ЛЕКЦИЯ № 11
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА САУ
Устойчивость САУ является необходимым, но не достаточным условием эффективного функционирования системы. Не менее важно, чтобы процесс регулирования осуществлялся при обеспечении определенных показателей качества.
Понятие качества системы автоматического управления [33] включает требования по точности, характеру переходных процессов, виду задающих и внешних возмущающих воздействий и т.д.
В теории управления обычно рассматриваются, в основном, характеристики системы управления, связанные с ее динамикой и точностью. Указанные характеристики являются качественными, но в процессе проектирования систем часто возникает необходимость проводить сравнение различных вариантов. Поэтому вводятся специальные количественные эквиваленты качественных характеристик САУ. Эти численные характеристики называются показателями качества САУ. Они делятся на показатели качества в переходном режиме и показатели качества в установившемся режиме.
Динамические показатели качества служат для анализа динамики в системы переходном режиме, т.е. для анализа характера движений этой системы при переходе из одного установившегося состояния в другое. При этом необходимо, чтобы затухание переходного процесса было достаточно быстрым, а отклонения при этом были бы невелики.
Показатели качества в установившемся режиме характеризуют точность системы, т.е. качество поддержания ею требуемых законов изменения переменных управляемого процесса, чтобы это установившееся состояние было достаточно близко к заданному.
Совокупность показателей качества переходного процесса и установившихся режимов называется показателями качества системы в целом.
5.1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА САУ
Для определения качественных показателей системы управления используются так называемые критерии качества.
Качество переходного процесса (динамические свойства звена или САУ), которое оценивают по характеристикам переходной функции h(t), представляющей собой реакцию системы на внешнее воздействие типа единичной ступенчатой функции 1(t) рис. 5.2.
Рис. 5.2
Основными из этих показателей являются:
1. Установившееся значение переходной функции
. (5.1)
2. Время регулирования (длительность переходного процесса)
, (5.2)
т.е. tp – это минимальное значение времени, при котором выполняется указанное в фигурных скобках условие. Учитывая, что полное затухание в системе происходит лишь при t→∞, длительность переходного процесса обычно ограничивают тем моментом времени, когда δ становится равным 0,05 h∞.
Фактически tp - это интервал времени от момента приложения на вход системы единичного скачка до момента после которого отклонение выходной величины от установившегося значения по модулю не превысит допустимую ошибку – δ, т.е. до момента, начиная с которого переходная функция системы 
не выходит из “трубки” 
(рис. 5.2). Время регулирования tp определяет длительность переходного процесса и характеризует быстроту затухания переходного процесса. Этот показатель позволяет оценить быстродействие системы – важнейшую динамическую характеристику САУ.
3. Перерегулирование. Перерегулирование Δhmax или выброс представляет собой максимальное отклонение регулируемой величины от установившегося значения. Обычно, первый максимум является наибольшим. Эта величина выражается в процентах и определяется по формуле
, (5.3)
где 
– максимальное значение переходной функции (см. рис. 5.2).
Перерегулирование появляется вследствие того, что система к установившемуся состоянию подходит с определенной скоростью. Чем больше эта скорость (круче кривая переходной функции), тем больше будет перерегулирование. Для уменьшения перерегулирования необходимо снизить скорость, с которой система подходит к установившемуся состоянию, что приведет к увеличению времени регулирования tp. Если система подходит к установившемуся состоянию с нулевой скоростью, то перерегулирования не происходит, но время регулирования значительно возрастает. Время регулирования и перерегулирование тесно связаны между собой обратной зависимостью. Таким образом, можно сделать вывод, что, как отсутствие, так и очень большое перерегулирование являются нежелательными. Поэтому перерегулирование допускают в пределах 10-30% от установившегося значения. Перерегулирование указывает на степень склонности системы к колебаниям, то есть близость системы к колебательной границе устойчивости.
Перерегулирование характеризует качество переходных процессов системы.
В конечном итоге перерегулирование характеризует запасы устойчивости.
С увеличением перерегулирования запасы устойчивости уменьшается.
4. Число колебаний за время переходного процесса
, (5.4)
где 
– период колебаний; 
– число полных колебаний 
за время 
. Этот показатель вместе с перерегулированием характеризует колебательность системы.
У нормально работающих систем составляет обычно 1÷3.колебания.
Показатели 
, 
, 
и 
являются основными показателями качества переходного процесса САУ. Часто они называются прямыми показателями качества. Чем меньше 
, 
и 
, тем выше качество системы.
