Преобразовав выражение (2.3), получим:
откуда по методу наименьших квадратов найдем постоянную времени:
Таким образом динамическая характеристика первого порядка без запаздывания будет иметь вид:
Вычислим аналитические значения функции, их отклонения от экспериментальных значений, а также квадраты отклонений и сведем их в
Таблица 7
Результаты расчета
i
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
yi
|
0
|
0
|
0.5
|
0.71
|
0.8
|
0.91
|
0.98
|
0.99
|
0.995
|
1
|
|
yiанал
|
0
|
0.46
|
0.708
|
0.843
|
0.915
|
0.954
|
0.975
|
0.987
|
0.993
|
0.996
|
|
yi
|
0
|
-0.46
|
-0.208
|
-0.133
|
-0.115
|
-0.044
|
4.8•10-3
|
3.4•10-3
|
2.2•10-3
|
3.9•10-3
|
|
|
0.000
|
0.212
|
0.043
|
0.018
|
0.013
|
1.9•10-3
|
2.3•10-5
|
1.1•10-5
|
4.9•10-6
|
1.5•10-5
|
|
|
Далее находим сумму квадратов отклонений:
Динамическая модель объекта первого порядка без запаздывания является наименее точной, поэтому ее применение не целесообразно при моделировании динамики объекта. Ниже приведен проверочный расчет динамической модели объекта первого порядка без запаздыванием и модели второго порядка без запаздыванием на ЭВМ в системе MathCad.
2.3 Модель объекта первого порядка с запаздыванием
Динамическая модель первого порядка с запаздыванием представляет собой неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка:
(2.4)
где T - постоянная времени объекта;
k - коэффициент передачи при 50% номинального режима;
- время запаздывания.
Решением уравнения (2.1) будет экспоненциальная зависимость сигнала на выходе от времени:
(2.5)
где y0=0 - начальное состояние выхода объекта;
k.x=yуст.=10 - установившееся состояние выхода объекта.
Проведем преобразования, аналогичные модели без запаздывания
или запишем в виде системы :
(2.6)
где берется из табл. 7.
Так как , и , то все уравнения содержащие эти элементы в расчете участвовать не будут.
Решим систему (2.6) методом наименьших квадратов. Составим матрицы:
- искомых величин:
- правой части системы:
- левой части системы:
- произведение
- произведение
Таким образом получили матричное уравнение:
Находим главный определитель:
Подставляя матрицу поочередно в первый и второй столбец матрицы , находим вспомогательные определители:
Находим постоянную времени и время задержки:
Таким образом динамическая характеристика первого порядка с запаздыванием будет иметь вид:
Вычислим аналитические значения функции, их отклонения от экспериментальных значений, а также квадраты отклонений, причем значения функции при учитывать не будем. Результаты сведем в табл. 8.
Таблица 8
Результаты расчета
i
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
yi
|
0
|
0
|
0.5
|
0,71
|
0,8
|
0,91
|
0,98
|
0,99
|
0,995
|
1
|
|
yiанал
|
0
|
0
|
0.199
|
0.565
|
0.764
|
0.872
|
0.93
|
0.962
|
0.98
|
0.989
|
|
yi
|
0
|
0
|
0.301
|
0.145
|
0.036
|
0.038
|
0.05
|
0.028
|
0.015
|
0.011
|
|
|
0
|
0
|
0.090493
|
0.020928
|
0.001291
|
0.001448
|
0.002451
|
0.000769
|
0.00024
|
0.000124
|
|
|
Далее находим сумму квадратов отклонений:
.
Так как сумма квадратов отклонений у модели с запаздыванием меньше, чем у модели без запаздывания, то ее использование позволяет более точно описывать протекание переходного процесса.
Расчет на ЭВМ моделей более высоких порядков показывает, что наименьшее значение суммы квадратов отклонений будет у модели второго порядка. Поэтому в дальнейших расчетах будем выполнять все действия именно для модели второго порядка.
Ниже приведен проверочный расчет динамической модели объекта первого порядка с запаздыванием и модели второго порядка с запаздыванием на ЭВМ в системе MathCad.
3. Построение математической модели
Передаточная характеристика объекта представляет собой отношение выходной величины к входной величине.
Передаточная характеристика объекта второго порядка с запаздыванием отличается от характеристики первого порядка наличием в знаменателе дроби квадрата суммы:
После подстановки известных численных значений и всех преобразований, получим:
Приведем полученное выражение к нормальной системе дифференциальных уравнений первого порядка и построим математическую модель объекта на ЭВМ в системе MathCad.
