Пассивные и активные корректирующие устройства
Подход к выбору структуры системы управления при нескольких основных воздействиях(определение и анализ ПФ от входного воздействия и качки основания в двухконтурной и одноконтурной структурах следящей системы)
Последовательность действий при расчете желаемой ЛАХ разомкнутой следящей системы по требованию динамической точности и запасу устойчивости(применение коэффициентов ошибка показателя колебательности)
Коррекция динамики на основе принципа глубокой отрицательной обратной связи
Коррекция динамики на основе принципа глубокой отрицательной обратной связи ( принципа ГООС)
Для систем управления, малочувствительных к изменениями условий эксплуатации и, сохраняющих требуемые показатели точности, в условиях неполной определенности воздействий ( «робастные» системы управления) коррекция динамики строится на основе применения глубоких отрицательных обратных связей.
В основе построения регуляторов (управляющих устройств) таких систем лежит свойство глубокой отрицательной обратной связи.
Рассмотрим причинно-следственную основу этого принципа. Для этого замкнем систему, у которой в прямом канале структуры содержится ПФ 
, а в канале корректирующей отрицательной обратной связи ПФ 
(Рис.3.17). Введем обозначения основных переменных этой схемы:
входная переменная системы;
выходная переменная системы ;
выходная переменная обратной связи.
|
|
|
Преобразуем схему к виду Рис.3.18
В той схеме переменные 
и 
являются входной и выходной переменными системы с единичной обратной связью , содержащей в прямом канале ПФ 
В том диапазоне частот, в котором «область усиления» контура характеризуется условием 
, АЧХ замкнутого контура определяется выражением :
Такая отрицательная обратная связь называется глубокой, а условия обеспечивающие такой эффект –условиями глубокой отрицательной обратной связи
Точная ПФ системы с обратной связью, связывающая входную и выходную переменные имеет вид виде: 
Таким образом, при выполнении условия ГООС связь между входной и выходной переменными системы определяется выражением: 
что позволяет сформировать с помощью такой искусственной обратной связи, в необходимом диапазоне частот, реализовать желаемую характеристику динамики системы.
Рассмотрим следящую систему c одним основным воздействием. Система содержит один основной контур (контур единичной обратной связи). Для коррекции динамики системы используем принцип ГООС, для этого введем дополнительную связь для реализации разомкнутом канале системы желаемой ПФ 
. Исходная структурная схема такой системы показана на Рис.3.19 Используя, полученное выше выражение для замкнутого внутреннего контура , приведем структурную схему к виду Рис.3.20
|
|
|
Согласно структурной схеме Рис.3.20 , при выполнении условия глубокой обратной связи, при 
имеем
Если требуется реализовать условие 
, то из последнего равенства следует выражение для желаемой ПФ корректирующей обратной связи
Последовательность расчета параметров структуры реализующей коррекцию системы по принципу ГООС
Допустим, что желаемая ЛАХ разомкнутой системы сформирована, в соответствии с методикой рассмотренной выше (по требованиям динамической точности и запаса устойчивости).
Предположим, что ее ПФ, имеет вид:
Пусть модель неизменяемой части получена (прямой канал расчетной структуры) ее ПФ имеет вид : 
1 . Подготовка расчетной структурной схемы.
Под расчетной структурой понимается ее изображение в виде, показанном на Рис.3.19.
В реальной структуре системы конкретная применяемая обратная связь может не охватывать все элементы прямой цепи контура (для коррекции могут быть использованы внутренние измеряемые переменные системы). Кроме этого, сигнал на выходе канала обратной связи при вычитании из сигнала прямой цепи (например, - напряжение) должен иметь такую же физическую размерность, как и тот сигнал из которого он вычитается. Поэтому реальную структуру, с помощью преобразования, необходимо привести к расчетной структурной схеме. Такое преобразование показано на Рис.3.21
|
|
|
2. Построение желаемой ЛАХ разомкнутого внешнего контура и ЛАХ неизменяемой части системы.
