background image

 

 

Dokładność statyczna

Wymaganie dokładności w stanie ustalonym, której miarą jest uchyb 

ustalony:

jest jednym z podstawowych wymagań stawianych układowi regulacji. 

Uchyb  zależy od wielkości wymuszającej  i wartości zadanej wielkości 

regulowanej. 

Układ automatyki: a) schemat blokowy, b) przebieg w(t) i y(t)
,

   

t

w

t

y

e

t

ust

lim

background image

 

 

Dokładność statyczna

• Ponieważ rozpatrywany jest układem liniowym, a sygnały x(t) i 

w(t) są wzajemnie niezależne, to ich wpływ na uchyb statyczny 

można rozpatrywać oddzielnie, czyli:

• gdzie:

• Exust – odchylenie wywołane wymuszeniem x (uchyb nadążania)

• Ewust  – odchylenie wywołane zmianą wartości wielkości zadanej 

w (uchyb zakłóceniowy).

• Warunki na uchyby ustalone formułuje się oddzielnie dla          i      

      .

• gdzie:

• e1, e2 - dopuszczalne wartości odchyleń statycznych wywołane 

odpowiednio zmianami x i w.

• O wartości uchybu statycznego decyduje dynamika 

rozpatrywanego układu. Zastanówmy się, jak kształtuje się uchyb 

ustalony w zależności od właściwości transmitancji operatorowej 

układu.

wust

xust

ust

e

e

e

ust

x

e

ust

w

e

1

max

100

e

w

e

o

o

ust

w

2

max

100

e

y

e

o

o

ust

x

background image

 

 

Jakość dynamiczna

• Oceny własności dynamicznych układów regulacji dokonuje się na 

podstawie:

• 1) odpowiedzi układu na wymuszanie skokowe (przebiegu 

przejściowego),

• 2) charakterystyk częstotliwościowych.
• Przebieg wielkości regulowanej  i uchybu regulacji , po wymuszeniu 

skokowym sygnałem x(t) pokazano na rysunku. 

background image

 

 

Wskaźniki jakości

• Przebieg odpowiedzi skokowej charakteryzują następujące wskaźniki:

 – czas regulacji - jest to czas od chwili wprowadzenia 

wymuszenia do chwili, gdy uchyb  zmaleje poniżej dopuszczalnej 

wartości , którą zwykle przyjmuje się równą 5% wartości początkowej 

. Czas regulacji jest określony czasem trwania stanu przejściowego.

 – czas narastania - jest to czas potrzebny, aby charakterystyka 

skokowa osiągnęła od 10% do 90% wartości ustalonej.

•                  –  przeregulowanie,

•  

• gdzie:

• e0    – początkowa maksymalna wartość uchybu przejściowego,

• e1    – największa wartość uchybu o znaku przeciwnym niż  e0.

• Przeregulowanie χ można uważać za miarę zapasu stabilności 

układu. Dla układów znajdujących się na granicy stabilności                

                        . W przemysłowych układach automatyki 

przeregulowanie zawiera się w granicach od 0 do 40%. 

• Całkowe wskaźniki jakości

o

o

e

e

100

0

1

r

T

n

T

%

100

1

0

  

e

e

background image

 

 

Skalowanie obiektu

• Punktem wyjścia przy projektowaniu układów regulacji jest 

modelowanie i analiza dynamiki obiektu. Jak już wiemy ten sam 

obiekt możemy modelować na wiele sposobów. Jeśli układ jest liniowy 

lub zlinearyzowany w pewnym punkcie pracy, to może to być model 

operatorowy lub w przestrzeni stanu.

• Pierwszym etapem analizy obiektu sterowania jest skalowanie. Jest 

ono bardzo ważne w praktycznych aplikacjach, tak samo jak analiza 

modelu i projektowanie regulatora. W przypadku skalowanego 

obiektu łatwiej podawać zmianę jakości układu przy zastosowaniu 

różnych regulatorów. Również niektóre metody sterowania wymagają 

skalowania obiektu. Ponadto współczesne sterowniki 

mikroprocesorowe (cyfrowe) muszą mieć skalowane sygnały 

wejściowe. Aby skalować układ należy znać wielkość zaburzenia lub 

zmianę sygnału odniesienia, wymaganą wielkość sygnału 

wejściowego oraz wymagane odchylenie od sygnału wyjściowego. Na 

potrzeby skalowania model liniowy obiektu powinien być opisany 

równaniem:

• gdzie znak „۸” jest użyty w celu pokazania, że zmienna jest 

wielkością nie skalowaną. 

z

d

G

u

G

y

w

y

e

background image

 

 

Skalowanie-cd

• Praktycznym podejściem do skalowania jest stworzenie zmiennej o 

wartości mniejszej od 1. Można to uzyskiwać dzieląc zmienną przez 

maksymalną wartość oczekiwaną lub maksymalną dozwoloną zmianę. 

