Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
7-5. ЧАСТОТНЫЕ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВАСвязь частотных характеристик с весовыми функциями.Пусть
Формула (7-49) справедлива для функций Перейдем от плоскости
Для новой переменной интеграл (7-49) примет вид:
На прямой, вдоль которой выполняется интегрирование, имеем:
В дальнейшем будут рассматриваться устойчивые системы, у которых полюсы
и
Это — обратное преобразование Фурье, определяющее функцию Выделим в (7-50) вещественную и мнимую части
Получим
Так как функции
Рассмотрим теперь функцию
Так как
и
Имеем контурный интеграл. Контур С включает мнимую ось и полуокружность Г. При
Подставляя это значение и
Сначала, складывая (7-52) и (7-53), а затем вычитая второе из первого, получаем:
или
Таким образом, для устойчивых систем весовую функцию можно получить с помощью лишь одной из частотных характеристик замкнутой системы — или вещественной Связь частотной характеристики с переходной функцией. Переходная функция выражается интегралом Римана—Меллина так:
Так как подынтегральная функция имеет полюс в начале координат, т. е. на контуре С, непосредственно использовать для этого случая полученные ранее формулы нельзя. Чтобы обойти эту трудность, представим функцию
Тогда
Так как
поэтому
Пусть
Тогда
т. e. подынтегральная функция в (7-57) теперь не имеет полюсов в правой части плоскости и на контуре интегрирования С. Проделаем над (7-57) те же преобразования, какие делались для весовой функции; полагаем нулю интеграл от нечетной функции, находим
или
Все полученное зависимости справедливы для случая
Заметим, что если
Интегралы в полученных формулах не сводятся к квадратурам, и вычисление по ним приближенные методы получили лишь после того, как была найдена весьма удачная аппроксимация упомянутых кривых суммой определенным образом расположенных трапеций. В 1948 г. Браун и Кэмпбел [76] опубликовали метод, пред. ложенный Флойдом для построения весовых функций с помощью разбивки кривой
Часть характеристики за пределами полосы пропускания отбрасывалась, а оставшаяся часть в области существенных частот аппроксимировалась ломаной линией а), заканчивающейся на оси абсцисс, в точке пересечения с осью Рассмотрим одну из трапеций. Если ее высота
Рис. 7-13.
Значения В 1949 г. В. В. Солодовников опубликовал широко вошедший после этой публикации в практику метод трапеций для построения переходных функций [54]. Разбиение на трапеции делалось так же, а для упрощения расчетов были составлены таблицы переходных функций, соответствующих единичной трапеции (рис. 7-13, в):
Для этой характеристики
где
Таблица Для того, чтобы получить переходную функцию для произвольной трапеции, имеющей параметры Я; (высота), 1. Свойство суперпозиции. Если
и обозначить
то переходная функция также представляется суммой
Свойство вытекает с очевидностью из (7-58). 2. Изменение масштаба по оси ординат. При умножении Если Свойство также вытекает с очевидностью из (7-58). 3. Изменение масштаба по оси абсцисс. Если аргумент
Доказательство: заменим в (7-58) переменные
Приближенное построение переходной функции по вещественной частотной характеристике ведется следующим образом. 1. Характеристика разбивается на 2. В таблице
3. Кривые
Метод треугольников. В первое время при применении метода трапеций возникали затруднения, связанные с тем, что между смежными значениями для повышения точности. Далее, значения
Рис. 7-14.
