cos(w o. t) + jsin(w Q. 3S(u t) - jsinfw t). Obydwa rozwiązania (6.39) są zespolone. Jeżeli teraz przyjmie

Podobne dokumenty
CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Układ regulacji automatycznej (URA) kryteria stabilności

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawowe człony dynamiczne

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

układu otwartego na płaszczyźnie zmiennej zespolonej. Sformułowane przez Nyquista kryterium stabilności przedstawia się następująco:

Badanie stabilności liniowych układów sterowania

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra InŜynierii Systemów Sterowania Podstawy Automatyki

Opis matematyczny. Równanie modulatora. Charakterystyka statyczna. Po wprowadzeniu niewielkich odchyłek od ustalonego punktu pracy. dla 0 v c.

Laboratorium z podstaw automatyki

K p. K o G o (s) METODY DOBORU NASTAW Metoda linii pierwiastkowych Metody analityczne Metoda linii pierwiastkowych

Stabilność. Krzysztof Patan

REGULATORY W UKŁADACH REGULACJI AUTOMATYCZNEJ. T I - czas zdwojenia (całkowania) T D - czas wyprzedzenia (różniczkowania) K p współczynnik wzmocnienia

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Ćw. S-III.3 ELEMENTY ANALIZY I SYNTEZY UAR Badanie stabilności liniowego UAR

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI INSTYTUT AUTOMATYKI I INFORMATYKI KIERUNEK AUTOMATYKA I ROBOTYKA STUDIA STACJONARNE I STOPNIA

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

4. UKŁADY II RZĘDU. STABILNOŚĆ. Podstawowe wzory. Układ II rzędu ze sprzężeniem zwrotnym Standardowy schemat. Transmitancja układu zamkniętego

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

PODSTAWY AUTOMATYKI. Analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości dla elementarnych obiektów automatyki.

( 1+ s 1)( 1+ s 2)( 1+ s 3)

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Ćwiczenie nr 6 Charakterystyki częstotliwościowe

PAiTM. materiały uzupełniające do ćwiczeń Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie prowadzący: mgr inż.

Korekcja układów regulacji

UKŁADY JEDNOWYMIAROWE. Część II UKŁADY LINIOWE Z OPÓŹNIENIEM

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

KRYTERIA ALGEBRAICZNE STABILNOŚCI UKŁADÓW LINIOWYCH

4. Właściwości eksploatacyjne układów regulacji Wprowadzenie. Hs () Ys () Ws () Es () Go () s. Vs ()

Laboratorium z podstaw automatyki

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

FUNKCJA LINIOWA. A) B) C) D) Wskaż, dla którego funkcja liniowa określona wzorem jest stała. A) B) C) D)

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES. y = ax + b. a i b to współczynniki funkcji, które mają wartości liczbowe

ĆWICZENIE 6 Transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe układów aktywnych pierwszego, drugiego i wyższych rzędów

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

Z-ZIP-103z Podstawy automatyzacji Basics of automation

Laboratorium nr 3. Projektowanie układów automatyki z wykorzystaniem Matlaba i Simulinka

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Informatyczne Systemy Sterowania

Projektowanie układów regulacji w dziedzinie częstotliwości. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

Interpolacja, aproksymacja całkowanie. Interpolacja Krzywa przechodzi przez punkty kontrolne

Laboratorium z automatyki

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Zadanie 3 Oblicz jeżeli wiadomo, że liczby 8 2,, 1, , tworzą ciąg arytmetyczny. Wyznacz różnicę ciągu. Rozwiązanie:

Wstęp do analizy matematycznej

Transmitancje układów ciągłych

Rozwiązania zadań. Arkusz Maturalny z matematyki nr 1 POZIOM ROZSZERZONY. Aby istniały dwa różne pierwiastki równania kwadratowego wyróżnik

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

6. FUNKCJE. f: X Y, y = f(x).

Ćwiczenie 3 BADANIE OBWODÓW PRĄDU SINUSOIDALNEGO Z ELEMENTAMI RLC

Ćwiczenie nr 1 Odpowiedzi czasowe układów dynamicznych

TRANSMITANCJA WIDMOWA, CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE I WYZNACZANIE ODPOWIEDZI USTALONYCH NA WYMUSZENIE HARMONICZNE

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

PLAN WYNIKOWY DLA KLASY DRUGIEJ POZIOM PODSTAWOWY I ROZSZERZONY. I. Proste na płaszczyźnie (15 godz.)