Dla zakłócenia i sygnału wejściowego, użyjemy zmienną skalowaną:

•  ,

• gdzie:

•        - największa oczekiwana zmiana zakłócenia;

•        - największa dopuszczalna zmiana sygnału wejściowego.

• Maksymalna odchyłka od wartości nominalnej zostałaby dobrana po 

przeanalizowaniu maksymalnej akceptowanej wartości lub 

dopuszczalnej zmiany funkcji w czasie.

Zmienne      ,     ,      są jednakowymi sygnałami fizycznymi z 

takimi samymi  współczynnikami skalowania. Dwie możliwości są 

dopuszczalne:

•         - największy dopuszczalny uchyb;

•         - największa akceptowalna zmiana wartości odniesienia.

• Jednocześnie głównym punktem widzenia w układach sterowania jest 

minimalizacja wartości uchybu     . Dopuszczalne jest skalowanie z 

uwzględnieniem maksymalnego uchybu:

• W celu sformalizowania procedury skalowania dla układu MIMO 

zostanie wprowadzony wektor skalowania:

,

/

max

d

d

d

max

/u

u

u

max

d

max

u

y

e

r

max

e

max

r

e

,

/

,

/

,

/

max

max

max

e

e

e

e

r

r

e

y

y

max

max

max

max

,

,

,

r

D

d

D

u

D

e

D

r

d

u

e

background image

 

 

Skalowanie-cd

• Dla układów MIMO zmienne     ,     ,      i         mogą mieć różne 

wartości maksymalne, w tym przypadku Dd  , Dr, Du De   ,  są 

diagonalnymi macierzami skalowania. Zapewnione jest na 

przykład, że wszystkie uchyby (wyjścia) są wartościami o 

porównywalnej wielkości.

Zmienne skalowane używane w układach sterowania, to:

• Podstawiając równanie (11.20) do równania (11.16) 

otrzymamy:

•  oraz wprowadzając transformatę funkcji skalowanej:

• ,


• otrzymujemy model o następujących wartościach skalowania:

•  

dˆ

rˆ

uˆ

eˆ

,

1

d

D

d

d

,

1

u

D

u

u

,

1

y

D

y

e

,

1

e

D

e

e

w

D

w

e

1

,

d

D

G

u

D

G

y

D

u

d

u

e

w

D

y

D

e

D

e

e

e

d

d

e

d

u

e

D

G

D

G

D

G

D

G

1

1

,

;

d

G

Gu

y

d

w

y

e

background image

 

 

Układ zamknięty

• Obiekt sterowania generuje odpowiedź y(s) w określony sposób w zależności od 

reakcji obiektu na sygnał wejściowy u(s) (rys.11.5). Zadaniem regulatora K(s) 

jest dokonanie zmiany parametru u(s) w zależności od sygnału uchybu e(s)

Problemem układów sterowania jest zmiana parametru u(s), w taki sposób aby 

wyjście układu Y(s) nadążało za sygnałem wejściowym w(s). a maksymalnie 

ignorowało zakłócenia d(s). W ten sposób dążymy do uzyskania niewielkiego 

sygnału uchybu e(s)=y(s)-w(s). Algorytm regulacji sygnału u(s) bazuje na 

dostępnej informacji z regulatora K(s). Aby zaprojektować właściwie regulator 

K(s) należy posiadać informację na temat oczekiwanych zakłóceń, sygnału 

odniesienia oraz informację o obiekcie sterowania G(s) i modelu zakłóceń Gd(s).

• Do analizy przyjmiemy model liniowy o następującym równaniu:

G

d

(s)

K(s)

G(s)

y(s)

u(s)

d(s)

+

+

+

-

w(s)

y(s)

 

   

   

s

d

s

G

s

u

s

G

s

y

d

background image

 

 

Odporna stabilność i jakość 

• Istotnym źródłem trudności jest to, że modele obiektu sterowania G(s) i 

zakłócenia Gd(s) mogą być nieścisłe lub mogą zmieniać się w czasie. W 

szczególności, niedokładność w opisie transmitancji układu G(s) może 

powodować problemy, ponieważ obiekt sterowania może mieć wpływ na 

pętlę sprzężenia zwrotnego. W celu rozwiązania tego problemu zostanie 

sprecyzowany model niepewności. Na przykład, zamiast pojedynczego 

modelu G(s) można analizować zachowanie modelu Gp(s)=G(s)+E(s), z 

uwzględnieniem zmian "niepewności" lub "zakłóceń" E(s), które mogą 

być nieznane. W wielu przypadkach używane są specjalne funkcje w(s) 

do wyrażenia E(s)=w(s)

, gdzie rozmiary 

 są mniejsze lub równe 1. 