В качестве примера рассмотрим простейшую систему, желаемая ЛАХ которой, в разомкнутом состоянии, и ЛАХ неизменяемой части изображены на Рис.3.22.
Учитывая особенности метода коррекции, более удобно работать с обратной характеристикой желаемой корректирующей связи 
.
В частности, для рассматриваемого примера (Рис.3.22) вид этой характеристики, при идеальной ПФ датчика обратной связи, соответствует ПФ:
.
3.Определение желаемого (минимального) коэффициента передачи прямой цепи контура
Рассматривая ЛАХ прямой цепи и ЛАХ 
приходим к выводу, что для выполнения требования достаточной «глубины» ОС необходимо, чтобы в том диапазоне частот, в котором формируются основные динамические свойства системы (в области низких и средних частот) между асимптотами этих ЛАХ «неизменяемой части» и ЛАХ существовало отличие не менее, чем в 20 дб. Это обеспечивает выполнение условия глубокой ООС - 
. Для рассматриваемого примера такое взаимное расположение данных ЛАХ показано на Рис.3.22. Таким образом, выполнение условия глубокой ОС, определяет минимальное значение коэффициента передачи прямой цепи, значение дополнительного коэффициента передачи. При этом ПФ прямого канала структуры определяется выражением 
|
|
|
4.Коррекция системы с учетом требования к запасу устойчивости внутреннего контура.
Для построения асимптотической ЛАХ замкнутого внутреннего контура во всем диапазоне частот можно использовать практическое правило, вытекающее из свойства ГООС:
- асимптотическая ЛАХ замкнутого контура определяется нижней из ЛАХ прямой цепи и ЛАХ 
Применение данного правила распространяется только на асимптотическую характеристику замкнутого контура (Рис.3.22).
Пассивные и активные корректирующие устройства
Рассмотрим такие устройства, переменные которых (токи, напряжения) являются непрерывными во времени. В электронной технике такие устройства получили название аналоговых схем. Такие устройства разделяют на пассивные и активные.
1.Пассивные корректирующие устройства (пассивные корректирующие фильтры)
Реализация такого устройства выполняется, как правило, в виде четырехполюсника с короткозамкнутой стороной и содержит элементы в виде : резисторов и конденсаторов. Схема не содержит источников э.д.с. (именно поэтому они называются пассивными).
Схема реализации на основе четырехполюсника показана на Рис.3.34
Здесь :
- комплексные сопротивления соединений указанных элементов;
- внутреннее сопротивление источника сигнала;
- входное сопротивление последующей цепи.
Передаточная функция схемы определяется выражением:
При условии, что сопротивление источника достаточно мало, а входное сопротивление последующей цепи достаточно велико, ПФ схемы приобретает вид:
Приведем некоторые примеры реализации КУ пассивного типа.
Рассмотрим реализацию схемы на элементах: резистор, конденсатор.
КУ интегрирующего типа
Согласно схеме (Рис.3.35) получаем:
ЛЧХ данного КУ показаны на Рис.3.36
КУ дифференцирующего типа
Согласно схеме (Рис.3.37) , получаем :
ЛЧХ данного КУ показаны на Рис.3.38
На Рис. показана схема , в которой частично реализованы эффекты интегрирования и дифференцирования. В практике проектирования принято КУ такого вида называть интегро-дифференцирующим корректирующим устройством (сокращенно -ИДКУ). Согласно Рис.3.39, используя общую формулу для короткозамкнутого четырехполюсника, в результате получаем:
ЛАХ такого КУ изображена на Рис.3.40 Она содержит в ограниченном диапазоне низких частот наклон -1, в области высоких частот +1
Определяя комплексные сопротивления схемы , приходим к выражению:
Составляем уравнения для расчета значений радиоэлементов:
Поскольку количество уравнений меньше числа неизвестных, поэтом задается значение одного элемента (как правило 
) и затем рассчитываем остальные параметры.
