background image

 
 

LABORATORIUM   METOD   STEROWANIA   

AUTOMATYCZNEGO 

 

INSTRUKCJA  DO ĆWICZENIA  nr 4 
 
 

KOREKCJA  WŁASNOŚCI UKŁADU REGULACJI  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

opr.  dr inż Krzysztof Kula 

 
1.Wstęp 
 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  studentów    z  metodami  korekcji  własności  dynamicznych  i 
statycznych  zamkniętego układu regulacji

 

 

 
Zadanie 1. 

Transmitancja  układu  otwartego  jest  równa 

5

)

(

5

.

0

)

(

2

5

)

(

2

3

s

B

A

s

A

B

s

A

s

G

o

.  Należy 

dobrać  szeregowo  włączony  proporcjonalny  człon  korekcyjny,  aby  w  układzie  tym  zapewnić  zapas 
fazy 

 . 

------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
Zadanie  Pomocnicze 2 
Wyznaczyć asymptotyczną logarytmiczną charakterystykę modułu członu przyspieszającego fazę. 
 
Rozwiązanie  
Rozpatrujemy  człon  korekcyjny  PD  o    transmitancji  operatorowej   

s

T

1

s

aT

1

a

1

s

G

2

2

kPD

)

(

  którą  przy 

założeniu, że 

1

T

T

a

2

1

 przedstawić można również w innej postaci   

s

T

s

T

T

T

s

G

kPD

2

1

1

2

1

1

)

(

Należy zwrócić na to uwagę, że stała czasowa licznika 

2

1

aT

T

 w przypadku  korektora PD  powinna 

być większa od stałej mianownika . 
 
Wyznaczamy transmitancję widmową  

    

2

2

2

2

2

2

1

2

2

2

1

)

1

(

)

(

)

1

(

log

20

)

(

T

T

T

T

T

Lm

=

2

2

2

2

1

2

2

1

1

2

2

1

1

2

1

)

(

1

1

1

)

(

T

T

T

j

T

T

T

T

j

T

j

T

T

T

j

G

kPD

2

2

2

2

2

2

1

2

2

1

2

1

4

2

2

2

1

1

1

2

2

log

20

T

T

T

T

T

T

T

T

T

 

 

 

2

1

2

1

1

)

(

)

(

)

(

T

T

T

T

arctg

P

Q

arctg

 

 

 

Traktujemy ten człon jako szeregowe połączenie 3 członów   
 

background image

)

1

(

1

1

)

(

1

2

1

2

j

T

j

T

T

T

j

G

kPD

.  Charakterystyka  wypadkowa  będzie  zatem  równa  sumie  trzech 

charakterystyk  członów  składowych 

1

2

1

)

(

T

T

s

G

s

T

s

G

1

2

1

)

(

  oraz 

)

(

1

1

)

(

2

3

s

T

s

G

co 

przedstawiono na rys.  

1

2

1

)

(

T

T

s

G

 przy warunku, że 

2

1

T

T

 będzie ona leżała poniżej osi odciętych.  

Załamania  wypadają  w  punktach 

1

1

1

T

  oraz   

2

2

1

T

.  Charakterystyka  fazowa  tego  członu  ma 

przebieg podany na rys.:  

.   

 Rys.10 Charakterystyka asymptotyczna modułu członu korekcyjnego PD,  

 

 

Rys. 11 Charakterystyka fazowa korekcyjnego członu przyspieszającego fazę.PD 

 

Maksymalna wartość przyspieszenia fazowego przypada na pulsację 

2

1

1

T

T

r

 a jego wartość z 

przedziału (0,90

o

 ) zależy od różnicy między 

1

 a 

2

 a konkretnie od stosunku 

2

1

T

T

a

 . Stała czasowa 

T

1

 musi być większa od T

2  

zatem 

  

ω

1

 powinna być mniejsza niż    ω

2.  

w

1

w

2

20lgT

2

T

1

Lm

w

0

+20 dB/dek

G1

G2

G3

G

PD

10

 

-2

 

10

 

-1

 

10

 

0

 

10

 

1

 

10

 