Podczas analizy układów wykorzystujemy następujące pojęcia:

• - stabilność nominalna układu (ang. nominal stability) – układ nominalny 

jest stabilny bez modelu niepewności.

• - jakość nominalna układu (ang. nominal performance) – osiągi układu 

nominalnego są zadowalające bez modelu niepewności.

• - stabilność odporna układu (ang. robust stability) – układ jest stabilny 

dla wszystkich zakłóceń obiektu o nominalnych parametrach modelu z 

uwzględnieniem  modelu niepewności.

• - jakość odporna układu (ang. robust performance) – układ osiąga 

satysfakcjonujące wyniki dla wszystkich zakłóceń obiektu o 

nominalnych parametrach modelu z uwzględnieniem modelu 

niepewności.

background image

 

 

Definicje układów:

• Układ G(s) jest ściśle właściwy (ang. strictly proper), jeżeli:  G(s)  0 przy 

 ;

• Układ jest średnio właściwy (ang. semi-proper) lub właściwy (ang. bi-

proper), jeżeli:  G(s) 

 D0 przy s ;

• Układ G(s), który jest ściśle lub średnio właściwy jest właściwy;
• Układ G(s) jest niewłaściwy (ang. improper), jeżeli G(s)   przy s  .

background image

 

 

Funkcje wraźliwości

• Wprowadzając zakłócenie pomiarowe n, sygnał wyjściowy opisuje zależność ym=y+n

gdzie ym jest mierzonym sygnałem wyjściowym. Uwzględniając te zależności układ 

sterowania opisują następujące zależności:


• oraz:

• .

• Łącząc powyższe równania otrzymujemy:


• W związku z tym układ ze sprzężeniem opisują równania:

• Z kolei sygnał sterujący obiektem regulacji opisuje zależność:


• W równaniach zostały użyte następujące transmitancje, charakteryzujące właściwości 

dynamiczne układu zamkniętego:

• L=GK- transmitancja układu otwartego;

• S=(I+GK)-1=(I+L)-1- funkcja wrażliwości;

• T=(I+GK)-1GK=(I+L)-1L- komplementarna funkcja wrażliwości.

• Należy zauważyć, że S jest funkcją przejścia układu zamkniętego pomiędzy 

zakłóceniem a wyjściem, natomiast T jest funkcją przejścia pomiędzy sygnałem 

zadanym a wyjściem. Termin wrażliwość komplementarna wynika z faktu, że funkcje te 

spełniają związek:

•                                          S+T=I,

• czyli dopełniają się do jedności (macierzy jednostkowej), co łatwo wykazać przez 

podstawienie wyrażeń na te funkcje. 

 

 

d

s

G

u

s

G

y

d

 



m

y

n

y

w

s

K

u

d

G

n

y

w

GK

y

d

GKn

d

G

GKw

y

GK

I

d

n

GK

GK

I

d

G

GK

I

w

GK

GK

I

y

T

d

S

T

 

 

 

 

 

 

1

1

1

Tn

d

SG

Sw

w

y

e

d

KSn

d

KSG

KSw

u

d

background image

 

 

Funkcje wrażliwości układu 

zamkniętego

• Funkcje wrażliwości pozwalają, na przykład, ocenić wrażliwość transmitancji układu 

zamkniętego na zmianę parametrów układu otwartego. Aby to pokazać założymy, że 

mamy układ (SISO), a ponadto pominiemy szum pomiarowy i wymuszenia. 

• Mamy następującą funkcję przejścia pomiędzy wielkością zadaną a wielkością 

mierzoną:

• .


• Z kolei funkcja przejścia pomiędzy sygnałem uchybu i sygnałem mierzonym 

ma postać:


• Wrażliwość funkcji przejścia układu zamkniętego będziemy badać różniczkując 

cząstkowo funkcję przejścia układu zamkniętego względem dowolnego parametru p:

• Przechodząc do wariacji, mamy:

• Jeśli przyrównamy wariację funkcji przejścia do samej funkcji, to znajdziemy związek 

pomiędzy zmianą funkcji układu zamkniętego a zmianą funkcji układu otwartego:

• W powyższym wzorze widać w sposób oczywisty, że funkcję S(s) można nazwać 

funkcją wrażliwości, gdyż określa wrażliwość funkcji przejścia układu zamkniętego 

na zmiany parametrów układu otwartego.

