Automaty wyk int

background image

UKŁADY NIELINIOWE

Układami nieliniowymi nazywamy układy opisane równaniami różniczkowymi, różnicowymi lub
algebraicznymi. Układy nieliniowe można również określić jako takie układy, dla których nie
obowiązuje zasada superpozycji. Układ spełnia zasadę superpozycji, jeżeli przy zerowych
warunkach początkowych odpowiedź tego układu na wymuszenie, będące kombinacją liniową
wymuszeń, jest równa kombinacji liniowej na każde z wymuszeń oddzielnie.
Wszystkie układy rzeczywiste są układami nieliniowymi. Traktowanie niektórych układów jako
układy liniowe jest zawsze wynikiem idealizacji procesów zachodzących w tych układach. Jako
liniowe można traktować takie układy, dla których z dostateczną dokładnością obowiązuje
zasada superpozycji.
Układ zawierający przynajmniej jeden człon nieliniowy, jest układem nieliniowym.

W przypadku ogólnym odpowiedź y członu nieliniowego jest związana z wymuszeniem u(t) tego
członu (obiektu, procesu) opisanego równaniem różniczkowym nieliniowym n-tego rzędu o
postaci

0

)

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

(

2

)

1

(

2

)

1

(

=

t

u

u

u

u

y

y

y

y

F

m

m

n

n

K

K

W szczególnym przypadku opis matematyczny członu nieliniowego może mieć postać równania
algebraicznego

- jest funkcją nieliniową argumentów – człon statyczny.

0

)

,

,

(

=

t

u

y

F

background image

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

-0.5

0

0.5

1

X Axis

Y A

xi

s

X Y P lot

0

5

10

15

20

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (s e cond)

⎪⎪

=

k

B

u

u

B

k

B

u

ku

y

sign

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

-0.5

0

0.5

1

X Axis

Y A

xi

s

X Y P lot

0

5

10

15

20

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (se cond)

+

=

a

u

a

u

k

a

u

a

u

k

a

u

ku

y

)

(

)

(

Nasycenie

Strefa martwa, nieczułość

background image

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

X Axis

Y A

xi

s

X Y P lot

0

5

10

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (s e cond)

-2

-1

0

1

2

-2

-1

0

1

2

X Axis

Y A

xi

s

X Y P lot

0

5

10

-1

-0.5

0

0.5

1

Time (s e cond)

Przekaźnik dwupołożeniowy

Luz

background image

Wiele układów regulacji automatycznej zawiera nieliniowości istotne z punktu widzenia
działania URA. Nieliniowości tych w procesie analizy URA nie można pominąć metodą
linearyzacji drogą rozkładu w szereg Taylora i pominięcia składników nieliniowych tego szeregu,
ponieważ sygnały istniejące w URA mogą zmieniać się w szerokich granicach.

Takie układy nieliniowe można badać dokładniejszymi metodami stosowanymi w
przypadku układów nieliniowych:

-

y

o

(t)

y(t)

G(s)

u(t)

e(t)

NLN

1. metodą funkcji opisującej,
2. metodą płaszczyzny fazowej
3. metodą modelowania analogowego,
4. metodą modelowania cyfrowego.

Pośród cech zachowania się układów nieliniowych, które nie dają się wyjaśnić za pomocą teorii
liniowej, chyba najważniejsze są drgania samowzbudne zwane cyklem granicznym. Cykl
graniczny jest to drganie własne układu nieliniowego przy stałej amplitudzie i stałym okresie.
Przyjmując, że jedynym istotnym sygnałem wyjściowym członu nieliniowego jest składowa
sinusoidalna o częstotliwości wejściowej, upraszczamy badania drgań tego typu. Metoda funkcji
opisującej jest właśnie oparta na tym założeniu i wykorzystuje ona metody częstotliwościowe.

