г). Используя ЛАЧХ LСР (ω) и ФЧХ φСР (ω), определим частоту среза ωср.СР и запас по фазе γСР.
Из построений вытекают следующие изменения косвенных показателей качества ωср и γ:
- частота среза ωср уменьшится;
- запас по фазе γ увеличится, главным образом, за счет положительного фазового сдвига на +90о ФЧХ.
Прямые показатели качества σ, t1 и tПП в соответствии с соотношениями (1.591) изменятся следующим образом:
- перерегулирование σ уменьшится, возможно даже полное подавление колебаний и отсутствие перегулирования;
- время первой установки t1 возрастет, возможно даже t1→∞ при переходном процессе без перерегулирования;
- об изменении tПП ничего определенного сказать нельзя, так как tПП уменьшается при увеличении γ и увеличивается при уменьшении ωср; если же неподвижную точку Н взять близко расположенной к частоте ωсрБР, то значение tПП все же резко уменьшится, и переходный процесс быстро затухнет.
Качественные изменения графика переходного процесса отображены на рис.1.55.
При использовании Д-регулятора порядок астатизма САУ уменьшается на единицу. Если исходная САУ была астатической 1-го порядка с нулевой статической ошибкой εСТ регулирования, то с введением Д-регулятора становится статической и, поэтому, статическая ошибка εСТ становится ненулевой. Если же исходная САУ была статической, то после введения Д-регулятора статическая ошибка εСТ становится бесконечно большой и САУ становится фактически неработоспособной.
д). Д-регулятор имеет серьезный эксплуатационный недостаток – чрезвычайно чувствителен к помехам, содержащимся во входном его сигнале, что приводит к ухудшению (уменьшению) соотношения "сигнал / помеха". Причину высокой чувствительности Д-регулятора к помехам поясним с использованием рис.1.56.
Д-регулятор берет от входного сигнала х производную
Для входного сигнала х, изменяющегося с малой скоростью, выходной сигнал у будет представлять малую величину. Для входного сигнала х, изменяющегося с высокой скоростью даже при малой его амплитуде, выходной сигнал у будет большим. Подтверждение этому приведено на рис.1.56, из которого видно, что входной низкочастотный сигнал x(t), засоренный высокочастотными помехами, выходит с Д-регулятора сигналом y(t), в котором преобладают помехи.
Выводы по применению Д-регулятора в САУ
Достоинства Д-регулятора:
1. Подавляют перерегулирование, а в случае неустойчивой исходной САУ, превращает ее в устойчивую.
2. Подавляет колебательность.
3. Повышает быстродействие САУ.
Недостатки Д-регулятора:
1. Увеличивает ошибки регулирования.
2. Чувствителен к высокочастотным помехам, ухудшает соотношение "сигнал / помеха".
Общие выводы по применению типовых регуляторов в САУ
1. П-регулятор используется как основной канал передачи сигнала, так как у П-регулятора нет эксплуатационных недостатков. Применение П-регулятора позволяет снизить ошибки регулирования, повысить быстродействие, но при этом возрастает перерегулирование.
2. И-регулятор применяется для повышения точности регулирования, в том числе - абсолютной точности. Применение И-регулятора ведет к повышению колебательности, перерегулирования и может привести к потере устойчивости САУ. И-регулятор подвержен дрейфу выходного сигнала.
3. Д-регулятор применяется для обеспечения устойчивости САУ, подавления перегулирования и повышения быстродействия. Применение Д-регулятора ведет к увеличению ошибок регулирования. Д-регулятор обладает низкой помехозащищенностью, ухудшает соотношение "сигнал / помеха".
Вопросы и задания
1. Какие типовые регуляторы используются в САУ? Приведите их передаточные функции.
2. Как рассчитать частотные характеристики САУ с Д-регулятором, если известны частотные характеристики САУ без регулятора?
3. Как изменяются графики ЛАЧХ, ФЧХ при введении в САУ Д-регулятора и как изменяются при этом значения косвенных показателей качества САУ – частота среза и запас по фазе?