4. Аналитическое решение
Для отыскания аналитического решения решим характеристическое уравнение:
0,931 р2 + 1,93 р + 1 = 0 (4.1)
p1 = -1,781; p2 = - 0,290 - корни характеристического уравнения.
Ввиду того, что корни характеристического уравнения кратные подставим их в выражение вида:
u(t) = kx . [1 - [1 + p . (t - ф) ] . e p(t - ф) ] (4.2)
где к - коэффициент передачи при 50% номинального режима
р - корни характеристического уравнения (4.3)
t - соответствующий момент времени
ф - время запаздывания
Подставляя соответствующие значения к, р, t, ф получим график переходного процесса в объекте.
Ввиду сложности расчеты производятся на ПЭВМ (см. распечатку)
5. Частотные характеристики
Частотные характеристики объекта связаны с его передаточной функцией следующим образом:
где к = к (50%) = 0.428- коэффициент передачи при 50%:
Т = 0.965- постоянная времени:
= 0.715- время запаздывания.
е-фp = cos( . ) - j . sin( . ).
Заменив, в выражении для объекта второго порядка величину p на мнимую величину j, получим комплексную функцию W(j).
Преобразовав выражение (4.1) получим, что:
Обозначим в формуле (5.2) :
- Вещественная частотная
характеристика системы
- мнимая частотная
частотная характеристика системы
Подставив R() и I() в уравнение (5.2):
W(j) = R() + j .I()
Составим соотношения, связывающие между собой частотные характеристики :
где А() - амплитудно-частотная характеристика
L() - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика.
F() - фазочастотная характеристика
По формулам (5.3) - (5.5) находим значения для построения частотных характеристик. Эти значения сведены в таблицу 5.1 стр. 30.
Ниже приведен расчет частотных характеристик объекта на ЭВМ в системе MathCAD . Расчет произведен в диапазоне частот 0...2 c-1 для 100 точек. Также представлены графики при следующих характеристик:
- амплитудно-частотной;
- логарифмической амплитудно-частотной;
- фазо-частотной;
- амплитудно-фазо-частотной.
Расчет расширенных частотных характеристик
При расчете расширенных частотных характеристик вместо замены производят замену , где m=0,221 - степень колебательности системы. Введем обозначение:
где
Далее, аналогично обычным частотным характеристикам, задавшись рядом частот, подаваемых на вход объекта, производим расчет расширенной амплитудно-частотной характеристики по формуле:
Затем рассчитываем расширенную фазо-частотную характеристику по формуле:
.
Ниже приведен расчет расширенных частотных характеристик объекта на ЭВМ в системе MathCAD . Расчет произведен в диапазоне частот 0...2 c-1 для 100 точек. Также представлены графики при следующих характеристик:
- расширенной амплитудно-частотной;
- расширенной амплитудно-фазо-частотной.
6. Выбор и расчет параметров настройки регуляторов
Автоматические регуляторы по своим динамическим свойствам подразделяются на линейные и нелинейные. При проектировании наиболее часто применяемых линейных регуляторов используют:
пропорциональный регулятор (П-регулятор);
интегральный регулятор (И-регулятор);
пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор);
дифференциальный регулятор (Д-регулятор);
пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор);
пропорционально-интегро-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор).
Требования, предъявляемые к регулятору, обусловлены требованиями ко всей системе регулирования: в обеспечении устойчивости замкнутой системы. При проектировании систем стремятся обеспечить их устойчивость с некоторой гарантией, так чтобы изменение параметров в некоторых пределах не могло привести к неустойчивости. Для этой цели используются понятия запасов устойчивости систем автоматического регулирования, вводимых на основе частотного критерия Найквиста:
где - передаточная функция объекта регулирования;
- передаточная функция регулятора.
6.1 Расчет П-регулятора
Передаточная характеристика П-регулятора имеет вид:
|
R0
|
I0
|
0
|
Q0
|
П
|
П
|
|
0
|
0.428
|
0
|
0
|
0.183
|
-2.336
|
3.142
|
|
0.5
|
0.099
|
-0.438
|
-1.348
|
0.202
|
-0.492
|
1.794
|
|
1
|
-0.257
|
-0.196
|
-2.489
|
0.105
|
2.456
|
0.653
|
|
1.5
|
-0.208
|
0.041
|
-3.336
|
0.045
|
4.627
|
-0.194
|
|
2
|
-0.095
|
0.109
|
-3.994
|
0.021
|
4.545
|
-0.852
|
|
|
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|