Metoda funkcji opisującej

.

background image

Rozważmy relację nieliniową między wejściem a wyjście,
zależną od amplitudy, lecz niezależną od częstotliwości

)

(e

f

u

=

Dla wejścia sinusoidalnego o amplitudzie A i częstotliwości

ω

t

A

e

ω

sin

=

odpowiedź

)

sin

(

~

t

A

f

u

ω

=

ma zniekształcenia nieliniowe, lecz jej okresowość jest taka

sama, jak sygnału wejściowego dla większości spotykanych w praktyce elementów nieliniowych.

Wyjście okresowe można wyrazić za pomocą szeregu Fouriera

t

n

h

n

f

c

u

n

n

n

ω

θ

θ

θ

θ

=

+

+

=

=1

)

cos

sin

(

)

(

~

przy czym współczynniki Fouriera dla składowych podstawowych są równe

=

=

π

π

θ

θ

θ

π

θ

θ

θ

π

2

0

1

2

0

1

cos

)

(

~

1

;

sin

)

(

~

1

d

n

u

h

d

n

u

f

a składowa stała jest równa

=

π

θ

θ

π

2

0

)

(

~

2

1

d

u

c

Jeżeli charakterystyka statyczna elementu nieliniowego jest symetryczna względem układu
współrzędnych, to współczynnik c = 0, jeżeli zaś nie posiada strefy niejednoznaczności to h

1

= 0.

Funkcja opisująca elementu nieliniowego jest zdefiniowana następująco

A

jh

f

A

J

1

1

)

(

+

=

=

π

θ

θ

θ

π

2

0

)

(

~

1

)

(

d

e

u

A

A

J

j

i wyraża stosunek wyjścia do wejścia elementu nieliniowego w dziedzinie częstotliwości.

lub

background image

ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNYCH UKŁADÓW NIELINIOWYCH PRZY

POMOCY FUNKCJI OPISUJĄCEJ

Funkcję opisującą wykorzystuje się do przybliżonej analizy układu nieliniowego, przy
wykorzystaniu kryterium analogicznego do kryterium Nyquista.

Rozpatruje się wyrażenie

)

(

1

)

(

1

)

(

)

(

A

J

j

G

j

G

A

J

=

=

ω

ω

a ściślej, wzajemne położenie

)

(

1

i

)

(

A

J

j

G

ω

Wyrażenie

)

(

1

A

J

1. leży na zewnątrz charakterystyki G(j

ω

)

– URA jest

stabilny

,

dla dowolnych wartości A i

ω

.

2. leży wewnątrz charakterystyki G(j

ω

)

– URA jest

niestabilny

,

3. posiada punkt lub punkty wspólne z

charakterystyką częstotliwościową G(j

ω

)

- w nieliniowym URA wystąpią drgania
o częstotliwości i amplitudzie
określonych przez przecinające się
krzywe (obok – dwa cykle graniczne:
1. (A

1

,

ω

1

) - niestabilny,

2. (A

2

,

ω

2

) – stabilny.)

2

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

3

2

1

1

Q

l

ω

( )

P

l

ω

( )

A

0

A

=

A

0

=

A

(

)

1

1

,

ω

A

(

)

2

2

,

ω

A

background image

wynika symetria odpowiedzi, która w
przedziale od 0 do

π

ma postać

)

sin(

(

)

sin

(

π

θ

θ

+

=

A

f

A

f

Z symetrii charakterystyki przekaźnika

Przekaźnik

0

2

4

6

8

t {s}

e(t)

u(t)

-20

-10

0

10

20

1

α

2

α

π

α

+

2

π

α

+

1

B

<

<

<

<

<

<

=

π

θ

α

α

θ

α

α

θ

2

2

1

1

0

0

0

~

dla

dla

B

dla

u

Funkcja opisująca przyjmie postać

(

)

(

)

(

)

[

]

2

1

2

1

0

2

0

sin

sin

cos

cos

2

2

2

d

2

d

)

(

~

2

d

)

(

~

)

(

2

1

2

1

2

1

α

α

α

α

π

π

π

θ

π

θ

θ

π

θ

θ

π

α

α

α

α

α

α

θ

θ

π

θ

π

θ

=

=

=

=

=

=

j

A

B

e

e

A

B

e

A

B

Be

A

j

e

u

A

j

e

u

A

j

A

J

j

j

j

j

j

j

Przy czym:

A

a

A

a

1

2

2

1

arcsin

arcsin

=

=

α

α

background image

e(t)

Przekaźnik trójpołożeniowy

-6

-4

-2

0

2

4

6

u(t)

-2

-1

0

1

2

10

Przekaźnik

0

2

4

6

8

t {s}

e(t)

u(t)

-20

-10

0

10

20

2h

a

2

-

a

2

-

a

1

a

1

B

-B

0

12

3

45

6

t {

s}

-10

-5

0

5

10

2

α

1

α

1

α

2

α

π

α

+

2

π

α

+

1

>

<

<

<

=

2

2

1

1

0

a

e

dla

B

a

e

a

dla

a

e

dla

B

u

>

<

<

>

=

2

1

2

1

0

a

e

dla

B

a

e

a

dla

a

e

dla

B

u

rosnącego

e

e

czyli

0

dla

>

&

malejącego

e

e

czyli

0

dla

<

&

10

.

B

A

background image

Ponieważ

2

1

1

2

sin

sin

α

α

A

a

A

a

=

=

Zatem

A

a

A

a

1

2

2

1

sin

sin

=

=

α

α

2

1

2

2

2

1

1

cos

1

cos

=

=

A

a

A

a

α

α

Stąd otrzymuje się postać ostateczną funkcji opisującej przekaźnik

2

2

1

2

1

2

2

dla

1

1

2

)

(

a

A

A

a

a

j

A

a

A

a

A

B

A

J

>



⎛ −

+

+

=

π

Nietrudno zauważyć, że gdy a

2

= -a

1

= a to z

powyższej zależności otrzymuje się funkcję opisującą
przekaźnik dwupołożeniowy z histerezą przy A > a

A

a

e

A

B

A

J

j

arcsin

gdzie

4

)

(

)

(

=

=

α

π

α

Natomiast gdy a

2

= a

1

= a, to otrzymuje się funkcję

opisującą przekaźnik trójpołożeniowy bez histerezy

2

2

2

1

4

)

(

a

A

A

B

A

f

A

J

=

=

π

Jeżeli przyjmie się a = 0, to otrzyma się funkcję
opisującą przekaźnik dwupołożeniowy

A

B

A

J

π

4

)

(

=

W tym przypadku linearyzacja harmoniczna sprowadza się do zastąpienia charakterystyki u =f(e)

prostą przechodzącą przez początek współrzędnych

e

A

B

u

π

4

=

background image

Przykład

Zbadać stabilność układu regulacji automatycznej składającego się z: przekaźnika
dwupołożeniowego z histerezą o parametrach B=1, a =0.04 oraz obiektu liniowego opisanego
transmitancją operatorową:

G s

( )

e

4

− s

10 s

1

+

:=

Charakterystyka amplitudowo-fazowa liniowej części liniowej układu

P

ω

( )

Re G j

ω

( )

(

)

:=

P

ω

( )

complex

simplify

cos 4

ω

( )

10 sin 4

ω

( )

ω

+

(

)

1

100

ω

2

+

Q

ω

( )

Im G j

ω

( )

(

)

:=

Q

ω

( )

complex

simplify

sin 4

ω

( )

10 cos 4

ω

( )

ω

+

(

)

1

100

ω

2

+

background image

Funkcja opisująca dla elementu nieliniowego

jakim jest przekaźnik ma postać:

J A

( )

4 B

π A

2

A

2

a

2

+

j a

+

(

)

:=

Wykres krytyczny ma postać

1

J A

( )

P A

( )

1j Q A

( )

+

gdzie:

P A

( )

π

4

A

2

a

2

B

:=

Q A

( )

π
4

a

B

:=

0.4

0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0.2

Q

ω

( )

Qp A

( )

Qp 0.295

(

)

Qp 0.4

(

)

Qp 0.2

(

)

P

ω

( )

Pp A

( )

,

Pp 0.295

(

)

,

Pp 0.4

(

)