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Automatyka i robotyka

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

III. DOŚWIADCZALNE OKREŚLANIE WŁAŚCIWOŚCI UKŁADÓW POMIAROWYCH I REGULACYJNYCH

Podstawy Automatyki Zbiór zadań dla studentów II roku AiR oraz MiBM

Informacje ogólne. Podstawy Automatyki I. Instytut Automatyki i Robotyki

Laboratorium z podstaw automatyki

M10. Własności funkcji liniowej

KONSPEKT FUNKCJE cz. 1.

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Rok akademicki: 2016/2017 Kod: EEL s Punkty ECTS: 6. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

ZAGADNIENIA PROGRAMOWE I WYMAGANIA EDUKACYJNE DO TESTU PRZYROSTU KOMPETENCJI Z MATEMATYKI DLA UCZNIA KLASY II

Katedra Automatyzacji Laboratorium Podstaw Automatyzacji Produkcji Laboratorium Podstaw Automatyzacji

Otrzymaliśmy w ten sposób ograniczenie na wartości parametru m.

rezonansu rezonansem napięć rezonansem szeregowym rezonansem prądów rezonansem równoległym

Arkusz maturalny nr 2 poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. Rozwiązania. Wartość bezwzględna jest odległością na osi liczbowej.

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Tematyka egzaminu z Podstaw sterowania

GEOMETRIA ANALITYCZNA. Poziom podstawowy

Funkcja liniowa - podsumowanie

Technika regulacji automatycznej

Wektory i wartości własne

Informacje ogólne. Podstawy Automatyki. Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Skrypt 23. Geometria analityczna. Opracowanie L7

Technika regulacji automatycznej

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

FUNKCJE. Kurs ZDAJ MATURĘ Z MATEMATYKI MODUŁ 5 Teoria funkcje cz.1. Definicja funkcji i wiadomości podstawowe

FUNKCJE. Rozwiązywanie zadań Ćw. 1-3 a) b) str Ćw. 5 i 6 str. 141 dodatkowo podaj przeciwdziedzinę.

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

Transkrypt:

- 156 - Podstawiając (6.38) do (6.37), znaleziono j<j t r \ - x o e i x Q cos(w o t) + jsin(w Q t)l, (6.39) 3S(u t) - jsinfw t). Obydwa rozwiązania (6.39) są zespolone. Jeżeli teraz przyjmie się, 0 0 1 J że x=(x+x)/2, to z (6.39) otrzyma się odpowiedź rzeczy- 1 2 wista (i zgodną z intuicją) x = x cos (w Q (6.40) 6.3.2. Kryterium Routha-Hurwitza Równanie charakterystyczne układu liniowego (6.31) lub (6.35) można przedstawić w postaci 4) a Q s n + a^"" 1 + + a s n-l a=0. (6.41) Warunkiem koniecznym globalnej stabilności asymptotycznej układu o równaniu charakterystycznym (6.41) jest wymóg aby wszystkie współczynniki a równania (6.41) spełniały warunek Warunkiem dostatecznym - aby wszystkie podwyznaczniki Ai (i=2,3,...,n-l) wyznacznika An o budowie: i=2: A i-3l A 3 = itd aż do i=n-l były większe od zera. (6.42) Jeżeli jeden lub więcej niż jeden podwyznacznik (6.42) jest równy zeru, to układ jest stabilny globalnie ale nie asymptotycznie (w układzie występują niegasnące drgania o stałej amplitudzie). 4) Spotyka się również inną postać tego równania: współczynnik przy najwyższej potędze s, a więc it jest a, a nie a. Czytelnik za chwilę sprawdzi, ze postać (6.41) prowadzi do łatwiejszych do zapamiętania algorytmów badania stabilności.

