logarytmiczne kryterium Nyquista

Download Report

Transcript logarytmiczne kryterium Nyquista

Slide 1

AUTOMATYKA
i
ROBOTYKA
(wykład 7)
Wykładowca : dr inż. Iwona Oprzędkiewicz
Nazwa wydziału: WIMiR
Nazwa katedry: Katedra Automatyzacji Procesów AGH


Slide 2

Stabilność układów – kryteria częstotliwościowe
Cechy kryteriów częstotliwościowych:
• wnioskowanie o stabilności układu na podstawie
doświadczalnie wyznaczonej charakterystyki
częstotliwościowej układu,
• o stabilności układu zamkniętego wnioskujemy na
podstawie przebiegu charakterystyki częstotliwościowej
układu otwartego,
• przebieg charakterystyki częstotliwościowej dostarcza
bezpośredniej informacji na temat zapasów stabilności.


Slide 3

Stabilność układów – kryteria częstotliwościowe

1. Zamknięty układ regulacji ( ze sprzężeniem zwrotnym):

R(s)
+

Gr(s)

G(s)

-

Gdzie:
Gr(s) oznacza transmitancję regulatora,
G(s) oznacza transmitancję obiektu regulacji


Slide 4

Stabilność układów – kryteria częstotliwościowe
2. Załóżmy, że w układzie rozłączamy sprzężenie zwrotne:

R(s)
+

Gr(s)

G(s)

-

Transmitancja operatorowa układu otwartego ( po
rozłączeniu toru sprzężenia zwrotnego):

G o ( s )  G r ( s )G ( s ) 

Lo ( s )
M o (s)


Slide 5

Stabilność układów – kryteria częstotliwościowe
3. Zakładamy że wielomian charakterystyczny układu otwartego
Mo(s) ma k pierwiastków w prawej półpłaszczyźnie zespolonej ( i n-k
w lewej )
4. Oznaczmy transmitancję widmową układu otwartego przez Go(jω)

Twierdzenie 1 (kryterium Nyquista)
Równanie charakterystyczne układu zamkniętego ma
wszystkie
pierwiastki w lewej półpłaszczyźnie
zespolonej ( czyli układ zamknięty jest stabilny ) wtedy
i tylko wtedy, gdy przyrost argumentu wyrażenia
1+Go(jω) przy zmianie pulsacji ω w zakresie od 0 do
nieskończoności jest równy k:

 arg 1  G
0  

o

( j )   k 


Slide 6

Stabilność układów – kryteria częstotliwościowe
UWAGI:
1. W przypadku układu otwartego stabilnego k = 0
przyrost argumentu wyrażenia 1+Go(jω)
przy
zmianie pulsacji ω
w zakresie od 0 do
nieskończoności powinien być równy 0, aby układ
zamknięty był stabilny.
2. Ważna w zastosowaniach praktycznych jest
geometryczna interpretacja kryterium Nyquista.


Slide 7

Interpretacja geometryczna kryterium Nyquista

Twierdzenie 2 ( kryterium Nyquista)
•Załóżmy, że układ otwarty jest stabilny.
•Układ zamknięty będzie stabilny wtedy i tylko wtedy,
gdy charakterystyka amplitudowo – fazowa układu
otwartego nie obejmuje punktu (-1,j0) na płaszczyźnie
zespolonej.


Slide 8

Interpretacja geometryczna kryterium Nyquista
Q(ω)

Układ niestabilny
P(ω)

Układ stabilny (-1,j0)
Układ stabilny

Układ na granicy
stabilności


Slide 9

Interpretacja geometryczna kryterium Nyquista

UWAGI:
1. Kryterium Nyguista pozwala wnioskować o stabilności
układu zamkniętego ( z zamkniętą pętlą sprzężenia
zwrotnego
)
na
podstawie
zachowania
się
transmitancji widmowej układu otwartego ( z otwartą
pętlą sprzężenia zwrotnego ),
2. Warunek z kryterium Nyquista może być sprawdzony
doświadczalnie.


Slide 10

Interpretacja geometryczna kryterium Nyquista

Twierdzenie 3 ( kryterium Nyquista)
Załóżmy, że układ otwarty jest niestabilny i ma k
pierwiastków w prawej półpłaszczyźnie.
Układ zamknięty będzie stabilny wtedy i tylko wtedy,
gdy charakterystyka amplitudowo – fazowa układu
otwartego obejmuje k/2 razy w kierunku dodatnim
punkt (-1,j0) na płaszczyźnie zespolonej.

UWAGA: kierunek dodatni oznacza
przeciwny do ruchu wskazówek zegara.

kierunek


Slide 11

Kryterium Nyquista - przykład
Rozważmy układ otwarty o transmitancji równej:

Go (s) 

1
s  3s  2 s  1
3

2

Należy sprawdzić przy pomocy kryterium Nyquista, czy
układ po zamknięciu sprzężenia zwrotnego będzie
stabilny.
Etap 1
Sprawdzamy stabilność układu otwartego przy pomocy
kryterium Hurwitza (zob. założenie twierdzenia Nyquista)
– układ otwarty jest stabilny.


