Воспользуемся теперь выражением (2.12), полученным при оптимизации квадратичного критерия качества без учета ограничений, и подставим его в неравенство (5.12). Если окажется, что j1(koc ) < 0 или j1(koc ) = 0 , то это значе-

ние	k	= k k	об	принимается за оптимальноеk*	. Если окажется, что
	oc	1		oc

j1(koc ) > 0 , что недопустимо, то за оптимальное принимается значение, которое находят из условия

	*		A2 k1
	koc	=		.	(5.14)
			2U max kоб

Отметим, что изложенная методика оптимизации параметров не учитывает возможную погрешность их настройки и разброс заданных значений -па раметров. Поэтому, например, сколь угодно малое уменьшение коэффициента k1, или увеличение kоб нарушает условие (5.12), что может привести к серьезным последствиям в работе технической системы с автоматическим управлением.

6. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ПО КВАДРАТИЧНОМУ КРИТЕРИЮ КАЧЕСТВА

Определение передаточной функции или импульсной характеристики оптимального регулятора при детерминированных воздействиях связано с серьезными трудностями по условиям физической реализуемости. Этих трудности удается избежать, если критерий качества для детерминированных воздействий задать в следующей форме:

при отсутствии ограничений на управляющее воздействие u

J

¥

é

2

(t ) + ru

2

(t )

ù

=

ò

(6.1)

ëqe

û dt ,

0

при наличии ограничений (u £ Umax )

¥

é

2

2

ù

2

J = ò

(t )dt

+ m u

(t )

,

(6.2)

ëe

û dt

- mU max

0

где q и r – весовые коэффициенты, m – множитель Лагранжа, которые находят в процессе решения задачи.

Постановка задачи. Пусть задана структурная схема системы(рис. 6.1), где K p (s) – передаточная функция регулятора, Ko (s) - известная передаточ-

ная функция объекта управления. Требуется найти такое выражениеK p (s) ,

при котором критерий качества(6.1) имеет наименьшее значение, а система оказывается физически реализуемой.

137

Рис. 6.1

Решение задачи. Согласно структурной схеме записываем:

– передаточная функция замкнутой системы

F(s) = K p (s)Ko (s) 1 + K p (s)Ko (s) ;

(6.3)

– изображение ошибки

E(s) = V (s) [1 - F(s)];

(6.4)

– изображение управляющего воздействия на объект:

U (s) = V (s)F(s)

Ko (s) .

(6.5)

Используя теорему Парсеваля(2.3), переписываем критерий качества

(6.1) в виде

J =

1

+ j¥

V(s)V(-s) éq 1 - F(s)

1 - F(-s)

)

+rF(s)F(-s) K (s) K (-s)

]

ds. (6.6)

ò

2pj

ë (

)(

o

o

- j¥

Функционал (6.6) на функции Ф(s), удовлетворяющей условиям физической реализуемости, достигает минимального значения, если частная производная от подинтегральной функции по Ф(–s) имеет только правые полюсы.

Дифференцируя подынтегральное выражение (6.6) по Ф(–s) и приравнивая результат дифференцирования некоторой произвольной функцииq(-s) , имеющей только правые полюсы, получим

V (s)V (-s) é-q (1 - F(s) ) + r F(s)	K	(s)K	(-s)ù = q(-s) .	(6.7)
ë	o	o	û

Левая часть уравнения (6.7) содержит особые точки (нули и полюсы) как в левой, так и в правой полуплоскости переменнойs = jw, поэтому её необходимо представить в виде суммы двух слагаемых, одно из которых содержит полюса только в правой полуплоскости и должно быть сохранено, а второе – содержит полюса только в левой полуплоскости и должно быть положено равным нулю.

Можно показать, что в результате алгебраических преобразований уравнение (6.7) сводится к следующему уравнению

	V (s)F(s)	é qV (s)Ko (-s) ù+			éqV (s)Ko (-s) ù			-	Q(-s)Ko	(-s)	, (6.8)
		Y(s) - ê		ú	- ê		ú	=
	Ko (s)		Y(-s)			Y(-s)			V (s)Y(-s)
		ë		û	ë		û

где сумма первых двух слагаемых должна быть равна нулю.

