background image

14

Jakość regulacji

• Stabilność układu regulacji

• Przebieg procesu regulacji

– dokładność statyczna 

– dokładność dynamiczna

• Ocena jakości

– na podstawie przebiegów czasowych procesu

– na podstawie charakterystyki częstotliwościowej

15

Wskaźniki dla charakterystyki czasowej

• Sygnał zadany – skok jednostkowy

• Wyniki pomiarów:

– uchyb maksymalny (maksymalna odchyłka regulacji)

– uchyb statyczny (odchyłka statyczna)

– czas regulacji

– przeregulowanie

• względne

• bezwzględne

– czas opóźnienia 

– czas narastania

background image

16

Typowa odpowiedź skokowa

Parametry:

y(t) – wielkość regulowana

y

max

– wartość 

maksymalna

y

ust

– wartość ustalona

– dopuszczalna odchyłka 

wartości regulowanej

t

r

– czas regulacji

17

Uchyb regulacji

• Uchyb maksymalny

• Uchyb statyczny

ust

max

max

y

y

e

=

ust

z

ust

y

y

e

=

Uchyb maksymalny decyduje o bezpieczeństwie 
obiektu regulacji. Często istnieją ograniczenia na 
wartość maksymalną.

Uchyb statyczny określa jakość regulacji w 
warunkach ustalonych.

background image

18

Przeregulowanie

• Przeregulowanie bezwzględne

• Przeregulowanie względne 

(oscylacyjność)

ust

max

y

e

=

κ

1

2

1

2

osc

e

e

y

y

e

e

k

=

=

=

κ

e

Przeregulowanie określa dynamiczną dokładność regulacji. Podobnie jak uchyb maksymalny, 
zbyt duże przeregulowanie może doprowadzić do zniszczenia układu. Przeregulowanie 
względne, nazywane oscylacyjnością układu, jest to iloraz sąsiednich amplitud odpowiedzi 
oscylacyjnej i jest miarą szybkości tłumienia oscylacji wielkości regulowanej. Jeśli 
oscylacyjność wynosi 1, to układ jest na granicy stabilności.

19

Parametry czasowe

Odpowiedź skokowa (raz jeszcze)

t

R

– czas regulacji (ustalania): 

czas, po którym wartość 
sygnału wyjściowego układu 
nie będzie odbiegać od 
wartości tego sygnału w stanie 
ustalonym o więcej niż 

∆ 

(

=1, 

2, 5%); jest miarą jakości 
dynamicznej odpowiedzi 
skokowej układu automatyki

t

o

– czas opóźnienia: czas, po 

którym odpowiedź skokowa 
osiąga 50% swojej wartości 
końcowej

t

n

– czas narastania: czas 

potrzebny do wzrostu 
odpowiedzi skokowej układu 
od 10% do 90% wartości 
ustalonej

background image

20

Wskaźniki związane z charakt. częstotliwościową

21

Zapas fazy i modułu

background image

22

Zapas modułu i fazy – interpretacja graficzna

23

Wskaźnik nadążania

background image

24

Wielkości związane ze wskaźnikiem nadążania

ω

rez

– częstotliwość rezonansowa – częstotliwość dla 

której występuje maksymalna wartość wskaźnika 
nadążania

• M

max

– moduł rezonansowy („pik” rezonansowy) 

wartość, jaką osiąga wskaźnik nadążania dla 
częstotliwości rezonansowej

• Pasmo przenoszenia – przedział częstotliwości od zera 

do częstotliwości, przy której charakterystyka 
amplitudowa M (

ω

) osiąga wartość 1 (0 dB).

25

Wielkości związane z rozkładem pierwiastków 

równania charakterystycznego

Stopień stabilności 

Stopień oscylacyjności

background image

26

Stabilność i oscylacyjność

27

Całkowe wskaźniki jakości regulacji

Całkowe wskaźniki jakości są tzw. wskaźnikami globalnymi 
(całościowymi), które na poziomie syntezy układu regulacji 
wyrażają także interpretację energetyczną czy

ekonomiczną. 