- 157 - Przykład 6.6 Równanie charakterystyczne układu ma postać 2s 3 +4s 2 +10s+3=0. Sprawdzić stabilność układu. Warunek konieczny jest tu spełniony, bo wszystkie współczynniki wielomianu są dodatnie i różne od zera. Dla sprawdzenia warunku dostatecznego wprowadza się oznaczenia: a =2, a =4, a =10 oraz a =3. Stopień n wielomianu charakterystycznego jest tu równy 3. Wystarczy więc sprawdzić jeden podwyznacznik: 4 3 2 10 = 40-6 = 34 > 0. Układ jest więc stabilny globalnie i asymptotycznie. Przykład 6.7 Ponawia się zadanie przykładu 6.6 dla równania charakterystycznego: 3s 4 +2s 3 +5s z +3s+4=0. Warunek konieczny jest tu spełniony. Badania podwyznaczników dają 2 3 0 A = 2 = 10-9 = 1 > 0; Badany układ jest niestabilny. Przykład 6.8 3 5 4= -13 < 0. 0 2 3 W tym przykładzie równanie charakterystyczne ma postać 4s 3 +2s 2 +4, 5s+2, 25=0. Warunek konieczny jest tu spełniony, ale 2 2 2,25 4 4,5 0. Tym samym układ jest stabilny globalnie ale nie asymptotycznie. Przykład 6.9 Rozpatruje się podobne równanie charakterystyczne jak w przykładzie 6.7 ale dla a a =0: 3s 4 +2s 3 +3s+4=0. Układ jest niestabilny ponieważ nie jest spełniony warunek konieczny (a =0). Przykład 6.10 Dla utrzymania stałości prędkości kątowej u śmigła samolotu niezbędne jest przestawianie kąta natarcia <p śmigła w zależnoś-

- 158 - ci od wysokości lotu. Na rys.6.4a pokazano układ automatycznej regulacji prędkości w przez zmianę kąta <p (schemat aparaturowy). Schemat blokowy tego układu pokazano na rys.6.4b. a) % J Nastawienie b) O AM, fs) łx-v AM/s) (moment) SILNIK = OBIEKT (s) AM IsJ (s) CZŁON NASTAW. ńw(s) CZtON WYKON. Auls) m REGULATOR toook G 2 (s) = 0,12s z +3s*1000 Ryr.6.4. Układ automatycznej regulacji kąta <p natarcia śmigła samolotu: a) schemat aparaturowy; b) schemat blokowy

- 159 - Transmitancja operatorowa układu otwartego G (s) = 0 100Q k. (s+1)(0,12s 2 +3s+1000)S Należy określić wartość k, dla której układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest jeszcze stabilny. Równanie charakterystyczne układu zamkniętego otrzymuje się po uwzględnieniu (6.45): (s+1) (0,12s z +3s+1000) s+1000k=0, czyli 0,12s*+3,12s 3 +1003s 2 +1000s+1000k=0. Ponieważ A 2 = Q'^ to należy określić A i znaleźć taką wartość k, dla której A =0, czyli zachodzi stabilność obojętna 3 3,12 1000 0 0,12 1003 loook = 3,12(1003-1000-3,12-1000k) + 0 3,12 1000-1000'0,12-1000 = 0. Po rozwiązanniu równania A =0 względem k otrzymano k=309,15. Układ jest więc stabilny asymptotycznie gdy k<309,15. 6.3.3. Kryterium Nyąuista Kryterium Nyąuista pozwala na określenie stabilności układu zamkniętego na podstawie charakterystyki amplitudowo-fazowej układu otwartego, wyznaczonej analitycznie lub doświadczalnie. Ma ono duże znaczenie praktyczne, szczególnie w przypadku układów rzeczywistych, które może być trudno opisać analitycznie. Na rys.6.5 pokazano, jak z układu zamkniętego uzyskuje się układ otwarty (przerwanie pętli sprzężenia zwrotnego przed węzłem sumacyjnym). Transmitancje operatorowe układów zamkniętych G (s) oraz G (s) dla przypadku a) i b) sa_ różne ale transz,a z t b mitancje obydwu układów otwartych są takie same L («)L (a) Warto tu wyjaśnić, że równania charakterystyczne układów otwartych <p Q (s) - M^sJM^s) = 0 (6.44) oraz zamkniętych +M i (s)m z (s), (6.45) są w obydwu przypadkach również identyczne