2

 

0

 

5

 

10

 

15

 

20

 

25

 

30

 

35

 

40

 

45

 

Phase (deg)

 

Bode Diagram

 

Frequency  (rad/sec)

 

 

fmax 

 

 

 

 

background image

Gdy    wyznaczymy  fazę  dla  pulsacji  odcięcia  układu  otwartego

o

,  to  dla  żądanego    zapasu  fazy  

układu 

  wymagany kąt przesunięcia fazowego   

o

max

          

 

                                   (1) 

 
Gdy znana jest wartość wymaganego przesunięcia 

max

to współczynnik 

a

  powinien być  równy  

max

max

sin

sin

1

1

a

     

 

 

 

   

 

 (2)

 

Zadanie  pomocnicze 3 

 

 

  

Dany jest układ regulacji o schemacie jak na rys.12 

                      

 

Rys. 12 Schemat blokowy układu regulacji  
 
Należy  dobrać  transmitancję  członu  korekcyjnego  H(s),  podłączonego  w  sprzężeniu  zwrotnym  obejmującym 
obiekt  regulacji    (  rys.13  ),  który  zapewni  układowi  skorygowanemu  wymaganą  dokładność  statyczną  a także 
odpowiedni zapas fazy i modułu.   

 

 

Rys.  13  Schemat  blokowy  układu  z  członem  korekcyjnym  włączonym  w  wewnętrzną  pętlę  sprzężenia 
zwrotnego 

 

Wypadkowa transmitancja Laplace’a obiektu skorygowanego będzie równa  

)

(

)

(

1

)

(

)

(

s

H

s

G

s

G

s

G

ob

ob

obk

  

Tę  samą  transmitancję  widmową  mnożąc  licznik  i  mianownik  przez  transmitancję  sprzężenia 
zwrotnego  przy  oznaczeniu  za  transmitancję  układu  otwartego  obiektu  korygowanego   

)

(

)

(

)

(

j

H

j

G

j

G

ob

ot

                                 

przedstawić możemy w następującej formie 

)

(

1

)

(

)

(

1

)

(

j

G

j

G

j

H

j

G

ot

ot

obk

.                        Jeżeli  moduł  transmitancji  układu  otwartego  obiektu 

skorygowanego  będzie  bardzo  mały,  to    transmitancja        obiektu  skorygowanego  będzie  w 

przybliżeniu  równa 

)

(

)

(

)

(

)

(

j

G

j

H

j

G

j

G

ob

ot

obk

.  Jeśli  zaś  moduł  ten  będzie  bardzo  duży,  to 

)

(

j

G

obk

aproksymować można wyrażeniem 

1

)

(

1

)

(

j

H

j

G

obk

.Transmitancję układu otwartego, 

odpowiednio dla obu przypadków, można  wyznaczyć następująco: 

G

r

(s)

G

uw

(s)

G

ob(

s)

X

u

y

+

-

G

r

(s)

G

uw

(s)

G

ob(

s)

X

u

y

+

-

H(s)

+

-

background image







1

)

(

)

(

)

(

1

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

j

G

dla

j

G

j

G

j

G

dla

j

G

j

G

j

G

j

G

j

G

ot

ot

o

ot

o

ob

uw

r

s

                              (3) 

 
Korektor  w  ujemnym  sprzężeniu  zwrotnym  tworzy  dodatkowy  wewnętrzny  układ  regulacji  .  Jego 
transmitancję  można  również  wyznaczyć  analitycznie.  Jest  jednak  ważne,  aby  przy  projektowaniu 
układu  uwzględnić  fizyczną  realizowalność  korektora.  Najwygodniej  jest  założyć,  że  poszukujemy 
korektora szeregowego, którego zastosowanie ma nadać układowi otwartemu odpowiednie  własności, 
a następnie wyznaczenie transmitancji członu umieszczanego w sprzężeniu zwrotnym, który zapewni 
układowi podobną transmitancję  jak po   dokonaniu projektowanej  korekcji szeregowej. Załóżmy, że 
chcemy dokonać korekcji  w układzie o schemacie z rys.12

