7.2. Коррекция сау с помощью цифровых регуляторов.

Преимущество цифровых корректирующих устройств перед аналоговыми регуляторами заключается прежде всего в возможности реализации практически любого алгоритма управления, в повышении надежности и уменьшении массогабаритных показателей аппаратуры. Цифровой регулятор может включаться в систему последовательно (рис. 40) или в цепь обратной связи (рис.41).

Рис. 40. Коррекция дискретной САУ с помощью последовательного

цифрового корректирующего звена

Рис. 41. Коррекция дискретной САУ с помощью цифрового

корректирующего звена цепи обратной связи

Рассмотрим методику расчета передаточной функции цифрового регулятора применительно к дискретной системе, описанной в предыдущем примере.

Пример 28. Имеем:

и

Построение ЛАХ разомкнутой скорректированной системы осуществляется по тем же значениям показателей качества, что и в примере 27, основные параметры не изменяются. Возможный видприведен на рис. 42.

Соответствующее значение амплитудно-частотной характеристики:

Тогда:

и

Для рассматриваемого способа коррекции можно записать:

Следовательно:

7.3. Физическая реализуемость цифровых регуляторов.

В общем случае передаточная функция цифрового регулятора имеет вид

откуда

и

.

Рис. 42. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики к примеру 28

Выполнив операцию обратного Z-преобразования над обеими частями последнего равенства, получим:

(55)

Для того, чтобы цифровой регулятор был физически реализуем, правая часть (55) не должна содержать положительных степенейz. Наличие хотя бы одного такого слагаемого означает, что для определения очередной дискреты выходной последовательностив момент временииспользуются дискреты, соответствующие последующим моментам квантования. Следовательно, передаточная функцияфизически реализуема, если порядок ее числителя не больше порядка знаменателя, т.е.

(56)

Практическая реализация функций цифровых регуляторов чаще всего осуществляется путем соответствующего программирования ЦВУ или введением в систему импульсных фильтров.

7.4. Реализация цифровых регуляторов импульсными фильтрами.

Импульсный фильтр(ИФ) представляет собой пассивный электрический четырехполюсник, включенный в систему совместно с устройствами выборки и хранения дискретных значений сигналов.

Передаточная функция регулятора при последовательном включении ИФ(рис. 43) равна:

откуда

(57)

Задавшись требуемой передаточной функцией , можно определить соответствующую передаточную функциюи рассчитать параметры системы, обеспечивающей ее аппаратную реализацию.

Рис. 43. Структура последовательного ИФ

Если ИФ построен на базе RC-четырехполюсника, то все полюса передаточной функции

простые и отрицательные, а нули могут быть произвольными. В этом случае допускает следующее представление:

где - константы;- полюса;.

Тогда

и

Сравнивая последнее выражение с (57), можно сделать вывод о том, что передаточная функция

может быть реализована последовательным ИФ на базеRC- четырехполюсника, если у:

- порядок знаменателя не меньше порядка числителя;

- значения нулей являются произвольными, а полюса должны быть действительными, простыми, положительными и меньше единицы.

В дальнейшем полюса, удовлетворяющие указанным условиям, определим как реализуемые полюса. В отличие от них, кратные или комплексные полюса, вещественные неположительные полюса, а также положительные полюса, модули которых больше или равны единице, относим кнереализуемым полюсам.

Пример 29. Необходимо осуществить реализацию цифрового регулятора с помощью последовательного ИФ, если:

Поскольку сформулированные выше требования к выполняются, она может быть реализована в виде последовательного ИФ на базеRC- четырехполюсника.

Имеем:

Разложив последнее выражение на элементарные дроби, имеем:

или, полагая , вычисляем значение. Следовательно:

Выполнив обратное Z-преобразование, получим:

т.е.

Указанная передаточная функция ИФ практически реализуется в виде RC- четырехполюсника, схема которого приведена на рис. 44.

Рис. 44. Схема четырехполюсника к примеру 29

Иной подход к формированию структуры цифрового регулятора связан с включением ИФ в цепь обратной связи(рис. 45).

Рис. 45. Структура цифрового регулятора с ИФ в цепи обратной связи

В этом случае передаточная функция регулятора равна:

(58)

откуда

(59)

Поскольку передаточная функция должна быть физически реализуемой, т.е. реакция на выходе фильтра не должна опережать вызвавшее ее воздействие, тоZ-изображение:

также должно быть физически реализуемым. Следовательно, для Z-изображения:

где S,R- натуральные числа, выполняется условие. При этом выражение (58) можно записать следующим образом:

На основании последнего выражения делаем заключение, что при включении ИФ в цепь обратной связи имеет одинаковое число нулей и полюсов. Кроме того, из (59) следует, что полюсаопределяются полиномом, стоящим в числителе передаточной функции, т.е. ее нулями. Поскольку при построении ИФ на базеRC- схемы полюсаявляются простыми и отрицательными, нулидолжны быть действительными, простыми, положительными и меньшими единицы. Такие нули относятся креализуемым. К числунереализуемых нулейотносятся те, для которых не выполняется хотя бы одно из перечисленных условий. На полюсапри такой структуре регулятора ограничения не накладываются, они могут быть произвольными.

Пример 30. Необходимо осуществить реализацию цифрового регулятора в виде ИФ, если:

Необходимо отметить, что реализация регулятора с приведенной передаточной функцией возможна только с использованием ИФ в цепи обратной связи. Согласно (59), имеем:

откуда и.

Реализация ИФ в виде RC– схемы приведена на рис. 46.

Рис. 44. Схема четырехполюсника к примеру 30

Ограничения, связанные с реализуемостью нулей и полюсов , существенно сокращают область использования рассмотренных выше ИФ. Применениекомбинированной схемы ИФ, структура которой приведена на рис. 47, обеспечивает реализацию произвольной передаточной функции, если для нее выполняется условие (56).

Передаточная функция комбинированного ИФ

Необходимо представить эту передаточную функцию в виде произведения:

где и.

При этом в включаются только реализуемые полюса, а в- только реализуемые нули. Кроме того, число нулей и число полюсов передаточной функциидолжны совпадать.

Рис. 47. Структура комбинированного ИФ

Пример 31. Необходимо осуществить реализацию цифрового регулятора в виде ИФ, если:

В приведенной передаточной функции число реализуемых полюсов совпадает с числом нереализуемых нулей, а число нереализуемых полюсов – с числом реализуемых нулей. В этом случае разложение осуществим следующим образом:

и

Приме 32. Необходимо осуществить реализацию цифрового регулятора в виде ИФ, если:

Приведенный вариант передаточной функции является более общим по сравнению с рассмотренным в примере 31. Для ее реализации с помощью комбинированного ИФ на базе RC- четырехполюсника необходимо ввести вдополнительные реализуемые нули и полюса, представив передаточную функцию в виде:

где aиb, не равные между собой действительные числа; 0<a<1; 0<b<1. Кроме того,aиbне равны другим полюсам и нулям.