background image

 

PRz – AiS – W9 

 

METODY CZĘSTOTLIWOŚCIOWE 

 

Charakterystyka ogólna. Zapas fazy i zapas modułu. Przeregulowanie i czas regulacji. Obiekt 
z  opóźnieniem.  Twierdzenie  Nyquista.  Dobór  wzmocnienia.  Automatyczny  eksperyment 
Zieglera–Nicholsa. 
 
 

CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA 

 

1.

 

Historia i cechy metod częstotliwościowych 

 

 

Historia 

1932  –  Nyquist – badanie stabilności na podstawie charakterystyk częstotliwościowych 

1942  –  Bode – charakterystyki logarytmiczne i dobór wzmocnienia 

1943  –  Ziegler  i  Nichols  –  eksperymentalny  dobór  nastaw  regulatorów  PID  po 

doprowadzeniu do granicy stabilności. 

 

 

Cechy metod częstotliwościowych 

1.

 

Do  projektowania  służą  charakterystyki  częstotliwościowe  a  nie  transmitancja,  nie 
ma więc ograniczeń na rząd obiektu (aproksymacja niepotrzebna). 

2.

 

Charakterystyki  częstotliwościowe  otrzymuje  się  eksperymentalnie  za  pomocą 
szybkiej  transformaty  Fouriera  (FFT)  pobudzając  obiekt  sygnałem  o  rosnącej 
częstotliwości (chirp). 

3.

 

Samostrojenie  częstotliwościowe  można  przeprowadzić  dla  złożonych  obiektów  z 
wzajemnymi interakcjami, gdzie odpowiedzi skokowe nie są powtarzalne (nie można 
nastrajać na podstawie odpowiedzi skokowej). 

4.

 

Metody częstotliwościowe są rozpowszechnione w pokrewnych dziedzinach – teoria 
sygnałów, telekomunikacja, elektronika. 

 
 
 
 
 
 

 

Wady 

 

 

2.

 

Instrukcje Matlaba 

 

 

w = logspace(d1,d2,n)  –  generowanie  n  punktów  częstotliwości 

ω

  rozmieszczonych 

równomiernie  w  skali  logarytmicznej  w  przedziale 
10

d1

...10

d2

 

w =logspace(d1,d2)   

–  standardowo 50 punktów 

chirp 

FFT – Fast Fourier Transform 

          (Matlab, Java for Process Control) 

moduł - M(

ω

F(

ω

) - faza 

background image

 
 

 

 

[M,F] = bode(l,m,w) 

–  wyznaczenie  modułu  M  i  fazy  F  transmitancji

m

l

dla 

częstotliwości 

ω

 , gdzie F jest w stopniach 

 

subplot(211) 

–  wybór górnej połowy ekranu do umieszczenia wykresu 

semilogx(w,M), grid   

–  wykres modułu w skali półlogarytmicznej 

subplot(212) 

–  wybór dolnej połowy ekranu 

semilogx(w,F), grid   

–  wykres fazy 

clg 

 

–  ekran standardowy (następny wykres pojedynczy, np. step()).  

 

 

Zalecenia 

1.

 

W typowych problemach wystarczy 50 punktów na dekadę. 

2.

 

Przedział 10

d1

...10

d2

 powinien objąć częstotliwości charakterystyczne lub graniczne, 

którymi są odwrotności najmniejszej i największej stałej czasowej. 
 
 

3.

 

Transmitancja II rzędu 
 

2

2

2

2

)

(

n

n

n

s

s

s

G

ω

ξω

ω

+

+

=

 

 

)

2

(

)

2

(

)

(

2

)

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

4

4

3

4

4

4

4

2

1

4

4

4

4

3

4

4

4

4

2

1

ω

ω

ω

ξω

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

ω

ξω

ω

ω

ω

+

=

+

+

=

=

n

n

arctg

j

e

j

j

s

G

n

n

n

n

n

n

 

 

Matlab    -    

ω

n

 = 1 

 

l = 1 
w = logspace(-1,1,100); 
ksi = 1 
m = [1  2*ksi  1] 
[M, F] = bode(l,m,w); 
subplot(211) 
semilogx(w,M), grid 
 
 
subplot(212) 
semilogx(w,F), grid 
 
ksi = 0.6 
.............. 
ksi = 0.4 
.............. 
ksi = 1.5 
.............. 