 

Niech żądana transmitancja po korekcji   

jednego z  elementów układu będzie równa  

)

(s

G

zad

 

Zastępcza transmitancja widmowa układu z wewnętrzną pętlą sprzężenia zwrotnego jest określona wzorem 

 

)

(

)

(

1

)

(

)

(

s

H

s

G

s

G

s

G

sz

 

               

 

 

(4) 

Aby

)

(

)

(

s

G

s

G

sz

zad

 transmitancja korektora powinna być równa  

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

s

G

s

G

s

G

s

G

s

H

zad

zad

 

 

 

   

 

(5) 

Transmitancję 

)

(s

G

zad

określić  można  również  na  podstawie  żądanego  przebiegu  logarytmicznych 

charakterystyk Bodego.  

 

Zadanie 4 
Sporządzić tablicę, której argumentem jest stosunek stałych czasowych członu korekcyjnego 
przyspieszającego fazę a wartością funkcji maksymalna wartość fazy .  
 
W celu wykreślenia charakterystyk Bode’a korzystamy  z polecenia   

>>bode(Gpd) 

Oczywiście wcześniej trzeba zdefiniować transmitancję członu korekcyjnego PD . Zakładamy stała 
wartość T1=1 a T2<T1  sukcesywnie zmniejszamy. Oczywiście wartość stałych czasowych  nie ma 
wpływu na maksymalną wartość fazy a jedynie ich wzajemny stosunek ( współczynnik 

a

) . 

 

Zadanie 5 Transmitancja układu otwartego   jest równa

)

(s

G

o

 . Należy dobrać szeregowo włączony  

człon  korekcyjny  o transmitancji: 

1

s

T

1

s

T

K

s

G

2

1

kor

k

)

(

, aby  w układzie tym zapewnić zapas fazy 

, zapas modułu 

M

 i jak najlepszą dokładność statyczną ( uchyb ustalony 

0

ust

e

). 

 
Zastosowć następujący algorytm: 
1.Określamy w układzie nieskorygowanym  pulsację 

 

2.Dobierzmy człon korekcyjny PD  tak, aby 

)

1

(

2

1

max

T

T

=        

o    

 

współczynnik

a

 wyznaczyć z (2)  a następnie   

 

   

 

 

 

a

1

T

2

         

 

 

 

 

 

(6) 

3.Po zastosowaniu korekcji szeregowej z tak dobranym członem PD otrzymujemy charakterystykę 
Bodego  układu otwartego skorygowanego, z której możemy odczytać, że   odpowiadający tej pulsacji  

background image

moduł 

o

180

)

(

1

  jest równy    

)

(

1

Lm

      . Aby zachować warunek na zapas fazy, 

można by jeszcze zwiększyć dokładność w zakresie niskich częstotliwości o

)

(

1

Lm

   dB. Przed tą 

czynnością zapas modułu wynosiłby         dB  ( rys.14).  

 

Rys. 14. Charakterystyki Bode’a układu otwartego po korekcji PD 

 
Aby zachowany był warunek, że minimalny zapas modułu ma wynosić 

M

 dB charakterystykę 

modułu można by teraz  przesunąć w górę o wartość K

 dB. Zatem wzmocnienie członu korekcyjnego 

kor

K

  może być większe o 

20

K

y

10

K

.  

 
Zadanie  6  
Sprawdzić w Matlabie, czy obliczony w poprzednim zadaniu człon korekcyjny spełnia postawione 
przed nim zadania.   

 

Rys.15  Charakterystyki Bodego  układu nieskorygowanego, korektora i czlonu po korekcji 
Szeregowe włączenie członu korekcyjnego o transmitancji obliczonej w zadaniu 3  członu 
korekcyjnego pozwala na spełnienie wszystkich wymagań  stawianych przed układem. 
Zadanie  dodatkowe 7  

-40

-30

-20

-7.6

-15

0

10

20

M

a

g

n

itu

d

e

 (

d

B

)