Рис. 7-15. С целью преодоления этих неудобств в [13, 15] было предложено разбивать
В приложении 3 дана таблица Заметим, что при аппроксимации крутых участков характеристик треугольники могут выходить за пределы чертежа. Это давало основания иногда утверждать, что метод удобен лишь при пологих умещать на листе все треугольники, так как по умещающейся на чертеже их части (рис. 7-15) высоты находятся по формуле
вычисление по которой не требует особых усилий и занимает не более 1 мин времени при самом неинтенсивном счете. После разбивки на треугольники и нахождения всех Позднее были изданы более детальные таблицы
т. е. Пример. Метод трапеций. Дана передаточная функция
Подставляем
Начальная ордината
Вещественная частотная характеристика построена на рис. 7-16, а сплошной линией. Характеристика заменена тремя трапециями рис. 7-16, б с параметрами
Выписываем функции Метод треугольников.Представим ту же характеристику
По этим данным находим высоты:
Ход расчета ординат переходной функции показан в табл. 7-1. На рис. 7-19 построены кривые переходной функции (сплошной линией — приближенная, прерывистой линией — точная). Нахождение ординат P(w) и S(w) по другим характеристикам.Если при исследовании устойчивости были построены другие частотные характеристики — амплитудно-фазовые (прямая или обратная), логарифмические, одного параметра, то можно избежать расчета Так, если характеристика разомкнутой системы
то ординаты
Рис. 7-16.
Рис. 7-17.
Рис. 7-18.
Рис. 7-19. (см. скан) Соответствующие векторы и углы показаны на рис. 7-20. Опустив перпендикуляр
Разумеется, нужно знать частоту Можно показать, что в плоскости
Центр окружности Соответственно центры окружности
Рис. 7-20. Все окружности По этим данным легко построить номограммы (рис. 7-21) в виде круговой сетки для нахождения ординат Р и Круговые диаграммы имеются в [57, 60]. Для обратной амплитудно-фазовой характеристики
Оценка качества по вещественной частотной характеристике.В основе рассмотренных методов построения переходных процессов по частотным характеристикам и вытекающих из них (см. скан) методов оценки качества лежат допущения о том, что 1. Малым расхождением 2. При
Рис. 7-22.
Рис. 7-23.
Рис. 7-24. Хотя встречающиеся в практике характеристики, видимо, обладают этими свойствами, первое свойство не имеет строгого обоснования и неправомерно, если не указаны дополнительные свойства Попытка указать эти дополнительные свойства была сделана В. В. Солодовниковым [57, 60]. Он дал оценку величине расхождения
где
причем Однако можно указать случаи, когда близость исходной и аппроксимирующей частотных характеристик не гарантирует близости соответствующих переходных процессов. Так, если разность между частотными характеристиками является гармонической функцией
а амплитуда этой ошибки а столь мала, что при аппроксимации составляющей
Нетрудно заметить, что в момент Не исключена возможность, что могут обнаружиться и другие ограничивающие условия справедливости свойства 1. Одна группа оценок качества непосредственно вытекает из общих свойств характеристик 3. Начальное значение
Это свойство является следствием теорем о начальном и конечном значениях оригинала и изображения в преобразовании Лапласа. 4. Сжатию характеристики 5. Наличию чисто мнимого корня Отсюда следует качественный практический вывод: корню 6. Чтобы перерегулирование не превышало 18%, достаточно чтобы характеристика
Доказательство см. в [60].
Рис. 7-25.