- 160 - a) Ljts! M i' S> 0 2!s) L 2 (s) M 2 (s) Y/s! L i( s, Yts) G 2 (s) = L 2(s) M 2 (s) Rys.6.5. Pojęcie układu otwartego i zamkniętego Przed sformułowaniem kryterium Nyquista rozpatruje się wstępnie równanie charakterystyczne dowolnego układu (zamkniętego lub otwartego), wykorzystując (6.31), zakładając występowanie tylko pierwiastków jednokrotnych oraz podstawiając s=jw <p(jw) = (ju-sj) (ju-s z )... (ju-sj = 0. (6.46) W równaniu tym n jest stopniem równania charakterystycznego a s są jego pierwiastkami. Równanie (6.46) jest iloczynem liczb zespolonych, tym samym n - TT l(j«-s.)l oraz arg arg(jw-s ). (6.47) i Na rys.6.6 przedstawiono poglądowo na płaszczyźnie zmiennej zespolonej s różnicę dwóch wektorów j(j i s, umieszczając przykładowo dwa pierwiastki w lewej i prawej półpłaszczyźnie. Jeżeli pulsacja u zmienia się od -co do +a> to wektor jw-s dokonuje obrotu o +71 dla pierwiastka s znajdującego się w lewej półpłaszczyźnie s płaszczyźnie. i obrotu o -TT dla pierwiastka s w prawej pół-

- 161 - Im jej - s (u < 01 Rys.6.6. Obroty wektorów jto-s przy zmianie pulsacji w od -co do -h» Jeżeli wszystkie pierwiastki (6.46) leżą w lewej półpłaszczyźnie (jest to warunek stabilności asymptotycznej badanego układu) to dla w zmieniającego się od -«do +oo wektor p(jw) powinien obrócić się o kąt równy mr. Po przedstawieniu (6.46) ponownie w postaci (6.41) i podstawieniu s=ju można wykazać, że <p (jw)=p(u) +jq(w). Łatwo udowodnić, że P((o)=P(-u) oraz Q(w)=-Q(-a>). Wystarczy tu więc rozpatrzyć zmianę pulsacji u od 0 do +oo, ponieważ hodograf s) (p(jw) jest symetryczny na płaszczyźnie s względem osi rzeczywistej. Tym samym dla u zmieniającego się od 0 do +» wektor p(jw) powinien obrócić się o kąt TT^, jeżeli układ ma być stabilny asymptotycznie. Jest to dowodem poprawności kryterium stabilności Michajłowa: układ dynamiczny jest stabilny asymptotycznie, gdy hodograf wehtora p(jw) na płaszczyźnie zmiennej zespolonej s, przy zmianie pulsacji ca od 0 do oo, zakreśla drogę kątową, n 1. B) Krzywa zakreślona na płaszczyźnie s przez koniec wektora

- 162 - Z braku miejsca kryterium to nie będzie w dalszym ciągu ilustrowane przykładami. Dla obydwu schematów na rys.6.5 mianownik transmitancji G z (s) układu zamkniętego jest równy l+g Q (s). Po podstawieniu s=jw można napisać (jw)l (jw)+m (ju)m (jw) ip (ju>) (6-48) Tym samym zmianę argumentu funkcji l+g Q (jw) przedstawia się w postaci A arg [l+g (jw)] = A arg [ip (ju)] - A arg > 0 (ju)]. (6.49) Jeżeli układ otwarty jest stabilny asymptotycznie i ma pozostać tak samo stabilny po zamknięciu, to przyrost argumentu 1+G (ju) dla oswsco powinien być równy zeru, zgodnie z kryterium G Michajłowa, ponieważ wielomiany > 0 (s) i ł> z (s) są tego samego stopnia n. Warunek ten jest spełniony, gdy dla hodografu 1+G (jw) na płaszczyźnie s rozpoczynającego się na osi rzeczywistej (w=0) i na niej kończącego (w=«), punkt (-l,jo) znajduje się na zewnątrz hodografu. Wykres G (ju) na płaszczyźnie zmiennej zespolonej s jest charakterystyką amplitudowo-fazową układu otwartego- Jeżeli charakterystyka ta dla O^wsm nie obejmuje punktu (-l,jo), to punkt ten znajduje się na zewnątrz hodografu 1+G (ju). Tym samym układ zamknięty jest stabilny asymptotycznie, jeżeli odpowiadający mu układ otwarty jest również stabilny, a wykres G o (jw) nie obejmuje punktu (-l,jo). Kryterium Nyąuista dla tego przypadku można ująć następująco. Jeżeli układ otvarty jest stabilny asymptotycznie, to pozostaje tak samo stabilny po zamknięciu, gdy charakterystyka G o (jw) dla oswsm nie obejmuje punktu (-l,jo). Gdy charakterystyka G Q (JCJ) przechodzi przez punkt (-l,jo), to układ zamknięty jest na granicy stabilności (stabilny ale nie asymptotycznie). Przykład 6.11 -ST Zbadać stabilność układu, dla którego G (s)= ~. Po podstawieniu s=jw otrzymuje się po przekształceniach