 

ξξξξ

 = 0.4 

ξξξξ

 = 1.5 

ξξξξ

 = 0.4 

ξξξξ

 = 1.5 

          M(

ω

- moduł 

F(

ω

)

 - faza 

background image

 
 

 

Częstotliwością charakterystyczną jest 

ω

 

n

 = 1. Przedział 0.1...10 w logspace (-1,1,100) 

obejmuje ją po dekadzie z lewej i prawej strony. 

 

Wnioski 

1.

 

Wzrost tłumienia 

ξ

 powoduje: 

–  zmniejszenie modułu szczytowego M

p

 (peak) i jego częstotliwości 

ω

p,

 

–  zmniejszenie pasma przenoszenia BW (band-width), gdzie 

.

707

.

0

2

/

1

=

M

 

2.

 

Częstotliwość 

ω

 

p

 jest nieco niższa niż częstotliwość naturalna 

ω

 

n

 = 1.  

3.

 

Faza F ustala się na wartości -180

°

, ponieważ stopnie licznika i mianownika 

różnią się o 2 

)

180

)

90

(

2

(

o

o

=

4.

 

Dla częstotliwości 

ω

 

n

 faza wynosi - 90

°

 (niezależnie od 

ξ

). 

 
 

ZAPAS FAZY I ZAPAS MODUŁU 

 

Są to pojęcia związane z układem otwartym
 
1.

 

Serwomechanizm napięciowy 

,

)

2

(

)

1

(

)

1

(

)

(

2

n

n

otw

s

s

T

s

s

T

k

Ts

s

k

s

G

ξω

ω

+

=

+

=

+

=

 

gdzie:   

T

T

k

n

n

1

2

,

2

=

=

ξω

ω

     

2

2

2

2

2

2

)

2

(

1

)

2

(

)

(

n

n

n

n

n

n

n

zam

s

s

s

s

s

s

s

G

ω

ξω

ω

ξω

ω

ξω

ω

+

+

=

+

+

+

=

 

 

 

Charakterystyki układu otwartego 

4

4 3

4

4 2

1

4

4

4

3

4

4

4

2

1





+

=

+

=

n

j

M

n

n

n

n

otw

e

j

j

j

G

ξω

ω

ξω

ω

ω

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

2

arctan

90

2

2

2

2

)

2

(

)

2

(

)

(

 

  Dane:   

1

,

1

=

=

n

ω

ξ

    (czyli  p

= 0,  t

= 4 ). 

 

Matlab   

l = 1 
m = [1 2 0]  
w = logspace(-1,1,100); 
[M, F] = bode(l,m,w); 
subplot(211) 
semilogx(w,M), grid 

–  standardowy układ II rzędu 

„omega dla jedynki” 

)

2

(

2

n

n

s

s

ξω

ω

+

 

)

1

(

+

Ts

s

k

 

background image

 
 

 

subplot(212) 
semilogx(w,F), grid 
 
[   w’         M       F    ] 
    .......................... 

0.4863  0.9991  -103.6 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tok obliczeń 

 

 

 

 

PM=180

°

-103.6

°

 = 76.4

°

 

 

 

 

Obliczenia „ręczne” 

)

2

arctg

90

(

2

4

1

)

2

(

1

)

(

,

)

2

(

1

)

(

ω

ω

ω

ω

ω

ω

+

=

+

=

+

=

o

j

otw

otw

e

j

j

j

G

s

s

s

G

 

 

4858

.

0

2

5

0

1

4

1

4

1

)

(

1

2

4

2

1

=

=

+

=

+

=

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

j

G

   

:

otw

 

 

o

o

o

o

o

4

.

76

6

.

103

180

PM

6

.

103

2

4858

.

0

atan

90

)

(

1

=

=

=

=

ω

j

G

 

 

2.