Slide 12

Kryterium Nyquista - przykład
Etap 2
Wyznaczamy charakterystykę amplitudowo – fazową
układu otwartego

G o ( j ) 

1
 j   3  j 2   1
3

2

1
(1  3 )  j  ( 2   )
2

2






Slide 13

Kryterium Nyquista - przykład
2

(1  3 )
 P ( ) 
2 2
2
2 2
(
1

3

)


(
2


)


2


(
2


)
 Q ( ) 
2 2
2
2 2

(
1

3

)


(
2


)


Punkty charakterystyczne wykresu:
ω

P(ω)

Q(ω)

0

1

0

3

0

3 3
5

2

-0.2

0

0

0

1




Slide 14

Kryterium Nyquista - przykład
Układ zamknięty stabilny

Nyquist Diagram

1.5

1

Imaginary Axis

0.5

0

-0.5

-1

-1.5
-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0
Real Axis

0.2

0.4

0.6

0.8

1


Slide 15

Logarytmiczne kryterium Nyquista

Twierdzenie
Nyquista)

(

logarytmiczne

kryterium

1.Rozważmy
charakterystykę
częstotliwościową
logarytmiczną modułu i fazy układu otwartego.
2.Załóżmy, że układ otwarty jest stabilny.
Układ zamknięty będzie stabilny wtedy i tylko wtedy,
gdy dla fazy φ(ω180) = - wartość 20log(M(ω180))<0

Warunek sformułowany powyżej wynika wprost z
kryterium Nyquista.


Slide 16

Logarytmiczne kryterium Nyquista
20log(M(ω))
U Z gran stab

U Z niestabilny

U Z stabilny

Φ(ω)

-


Slide 17

Logarytmiczne kryterium Nyquista
Q(ω)

Układ niestabilny
M(ω)=1
(-1,j0)

Φ(ω)=-

Układ stabilny
Układ stabilny

Układ na granicy
stabilności

P(ω)


Slide 18

Zapas stabilności
Dla scharakteryzowania zapasu stabilności rozważymy stabilny
układ regulacji o znanym schemacie blokowym:
W (s )


G (s)

Y (s)

H (s)

Rys. Schemat blokowy układu regulacji


Slide 19

Zapas stabilności
Niech funkcja przejścia układu zamkniętego przyjmie postać (3 warianty):
G z (s) 

G z (s) 
G z (s) 

Ku
T z1 s  2  z1T z1 s  1
2

2

Ku
(T z1 s  1)

2

Ku
(T z1 s  1)(T

z2

s  1)

przy czym

T z2  T z1

Z tych funkcji przejścia wynikają charakterystyki:
1)
2)
3)
4)

Char. oscylacyjna o dużym przeregulowaniu i dużym czasie regulacji,
Char. oscylacyjna o małym przeregulowaniu i małym czasie regulacji,
Char. inercyjna o małym czasie regulacji,
Char. inercyjna o dużym czasie regulacji.


Slide 20

Zapas stabilności
w
Aw
t

0
y

K u Aw

1
0

2

3

4
t

Rys. Charakterystyki czasowe ukł. dla skokowego sygn. sterującego


Slide 21

Zapas stabilności
Z pokazanych charakterystyk wynika, że nie wszystkie układy regulacji nadają się do praktycznego wykorzystania, mianowicie:
1. Nadaje się układ o charakterystyce 2 lub 3, mówimy,
że ma on właściwy zapas stabilności.

2. Nie nadaje się układ o charakterystyce 1, który ma za
mały zapas stabilności.
3. Nie nadaje się układ o charakterystyce 4, który ma za
duży zapas stabilności.


Slide 22

Zapas stabilności
Zapas wzmocnienia i fazy w układzie otwartym,
są to miary zapasu stabilności.
Zapas stabilności wyrażamy za pomocą
charakterystyk:
• amplitudowo-fazowej,

• logarytmicznych amplitudowej i fazowej,


Slide 23

Zapas stabilności
j Im H ( j ω ) G ( jω )



R e H ( jω ) G ( jω )

ωπ

-1

γ
1

ω

r=

ωφ

φ

Rys. Fragment charakterystyki amplitudowo-fazowej


Slide 24

Zapas stabilności
Dla pulsacji



H(j   )G(j   ) K d  1

a K d  1

Z rysunku

Więc zapas wzmocnienia:

Kd 

1
a

Kd  1

dla układów stabilnych,

Kd  1

dla układów na granicy stabilności,

Kd  1

dla układów niestabilnych, czyli 0  K d  1.


Slide 25

Zapas stabilności
Zapas fazy (margines fazowy) zdefiniowany jest wzorem

  180   
przy czym:

 0

dla układów stabilnych,

 0

dla układów na granicy stabilności,

 0

dla układów niestabilnych.


