- •Введение
- •1. ОсновНые понятия и определения теории автоматического управления
- •1.1. Краткие сведения по истории развития систем автоматического управления
- •1.2. Обобщенная структурная схема сау
- •1.2. Классификация сaу
- •2. Математическое описание линейных сау
- •2.1. Составление и линеаризация дифференциальных уравнений сау
- •2.2. Основные свойства преобразования Лапласа. Операторные уравнения сау. Передаточные функции линейных звеньев и систем
- •Основные свойства (теоремы) преобразования Лапласа
- •Изображения по Лапласу типовых сигналов
- •2.3. Временные и частотные характеристики звеньев и систем
- •2.4. Элементарные звенья систем автоматического управления
- •Пропорциональное (усилительное, безинерционное, масштабирующее) звено
- •Интегрирующее звено
- •Идеальное дифференцирующее звено
- •Апериодическое звено первого порядка
- •Реальное дифференцирующее звено
- •Инерционное звено второго порядка
- •Звено чистого запаздывания
- •Интегро-дифференцирующее звено
- •Пропорционально-интегральный регулятор (пи-регулятор)
- •2.5. Неминимально-фазовые звенья
- •2.6. Эквивалентные преобразования структурных схем линейных сау
- •2.7. Передаточные функции многоконтурных систем
- •Вопросы для самопроверки
- •3. Анализ устойчивости линейныхсау
- •3.1.Понятие устойчивости линейных систем
- •3.2.Алгебраический критерий устойчивости Гурвица
- •3.3.Частотные критерии устойчивости Михайлова и Найквиста
- •3.4.Запасы устойчивости
- •3.5.Оценка устойчивости по логарифмическим амплитудно- и фазо-частотным характеристикам
- •3.6.Устойчивость систем с запаздыванием
- •Вопросы для самопроверки
- •4. Качество динамических характеристик сау
- •4.1. Показатели качества процесса регулирования
- •4.2. Частотные критерии качества
- •4.3. Корневые критерии качества
- •4.4. Интегральные критерии качества
- •Вопросы для самопроверки
- •5. Оценка точности сАу
- •5.1. Стационарные режимы сау. Передаточные функции статических и астатических систем
- •5.2. Коэффициенты ошибки системы
- •5.3. Системы комбинированного управления
- •Вопросы для самопроверки
- •6. Анализ сау в пространстве состояния
- •6.1. Основные положения метода переменных состояния
- •6.2. Способы построения схем переменных состояния
- •Метод прямого программирования
- •Метод параллельного программирования
- •Метод последовательного программирования
- •6.3. Решение уравнений состояния линейных стационарных сау. Вычисление фундаментальной матрицы
- •Вопросы для самопроверки
- •7. Коррекция линейных сАу
- •7.1. Цели и виды коррекции
- •Последовательные корректирующие звенья
- •Параллельные корректирующие звенья
- •7.2. Частотный метод синтеза корректирующих устройств
- •Построение лах в низкочастотном диапазоне
- •Построение лах в среднечастотном диапазоне
- •Зависимость колебательности от значений hи h1
- •Построение лах в высокочастотном диапазоне
- •7.3. Последовательные корректирующие устройства
- •7.4. Параллельные корректирующие устройства
- •7.5. Техническая реализация корректирующих звеньев
- •Пассивные четырехполюсники постоянного тока
- •Пассивные корректирующие четырехполюсники
- •Активные корректирующие звенья
- •Активные четырехполюсники постоянного тока
- •Вопросы для самопроверки
- •8. Нелинейные системы автоматического управления
- •8.1. Особенности нелинейных систем и методы их анализа
- •8.2. Исследование нелинейных систем на фазовой плоскости
- •8.3. Метод гармонической линеаризации нелинейных звеньев
- •Коэффициенты гармонической линеаризации типовых нелинейностей
- •8.5. Методы определения параметров автоколебаний
- •Вопросы для самопроверки
- •Курсовая работа
- •Задание для расчета линейной caу
- •Варианты задания для расчета линейной сау
- •Варианты передаточных функций линейной сау
- •Задание для расчета нелинейной сау
- •Варианты задания для расчета нелинейной сау
- •Варианты структурных схем нелинейных систем Варианты статических характеристик нелинейного элемента
- •Экзаменационные вопросы
- •Литература
8.3. Метод гармонической линеаризации нелинейных звеньев
При подаче на вход линейной системы гармонического сигнала
(8.18)
на выходе системы также устанавливается гармонический сигнал, но с другой амплитудой и смещенный по фазе по отношению к входному. Если же синусоидальный сигнал подать на вход нелинейного элемента, то на его выходе формируются периодические колебания, но по форме существенно отличающиеся от синусоидальных. В качестве примера на рис. 8.17 показан характер изменения выходной переменной нелинейного элемента с релейной характеристикой (8.14) при поступлении на его вход синусоидальных колебаний (8.18).