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

s

s

s

s

s

s

L

I

L

w

y

T

G

z

.

)

(

1

1

)

(

1

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

s

s

s

s

s

s

s

s

L

T

w

y

w

w

e

S

.

)

1

(

1

2

p

p

L

L

G

z

.

)

1

(

1

2

L

L

G

z

.

)

1

(

1

L

L

S

L

L

L

G

G

z

z

background image

 

 

Porównanie kryteriów jakości

• Celem projektowania układu sterowania jest, obok 

zapewnienia stabilności, uzyskanie  układu 

zamkniętego o odpowiedniej jakości działania. Tę jakość 

działania ocenia się poprzez odpowiednie kryteria 

nałożone na charakterystyki czasowe lub 

częstotliwościowe układu otwartego lub układu 

zamkniętego. Zazwyczaj kryteria stabilności i jakości 

układu prowadzą projektanta w dwóch przeciwnych 

kierunkach. Dlatego jest istotnym podczas 

projektowaniu układu znalezienia kompromisu 

pomiędzy wszystkimi wymaganiami.

• Kryteria jakości opieramy na:

• - Parametrach odpowiedzi układu na skok jednostkowy;

• - Parametrach charakterystyk częstotliwościowych 

układu otwartego;

• - Parametrach charakterystyk częstotliwościowych 

układu zamkniętego.

background image

 

 

Czasowe kryteria jakości

• Wśród kryteriów związanych z odpowiedzią układu na skok 

jednostkowy możemy wyróżnić:

• - Czas podniesienia (Tn) – jest to czas po którym odpowiedź 

układu osiągnie po raz pierwszy 90% jej końcowej wartości.

• - Czas regulacji (Tr) – jest to czas po którym odpowiedź 

pozostaje w przedziale 5% jej ostatecznej  (ustalonej) 

wartości.

• - Przeregulowanie – jest to stosunek maksymalnej wartości 

odpowiedzi do jej wartości ustalonej. W typowych układach 

powinien wynosić 1.2 (20%) lub mniej.

• - Stopień tłumienia – jest to stosunek drugiego względem 

pierwszego maksymalnego wychylenia. W typowych układach 

powinien wynosić 0.3 lub mniej.

• - Błąd ustalony – jest to różnica pomiędzy wartością zadaną a 

wartością wyjściową układu dla ich ustalonych wartości.

• Czas podniesienia i czas regulacji są miernikami prędkości 

odpowiedzi układu, natomiast przeregulowanie, stopień 

tłumienia i błąd ustalony są miernikami jakości odpowiedzi.

background image

 

 

Kryteria oparte na normach

• Ponadto często oceniamy jakość układu zamkniętego przez 

normy nałożone na uchyb regulacji:  e(t)=y(t)-w(t). Może to być 

na przykład całka z kwadratu uchybu lub pierwiastek z  tej całki, 

który jest 2-normą (euklidesową): 

•                                                                  .                                     

   Zauważmy że w przypadku tego kryterium uwzględniamy 

zarówno prędkość jak i jakość odpowiedzi układu zamkniętego. 

Inną zaletą 2-normy jest  łatwa optymalizacja układu przez 

numeryczne obliczanie minimum  tego kryterium w funkcji 

parametrów regulatora. Można również brać pod uwagę w 

rozważaniach wielkość sygnałów wejściowych przez 

wprowadzenie kryterium w postaci: 

•  gdzie Q, R są stałymi dodatnimi. To podejście jest podobne do 

LQR – liniowego kwadratowego sterowania optymalnego, lecz w 

LQR na wejściu (wielkość zadana – w(t)) rozpatruje się zazwyczaj 

impuls a nie skok.

dt

t

e

t

e

2

0

2

)

(

)

(

dt

t

u

R

t

e

Q

J

0

2

2

)

(

)

(

background image

 

 

Zapas modułu

• W oparciu o charakterystyki układu otwartego budujemy kryteria zapasu 

wzmocnienia i zapasu fazy. W tym celu wykreślamy charakterystyki 

częstotliwościowe Bodego dla L(j

)

• Zapas modułu M jest definiowany jako:

gdzie fazowa częstotliwość przecięcia              odpowiada częstotliwości, dla której 

wykres Nyquista funkcji L(j) przecina ujemną gałąź osi rzeczywistej pomiędzy 

punktami 0 i –1, gdzie mamy: 