,

Pp 0.2

(

)

,

background image

UKŁADY REGULACJI DWUPOŁOŻENIOWEJ

Układem regulacji dwupołożeniowej będziemy nazywać układ, w którym wielkość wyjściowa
regulatora może przyjmować tylko dwie stabilne wartości sygnału. Cechą charakterystyczną
układów z regulatorem dwupołożeniowym (przekaźnikowym) są przede wszystkim oscylacje w
stanie ustalonym, określane przez amplitudę, częstotliwość i wartość średnią tych oscylacji.
Parametry tych oscylacji świadczą o jakości regulacji i zależne są od własności dynamicznych
obiektu, od wartości sygnału włączonego przez przekaźnik oraz pętli histerezy przekaźnika.
Najlepsze rezultaty daje zastosowanie regulatorów dwupołożeniowych, w przypadku obiektów o
dużej inercji, dlatego najczęściej bywają stosowane przy regulacji procesów cieplnych, regulacji
poziomu cieczy w dużych rezerwuarach itp.

Przykład

Wyznaczyć przebieg ustalony dla układu z obiektem i regulatorem
dwupołożeniowym, jeżeli transmitancja obiektu ma postać

o

sT

e

Ts

k

s

G

+

=

1

)

(

-

y

o

(t)

y(t)

)

(s

G

u(t)

e(t)

natomiast charakterystyka statyczna
przekaźnika jest symetryczna w strefie
histerezy.

5

3

1

1

3

5

1

1

2

3

4

5

6

B

u t

( )

h

h

e t

( )

background image

0

50

100

150

200

250

300

t {s}

y(t

)

0

20

40

60

80

100

120

Wartość zadana

1

0

dla

<

=

m

mkB

y

o

Przebiegi procesu regulacji dla nastaw wielkości zadanej

80

,

50

,

20

=

o

y

background image

0

50

100

150

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

t {s}

h

y

o

+

h

y

o

o

y

o

T

1

t

2

t

osc

T

min

y

śr

y

max

y

a

t

Parametrami charakterystycznymi przebiegu czasowego wielkości regulowanej są:

t

1

,

t

2

,

T

osc

,

y

max

,

y

min

,

y

śr

oraz średni uchyb ustalony i niekiedy czas

t

a

.

background image

1. Do wyznaczenia czasu

t

a

korzystamy z zależności



=

+

T

T

t

u

o

o

a

e

y

h

y

1

Przyjmując

u

o

my

y

=



=

+

T

T

t

u

u

o

a

e

y

h

my

1

stąd

(

)

h

m

y

y

T

T

t

u

u

o

a

+

=

1

ln

2. Po przekroczeniu wartości

y

o

+

h wielkość regulowana dalej wzrasta przez okres czasu T

o

osiągając

(

)

T

T

T

T

u

o

T

T

u

o

u

o

o

o

he

e

m

y

h

y

e

y

h

y

y

y

y

+



=

+

+



=

=

=

1

1

1

max

3. Przy zmniejszaniu się wartości

y, po przekroczeniu wartości y

o

-

h następuje dalsze

zmniejszanie się wielkości regulowanej przez okres

T

o

aż do osiągnięcia

(

)

(

)

T

T

u

T

T

o

o

o

e

h

my

e

h

y

y

y

=

=

=

min

4. Wartość średnia oscylacji ustalonych wyniesie

(

)

+

=

+

=

T

T

u

śr

o

e

m

y

y

y

y

5

.

0

5

.

0

2

max

min

5. Średni uchyb regulacji wyniesie

(

)



=

=

T

T

u

o

śr

śr

o

e

m

y

y

y

e

1

5

.