 

Układ III rzędu 

 

 

Stabilność  wg.  Hurwitza  (pierwiastki  wielomianu  ujemne  lub  o  ujemnych  częściach 
rzeczywistych).  
Układ  zamknięty  3-go  rzędu  o  dodatnich  współczynnikach  a

0

a

3

  w  mianowniku 

0

1

2

2

3

3

a

s

a

s

a

s

a

+

+

+

jest stabilny wtedy i tylko wtedy jeśli wyznacznik 

 

0

0

3

1

2

1

0

3

2

2

>

=

=

a

a

a

a

a

a

a

a

 

 

jest dodatni. Inaczej mówiąc, iloczyn współczynników środkowych ma być większy od 
iloczynu wyrazów skrajnych. 
 
 
 
 

Niech M(

ω

), F(

ω

) będą charakterystykami częstotliwościowymi układu otwartego, 

ω

 

1

 

częstotliwością,  taką  że  M(

ω

 

1

)  =1.  Zapasem  fazy  PM  (phase  margin

nazywamy kąt określony wzorem       

)

(

180

1

ω

F

PM

+

=

o

 

)

 

(

 

180

 

PM

 

)

 

(

 

1

 

)

 

(

 

ω

 

ω

 

ω

 

ω

 

j

 

G

 

j

 

G

 

j

 

G

 

otw 

otw 

otw 

 

+

 

=

 

 

 

 

 

=

 

o

 

  

ω

1

  F(

ω

1

background image

 
 

 

 

 

Określenie 

k

kr

 

1

3

3

)

1

(

1

)

1

(

)

(

2

3

3

3

+

+

+

+

=

+

+

+

=

k

s

s

s

k

s

k

s

k

s

G

zam

 

 

Hurwitz: 

8

   

,

8

1

3

3

=

<

+

>

kr

k

k

k

 

Wybieramy np. k = 4, aby układ był stabilny. 

 

 

Charakterystyki układu otwartego 

 

Matlab   

 

l = 4; m = [1 3 3 1];  
w = logspace(-1,1,200); 
[M, F] = bode(l,m,w); 
subplot(211) 
semilogx(w,M), grid 
 
 
subplot(212) 
semilogx(w,F), grid 
 
[   w’     M        F   ]  
    .......................... 
 

1.722  0.5062  -179.59 
 
 
 

 

 
 
 
 
 

 

Powyżej  

,

2

1

M

 zatem GM = 2. 

 

 

Obliczenia „ręczne” 

 

)

arctg

3

(

2

3

2

3

)

1

(

4

)

1

(

4

)

(

ω

ω

ω

ω

+

=

+

=

j

e

j

j

G

otw

 

 

ω

 

2

:  

3

180

arctg

3

2

=

=

ω

ω

o

 

 

  

ω

 

1/2    -180

°

 

Niech 

ω

 

2

  będzie  częstotliwością,  taką  że  F(

ω

 

2

)  =  –180

°

Zapasem  modułu  GM 

nazywamy odwrotność modułu 

M(

ω

 

2

), tzn. 

)

(

1

2

ω

M

GM

=

 

background image

 
 

 

=

=

=

+

=

2

1

8

4

4

4

)

3

1

(

1

)

(

2

3

2

3

2

ω

j

G

otw

GM = 2 

 

Uwaga. Zapas modułu mówi, ile razy należy zwiększyć wzmocnienie, aby osiągnąć 
granicę  stabilności, tzn. 

.

kr

k

GM

k

=

 

 

Z kryterium Hurwitza:   

8

2

4

8

=

=

kr

k

 

 
 
 
 
 

Zapas  modułu  rozważa  się  tylko  wtedy,  gdy  różnica  stopni  licznika  i  mianownika 
transmitancji układu otwartego wynosi przynajmniej 3, albo gdy w układzie występuje 
opóźnienie.  Wtedy  bowiem  charakterystyka  fazowa  schodzi  poniżej  -180

°

  i  można 

wyznaczyć częstotliwość 

ω

2

 . 

