Псевдолинейные корректирующие устройства

Среди нелинейных корректирующих устройств можно выделить класс таких устройств, эквивалентные амплитудно-фазовые характеристики которых не зависят от амплитуды входного сигнала и являются только функциями частоты. У этих устройств отсутствует жесткая связь между амплитудной и фазовой характеристиками, как это имеет место у линейных корректирующих устройств. На этом основании нелинейные корректирующие устройства данного класса можно рассматривать как псевдолинейные. Возможность формирования амплитудной и фазовой характеристик псевдолинейных корректирующих устройств независимо друг от друга открывает широкие возможности изменения частотных характеристик САУ в желаемом направлении.

Псевдолинейные корректирующие устройства выполняются двух-и трехканальными. Рассмотрим двухканальное псевдолинейное корректирующее устройство (рис. 10.26). Входной сигнал разветвляется и проходит по двум каналам. Один из каналов (верхний) служит для формирования амплитудной характеристики и называется амплитудным, второй — фазовый канал формирует фазовую характеристику устройства. Амплитудный канал состоит из линейного элемента с передаточной функцией модульного элемента МЭ (например, двухполупериодного выпрямителя) и фильтра Ф. Амплитудная характеристика линейного элемента определяет амплитудную характеристику всего корректирующего устройства. Модульный элемент дает на выходе величину, пропорциональную амплитуде колебания на его входе и исключает прохождение информации о фазе входного сигнала Фильтр служит для выделения постоянной составляющей выпрямленного напряжения. В фазовый канал входят линейный элемент с передаточной функцией и блок сигнатуры (блок знака) БС. Фазовая характеристика линейного элемента определяет фазовую характеристику всего корректирующего устройства. Блок сигнатуры исключает прохождение информации об амплитуде через фазовый канал и представляет собой релейное устройство с характеристикой, близкой к идеальной. При изменении знака сигнала на входе изменяется знак выходного сигнала блока БС, а величина его принимает лишь два фиксированных значения ±1, независимо от значения амплитуды входного сигнала. Выходная величина корректирующего устройства получается в результате перемножения выходных величин амплитудного и фазового каналов в блоке умножения БУ.

Рис. 10.26. Структурные схемы двухканальных псевдолинейных корректирующих устройств: а — общая схема; б — схема устройства, создающего опережение по фазе и подавляющего высокие частоты.

Рис. 10.27. Формы сигналов псевдолинейного корректирующего устройства (рис. 10.26, б).

Выбирая линейные элементы с соответствующими передаточными функциями можно реализовать псевдолинейное корректирующее устройство с желаемыми, независящими друг от друга амплитудой и фазовой частотными характеристиками.

Для примера рассмотрим псевдолинейное корректирующее устройство, создающее опережение по фазе и ослабляющее высокие частоты. Для реализации такого корректирующего устройства в амплитудный канал включается элемент, ослабляющий высокие частоты, например апериодическое звено, имеющее передаточную функцию

а в фазовый канал — элемент, создающий положительный сдвиг по фазе, например дифференцирующая фазоопережающая цепь (см. рис. 5.6, а) с передаточной функцией

При (рис. 10.27, а) напряжение на выходе апериодического звена является также синусоидальной функцией (рис. 10.27, б)

где

Выпрямленное напряжение (рис. 10.27, в) с выхода модульного элемента проходит через фильтр Ф, на выходе которого выделяется его постоянная составляющая (рис. 10.27, г). Напряжение пропорционально амплитуде

где при применении в качестве элемента взятия модуля двухполупериодного выпрямителя

Напряжение (рис. 10.27, г) на выходе дифференцирующей фазоопережающей цепи в фазовом канале

где

т/е. напряжение сдвинуто по фазе в сторону опережения относительно входного на угол Это напряжение, поступая на идеальный релейный элемент, формирует на его выходе переключающее напряжение вида прямоугольной волны Амплитуда напряжения не зависит от е. не пропускается информация об амплитуде) и равна единице, а фаза (моменты переключения) сдвинута по сравнению с напряжением в сторону опережения на угол В результате перемножения сигналов получается выходное напряжение корректирующего устройства вида прямоугольной волны (рис. 10.27, ж), амплитуда импульсов которого равна значению напряжения на выходе амплитудного канала (10.38), а моменты переключения (фаза) соответствует моментам переключения напряжения на выходе фазового канала.

Зная форму выходного сигнала корректирующего устройства, можно определить его эквивалентный комплексный коэффициент усиления. Прямоугольную волну можно рассматривать как выходной - нал идеального релейного элемента с лишь сдвинутый по фазе на угол в сторону опережения. Поэтому модуль ЭККУ псевдолинейного корректирующего устройства (ее амплитудная характеристика) равен коэффициенту гармонической линеаризации этого релейного элемента, а следовательно, в соответствии с формулой (10.13) при определяется выражением

Фаза первой гармоники выходного напряжения корректирующего устройства (рис. 10.27, ж) равна фазе прямоугольной волны поэтому аргумент ЭККУ (фазовая характеристика) корректирующего устройства определяется формулой

Таким образом, эквивалентная амплитудная характеристика практически совпадает с амплитудной характеристикой линейного элемента а эквивалентная фазовая характеристика — с фазовой характеристикой линейного элемента Обе характеристики не зависят от амплитуды и являются лишь функциями частоты входного колебания.

Полученные выражения для эквивалентных амплитудной и фазовой характеристик являются приближенными. При их выводе не учитывалось, что напряжение на выходе фильтра Ф не является строго постоянным. Из-за трудности создания фильтра Ф, выделяющего постоянную составляющую выпрямленного напряжения на всех частотах, на практике его часто из схемы исключают. В этих случаях амплитудный канал оказывает некоторое влияние на фазовую характеристику корректирующего устройства.

Приведенная на рис. 10.26 структурная схема псевдолинейного корректирующего устройства является довольно общей. Если принять оставить в виде (10.35), то корректирующее

устройство будет создавать опережение по фазе, не изменяя амплитуд, ной характеристики системы. Для того чтобы получить ослабление высоких частот, не изменяя фазовой характеристики, необходимо в амплитудный канал включить апериодическое, а в фазовый канал — пропорциональное звенья.

Анализ системы при использовании эквивалентных амплитудных и фазовых характеристик псевдолинейных корректирующих устройств аналогичен анализу линейных систем.

Таким образом, с помощью нелинейных корректирующих устройств возможно удовлетворение повышенным требованиям к показателям качества САУ. Нелинейную коррекцию можно рассматривать как более общее средство коррекции, чем линейную коррекцию, которую можно отнести к частному случаю нелинейной коррекции. Построение оптимальных по быстродействию систем (гл. 11) возможно только благодаря применению нелинейных устройств управления. С помощью нелинейных корректирующих устройств решается задача компенсации вредных естественных нелинейностей [23]. Вместе с тем следует отметить, что нелинейная коррекция является более специализированной (менее универсальной) по отношению к внешним воздействиям. Нелинейная коррекция, выбранная для определенного класса внешних воздействий, может оказаться малоэффективной или даже вредной при других воздействиях (режимах работы системы). Поэтому при широком диапазоне внешних воздействий может оказаться лучшей линейная коррекция. Следует отметить, что общей методики синтеза нелинейных корректирующих устройств в настоящее время нет. Приходится прибегать к применению частных приемов и схем нелинейных корректирующих устройств.