- 163 - l+(t z U)' cos (Tu) - T wsin(t w) + - j sin(tu) + T wcos(t u) 11. (6.50) Z zależności tej wynika, że dla w=0 G (ju)=k. Punkt przecięcia charakterystyki amplitudowo-fazowej z osią rzeczywistą znajduje się po przyrównaniu do zera części urojonej (6.50). Daje to równanie Tu + tq(t u ) =0. 2 k ^ v 1 k' Można je rozwiązać względem u (6.51) wykreślnie lub numerycznie (np. metodą Newtona). Po podstawieniu znalezionej w ten sposób wartości u^ do części rzeczywistej (6.50) sprawdza się, czy jest ona większa lub mniejsza od -i, co w tym przypadku wystarcza do oceny stabilności badanego układu po jego zamknięciu. (Na tym etapie można wyznaczyć również tzw. zapas modułu, o którym jest mowa w dalszym ciągu tego punktu)._ Niech dane liczbowe przykładu wynoszą T =n s, T 2 =2TT S oraz k=l. Numerycznie znaleziono z (6.51) w =0,585 rd/s. Wykres G (J w ) pokazano na rys.6.7. Z analizy przebiegu wykresu na tym rysunku wynika, 2e przy danych liczbowych zadania, badany układ jest stabilny po zamknięciu, ponieważ charakterystyka G Q nie obejmuje punktu (-l,jo), a układ otwarty jest stabilny. * Im Rys.6.7. Ilustracja do przykładu 6.11. Charakterystyka amplitudowo-fazowa układu, który po zamknięciu jest stabilny

- 164 - Jeżeli dla tych samych stałych: T^n s i T 2 =27T S przyjmie się inną niż 1 wartość k, to początkiem charakterystyki G Q (ju) będzie punkt k na osi Re, a punktem jej przecięcia z tą osią - punkt -0,267k. Łatwo stąd wyznaczyć wartość graniczną k gr =3,75, powyżej której badany układ po zamknięciu staje się niestabilny. Na rys.6.8 pokazano charakterystykę, którą dla tego samego układu uzyskano dla k=2, 0^=4 s i T 2 =2 s. Tym razem układ po zamknięciu będzie niestabilny, bo charakterystyka obejmuje punkt (-1,jO). kim Re Rys.6.8. Charakterystyka układu niestabilnego po zamknięciu Ważną zaletą kryterium Nyąuista, której nie mają inne kryteria, jest łatwość określenia zapasu stabilności badanego układu. W pobliżu granicy stabilności stany nieustalone są oscylacyjne o tym mniejszym tłumieniu, im bliżej tej granicy znajduje się układ. Wynika stąd wymóg zapewnienia układowi odpowiedniego zapasu stabilności. Operując pojęciami charakterystyk częstotliwościowych układów stabilnych, określa się dla nich dwie wielkości: - zapas modułu oraz - zapas fazy. Zapas modułu jest współczynnikiem a, przez jaki należy przemnożyć wzmocnienie układu, przy nie zmienionym argumencie transmitancji widmowej układu otwartego, aby doprowadzić układ