 
 

PRZEREGULOWANIE I CZAS REGULACJI 

 
1.

 

Przeregulowanie a zapas fazy 

 

 

Układ II rzędu   –  serwomechanizm napięciowy

 

 
 
 
 
 
 
 

n

n

n

j

G

j

G

otw

otw

ξω

ω

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

2

arctg

90

)

(

,

)

2

(

)

(

2

2

2

=

+

=

o

 

 

 

Częstotliwość  

ω

1

 

 

2

4

1

2

2

1

2

1

4

1

2

1

4

1

]

)

2

(

[

1

)

(

ξ

ξ

ω

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

+

=

=

+

=

n

n

n

otw

j

G

 

 

Matlab 

 

ksi = 0:0.01:1; 
KW=ksi

.* ksi; 

w1=sqrt(sqrt(4*KW

.*KW+1)-2*KW); 

clg             - pełen ekran 
plot(ksi,w1), grid 

 

W typowych układach sterowania zapas fazy PM wynosi 40

°

...75

°

, a zapas modułu 

GM  od  2  do  4.  Im  którykolwiek  zapas  mniejszy,  tym  większa  skłonność  do 
oscylacji. 

2

2

2

2

)

(

n

n

n

zam

s

s

s

G

ω

ξω

ω

+

+

=

)

2

(

2

n

n

s

s

ξω

ω

+

 

background image

 
 

 

Wniosek.  Im  większe  tłumienie 

ξ

  tym  niższa  częstotliwość 

ω

1

,  dla  której  układ 

osiąga zapas fazy. 

 

 

Zapas fazy PM 

ξ

ξ

ξ

ξω

ω

ω

2

2

1

4

arctan

90

2

arctan

90

)

(

180

2

4

1

1

+

°

=

=

<

+

=

n

j

G

PM

otw

o

o

 

 

Przeregulowanie a zapas fazy 

 

p

ξ

 

PM 

 

37.2 

 

25.4 

 

16.3 

 

9.5 

 

4.6 

 
 

4.3 

 

 

 

0.3 

 

0.4 

 

0.5 

 

0.6 

 

0.7 

 

1/

2

 

 

 

33.3 

 

43.1 

 

51.8 

 

59.2 

 

65.1 

 
 

65.5 

 

76.3 

 

 

Wniosek.  „Inżynierski”  wzór

ξ

100

PM

  jest  dobrym  przybliżeniem  pełnego  wzoru 

na zapas fazy PM, ale tylko dla przeregulowań nie mniejszych niż 10% 

)

 

0.6

 

(

ξ

 

ξ

ξ

ξ

ξ

+

°

=

100

2

2

1

4

atan

90

PM

2

4

 

 

2.

 

Czas regulacji a częstotliwość 

 

α

α

=

=

=

x

x

x

arctg

1

tg

,      

x

x

1

arctg

90

1

)

tg(90

=

=

α

α

o

o

 

x

x

1

arctg

arctg

90

=

o

 

 

 
 

Ponieważ  

,

2

arctg

90

PM

1

n

ξω

ω

=

o

  więc również  

1

2

arctg

PM

ω

ξω

n

=

 albo 

1

2

tg

ω

ξω

n

PM

=

 

oraz  

PM

n

tg

2

1

1

ω

ξω

=

. Czas regulacji: 

PM

t

n

r

tg

2

1

4

4

1

ω

ξω

=

=

 

 

PM

t

r

tg

8

1

ω

=

     lub    

PM

t

r

tg

8

1

=

ω

 

 
 
 
 

Matlab 
 

PM=90-atan(w1

./(2*ksi))*180/pi; 

 

plot(ksi, PM, ksi, 100*ksi), grid 

 

background image

 
 

 

 

Idea projektowania 

 

 
 
 

 

Podobnie  mając  charakterystyki  częstotliwościowe  układu  otwartego  w  dziedzinie 
częstotliwości  wyznaczamy  z  nich  PM  i 

ω

1

.  Na  podstawie  powyższych  wzorów 

określamy 

100

PM

ξ

, przeregulowanie p

%  

i czas regulacji t

r

 

–  p

%

  a  

ξ

 

 

 

 

 
 
 

OBIEKT Z OPÓŹNIENIEM 

 

1.