Za ich pomocą można ocenić jakość regulacji w stanie 
ustalonym (dokładność statyczną) jak i w stanie 
nieustalonym (zapas stabilności, prędkość działania). 

background image

28

Postać ogólna wskaźników całkowych

Całkowe kryteria (wskaźniki) jakości w przypadku ogólnym 
stanowią funkcjonały typu

gdzie:

e(t) – uchyb regulacji

r(t) – sterowanie (wartość zadana)

y(t) – wyjście (wartość regulowana)

– funkcja uchybu, sterowania, wyjścia i czasu

– czas wyznaczania, dąży do nieskończoności, zwykle w 
praktyce przyjmuje się czas regulacji 

29

Dobór regulatora ze względu na wskaźniki całkowe

Metoda dokładna doboru parametrów regulatora polega 
na minimalizacji wybranego wskaźnika ze względu na 
wartość poszukiwanych parametrów, np.:

0

,

0

,

0

=

=

=

d

i

p

T

I

T

I

K

I

Minimalizacja wartości wybranego wskaźnika ma pewne 
uzasadnienie fizyczne, gdyż stanowi on pewną miarę 
strat energetycznych układu. W praktyce otrzymanie 
zadowalających rezultatów jest utrudnione ze względu 
na trudności z analitycznym przeprowadzeniem 
powyższych optymalizacji.

background image

30

Podstawowe wskaźniki całkowe (1)

• Całka z uchybu

=

0

1

)

dt

t

e

I

• Całka z modułu uchybu (IAE – Integral Absolute Error) 

=

0

1

)

dt

t

e

I

m

W przypadku zastosowania kryterium IAE jako kryterium 
optymalizacji nastaw zamkniętego układu sterowania II 
rzędu (jak poniżej), uzyskuje się współczynnik tłumienia 

ζ

=1, co daje zerowe przeregulowanie

31

Podstawowe wskaźniki całkowe (2)

• Całka z modułu uchybu pomnożonego przez czas (ITAE -

Integral Time Absolute Error)

=

0

1

)

tdt

t

e

I

t

Mnożenie przez czas odpowiada nadawaniu wagi wartości bezwzględnej błędu. 
Kryterium znalazło szerokie zastosowanie w technice, prowadzi do kompromisu: niewielkie 
przeregulowanie przy stosunkowo krótkim czasie regulacji. Jeżeli układ zamknięty jest 
opisany transmitancją n-tego rzędu postaci:

to optymalne w sensie ITAE wielomiany mianownika są następujące (zależności od rzędu n):

ω

0

– częstość drgań własnych układu

Dla ukł. II rzędu uzyskuje się przeregulowanie 
rzędu 4% i współczynnik tłumienia 

ζ

=0.707

background image

32

Podstawowe wskaźniki całkowe (3)

• Całka z kwadratu uchybu 

(ISE – Integral Square
Error)

=

0

2

2

)

dt

t

e

I

W przypadku zastosowania kryterium ISE 
jako kryterium optymalizacji nastaw 
zamkniętego układu sterowania II rzędu 
(wielomian II stopnia w mianowniku – jak 
poniżej), uzyskuje się przeregulowanie ok. 
16% i współczynnik tłumienia 

ζ

=0.5

33

Podstawowe wskaźniki całkowe (4)

• Całka z sumy ważonej uchybu przyrostu sterowania

względem wartości ustalonej

(

)

+

=

0

2

2

2

)

(

)

(

dt

t

u

t

e

I

u

ρ

• Całka z iloczynu czasu i odchyłki sterowania u(t) od jego 

wartości ustalonej ustalonej u

ust

(ang. CE – control

effort)

=

0

ust

ust

CE

)

(

dt

u

u

t

u

t

I

Zmienić