- 165 - do granicy stabilności. Zapas fazy kip, mierzony w stopniach, określa wartość zmiany argumentu transmitancji widmowej układu otwartego przy nie zmienionym wzmocnieniu, która przynosi ten sam skutek. Na rys.6.9 pokazano przypadek charakterystyki G (ju) układu, dla którego obydwie wielkości wyznacza się w łatwy sposób wykreślnie. Jeżeli podziałki osi Im i Re są jednakowe, to punkt A przecięcia okręgu jednostkowego zakreślonego z początku układu współrzędnych z charakterystyką G (ju) wyznacza kąt A». Zab pas modułu a wyznacza się z zależności a=. Dla układu z rys. ' II f\ 6.9 znaleziono w ten sposób Ap=75 oraz a=2,43. Rys.6.9. Wyznaczanie zapasu modułu i fazy Zapasy stabilności można również określić analitycznie (por. przykład 6.11). Wymaga to określenia pulsacji IÓ, dla której część urojona G (ju) ma wartość zerową, a następnie wyznaczenia dla tej pulsacji części rzeczywistej G (jw). W ten sposób określa się zapas modułu a. Określenie zapasu fazy hę wymaga znalezienia wartości w, dla której G o (jcj) =l. Po podstawieniu u do G (jw) oblicza się P(w ) oraz Q(<-O i wyznacza Ay z zależności: ' Ap=180 0 -arctg(q(c<> )/P(u ))^ W praktyce stosuje się zapas modułu O<Ł2 (odpowiada "to~"wzmocnieniu 201og 2=6 db) oraz zapas fazy Kryterium Nyquista w przypadku astatycznych układów otwartych Wiele układów regulacji automatycznej zawiera człony całkujące, które są źródłem astatyzmu odpowiadających im układów otwartych. Liczba takich członów, połączonych szeregowo z innymi

- 166 - członami elementarnymi nie przekracza w praktyce dwóch. Rozpatruje się więc zwykle tylko układy z jednym członem całkującym (układy astatyczne pierwszego rzędu) i z dwoma takimi członami (układy astatyczne drugiego rzędu). Wykreślenie pełnej charakterystyki amplitudowo-fazowej G (jw) dla OSŁfcsra w obydwu przypadkach jest utrudnione nieograniczonym wzrostem modułu \G (ju)i dla pulsacji zbliżonej do zera. Nie jest to zresztą potrzebne, bo istotne dla badania stabilności układu informacje zawarte są w tych fragmentach, które przebiegają w okolicach punktu krytycznego (-l,jo) i kończą się dla w=«- w początku układu współrzędnych. Metoda Nyąuista badania stabilności układów, które po otwarciu sa astatyczne, jest podobna do omawianej już metody badania układów statycznych. Różnica polega tylko na tym, że charakterystykę amplitudowo-fazową astatycznego układu otwartego uzupełnia się fragmentem umownego okręgu o nieskończenie dużym promieniu, tak aby rozpoczynała się ona na dodatnim odcinku osi Re. Metoda ta, której uzasadnienie teoretyczne jest podane m.in. w pracach [2] i [7], zostanie zilustrowana prostym przykładem. Przykład.12 Rozpatruje się otwarty układ astatyczny pierwszego rzędu o transmitancji G p ( s >~s(t s+1) (/s+1) (T s+l) ' Jest to dość ogólny 1 2 3 przypadek członu całkującego połączonego szeregowo z trzema członami inercyjnymi pierwszego rzędu, które łącznie odpowiadają jednemu członowi inercyjnemu trzeciego rzędu. Przy zerowej wartości jednej ze stałych czasowych otrzymuje się człon inercyjny drugiego rzędu, a gdy tylko jedna stała różni się od zera - pierwszego rzędu. Po podstawieniu s=jw do G Q (s) i odpowiednich przekształceniach otrzymano Re G c.(ju) P(U) "i (6. 52) Im G o (jw) = Q(w). -k(l-</c) Ct) N ' (6. 53) arg c (j to) == - arctg 2 oifau 2 c -b) (6. 54)