 

Przykład 

 

s

s

G

e

s

s

G

52

.

0

)

(

1

2

56

.

0

)

(

+

=

3

2

1

,               

π

ω

ω

ω

180

52

.

0

)

(

)

(

=

j

G

j

G

 

 

Częstotliwości charakterystyczne:   

    

5

.

0

2

1

=

,    

92

.

1

52

.

0

1

=

   

    zakres 0.1 ... 10 

 

2.

 

Matlab   

 

w = logspace(-1,1,100); 
[M, Fprim] = bode(0.56,[2 1],w); 
F=Fprim-0.52*w'*180/pi; 
subplot(211) 
semilogx(w,20*log10(M)), grid 
subplot(212) 
semilogx(w,F), grid 
 
20*log10(M) – dB (decyble) 

 

 
 

Uwaga.  Charakterystyka  fazowa  obiektu  z  opóźnieniem  osiąga  silnie  ujemne 
wartości dla wyższych częstotliwości. 

 
 
 
 
 
 

Mając dane p

%

 i t

 za pomocą powyższych wzorów przechodzimy na PM i 

ω

1

 w 

dziedzinie częstotliwości. 

%,

100

2

1

%

ξ

πξ

=

e

p

100

%

2

ln

2

100

%

ln

p

p

+

=

π

ξ

 

background image

 
 

 

TWIERDZENIE NYQUISTA 

 
Nyquist – 1932, Bell Telephone Laboratories, USA  (telekomunikacja) 

 
4.

 

Przykład. Układ III rzędu 
 

 

Dany jest układ jak na rysunku 

 
 
 
 
 
 

Wykreślić charakterystyki częstotliwościowe: 

a)

 

układu na granicy stabilności 

b)

 

układu stabilnego z zapasem modułu GM=2 

c)

 

układu niestabilnego z „zapasem” GM=0.5. 

 

 

Rozwiązanie 

ad a)  Granica stabilności  –  mianownik układu zamkniętego – pierwiastki urojone 

0

)

(

1

=

+

s

G

otw

 

 

ω

j

s

=

 

 

0

)

(

1

=

+

ω

j

G

otw

 

0

)

1

(

1

2

=

+

+

ω

ω

j

j

k

 

 

 

kr

k

,  

kr

ω

 

0

)

2

1

(

2

=

+

+

k

j

j

ω

ω

ω

 

 

Re: 

0

2

2

=

+

k

ω

,     Im: 

0

)

1

(

2

=

ω

ω

 

 

1

=

kr

ω

,    

2

=

kr

k

 

 

ad b)

 

GM

k

k

kr

=

 

1

2

2

=

=

=

GM

k

k

kr

 

ad c)

 

4

5

.

0

2

=

=

k

 

 

Uwaga. Wszystkie warianty układu 
mają jednakowe charakterystyki fazowe. 

 
 
 
 
 
 
 
 

2

)

1

(

1

+

s

s

 

Układ otwarty

 

M

 

1

 

ω

 

1

 

-180

 

F

 

PM

 

1/GM

 

ω

 

2

 

ω

 

ω

 

 

10

10

background image

 
 

10 

 

Matlab 
 

w=logspace(-0.1,0.3,200);  

995

.

1

10

3

.

0

=

 

l=2 
m=[1 2 1 0] 
[M1,F]=bode(l,m,w); 
[M2,F]=bode(0.5*l,m,w); 
[M3,F]=bode(2*l,m,w); 
subplot(211) 
semilogx(w,M1, w,M2, w,M3), grid 
subplot(212) 
semilogx(w,F), grid 

 

 
 
 
 

 

Wykresy powyższe ilustrują następujące twierdzenie: 

 

Twierdzenie Nyquista 

Jeśli  charakterystyki 

),

(

ω

M

 

)

(

ω

F

  układu  otwartego,  który  nie  ma  biegunów  w 

prawej  półpłaszczyźnie  (tzn.  jest  stabilny  przynajmniej  granicznie),  przechodzą 
przez punkty: 