Рис. 7-26. 7. Для монотонности процесса Доказательство. Характеристику с монотонно убывающей по модулю отрицательной производной можно представить суммой треугольников, из которых каждый предшествующий лежит выше последующего (рис. 7-25). Все соответствующие слагаемые переходного процесса при этом положительны, а так как каждому треугольнику соответствует монотонная функция Другая группа оценок основывается на конкретных свойствах тех или иных типов характеристик. Изучены характеристики, которые можно аппроксимировать одной, суммой двух и трех трапеций. В наиболее простом (но сравнительно редком) случае, когда характеристику
Случай, когда характеристика представляется суммой двух трапеций, как и предыдущий, рассмотрен В. В. Солодовниковым [54]. Задача усложняется тем, что вещественная характеристика при заданных
Рис. 7-27. Построив большое число кривых при разных комбинациях параметров, В. В. Солодовников осреднил их, учитывая при этом, что горизонтальный участок характеристики, т. е. интервал частот, пропускаемых с малыми искажениями, должен быть достаточно большим, а коэффициент формы — не менее 0,5, чтобы перерегулирования были не слишком большими. Осредненные кривые зависимости Аппроксимировав
Если характеристика имеет положительный Отметим лишь один момент, связанный с характеристиками из трех трапеций. В следующей главе будет показано, что при расчете и синтезе корректирующих устройств важно выбрать желаемую форму частотной характеристики, при которой обеспечивается заданное качество регулирования. Рмакс и
Так, в приводимом примере Более детальное исследование качества по характеристикам типа трех трапеций с номограммами для определения качественных показателей можно найти в работах А. В. Фатеева [62]. Вся эта методика базируется на проделанных расчетах, является эмпирической и приближенной. Такими же эмпирическими,
Рис. 7-28. не имеющими строгого математического обоснования, но проверенными большим количеством расчетов и опытом построения практических систем являются методы, рассматриваемые в остальной части данной главы. Оценка качества по показателю колебательности.В литературе даются два несколько различных (но количественно довольно близких) определения показателя колебательности М. Некоторые авторы [77, 82, 85, 96] показателем колебательности называют величину максимального модуля амплитуднофазовой характеристики замкнутой системы
а другие [6, 31] — отношение максимального значения модуля к начальной ординате характеристики при
Показатель колебательности как оценка качества получил распространение главным образом для следящих систем с единичной обратной связью с передаточной функцией
В большинстве случаев такие системы астатичны и
ля них
т. е. Физическое значение показателя колебательности ясно в том случае, когда следящая система работает при гармоническом воздействии. Тогда М равен наибольшему возможному отношению амплитуды установившегося колебания на выходе системы к амплитуде воздействия. Большое число экспериментов и расчетов показало, что если М не превосходит величины 1,2-1,3, то качество процессов получается удовлетворительным и при других типовых воздействиях, например при ступенчатых. Благодаря своей простоте эта оценка получила довольно широкое распространение. Ею можно руководствоваться при первоначальном ориентировочном выборе параметров. В процессе же последующей более тонкой наладки приходится часто использовать дополнительные расчеты по более точным методам. Для оценки колебательности системы в замкнутом состоянии по ее частотной характеристике в разомкнутом состоянии полезно построить линии равных значений М в плоскости Наиболее просто определяются линии обратного значения модуля
Обозначив
Рис. 7-29. Это — уравнение окружностей радиуса Уравнения линий постоянного М в плоскости
от начала координат. Радиусы окружностей равны Окружности показаны на рис. 7-29, а. Штриховкой отмечена запретная область для амплитудно-фазовой характеристики На рис. 7-29, б показано расстояние до центра окружности, соответствующей
Более детальное развитие этот метод получил в [6]. Оценка качества по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой системы.Чрезвычайно ценный практический материал для оценки качества и синтеза приведен в [77]. В приложении 4 приведены графики, взятые из [77], рассчитанные для схемы, показанной на рис. 7-30, а.
Рис. 7-30. Если требуется исследовать другую структуру, ее следует привести к данной. Для этого можно вначале получить передаточную функцию исследуемой замкнутой системы
и сопоставить ее с передаточной функцией
полученной для схемы рис. 7-30, а (разомкнутая система, для которой построены характеристики, имеет астатизм первого порядка). Отсюда найдем числитель и знаменатель передаточной функции эквивалентной разомкнутой системы:
т. е.
Если такое приведение невозможно (например, для статической системы), кривыми пользоваться нельзя. Расчетами и опытом установлено, что для обеспечения приемлемого качества ЛАЧХ разомкнутой системы в окрестности частоты среза должна иметь достаточно длинный прямолинейный участок, имеющий наклон —1 лог (-20 дБ/дек). Этот участок на рис. 7-30,б, где показана типовая характеристика, для которой построены упомянутые кривые, ограничен частотами
значения Все показатели определены при условии, что на вход системы подано ступенчатое воздействие. Пример 11. Анализ качества по диаграммам Г. Честната и Р. Майера. Требуется приближенно определить значения пика амплитудной характеристики М соответствующей ему частоты
(рис. 7-31). Из рисунка находим:
Рис. 7-31. Значения
Из этого рисунка находим:
|
1 |
Оглавление
|