, так называемый трехимпульсный регулятор, реализующий пропорционально-интегральный закон, обеспечивает требуемое качество регулирования. В этом случае задача синтеза сводится к расчету параметров этого регулятора на основе характеристик конкретного объекта, регулирующих органов и т.д.

Такую задачу часто называют инженерным синтезом. Задачу инженерного синтеза можно считать завершенной, если расчет качества ожидаемого переходного процесса удовлетворяет требованиям к системе. Не исключены случаи, когда в рамках выбранной структуры это сделать не удается. Тогда приходится использовать дополнительные сигналы, например, возмущения, производимые от отклонения, использовать местные обратные связи, вводить корректирующие устройства.

Имея в наличии структуру, алгоритм и его численные параметры, можно решать третью задачу – техническую реализацию. В подавляющем большинстве случаев регулятор собирается из стандартных блоков, поэтому под синтезом понимают более узкую задачу – расчет корректирующих устройств САУ.

Рис. 18 Схема, иллюстрирующая принцип работы ПИД-регулятора.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для поддержания заданного значения измеряемого параметра. ПИД-регулятор измеряет отклонение стабилизируемой величины от заданного значения (уставки) и выдаёт управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально этому отклонению, второе пропорционально интегралу отклонения и третье пропорционально производной отклонения (или, что то же самое, производной измеряемой величины).

 

Если какие-то из составляющих не используются, то регулятор называют пропорционально-интегральным, пропорционально-дифференциальным, пропорциональным и т. п.