 

°

=

180

)

(

2

ω

F

1

)

(

2

=

ω

M

,  to  układ  zamknięty  znajduje  się  na  granicy 

stabilności

 oscylując z częstotliwością 

kr

ω

ω

=

2

 

°

=

180

)

(

2

ω

F

1

)

(

2

<

ω

M

,  to  układ  zamknięty  jest  stabilny,  a  zapas  modułu 

GM wynosi 

)

(

1

2

ω

M

 

°

=

180

)

(

2

ω

F

1

)

(

2

>

ω

M

, to układ zamknięty jest niestabilny

 

Wnioski

 

 

O  stabilności  układu  zamkniętego  wnosi  się  na  podstawie  charakterystyk  układu 
otwartego (inaczej niż u Hurwitza). 

 

Potrzebne są charakterystyki częstotliwościowe,  które można otrzymać eksperymentalnie 
(transmitancja służy tutaj tylko do wykreślenia charakterystyk). 

 

 

DOBÓR WZMOCNIENIA 

 
 

1.

 

Dane przeregulowanie p

%

  –  lub zapas fazy PM 

 

Problem 

 

dane 

%

p

)

(

ω

M

)

(

ω

F

 

 

szukane 

,

k

r

t

 

 

Charakterystyki układu otwartego

 

M

 

F

 

ω

 

ω

 

1

 

ω

 

 

 

 = 1

 

ω

 

kr

 

-180

 

niestabilny 

Układ zamknięty: 

na granicy 
stabilności 

stabilny 

)

(

),

(

ω

ω

F

M

 

Obiekt 

background image

 
 

11 

 

 

Tok projektowania 

)

(

1

1

)

(

:

)

(

1

)

(

1

1

1

%

1

)

(

)

(

ω

ω

ω

ω

ξ

ω

ω

ω

M

k

j

G

M

PM

p

M

k

otw

M

F

=

=

43

42

1

 

tgPM

t

r

1

8

ω

=

 

 
 

Przykład. Układ jak poprzednio 

.

5

.

9

%

=

p

 

 
 
 
 
 

 

6

.

0

5

.

9

%

=

=

ξ

p

 

,

2

.

59

2

2

1

90

6

.

0

2

°

=

+

=

=

ξ

ξ

ξ

ξ

4

4

arctg

PM

 

)

(

)

(

s

G

k

s

G

otw

=

  

2

)

1

(

1

)

(

+

=

s

s

s

G

 

)

)

(

2

90

(

)

(

2

2

)

1

(

1

)

1

(

1

)

(

4

4 8

4

4 7

6

4

3

42

1

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

F

arctg

j

M

e

j

j

j

G

+

=

+

=

 

)

(

180

1

ω

F

PM

+

=

,    

°

=

=

4

.

15

2

90

180

2

.

59

1

1

ω

ω

arctg

arctg

 

 

2754

.

0

4

.

15

1

=

=

tg

ω

 

2962

.

0

)

(

1

375

.

3

)

1

(

1

)

(

1

2

1

1

1

=

=

=

+

=

ω

ω

ω

ω

M

k

M

 

3

.

17

2

.

59

2754

.

0

8

8

1

=

=

=

tg

tgPM

t

r

ω

 

 

 

Matlab 

 

clg 
l=0.2962*[0 0 0 1]; 
m=[1 2 1 0]; 
t=0:0.2:20; 
y=step(l, l+m, t); 
plot(t, y), grid 
max(y) 

54

.

8

%

=

p

 

2

)

1

(

1

+

s

s

 

   ew. 

°

=

60

100

ξ

PM

 

background image

 
 

12 

 

2.