0

background image

6. Dokładność dynamiczna

T

T

T

T

u

o

o

he

e

y

y

y

y

+



=

=

Δ

2

1

min

max

7. Na podstawie zależności opisujących przebieg zmian wielkości regulowanej w przedziale od

y

min

do

y

max

wyznacza się czas narastania

t

1

:

(

)

(

)

T

T

u

u

T

T

u

o

o

e

y

y

y

y

e

y

y

y

=

+



=

min

min

min

max

1

(

)

(

)

h

m

y

e

h

my

y

T

T

t

u

T

T

u

u

o

o

+

=

1

ln

1

8. Na podstawie zależności opisujących przebieg zmian wielkości regulowanej w przedziale od

y

max

do

y

min

wyznacza się czas opadania

t

2

:

(

)

[

]

h

m

y

e

h

y

m

y

T

T

t

u

T

T

u

u

o

o

+

=

1

ln

2

9. Czas oscylacji ustalonych

2

1

t

t

T

osc

+

=

background image

Na podstawie uzyskanych zależności wynikają wnioski ogólne:

h

y

y

o

+

>

max

h

y

y

o

<

min

a) wartość

b) wartość

c) wartość średnia

y

śr

może być większa, równa lub mniejsza od wartości

y

o

,

zależnie od tego czy

m < 0.5, m = 0.5 lub m > 0.5,

d) średni uchyb regulacji

e

śr

= 0 tylko dla

m = 0.5; dla m < 0.5 e

śr

> 0 a dla

m > 0.5, e

śr

< 0; uchyb ten nie zależy od strefy niejednoznaczności

(histerezy) przekaźnika,

e) czas narastania

t

1

i czas opadania

t

2

są sobie równe tylko dla

m = 0.5

oraz

t

1

> 0 i

t

2

> 0 nawet przy

h = 0.

Jakość regulacji jest zależna głównie od własności dynamicznych obiektu. Strefa histerezy ma w
większości przypadków wpływ niewielki. Regulacja dwupołożeniowa zapewnia dobre wyniki dla
obiektów o małym stosunku opóźnienia do stałej czasowej. Jednak już od wartości T

o

/T = 0.2

jakość regulacji jest niewielka.

background image

SPOSOBY KOREKCJI

Najprostszym sposobem poprawy jakości regulacji dwupołożeniowej jest , np.. podział mocy
grzejnej w taki sposób, że regulowana jest tylko część mocy przy pozostałej części włączonej na
stałe. Przy tego typu korekcji zmniejsza się jednak efektywność kompensacji zakłóceń. Wady tej
nie mają inne sposoby korekcji.

Korekcja szeregowa – regulator dwustawny PD

Korekcja szeregowa PD polega na włączeniu przed przekaźnikiem członu proporcjonalno-
różniczkującego o transmitancji

y

o

u

y

e

(

)

s

T

k

r

r

+

1

OBIEKT

-

(

)

s

T

k

s

G

r

r

r

+

=

1

)

(

przez co zyskuje się wzrost częstotliwości przełączeń, a zatem zmniejszenie amplitudy oscylacji
wielkości regulowanej - rozrzutu regulacji w stanie ustalonym. Można w ten sposób uzyskać
dwukrotny wzrost częstotliwości przełączeń.

background image

y

o

u

y

e

-

OBIEKT

-

1

1

+

s

T

k

Korekcyjne sprzężenie zwrotne wokół przekaźnika

Przez korekcyjne sprzężenie zwrotne
wokół przekaźnika tworzy się w układzie
dodatkowy obwód drgający na wyższej
częstotliwości, linearyzujący własności
przekaźnika.

1

)

(

1

+

=

sT

k

s

G

k

Najczęściej w torze sprzężenia zwrotnego umieszczany
jest człon inercyjny pierwszego rzędu o transmitancji:

(

)

1

1

)

(

1

)

(

1

)

(

1

+

=

+

=

sT

k

s

G

s

G

k

k

s

G

k

k

R

R

r

Biorąc pod uwagę fakt, że wzmocnienie samego przekaźnika

k

R

jest bardzo wielkie,

dynamikę regulatora można określić jako odwrotność transmitancji sprzężenia zwrotnego,
czyli:

Regulator ma własności regulatora PD, mając współczynnik wzmocnienia

k

p

=1/

k i czas

różniczkowania

T

D

=

T

1..

Warunek ten jest spełniony przy stosunkowo dużych wzmocnieniach

k

i małych stałych czasowych

T

1

.