138

Из их равенства находим

F(s) =

Ko (s)V (s)

é qV (s)Ko (-s) ù+

ê

ú .

(6.9)

Y(-s)

V (s)Y(s)Ko (s) ë

û

Комментарий к формулам (6.8) и (6.9).

1) Сомножители Y(s) и Y(-s)

определяют путем преобразования суммы

qKo (s)Ko (-s) + r в произведение Y(s)Y(-s) :

qKo (s)Ko (-s) + r = Y(s)Y(-s) .

(6.10)

Пример 6.1. Пусть Ko (s)

= ko / s , тогда

k 2

+

s

-

s

qk

o

r

qk

o

r

q

o

+ r =

-

.

-s2

s

-s

Следовательно

s

+

s

qko -

r

Y(s) =

qko

r

; Y(-s) =

.

(6.11)

s

-s

2) Индекс «+» при квадратных скобках означает, что это слагаемое функ-

ции заключенной	в квадратные скобки имеет только левые полюса. Соответ-
ственно индекс «–» указывает на правое расположение полюсов второго слага-
емого функции.	Оба слагаемые находят путем расщепления функции

qV (s)Ko (-s)Y (-s) :

q V (s)Ko (-s)

Y(-s)

		é qV (s)Ko (-s) ù+			é qV (s)Ko (-s) ù			-
	=	ê		ú	+ ê		ú	.	(6.12)
			Y(-s)			Y(-s)
		ë		û	ë		û

Пример 6.2. Пусть V (s) = A / s ; Ko (-s) = ko /(-s) ;

Y(-s) =

qko

- r s

. В

-s

этом случае получаем

qAko

×

(-s)

=

q

A

+

r

q

A

.

s(-s)

qko - r s

s

qko - r s

Следовательно

+

é

qV (s)Ko (s)

ù

-

A

é qV (s)Ko (-s) ù

A

r

q

q

ê

ú

=

; ê

Y(-s)

ú

=

. (6.13)

ë

Y(-s)

û

s

ë

û

qko -

r s

139

7. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ РЕГУЛЯТОРА

Расчет оптимального регулятора по квадратичному критерию качества при отсутствии ограничений осуществляют в следующей последовательности:

– по формуле (6.10) определяют выражения y(s) и y(–s);

	é qV (s)Ko (-s) ù
	– пользуясь формулой (6.12), находят ê		ú	;
		Y(-s)
	ë		û

–используя формулу (6.9), получают передаточную функцию замкнутой системы с оптимальным регулятором Ф(s);

–в соответствии с выражением(6.3) находят искомую передаточную функцию оптимального регулятора K p (s) :

K p (s) = F(s) Ko (s)(1 - F(s)) .

(7.1)

Пример 7.1. На вход системы управления, структурная схема которой показана на рис. 6.1, поступает задающее воздействие v(t) = A × 1(t) . Передаточная функция объекта задана: Ko (s) = Ko / s . Требуется найти передаточную

функцию регулятора

K p (s) , при

которой

критерий

качества(6.1)

имеет

наименьшее значение, а система оказывается физически реализуемой.

Решение. Используя для заданных условий выражения(6.11) и (6.13) по

формуле (6.9), находим

éqV(s)Ko (-s) ù+

F(s) =

Ko (s)

kos × s

qA

= ê

ú

=

×

=

V(s)Y(s)

ë Y(-s)

û

s × A( qko + rs)

s

=

qk

.

o

(7.2)

qko +

rs

Искомая передаточная функция регулятора

F(s)

s

+

s

qko

qk

r

K p (s) =

=

×

×

=

q

.

(7.3)

Ko (s)(1 - F(s))

ko

r

qko +

rs

rs

Таким образом, для управления объектом, динамические свойства которого аппроксимированы передаточной функцией интегрирующего звена, необходимо по условиям задачи использовать в системе регулятор пропорционального действия с коэффициентом пропорциональности, равным корню квадратному из соотношения весовых коэффициентов, входящих в квадратичный критерий качества.

140