 

Dany zapas modułu GM 

 

Problem 

 

dane 

,

GM

),

(

ω

M

)

(

ω

F

 

 

szukane 

,

k

,

%

p

r

t

 

 

 

Tok projektowania 

)

(

1

1

)

(

:

)

(

180

)

(

2

2

2

2

2

)

2

(

)

(

)

(

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

M

GM

k

GM

j

G

M

F

M

k

M

F

otw

=

=

°

=

43

42

1

 

 

 

Przykład.  Układ –  jak na rysunku,  

dB

12

=

dB

GM

   

 
 
 
 
 
 

roots([0.05, 0.6, 1])  

  2, 10     

zakres 

ω

 1...100 

 
 

 

Matlab 

 

w=logspace(0, 2, 200); 
l=1 
m=[0.05, 0.6, 1, 0] 
[M,F]=bode(l,m,w); 
[w’, M, F] 
  ... 
4.50  0.0823  –180.27 

2

ω

 

)

(

2

ω

M

 

180

 

3

03

.

3

0873

.

0

4

1

=

=

k

 

 

 

Określenie  p

%

  i  t

r

 

 

%

1

1

1

100

)

(

)

(

3

)

(

180

1

)

(

p

F

PM

j

G

F

M

otw

+

=

=

ξ

ω

ω

ω

ξ

ω

ω

,     

tgPM

t

r

1

8

ω

=

 

c.d. Matlab 

 
[w’, 

3*M, 

F] 

2.049  1.0018 

-147.27 

1

ω

 

1

 

)

(

1

ω

F

 

73

.

32

27

.

147

180

=

=

PM

 

7

.

33

327

.

0

100

%

=

=

p

PM

ξ

 

08

.

6

7

.

32

049

.

2

8

=

=

tg

t

r

 

 

)

1

6

.

0

05

.

0

(

2

+

+

s

s

s

k

 

GM

GM

dB

log

20

=

 

4

98

.

3

10

10

20

/

12

20

/

=

=

=

dB

GM

GM

 

1

 

ω

 

1

 

PM

 

ω

 

ω

 

|G

otw

|

 

G

 

otw

 

3M

 

F

 

0.25

 

ω

 

2

 

1/GM

 

background image

 
 

13 

 

 

t=0:0.15:15; 
l=3*[0,0,0,l] 
y=step(l,l+m,t); 
plot(t,y), grid 
max(y) 

39

.

38

%

=

p

 

 

 

 

AUTOMATYCZNY EKSPERYMENT ZIEGLERA–NICHOLSA 

 

1.

 

Reguły Zieglera-Nicholsa 

 

Ziegler  i  Nichols  –  1943  –  eksperymentalny  dobór  nastaw  regulatora  PID  przez 
doprowadzenie do granicy stabilności, a potem przez odpowiednią redukcję nastaw. 

 

 

Kroki eksperymentu Z-N 

1.

 

Ustawić regulator na działanie proporcjonalne P. 

2.

 

Stopniowo zwiększając 

p

k

 doprowadzić układ zamknięty do granicy stabilności. 

3.

 

Zapisać wzmocnienie krytyczne 

kr

p

k

,

 i okres oscylacji 

kr

4.

 

Określić nastawy według reguł podanych w tabeli dla wybranego typu regulatora. 

Regulator 

p

k

 

i

T

 

d

T

 

kr

p

k

,

5

.

0

 

– 

– 

PI 

kr

p

k

,

45

.

0

 

kr

T

85

.

0

 

– 

PID 

kr

p

k

,

6

.

0

 

kr

T

5

.

0

 

kr

T

125

.

0

 

 

Uwagi 

 

Regulator PID ma podwójne zero, bo 

i

d

T

T

4

1

=

.   

 

Reguły  Z-N  nie  określają  jakiego  przeregulowania,  ani  czasu  regulacji  można  się 
spodziewać. Zazwyczaj przebiegi są oscylacyjne. 

 

Obecnie  eksperyment  Z-N  jest  wykonywany  automatycznie  przez  regulatory 
niektórych firm  (np. regulator RF-537 – laboratorium). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 
 

14 

 

2.