ЛАХ такого КУ , содержит в области низких частот наклон -1, в области высоких частот +1
Недостатки КУ пассивного типа:
– ЛАХ КУ пассивного типа всегда лежит ниже оси частот ;
- изменение параметра одного радиоэлемента приводит к изменению параметров нескольких параметров схемы корректирующего фильтра ,что вызывает затруднения при отладке системы;
- при использовании цепи из нескольких последовательно включенных пассивных КУ, требуется обеспечить согласование выходных и входных комплексных сопротивлений соединяемых схем. Это усложняет расчет схемы и делает параметры схемы сильно взаимосвязанными.
Достоинство :
- схемы конструктивно надежны, поэтому применяются на конечном этапе разработки (в серийных образцах системы управления).
Активные корректирующие устройства
К таким устройствам относятся схемы, содержащие источники э.д.с.
В качестве таких схем ,в современной аналоговой интегральной микроэлектронике , применяют схемы включающие операционные усилители в интегральном исполнении.
Такая схема (Рис.3.41) представляет усилитель с глубокой отрицательной обратной связью (такие усилители называют операционными)
В разомкнутом состоянии усилитель имеет большой коэффициент усилителя (около 25000).
Схема имеет большое входное сопротивление (около 250 КОМ) и очень низкое значение тока во входной цепи 
, что позволяет объединять такие КУ, не заботясь о согласовании входных и выходных сопротивлений соседних электронных блоков .
Передаточная функция схем КУ с одним ОУ имеет вид:
В частности , если комплексные сопротивления схемы 
представляют параллельное соединение (Рис.3.42) резистора и конденсатора получаем:
Как показывает полученное выражение ,в зависимости от выбора параметров радиоэлементов такая схема может быть реализована либо как КУ интегрирующего типа (ИКУ), либо как КУ дифференцирующего типа (ДКУ).
Некоторые примеры активных КУ.
Схемы реального дифференциатора
1.Вариант (Рис.3.43):
2. Вариант. Дифференциатор, реализуемый с помощью интегратора. (Рис3.44)
3.Вариант
Каскадная схема многократногодифференциатра (Рис3.45).
Реализация блоков повышения порядка астатизма
1 Вариант.
Схема «изодромного» блока, в прямой цепи внешнего контура, построенная по типу параллельного соединения (Рис.3.46);
; 
2.Вариант.
Схема «изодромного» блока построенного по типу системы с положительной обратной связью (Рис.3.47)
3.Вариант
Каскадная схема КУ блока многократного повышения порядка астатизма ,:
(Рис.3.48);
Достоинства КУ активного типа в интегральном исполнении
1. С помощью последовательного соединения таких ячеек можно получать КУ со сложными ПФ, не заботясь о согласовании входных и выходных сопротивлений
2.Так, как в схеме содержится источник э.д.с коэффициент передачи может быть больше единицы и ЛАХ такого КУ может располагаться выше оси частот (позволяют усиливать сигнал)
3.Как показывает ПФ КУ параметры схемы можно изменять независимо друг от друга. Поэтому активные КУ очень удобны при настройке и отладки в процессе разработки и отладки системы .
Недостатки КУ активного типа в интегральном исполнении :
- в отношении динамики - схема активного КУ представляет электронную систему с глубокой отрицательной обратной связью. Это предъявляет требования к обеспечению устойчивости электронного контура, Необходима дополнительная коррекция, особенно при реализации сложных передаточных функций.
- дрейф нуля усилителя постоянного тока ( существование медленно-изменяющегося выходного сигнала при отсутствии входного сигнала), что является причиной дополнительного возмущения в системе управления ;
- ограничение напряжения питания (не более 10-12 В), что определяет применение таких устройств только в слаботочных электрических цепях;
- ограничение параметров резисторов ( не более 0.1 МОМ)
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 895; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!