L(j180)=-180o

• Gdy mamy więcej niż jednokrotne przecięcie tego poziomu przez charakterystykę 

fazową, to największa z wartości |L(j180)| brana jest pod uwagę. Na wykresie 

Bodego z logarytmiczną skalą modułu |L| przyjmujemy zapas modułu jako 

odwrotność pionowej odległości od poziomu 0 [dB],. ∆M jest współczynnikiem, o 

który można podnieść wzmocnienie układu otwartego |L(j)| aby znaleźć się na 

granicy stabilności układu zamkniętego. Tym samym GM jest zabezpieczeniem 

przed niepewnością wzmocnienia układu. Zazwyczaj wymagamy, aby GM>2. Jeśli 

wykres Nyquista przekroczy ujemną gałąź osi rzeczywistej pomiędzy –1 i , to 

wzmocnienie, które redukuje zapas modułu można podobnie zdefiniować  na 

podstawie najmniejszej wartości |L(j180)| . 

180

1

(

)

M

L jw

D =

180

background image

 

 

Zapas fazy

• Zapas fazy może być definiowany jako:

• PM=L(jc) +180o

• gdzie częstotliwość przecięcia c ma miejsce wówczas, gdy |

L(j)| przecina po raz pierwszy poziom 0 [dB], to znaczy, gdy: 

• |L(jc)| = 1.

• Zapas fazy określa, ile należy dodać opóźnienia fazowego do 

charakterystyki L(s),  aby dla częstotliwości –180o układ 

zamknięty znalazł się na granicy stabilności. Zazwyczaj 

wymagamy, aby PM był większy niż 30o. Zapas fazy 

zabezpiecza przed  niepewnością opóźnień czasowych. Jeśli 

dodamy opóźnienie czasowe:

• to układ staje się niestabilny. Należy zwrócić uwagę na spójność 

układu jednostek. Jeśli c jest w rad/s to i PM musi być w 

radianach. Należy zauważyć, że jeśli będziemy obniżać wartość 

c ( a tym samym skracać pasmo przenoszenia układu 

zamkniętego), to układ będzie w stanie tolerować większe 

opóźnienie czasowe. 

c

PM

/

max

background image

 

 

Kryteria układu zamkniętego

• Dla charakterystyk układu zamkniętego wprowadzimy 

kryteria maksymalnych wartości funkcji wrażliwości i funkcji 

komplementarnej wrażliwości. Zdefiniujemy je następująco:

• Można zauważyć, że:                                                     są tak 

zwaną normą H,. W typowych układach wymaga się aby MS 

było mniejsze niż 2 (6 [dB]) a MT było mniejsze niż 1.25 (2 

[dB]). Większe wartości tych wskaźników świadczą, że układ 

charakteryzuje się niską jakością oraz gorszą odpornością na 

zmiany parametrów. Ponieważ zachodzi S+T=1, to dla 

dowolnej częstotliwości mamy:

•                   ||S|-|T|||S+T|=1

• a tym samym MS i MT mogą wzajemnie różnić się co najwyżej 

o wartość 1. Tym samym duże wartości MS pojawiają się 

wtedy i tylko wtedy, gdy MT jest duże. Dla układów stabilnych 

zazwyczaj mamy MS > MT lecz nie jest to regułą. 

T

M

S

M

T

S

max

,

max

,

)

(

max

,

)

(

max

j

T

M

j

S

M

T

s

background image

 

 

Związki pomiędzy kryteriami

• Pomiędzy kryteriami MS, MT oraz zapasem modułu i fazy 

istnieją ścisłe relacje:. Na przykład dla danego MS zachodzi:

• Z powyższych zależności wynika, że dla Ms=2 mamy 

zagwarantowane, że GM≥2, a PM≥29o.Podobnie dla danego 

MT otrzymamy:

• Ponownie, dla MT=2 mamy zapewnione, że GM≥1.5, a 

PM≥29o.

• Podsumowując, jeśli przyjmiemy i utrzymamy ograniczenia na 

wartości maksymalne funkcji wrażliwości |S(jω)| lub funkcji 

komplementarnej wrażliwości |T(jω)|, to badanie zapasu 

modułu i fazy okazuje się niepotrzebne. Na przykład przy 

zapewnieniu, że: Ms<2 mamy natychmiast GM>2 i PM>30o.

 

rad

M

M

PM

M

M

GM

s

s

s

s

1

2

1

arcsin

2

~

,

1





 

rad

M

M

PM

M

GM

T

T

T

1

2

1

arcsin

2

~

,

1

1






Document Outline