Osłabienie sprzężenia przez zmniejszenie

k - czyli wzrost wzmocnienia k

p

regulatora PD –

może doprowadzić do niestabilności, co będzie się objawiać przez oscylacje wartości średniej
wielkości

y o ograniczonej amplitudzie.

background image

y

o

u

y

e

-

OBIEKT

-

k

1

1

1

+

s

T

1

1

2

+

s

T

-

Regulator dwustawny PID

Regulator dwustawny PD nie likwiduje uchybu ustalonego, ale poprawia jakość regulacji.
Likwidację błędu w stanie ustalonym zapewnia natomiast astatyzm wnoszony przez dwustawny
regulator typu PID.

Transmitancja sprzężenia zwrotnego:

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

1

1

1

1

)

(

2

1

sT

sT

k

s

G

k

Przy założeniu, że

T

2

>

T

1

,

transmitancja regulatora

)

(

1

)

(

s

G

s

G

k

r

1

2

2

2

gdzie

,

1

1

)

(

lub

1

1

1

1

1

1

1

1

)

(

T

T

n

sT

sT

k

s

G

n

sT

n

n

sT

n

n

k

s

G

D

I

p

r

r

=

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

⎟⎟

⎜⎜

+

+

+

+

+

=

przyjmuje postaci:

background image

R e g u la c ja d w u s ta w n a

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

t { s }

yo(

t)

u(

t)

y(

t)

yo

(t

)+

h

yo

(t

)-h

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

1 .2

Dobór nastaw regulatora dwustawnego PID

Nastawy regulatora dwustawnego można dobrać sposobem będącym odpowiednikiem metody
Zieglera-Nicholsa dla regulatorów liniowych.

1.

Wyłączyć działanie korekcyjne (

k = 0), nastawić y

o

= 0,5

y

max

i zarejestrować przebieg

y(t).

Δ

y

T

osc

2.

Zmierzyć okres oscylacji

T

osc

oraz dokładność dynamiczną

Δ

y (rozrzut regulacji).

background image

3.

Określić nastawy regulatora według zależności:

osc

D

osc

I

p

T

T

y

y

T

T

y

k

12

1

,

4

,

75

.

0

max

=

Δ

=

Δ

=

Na podstawie powyższych nastaw można wyznaczyć wzmocnienie i stałe czasowe
członów inercyjnych w pętli sprzężenia wokół przekaźnika:

(

)

1

,

1

,

1

1

1

2

1

+

=

+

=

+

=

n

T

T

n

T

T

n

n

k

k

D

I

p

R e g u la c ja d wu s ta n o wa

0

10

20

30

40

50

60

t {s}

yo(

t)

y(

t)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

background image

R e g u la c ja d w u s ta n o w a

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

t { s }

yo

(t

)

y(

t)

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

R e g u la c ja d w u s ta n o w a

0

10

20

30

40

50

60

t { s }

yo(

t)

y(

t)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


Document Outline


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Automatyka (wyk 3i4) Przel zawory reg
Automatyka (wyk 6 7) Zawory trojdrogowe przykl ppt [ (2)
Automatyka (wyk 11 12) ppt [try Nieznany
Automatyka (wyk 5) Zaw przel przykl ppt [tryb zgodnosci]
Automatyka (wyk 3) Zawory trojdrogowe ppt [tryb zg (2)
Automatyka (wyk 14) szafy sterownicze ppt [tryb zgo
Automatyka (wyk 4 przepustnice went i napedy ppt
Automatyka (wyk 1) Zawory reg jednodrogowe ppt [tryb zgodnosci]
Automatyka (wyk 10) elementy po Nieznany
PA - wyk1, PODSTAWY AUTOMATYKI WYK 1
Automatyka (wyk 5) elementy pomiarowe
Automatyka (wyk 3i4) Przel zawory reg
Automatyka (wyk 6 7) Zawory trojdrogowe przykl ppt [ (2)
Automatyka (wyk 11 12) ppt [try Nieznany

więcej podobnych podstron