4. Как изменяется вид переходного процесса и значения прямых показателей качества при применении Д-регулятора?
5. Назовите достоинства и недостатки Д-регулятора.
6. Какие существуют рекомендации по выбору типа регулятора для САУ?
1.17. Принципиальные электрические схемы
типовых регуляторов
Современные типовые регуляторы используют в качестве активного элемента операционный усилитель (ОУ). Основными достоинствами ОУ являются:
- простота расчета схем, в состав которых входит операционный усилитель;
- стабильность характеристик ОУ и схем на их основе;
- высокие параметры согласования ОУ с другими схемами – малый входной ток (пико- и микроамперы – 10-9…10-6), высокое входное сопротивление (единицы – десятки мегаом), низкое выходное сопротивление (единицы и доли ома);
- дешевизна ОУ.
ОУ представляет микросхему, у которой имеется минимум: два вывода, на которые подаются входные сигналы, один вывод выходного сигнала и два вывода двухполярного питания (рис.18.1). Возможны также выводы коррекции характеристик ОУ и вывод земли.
Вывод, потенциал на котором φП и выходное напряжение uВЫХ, имеют одинаковые знаки, называется прямым входом. А вывод, потенциал на котором φИ и выходное напряжение uВЫХ, имеют противоположные знаки, называется инверсным входом. При подаче сигнала φ на один из входов, второй должен быть заземлен.
Входным напряжением uВХюОУ ОУ является разность потенциалов прямого и инверсного входов:
uВХ.ОУ = φП – φИ
Коэффициент усиления ОУ очень велик
Из-за большого коэффициента усиления КОУ выходное напряжение uВЫХ достигает значения насыщения (около | Е-1 | В) при малом значении входного напряжения 
. При таком малом значении uВХ допустимо в расчетах принимать uВХ.ОУ ≈0, что существенно упрощает расчеты схем на базе ОУ.
Основная схема включения ОУ приведена на рис.1.58. Прямой вход ОУ заземлен через резистор RTK, поэтому потенциал прямого входа φП нулевой. В активном режиме работы ОУ, когда выходное напряжение uВЫХ изменяется прямо пропорционально входному напряжению uВХ схемы, входное напряжение ОУ uВХ.ОУ ≈0 и, поэтому, потенциалы обоих входов ОУ равны между собой: φИ =φП. Так как φП=0, то будет также φИ=0.
Рассчитаем по формуле метода двух узлов потенциал φИ инверсного входа:
(1.63)
После подстановки φИ=0 в (1.63) получим
где передаточная функция схемы:
(1.64)
Резистор температурной компенсации RTK служит для обеспечения температурной стабильности схемы. Сопротивление резистора выбирается из условия равенства активных проводимостей цепей протекания постоянного по прямому и инверсному входам
(1.65)
Схема П-регулятора приведена на рис.1.59. Расчеты П-регулятора:
Схема И-регулятора приведена на рис.1.60. Расчеты И-регулятора:
Схема ПИ-регулятора приведена на рис.1.61. Расчеты ПИ-регулятора:
Схема ПИД-регулятора приведена на рис.1.62. Расчеты ПИД-регулятора:
Расчеты регуляторов, реализованных на базе операционных усилителей, действительно являются простыми и основаны на использовании всего двух формул - (18.5) и (18.6).
Вопросы и задания
1. Перечислите основные характеристики и эксплуатационные достоинства операционных усилителей.
2. Какова основная схема включения ОУ? Приведите вывод передаточной функции основной схемы включения ОУ.
3. Приведите принципиальные электрические схемы П- и И-регуляторов и расчет элементов схем.
4. Приведите принципиальные электрические схемы ПИ- и ПИД- регуляторов и расчет элементов схем.
5. Рассчитать, задавшись коэффициентами передачи и постоянными времени регулятора (по выбору преподавателя) сопротивления резисторов и емкости конденсаторов схемы регулятора.