Разлагая периодический сигнал на выходе нелинейного элемента в ряд Фурье, представляем в виде суммы постоянной составляющей и бесконечного множества гармонических составляющих:
, (8.19)
где – постоянные коэффициенты ряда Фурье; – частота колебаний первой гармоники (основная частота), равная частоте входных синусоидальных колебаний;Т – период колебания первой гармоники, равный периоду входных синусоидальных колебаний.
Выходной сигнал нелинейного элемента поступает на вход линейной части САУ (см. рис. 8.1), которая, как правило, обладает существенной инерционностью. При этом высокочастотные составляющие сигнала (8.19) практически не проходят на выход системы, т.е. линейная часть является фильтром по отношению к высокочастотным гармоническим составляющим. В связи с этим, а также учитывая, что амплитуды гармонических составляющих в уменьшаются с ростом частоты гармоники, для приближенной оценки выходной величины нелинейного элемента, в большом числе случаев достаточно учитывать только первую гармоническую составляющую в.
Следовательно, при отсутствии постоянной составляющей в выходных колебаниях выражение (8.19) приближенно можно записать в виде:
. (8.20)
Выражая из формулы (8.20) функцию , а из производной– функцию, преобразуем выражение (8.20) следующим образом:
. (8.21)
Таким образом, нелинейная зависимость выходной величины от входной в нелинейном элементе приближенно заменяется линейной зависимостью, описываемой выражением (8.21).
Выполнив в выражении (8.21) преобразование Лапласа, получим:
Как и для непрерывных звеньев введем в рассмотрение передаточную функцию нелинейного гармонически линеаризованного элемента, как отношение изображения выходной величины к изображению входной величины:
. (8.22)
Таблица 8.1
Коэффициенты гармонической линеаризации типовых нелинейностей
Статическая характеристика нелинейного элемента | ||
Линейная характеристика с зоной нечувствительности |
|
0 |
Линейная характеристика с ограничением |
|
0 |
Линейная характеристика с зоной нечувствительности и ограничением |
|
0 |
Характеристика «люфт» |
|
|
Идеальная релейная характеристика |
|
0 |
Однозначная релейная характеристика с зоной нечувствительности |
|
0 |
Неоднозначная релейная характеристика с зоной нечувствительности |
|
|
Кубическая парабола: |
|
0 |
Характеристика «петля гистерезиса» |
|
|
Передаточная функция нелинейного элемента имеет существенное отличие от передаточной функции линейной системы, заключающееся в том, чтозависит от амплитуды и частоты входного сигнала.
Выражение (8.22) запишем в виде:
q(A) + q1(A), (8.23)
где q(A), q1(A) – коэффициенты гармонической линеаризации, определяемые как отношения коэффициентов ряда Фурье для первой гармоники выходных колебаний к амплитуде входных колебаний:
q(A) =q1(A) =. (8.24)
Заменяя в выражении (8.23) р на , получим выражение длякомплексного коэффициента передачи нелинейного элемента:
q(A) +j q1(A), (8.25)
являющегося аналогом АФХ для линейного звена.
В качестве примера определим выражение для комплексного коэффициента передачи нелинейного элемента с релейной статической характеристикой (8.14). Коэффициенты ряда Фурье A1 и B1 для указанной нелинейности равны:
;
B1 .
Очевидно, что коэффициент B1 будет равен нулю для любого нелинейного элемента с нечетно-симметричной статической нелинейностью.
Тогда, согласно выражениям (8.24) и (8.25) получим:
q(A) =;q1(A) = 0 и W(A) = .
Значения коэффициентов гармонической линеаризации для нескольких типовых нелинейностей приведены в таблице 8.1.