 

Sterowanie przekaźnikowe 

 

 

1984 – Åstrӧm i Hägglund 

 

T – Tune (nastrajanie) 
Regulator firmy Satt Control 
(obecnie ABB) 

 

Sterowanie przekaźnikowe ±U 
i aproksymacja pierwszą harmoniczną 

A

kr

 – amplituda, T

kr

 – okres 

±H – histereza przekaźnika 

 

Idea  –  ze  względu  na  odporność  układu  ze  sprzężeniem  zwrotnym  na  przybliżenia 
można  ograniczyć  się  do  pierwszej  harmonicznej  sygnału  u(t)  (szereg  Fouriera)  i 
wyznaczyć „transmitancję” (tzw. funkcją opisującą) 

 

A

jC

B

A

N

1

1

)

(

+

=

,        

=

A

d

sin

sin

A

f

B

0

1

)

(

1

φ

φ

φ

π

 

kr

A

A

=

 

 

Przybliżenie układu 

 

 

 
 
            

   granica stabilności 

 

 

Przekaźnik  idealny  –  bez  histerezy  (wystarcza  dla  obiektów  inercyjnych, 

nieodpowiedni dla całkujących) 

kr

p

k

A

U

A

U

A

U

A

N

,

3

.

1

27

.

1

4

)

(

=

=

=

π

 

 

Wniosek. Na podstawie 

kr

p

k

,

 i 

kr

T

z reguł Zieglera–Nicholsa można dobrać nastawy 

regulatora typu PID. 

N(A) 

Obiekt 

+H 

-H 

A

kr 

T

kr 

+U 

-U 

PID 

Obiekt 

A, M 

funkcja 
przeka

ź

nika 

cosφ dla C

1

 

background image

 
 

15 

 

3.

 

Redukcja wzmocnienia względem granicy stabilności 

 

 

Przykład – obiekt „trudny” z regulatorem PID 

 

 

 
 
     zob. Przebiegi oscylacyjne

 

 

PID:  

77

.

0

=

p

k

,  

69

.

1

2

=

i

T

,  

4

/

i

d

T

T

=

  

5

=

D

   

–  bezpieczne 

nastawy 

(przebiegi 

aperiodyczne krytyczne) 

 

 

 

Można  sprawdzić,  że  powyższy  układ  znajdzie  się  na  granicy  stabilności  przy 
wzmocnieniu regulatora PID wynoszącym 

.

08

.

4

,

=

kr

p

k

 

  –  ponad  5–krotny  wzrost  wzmocnienia  w  stosunku  do 

wzmocnienia bezpiecznego. 

 

Wniosek.  Nastawy  Zieglera–Nicholsa,  które  odpowiadają  2–krotnej  redukcji 
czułości  regulatora  względem  granicy  stabilności,  dają  w  wyniku  przebiegi 
oscylacyjne.  W  celu  uzyskania  przebiegów  bliskich  aperiodycznym 
krytycznym, należy jeszcze 2–krotnie zmniejszyć wzmocnienie 

p

k

w stosunku 

do wzmocnienia wynikającego z reguł Zieglera–Nicholsa (4–krotnie względem 
wzmocnienia krytycznego). 

 

 

 

Sterowanie przekaźnikowe 

 

step:  S.t.1          Relay: 

S.on p   eps,    S.off p.   – eps 

 

I.v.0 

Out. on 1 

Out. off 0      

 

F.v. 0.5 

 
 

 

 
 
 

 

PID 

(

)

5

1

1

+

s

29

.

5

77

.

0

08

.

4

.

,

,

=

=

bezp

p

kr

p

k

k

background image

 
 

16 

 

 

 
Ziegler-Nichols: 
 
 
 
 

 

 
 

2U = 1.0,    U=0.5 
2A=0.446,  A=0.223 
T

kr

=8.8 

 

 

 

Układ z regulatorem PID

 

 

 

 

P=1.75,         I=1.75/4.4,        D=1.75·1.1 

 
 
 

 

 

91

.

2

223

.

0

5

.

0

3

.

1

3

.

1

,

=

=

=

A

U

k

kr

p

75

.

1

91

.

2

6

.

0

64

.

0

,

=

=

=

kr

p

p

k

1

.

1

4

1

,

4

.

4

5

.

0

=

=

=

=

i

d

ur

i

T

T

T

T