1.18. Схемы корректирующих устройств
на пассивных элементах
Корректирующим устройством (КУ) называется звено САУ, используемое в качестве регулятора, если его передаточная функция не приводится ни к одной передаточной функции типового регулятора П-, И- и Д-типов. В связи с этим, схем корректирующих устройств и их типов существуют бесконечно много. Ниже рассмотрено две наиболее применимые на практике схемы КУ.
Интегро-дифференцирующее корректирующее устройство
Передаточная функция интегро-дифференци-рующего корректирующего устройства имеет вид
,
где k - коэффициент передачи КУ;
τ и Т – постоянные времен КУ, причем τ<T.
Схема на резисторах и конденсаторе приведена на рис.1.63. Рассчитаем схему:
откуда
где 
(1.66)
Числовой пример.
Рассчитать элементы схемы интегро-дифференцирующего КУ, если
Решение.
Составляем, используя (1.66), систему уравнений
(1.67)
Система (1.67), состоящая из двух уравнений с тремя неизвестными, неразрешима. Необходимо задать характеристику одного из элементов, а другие характеристики рассчитать.
Задаём ёмкость конденсатора С1=1 мкФ. Тогда из (1.67) найдём
Дифференциально-интегрирующее корректирующее устройство
Передаточная функция дифференциально-интегрирующего корректирующего устройства имеет вид
,
где k - коэффициент передачи КУ;
τ и Т – постоянные времен КУ, причем τ<T.
Схема на резисторах и конденсаторе приведена на рис.1.64. Рассчитаем схему:
откуда
где 
(1.68)
Числовой пример.
Рассчитать элементы схемы дифференциально-интегрирующего КУ, если
Решение.
Составляем, используя (19.6), систему уравнений для постоянных времени:
(1.69)
Задаемся ёмкостью конденсатора С1=1 мкФ. Из (1.69) найдём
,
а из (1.68) 
Вопросы и задания
1. Приведите схему интегро-дифференцирующего КУ и выполните для нее вывод передаточной функции.
2. Приведите пример числового расчета интегро-дифференцирующего КУ с выбором стандартных элементов схемы.
3. Приведите схему дифференциально-интегрирующего КУ и выполните для нее вывод передаточной функции.
4. Приведите пример числового расчета дифференциально-интегрирующего КУ с выбором стандартных элементов схемы.
1.19. Схемы корректирующих устройств
на активных элементах
КУ на пассивных элементах имеют следующие недостатки:
1. Коэффициент передачи КУ не превышает единицы, и, поэтому, требуется вводить в КУ пропорциональными усилителями.
2. Последовательное включение пассивных КУ недопустимо из-за взаимного влияния их, что приводит к искажению передаточных функций отдельных КУ. Так, если два последовательно включенных КУ имеют передаточные функции W1 (p) и W2 (p), то эквивалентная передаточная функция не равна произведению передаточных функций отдельных КУ:
WЭКВ (p) ≠ W1 (p) ·W2 (p)
3. Для согласования цепи последовательно включенных КУ между ними необходимо устанавливать согласующие усилители, которые имеют большое входное и малое выходное сопротивления.
Схемы КУ на активных элементах свободны от этих недостатков за счет того, что в их состав входят ОУ.
Полное КУ содержит во входной цепи и в цепи обратной связи ОУ схемы из резисторов и конденсаторов. Если в цепи обратной связи используются только резисторы, то ОУ отводится роли усилителя сигнала и согласующего звена.
КУ с активно-емкостными элементами на входе и в цепи обратной связи приведено на рис.1.65. Передаточная функция данного КУ согласно (1.64) имеет вид
За счет выбора значений сопротивлений резисторов R1 и R2 и емкостей конденсаторов С1 и С2 можно получить любое значение коэффициента передачи k и любое соотношение Т1 / Т2. постоянных времениКУ. которое может быть звеном как интегро-дифференцирующим, так и дифференциально-интегрирующим.
Схема КУ, в которой усилитель на базе ОУ выполняет роль согласующего элемента, приведена на рис.1.66. ОУ включен между двумя пассивными КУ.