- 167 - przy oznaczeniach: a=t T T : b=t +T +T ; c=t T +T T +T T 1 2 3 1 2 3' 1 2 1 3 2 3 oraz N = (j 2 (aw z -b) 2 + (i-w 2 c) 2. (6.55) Po przyrównaniu Q(u) do zera znaleziono pulsację w, dla której charakterystyka G (ju) przecina oś Re u = k 1 (6.56) Jeżeli wartości tej odpowiada P(w)=-l, to układ otwarty po zamknięciu znajdzie się na granicy stabilności. Po podstawieniu (6.56) do (6.52) i przyrównaniu do -1 otrzymano graniczną wartość k=k k, dla której układ po zamknięciu przestaje być stabilny \ = ^ - (6.57) Z postaci wzorów (6.56) i (6.57) wynika, że obydwie wartości krytyczne: u i k zależą od wartości stałych T, T i T. k K 1 2 3 Po przyjęciu k=l uzyskano przykładowy wykres fragmentu charakterystyki układu otwartego dla T =1 s, T =2 s oraz T =3 s 1 2 3 (rys.6.10a). Dla tych danych układ po zamknięciu będzie niestabilny, ponieważ punkt krytyczny -l,jo jest objęty przez charakterystykę układu otwartego (uzupełnioną ćwierćokręgiem o nieskończenie dużym promieniu). Wynik ten potwierdza uzyskana wartość z (6.57) k k =0,4959, ponieważ k=l > k k =0,4959. Układ ten będzie stabilny po zamknięciu jeżeli wzmocnienie k zostanie zmniejszone do wartości mniejszej od k^. b) Im T1 = 9,25 T2= 9,5 T3= 1 7 m s < = 2 ^ \ Rys.6.10. Badanie stabilności układów otwartych z astatyzmem pierwszego rzędu: a) układ, który po zamknięciu jest niestabilny; b) układ, który po zamknięciu jest stabilny / Re I 1

- 168 - Po zmianie wartości stałych na 1^=0,25, T 2 =0,5 oraz T 3 =l uzyskano przebieg charakterystyki, która dla k=l nie obejmuje już punktu krytycznego (rys.6.l0b), a więc dotyczy układu, który po zamknięciu będzie stabilny. Ze wzorów (6.52), (6.53) oraz (6.55) wynika, że dla w >+0 P(u) >-kb oraz Q(w)»-«. Charakterystyka układu otwartego dla w H-0 zbliża się do półprostej leżącej w trzeciej ćwiartce, równoległej do osi Im i odległej od niej o kb. W przykładzie 6.12 omówiono przypadek, w którym przy odpowiednim doborze parametrów można było uzyskać stabilność układu zamkniętego, mimo że układ otwarty był astatyczny. Istnieją jednakże układy, w których żadne zmiany parametrów nie zapewniają stabilności. Na przykład, jeżeli układ otwarty jest szeregowym połączeniem co najmniej dwóch członów całkujących oraz członu inercyjnego dowolnego rzędu, to jego charakterystyka amplitudowo-fazowa (uzupełniona odpowiednim fragmentem okręgu o nieskończenie dużym promieniu) obejmuje punkt krytyczny przy dowolnych (ale dodatnich) wartościach współczynnika wzmocnienia oraz stałych czasowych. Dla zapewnienia stabilności układu jest w tym przypadku niezbędna zmiana jego struktury. Dlatego o takich układach mówi się, że są niestabilne strukturalnie. Logarytmiczne kryterium Nyquista Po zastąpieniu modułu G (ju) transmitancji układu otwartego przez M=201og G o (jw) I (w decybelach) i wykreśleniu zależności M(*>), gdzie- ^=arg G Q (jo>), otrzymuje się logarytmiczną charakterystykę amplitudowo-fazową (Nicholsa), na której odpowiednikiem punktu krytycznego (-l,jo) jest punkt (0 db,-180 ). Kryterium Nyquista można wtedy, z pewnym uproszczeniem, sformułować następująco: Jeżeli punkt (0 db,-180 ) pozostaje stale po prawej stronie dla obserwatora przemieszczającego się wzdłuż amplitudowo- -fazowej charakterystyki logarytmicznej układu otwartego, dla pulsacji u dążących od 0 do <*>, to układ po zamknięciu będzie stabilny. Jeżeli punkt ten jest stale po stronie lewej, to układ jest niestabilny, a gdy charakterystyka przechodzi przez punkt krytyczny, to układ jest na granicy stabilności. Wszystkie te trzy przypadki ilustruje rys.6.11.