Для каждой системы управления, имеющей колебательный переходный процесс, на основе указанных критериев качества можно установить область допустимых отклонений управляемой величины.
При определении показателей качества в переходном режиме используются прямые и косвенные методы. Прямые методы предполагают вычисление функции 
, ее построение и определение показателей качества по графику этой функции.
В косвенных методах оценки показателей качества получают на основе или коэффициентов характеристического уравнения системы, или корней этого уравнения, или на основе её передаточных функций, или её частотных характеристик, ряд методов ориентированы на применение вычислительных средств.
Для количественной оценки быстродействия систем используется также понятие степени устойчивости h, равное положительному числу, соответствующему расстоянию от мнимой оси до ближайшего к ней корня pi.
Для типовых систем δ =0,05 и тогда время переходного процесса составляет:
,
Пример. Оценить время регулирования и перерегулирование для системы с передаточной функцией k /(s + 2).
Поскольку полюс p = -2 действительный, без мнимой части, колебаний не будет и перерегулирование σ = 0.
= 1,498 с.
Наиболее общим корневым показателем качества является среднее геометрическое значение модулей корней
,
которое легко вычисляется через крайние коэффициенты характеристического уравнения 
. Здесь a0 определяет центр расположения всех корней характеристического уравнения (Рис.4.3 лекция 10) и влияет на быстродействие системы. Чем меньше показатель a0, тем ближе «созвездие» корней к мнимой оси и тем больше длительность переходного процесса.
Пусть 
: Чем ближе 
к мнимой оси, тем ближе САУ к границе устойчивости. Поскольку 
- где 
- передаточный коэффициент разомкнутого контура для астатических систем, а 
- для статических систем.
К косвенным методам оценки качества САУ относятся нашедшие широкое распространение частотные методы (суждение о качестве по частотным характеристикам). Другими словами, в косвенных методах предполагается определение показателей качества переходного процесса системы без построения её переходной функции. Некоторые из этих косвенных методов рассматриваются ниже.
Оценки качества САУ по частотным характеристикам
Математической основой частотного метода анализа качества автоматических систем является преобразование Фурье. Этот метод сочетает аналитические вычисления и графические построения.
Так как при анализе качества управления применяются те же частотные характеристики, что и при исследовании устойчивости, то частотный метод представляет собой единый метод анализа динамики автоматических систем. При этом используется аналитическая зависимость между переходной и частотной функциями замкнутой системы.
Переходная характеристика замкнутой САУ может быть определена по вещественной частотной характеристике (ВЧХ) P(w) из выражения
 |
(5.5)
Для того чтобы косвенно (без построения кривой процесса) судить о качестве переходного процесса, надо рассмотреть свойства ВЧХ и соответствующих им переходных характеристик, устанавливаемые этой формулой. Приведем основные свойства:
1. Если у ВЧХ есть разрыв непрерывности (Р(w1) = µ, как это показано на рис. 6.5,а, то характеристическое уравнение имеет мнимый корень pi = ±jw1 и в системе устанавливаются незатухающие колебания.
2. Высокий и острый пик ВЧХ, за которым Р(w) переходит через нуль при частоте, близкой к w1, соответствует медленно затухающим колебаниям (рис. 6.5,б).
3. Чтобы у h(t) было перерегулирование, не превышающее 18%, ВЧХ должна быть положительной невозрастающей функцией частоты w (рис. 6.5,в).
4. Чтобы h(t) была монотонной, ВЧХ должна быть положительной непрерывной функцией частоты с отрицательной убывающей по абсолютной величине производной (рис. 6.5,г).
Максимальное значение перерегулирования определяется по выражению (рис. 6.5,б)
 |
(6.7)
Р(w) h(t) Р(w) h(t)
1 1
Р(0)
t t
Рмакс
w1 w w1 w
А б
P(w) h(t) P(w) h(t)
1 1
t t
w w
В г
Рис. 6.5. Влияние формы ВЧХ на переходную характеристику
О качестве переходного процесса можно судить также по виду относительной АЧХ [40] в виде зависимости отношения H(ω)/К от частоты ω: Δ(ω) = H(ω)/К
(рис.6.6):
Рис.6.6.
Относительная АЧХ на резонансной частоте ωmax имеет максимум, соответствующий значению Δ(ωmax) = Δmax. При дальнейшем увеличении частоты система вследствие своей инерционности не успевает реагировать на колебания -больших частот и Δ(ω) резко «падает».
Пик характеристики является косвенной оценкой величины перерегулирования и колебательности процесса.
Установлено, что чем больше Δmax, тем более колебательным является переходной процесс.