Усилитель на ОУ своим сопротивлением R1 шунтирует пассивное КУ1. Чтобы такое шунтирование не изменило передаточной функции КУ1, необходимо, чтобы выполнялось соотношение
, (1.69)
где 
- максимальное значение модуля выходного сопротивления КУ1, которое равно выходному сопротивлению схемы, в которой все конденсаторы представлены в виде обрывов цепи.
Например, для схемы на рис.1.63 
, а для схемы на рис.1.64 
.
Пассивное КУ2 является нагрузкой ОУ. Минимальное значение входного сопротивления 
КУ2, которое равно входному сопротивлению схемы, в которой все конденсаторы представлены в виде перемычек. Например, для схемы на рис.1.63 
, а для схемы на рис.1.64 
.
Сопротивление должно выбираться из условий:
- недопущения перегрузки по току
; (1.70)
- ограничения на сопротивление нагрузки ОУ
(1.71)
Значение выбирается большим из двух значений, определенных по (1.70) и (1.71).
При выполнении условий (1.69)…(1.71) эквивалентная передаточная схемы
WЭКВ(p)= kОУ·WКУ1(p)·WКУ2(p),
где 
– коэффициент усиления схемы на ОУ, который по условиям устойчивости схемы не должен быть более 100.
Вопросы и задания
1. Приведите схему полного КУ на базе ОУ и выполните вывод его передаточной функции.
2. Приведите схему КУ с согласующим элементом на базе ОУ. В чем состоит смысл согласования?
3. Приведите оценки входных и выходных сопротивлений пассивных КУ, рассмотренных в теме 1.18.
1.20. Коррекция линейных САУ
с помощью местных обратных связей
Для того, чтобы изменить характеристики отдельных звеньев САУ и этим обеспечить устойчивость и заданные показатели качества замкнутой САУ, целесообразно применять местные обратные связи.
Варианты исполнения местных обратных связей отражены на рис.1.67.
Варианты коррекции:
1. Превращение интегрирующего звена, которое в динамическом отношении является звеном, находящимся на грани устойчивости, в инерционное звено 1-го порядка. Для этого надо применить ЖООС (рис.1.68). Передаточная функция схемы
2. Уменьшение постоянной времени инерционного звена 1-го порядка, достигаемое с помощью ЖООС (рис.1.69), уменьшает также коэффициент передачи звена:
Недостатком данной коррекции является то, что вместе с уменьшением постоянной времени инерционного звена в 1+К·КОС раз во столько же раз уменьшается коэффициент передачи. Применение ГПОС позволяет избежать этого недостатка (рис.1.70):
3. Превращение колебательного звена в апериодическое звено 2-го порядка достигается применением ЖПОС (рис.1.71).
У исходного колебательного звена дискриминант отрицательный 
.
При введении жесткой положительной обратной связи передаточная функция схемы примет вид:
Дискриминант для характеристического многочлена эквивалентной передаточной функции 
выбором значения КОС может быть сделан положительным, что является признаком действительных корней характеристического уравнения и, соответственно, апериодического звена 2-го порядка. Одновременно с этим уменьшается коэффициент передачи звена в (1-К·КОС ) раз. Устранить этот недостаток можно применением гибкой обратной связью вместо жесткой.
4. Превращение звена с любой передаточной функции W(p) в звено с любой наперед заданной передаточной функцией WЭКВ(p) производится по рис.21.6.
Эквивалентная передаточная функция схемы
(1.72)
Если в диапазоне существенных частот (частот, которые являются основными в сигналах САУ) коэффициент передачи разомкнутой САУ, равный произведению коэффициентов передачи звена и цепи обратной связи КЗВКОС является очень большим числом, то будет справедливо выражение
1+WOC (р) WЗВ (р) ≈ WOC (р) WЗВ (р)
Передаточная функция (1.72) превратится в
(1.73)
Этот результат показывает, что вид эквивалентной передаточной функции WЭКВ (р) определяется только передаточной функцией WOC (р) цепи обратной связи и совсем не зависит от передаточной функции WЗВ (р) исходного звена.