- 169 -...na granicy stabilności Rys.6.11. Charakterystyki Nicholsa Logarytmiczne charakterystyki amplitudowe i fazowe wykreślane w funkcji logarytmu pulsacji w e) są wygodniejsze w zastosowaniach praktycznych od charakterystyk VL(<p). Przyrosty u podaje się wtedy zwykle w dekadach, które w skali logarytmicznej są odwzorowane odcinkami o stałej długości. Na charakterystykach takich łatwo jest odczytać ewentualne zapasy stabilności badanego układu, a gdy układ jest niestabilny - podjąć odpowiednie działania, które zapewnią jego stabilność (np. przez wprowadzenie członów korekcyjnych - por. p.7.3). Na rys.6.12a, b i c podano fragmenty trzech charakterystyk logarytmicznych (tylko dla jednej, najistotniejszej dekady) układu przebadanego w przykładzie 6.11. Ukiad po zamknięciu jest: stabilny - a / na granicy stabilności - b oraz niestabilny - c. Zastosowano tu takie same stałe czasowe jak w przypadku rys. 6.7 (T^TT S, T =2n s). Na rys.6.l2a można odczytać, że zapas modułu wynosi około 6,4 db, a zapas fazy - Ay=74. W przypadku układu niestabilnego z rys.6.12c dla ^=-180 wartość modułu jest dodatnia i wynosi ok. 3 db. 6) W literaturze anglosaskiej nazywają je wykresami Bodę' go.

- 170 - a) 20 10-10 db t = 2-90" -130 c -270 c b) c) -20 0,1 co, rad/s 1 0,1 1 0,1 db -270 c db Mlu) 0-10 >) ł. s - 90-270 Rys.6.12. Logarytmiczne charakterystyki amplitudowe i fazowe: a) układ po zamknięciu stabilny; b) układ na granicy stabilności; c) układ niestabilny Na zakończenie tego przykładu warto zanotować ogólne spostrzeżenie: Układ otwarty jest po zamknięciu stabilny, gdy: dla <p(w)=-180 M((j)<0, dla M(w)=0 db Wykreślanie dokładnych charakterystyk logarytmicznych wymaga żmudnych obliczeń, jeżeli wykonuje się je na kalkulatorze. Stosowana jest więc powszechnie pewna uproszczona metoda, w której charakterystyki M(w) zastępuje się odcinkami linii prostych (asymptot przebiegów dokładnych), a przebiegi <p(u)) - szkicuje wg pewnych punktów charakterystycznych dla poszczególnych członów. Sposób postępowania wyjaśniony już był w rozdziale 4. Przykłady różnych, rozwiązanych w ten sposób zadań, Czytelnik znajdzie w pracach [2], [5] i [7]. Obecnie znacznie dokładniej i szybciej rozwiązuje się takie zadania przy użyciu komputera. W rozdziale 7 zamieszczono opis programu LOG4, który jest między innymi przeznaczony do tych celów. Bibliografia 1. Gibson J.E.: Nieliniowe układy sterowania automatycznego. (INT, Warszawa 1968. 2. Kaczorek T. : Teoria układów regulacji automatycznej. Część II, zeszyt 2. WPW, Warszawa 1974.

- 171 - Mazurek J., Vogt H., Żydanowicz W.: Podstawy WPW, Warszawa 1983. P.A. (pea.) : MeToflw wcc/ieaobahmfl He/iMHeŃHbix abtomatmheckoro ynpab/iehmfl. Itofl. HayKa, MocKBa 1975. automatyki. 5. Pełczewski W.: Teoria sterowania. WNT, Warszawa 1980. 6. Thaler G.J., Pastel M.P.: Nieliniowe układy automatycznego sterowania. WNT, Warszawa 1965. 7. Żelazny M.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa 1967.