10

-1

10

0

10

1

-270

-225

-180

-150

-90

-45

0

45

P

h

a

s

e

 (

d

e

g

)

po korekcji 

kor PD   

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

 System: G1k 
 Frequency (rad/sec): 2.58 
 Magnitude (dB): -0.0742 

 System: G1k 
 Frequency (rad/sec): 4 
 Magnitude (dB): -7.41 

M

a

g

n

itu

d

e

 (

d

B

)

10

0

-270

-225

-180

-135

-90

-45

0

45

 System: G1k 
 Frequency (rad/sec): 2.58 
 Phase (deg): -150 

 System: G1k 
 Frequency (rad/sec): 4 
 Phase (deg): -180 

P

h

a

s

e

 (

d

e

g

)

Bode Diagram

Frequency  (rad/sec)

background image

Założyć, że realizacja korekcji  w zadaniu 4 ma się odbyć przy pomocy członu korekcyjnego 
włączanego w sprzężenie zwrotne. Wyznaczyć transmitancję tego członu . 
 
Rozwiązanie 
Ponieważ nie mamy informacji o transmitancjach elementów układu otwartego, zakładamy, że 
korekcją objęty będzie człon o transmitancji G(s)=1  
Niech zatem 

)

(

)

(

s

G

s

G

korPD

zad

. Na podstawie wzoru (5) z zadania pomocniczego 3  obliczamy 

transmitancję członu korekcyjnego w sprzężeniu zwrotnym  

)

(s

H

 

>> H=tf([   ], [     ] )

                               % transmitancja członu korekcyjnego ze sprzężenia zwrotnego 

>> GkorPD=      *tf([       1],[        1 ],’inputdelay’,2)

   %  opóźnienie  w czasie o 2 sek  

>> step(GkorPD,1/(1+H))

                            % wykreślenie charakterystyki skokowej członu   

                                                                           korekcynego  szeregowego i charakterystyki członu     
    umieszczonego w sprzężeniu zwrotnym, która przesunięta jest o 2 sekundy względem tej pierwszej. 

 

Rys. 16  Przebiegi charakterystyk skokowych obu członów korekcyjnych. Charakterystyka skokowa 
członu szeregowego przesunięta 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

LABORATORIUM MSA

 

 
................................................................... 

 

              

Gdynia dn. ...............20013. 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Step Response

Time (sec)

A

m

p

lit

u

d

e

charakterystyka korektora
szeregowego  
przesunieta w czasie
o 2 sekundy 

background image

Imię  nazwisko studenta 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

                          P R O T O K Ó Ł   ćw. 1  

 

Zadane parametry     A=               B=               

zadany zapas

   fazy

    

         

    

Zadany zapas modułu

 

dB

M

 

   Zadany uchyb ustalony 

0

ust

e

 

Transmitancja układu otwartego jest równa

       

s

s

s

s

G

o

2

3

)

(

 

 

Zadanie 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Charakterystyki logarytmiczne Bodego układu otwartego bez korekcji oraz układu po korekcji P 
 
Zadanie 2 

  Zależność pomiędzy stosunkiem 

2

1

T

T

)

1

(

2

1

max

T

T

. Przyjąc T1=1, T2=(0.8-0.01) 

Tab.1 Zależność maksymalnego przyspieszenia fazy od stosunku stałych czasowych członu  
        korekcyjnego PD 
 

1

T

 

2

T

 

2

1

T

T

 

1

2

 

dek, okt 

)

1

(

2

1

max

T

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 
 
Zadanie 5     

Wyznaczone parametry członu korekcyjnego 

 

                                          

....

..........

max

o

a

                 

 

background image

2

T

=                        

1

T

 =                   

20

K

y

10

K

          

....

kor

K

 

 
 Transmitancja członu korekcyjnego PD, aby spełniła stawiane przed nią wymagania, powinna być 

równa  

s

1

s

1

s

G

kPD

.

)

(

  

 
 
 

Zadanie 6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Rys.  Charakterystyka członu skorygowanego przy pomocy członu korekcyjnego PD

      

 
Zadanie 7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.  Przebiegi charakterystyk skokowych obu członów korekcyjnych. Charakterystyka 
skokowa członu szeregowego przesu