В качестве примера рассмотрим реализацию ПД-регулятора. Если в качестве исходного звена использовать пропорциональное звено с большим коэффициентом усиления КЗВ, а в цепи обратной связи использовать инерционное звено первого порядка 
, то эквивалентная передаточная функция будет иметь вид
Полученный таким способом ПД-регулятор содержит идеальное Д-звено и, как показывает опыт, достаточно устойчив к помехам.
Вопросы и задания
1. Какие виды обратной связи применяют для коррекции линейных САУ?
2. Как превратить интегрирующее звено, в динамическом отношении находящемся на грани устойчивости, в устойчивое апериодическое звено?
3. Как уменьшить постоянную времени апериодического звена?
4. Как превратить колебательное звено в апериодическое звено 2-го порядка?
5. Как превратить звено с произвольной передаточной функцией в звено с наперед заданной передаточной функцией?
6. Как можно получить помехоустойчивый ПД-регулятор?
1.21. Пример судовой линейной САУ
Рассмотрим САУ курсом судна, в которую входят неизменяемая часть Н и авторулевой АР (рис.1.73а). Авторулевой представляет собой ПИД-регулятор
(рис. 1.73б). Неизменяемая часть содержит (рис. 1.73в): исполнительный двигатель ИД, рулевую машинку РМ и судно С как объект управления. ИД и РМ вместе образуют рулевой привод РП судна.
На схеме обозначены:
- заданный х и фактический у курсы судна и сигнал ε ошибки курса;
- перемещение h штока золотника гидравлической рулевой машинки и угол β поворота руля.
Неизменяемая часть САУ имеет астатизм 3-го порядка (см. тему 1.13) и при охвате ее единичной обратной связью образуется неустойчивая замкнутая САУ. Для понижения порядка астатизма неизменяемой части применим местные жесткие отрицательные обратные связи (см. тему 1.21) с очень большими коэффициентами передачи, охватив ими исполнительный двигатель ИД с рулевой машинкой РМ по схеме, приведенной на рис.1.74. Эквивалентная передаточная функция W1 (p) охваченного жесткой ООС исполнительного двигателя ИД с КОС1→∞ имеет согласно (1.73) вид
Повторная обратная связь при КОС2→∞ на рис.1.74 превращает рулевой привод РП в эквивалентное пропорциональное звено
Структурная схема САУ примет вид, приведенный на рис.1.75.
Настраиваемыми параметрами авторулевого являются коэффициент передачи kП пропорциональной части и постоянная времени ТД дифференциальной части. В зависимости от условий плавания (ветер, волны, глубина фарватера), загрузки судна (порожнее или груженное) изменяются его параметры kС и ТС.
Используя критерий устойчивости Гурвица, определим значения kП и ТД параметров настройки авторулевого из условия обеспечения устойчивости САУ. Для этого найдем передаточную функцию замкнутой САУ
Определитель Гурвица и условия устойчивости
или
(1.74)
Границей, разделяющей области устойчивости и неустойчивости, является линия (рис.1.76), описываемая в осях kП и ТД уравнением
, (1.75)
которое получено из последнего неравенства (1.74) путем замены знака неравенства на знак равенства.
Подставим в неравенство (1.74) значения kП=0 и ТИ=0. Неравенство не будет выполняться. Значит ниже линии (1.75) будет область неустойчивости, а выше – устойчивости.
Положение линии границы устойчивости зависит от параметров kС и ТС судна, что следует из выражения (1.75). Чтобы САУ судна была устойчивой при любых значениях kС и ТС, необходимо построить множество границ устойчивости и соответствующих им частных областей устойчивости. Область, общая для всех частных областей, является областью устойчивости САУ в любых условиях эксплуатации судна.
Передаточная функция разомкнутой САУ курсом судна WРАЗ (p), получаемая в результате перемножения передаточных функций авторулевого WАР (p), рулевого привода WРП.ЭКВ (p) и судна WС (p), будет иметь сомножителем р2 в знаменателе. Значит САУ будет астатической 2-го порядка и, поэтому, как статическая εСТ, так и скоростная εСК ошибки регулирования будут нулевыми (см. тему 1.12).