Slide 26

Zapas stabilności
W praktyce stosuje się wartości:

2  Kd  4
30     60 
Zapas fazy ma znaczenie decydujące, natomiast zapas
wzmocnienia drugorzędne.


Slide 27

Zapas stabilności na charakterystykach Bodego
20log(M(ω))

M [dB]
Φ(ω)

-/2

-

φ


Slide 28

Zapas stabilności

6dB   M  12dB
Stosowane wartości
zapasu wzmocnienia i fazy:

30      60 

Oczywiście zachodzą zależności:

M  0 i   0

dla układów stabilnych,

M  0 i   0

dla układów na granicy stabilności,

M  0 i   0

dla układów niestabilnych.


Slide 29

Zapas stabilności

Uwagi:
•Zapasy stabilności pozwalają na określenie „marginesu
bezpieczeństwa” ze względu na stabilność przy
możliwych zmianach parametrów układu.
•Układ niestabilny ma ujemne wartości zapasów
stabilności, które wtedy są miarą, o ile należy
skorygować parametry np. regulatora dla uzyskania
stabilności.


Slide 30

Jakość regulacji
Rozważmy zamknięty układ regulacji (przypomnienie) :

Z(s)

r

E(s)

+

-

Gr(s)

gdzie:
•r – wartość zadana,
•E(s) – uchyb regulacji,
•U(s) – sterowanie,
•Z(s) –zakłócenie,
•Y(s)–wielkość regulowana

U(s)

-

+

G(s)

Y(s)

Gr(s) – transmitancja
regulatora,
G(s) – transmitancja
obiektu regulacji


Slide 31

Jakość regulacji – dokładność statyczna
Uchyb statyczny est
Błędem, odchyleniem lub uchybem statycznym
nazywamy uchyb regulacji występujący w układzie
regulacji w stanie ustalonym.

Dla układu z powyższego schematu uchyb statyczny
jest sumą uchybu pochodzącego od zakłócenia i
uchybu pochodzącego od wartości zadanej:

e st  e  e
z
st

r
st


Slide 32

Jakość regulacji – dokładność statyczna
Uchyby statyczne można wyznaczyć
twierdzenia o wartości końcowej:
z
e st

r
e st

na

 lim e z ( t )  lim se z ( s )  lim s  z ( s ) 
t

s 0

s 0

 lim e r ( t )  lim se r ( s )  lim s  R ( s ) 
t

s 0

Gdzie R(s) oznacza
wartości zadanej.

s 0

transformatę

podstawie

G (s)
1  G ( s )G r ( s )
1

1  G ( s )G r ( s )

Laplace’a


Slide 33

Jakość regulacji – dokładność statyczna
Przykład
Wyznaczyć uchyby ustalone pochodzące od:
1. skoku wartości zadanej na wejściu układu regulacji,
2. skoku zakłócenia na wejściu obiektu w układzie regulacji
składającym się z regulatora proporcjonalnego o wzmocnieniu kr oraz
obiektu inercyjnego I rzędu.

Gr (s)  kr
z ( t )  1( t )  Z ( s ) 

;
1
s

G (s) 

k
Ts  1

; r ( t )  1( t )  R ( s ) 

1
s


Slide 34

Jakość regulacji – dokładność statyczna
Uchyb ustalony od zakłócenia:

k
e 
z
st

lim
s 0

s

 Ts  1  lim
kk r
s
s  0 Ts
1
Ts  1

1

 e 
z
st

k
1  kk r

k
 1 kk r




Slide 35

Jakość regulacji – dokładność statyczna
Uchyb ustalony od wartości zadanej:

e 
r
st

lim s
s 0

1
s

1


1

kk r

lim
s 0

Ts  1

 e 
r
st



1
1  kk r

Ts  1
Ts  1  kk r




Slide 36

Jakość regulacji – jakość dynamiczna

Jakość dynamiczna regulacji może być określana na
podstawie:
1. bezpośrednich wskaźników jakości wyznaczanych
na podstawie przebiegu czasowego uchybu regulacji w
układzie,

2. parametrów charakterystyki częstotliwościowej
układu zamkniętego,
3. całkowych wskaźników jakości wyznaczanych na
podstawie przebiegów czasowych uchybu regulacji.


Slide 37

Jakość regulacji – jakość dynamiczna
0.3

e(t)
0.25

Bezpośrednie wskaźniki jakości

0.2

0.15

e

0.1

m
0.05



0



-0.05

e2

-0.1

-0.15

-0.2
0

2

Tr

4

6

8

10

12

t


Slide 38

Jakość regulacji – jakość dynamiczna
Bezpośrednie wskaźniki jakości regulacji:

1. Czas regulacji Tr
jest to czas, po jakim uchyb regulacji jest w
sposób trwały mniejszy od założonej wartości
. Najczęściej przyjmuje się  =5%.
2. Odchylenie maksymalne em
3. Przeregulowanie :

 

e2
em

 100 %