Корректирующие устройства

Из ранее изложенного материала следует, что наиболее действенным способом придания системе автоматического регулирования необходимых динамических свойств является введение в нее дополнительного элемента. Он исправляет, корректирует свойства исходной системы и называется корректирующим элементом. Иногда этот элемент весьма сложен, вследствие чего используется также термин "корректирующее устройство".
Корректирующее устройство - это функциональный элемент системы автоматического регулирования по отклонению, обеспечивающий необходимые динамические свойства этой системы. Иногда корректирующее устройство изменяет нужным образом и статические свойства системы.
Корректирующее устройство включают в систему автоматического регулирования различно. Возможно, прежде всего, последовательное включение корректирующего устройства в прямую цепь системы (рис. 5.11,а). В этом случае оно называется последовательным корректирующим устройством. Его передаточную функцию будем обозначать W _k1 .
Последовательное корректирующее устройство включают непосредственно после датчика рассогласования или же после предварительного усилителя. Второй вариант включения используют чаще. Ведь уровень сигнала рассогласования обычно весьма мал и корректирующее устройство снижает чаще всего уровень сигнала. Поэтому при первом варианте включения последовательного корректирующего устройства потребуется иметь предварительный усилитель значительно более высокой чувствительности, чем при втором варианте.

Применение последовательных корректирующих устройств наиболее удобно в системах, у которых сигнал управления представляет собой напряжение постоянного тока. В этих случаях корректирующее устройство выполняют обычно из пассивных электрических четырехполюсников (см. § 5.6) , обеспечивающих разнообразное преобразование сигнала. Еще большие возможности дают активные электрические четырехполюсники постоянного тока.
В системах, у которых сигналом управления является модулированное напряжение переменного тока, последовательные корректирующие устройства менее удобны по следующей причине. Электрические четырехполюсники переменного тока имеют существенные недостатки (см.§ 5.6) и применяются редко. Для использования же пассивных четырехполюсников постоянного тока оказываются необходимыми дополнительные элементы (рис. 5.12) . Модулированный сигнал переменного тока сначала выпрямляется фазочувствительным демодулятором ФД и затем фильтром Ф отфильтровываются высшие гармоники. Только после этого осуществляется соответствующее преобразование сигнала четырехполюсником постоянного тока (ЧПТ) . Преобразованный сигнал постоянного тока вновь превращается модулятором М в модулированный сигнал переменного тока, если это необходимо для действия последующих элементов системы.

Другое, широко распространенное включение корректирующего устройства показано на рис. 5.11,б. В данном случае корректирующее устройство является обратной связью, чаще всего отрицательной, которая охватывает один из элементов прямой цепи системы. Этим элементом обычно является исполнительный элемент или выходной каскад усилителя (усилитель мощности) . Такое корректирующее устройство называют параллельным, его передаточную функцию будем обозначать W _k2 .
Передаточная функция участка цепи с параллельным корректирующим устройством

Обычно в достаточно широком и существенном для качества системы диапазоне частот справедливо неравенство

Тогда в этом диапазоне частот

W 2 ' (j w ) 1/W k2 (j w)

(5.19)

Таким образом, при удовлетворении неравенства (5.18) свойства участка цепи с параллельным корректирующим устройством определяются только лишь свойствами этого корректирующего устройства.
Указанное обстоятельство является большим достоинством параллельного корректирующего устройства. При удовлетворении неравенства (5.18) свойства участка W ₂ прямой цепи, охваченного параллельным корректирующим устройством, и их изменения в процессе действия системы не влияют на ее свойства. Несущественные нелинейности этого участка и изменения его параметров (коэффициентов передаточной функции W ₂ ) не сказываются на динамических свойствах системы. Это справедливо только при неизменных параметрах самого параллельного корректирующего устройства.
Достоинство данного корректирующего устройства также в том" что его вход подключен к выходу исполнительного элемента или усилителя мощности, т.е. к выходу мощного элемента с высоким уровнем сигнала. Поэтому в качестве параллельных корректирующих устройств могут быть использованы даже достаточно мощные элементы. Но широко используют и пассивные четырехполюсники постоянного тока. Тогда весьма просто обеспечить сложное преобразование сигнала участком цепи с параллельным корректирующим устройством.
Применяют и третий вариант включения корректирующего устройства в систему - параллельно одному из участков ее прямой цепи (рис. 5.11,в) . Включенное таким образом корректирующее устройство будем называть прямым параллельным и его передаточную функцию будем обозначать W _кз .
Иногда прямое параллельное корректирующее устройство оказывается весьма удобным - при меньшей сложности обеспечивает нужное преобразование сигнала управления.

Пусть, например, W _З =k _З ; W _кз =-k _кз / (Ts+1) . Тогда передаточная функция участка цепи с прямым параллельным корректирующим устройством

W _З '=W _З +W _кз =k _кз / (T _З 's+1) (Ts+1)

где k _З '=k _З -k _кз ;T _З '=k _З T/ (k _З -k _кз )

.
Следовательно, при малой разности k _З -k _кз получается реальное форсирующее звено с большой постоянной времени дифференцирования. Уменьшение передаточного коэффициента этого участка прямой цепи системы должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением передаточного коэффициента усилителя.
Выбирают (синтезируют) корректирующее устройство на основании некоторого комплекса требований к свойствам системы (см. §5.8 -5.10) . Сначала определяют необходимое значение передаточной функции W _k1 последовательного корректирующего устройства. Затем выясняют, при каком значении передаточной функции W _k2 параллельного корректирующего устройства и при каком значении передаточной функции W _k3 прямого параллельного корректирующего устройства будет получен тот же эффект. Затем уже можно решать, какое корректирующее устройство целесообразнее создавать. Составим формулы для такого расчета.
По каждой из структурных схем (рис. 5.11) составим выражение передаточной функции разомкнутой цепи и приравняем эти выражения друг другу. Получаем

где W=W ₁ W ₂ W ₃

Из (5.20) определяют формулы перехода от одного вида корректирующего устройства к другому:

W _k1 =1/ (1+W ₂ W _k2 ) =1+W _k3 /W ₃ ;

W _k3 =W ₃ (W _k1 -1) =-W ₃ W ₂ W _k2 / (1+W ₂ W _k2 ) .

Если значение передаточной функции > W _k2 оказывается отрицательным, то параллельное корректирующее устройство должно включаться в виде положительной обратной связи. При отрицательном значении передаточной функции > W _k3 выходной сигнал прямого параллельного корректирующего устройства должен вычитаться из выходного сигнала участка > W ₃ .
В настоящее время корректирующие устройства являются основным способом повышения качества линейных непрерывных систем регулирования по отклонению. Иногда в системе одновременно используют два корректирующих устройства: последовательное и параллельное, или параллельное и прямое параллельное. Таким образом, функции, которые должны выполнять корректирующее устройство, распределяются между двумя корректирующими устройствами. Они могут быть выполнены из более простых элементов. Составим формулы для замены последовательного корректирующего устройства двумя: последовательным и параллельным, такой вариант наиболее вероятен.

Итак, пусть определена передаточная функция W _k1 последовательного корректирующего устройства (рис. 5.11,а) , при которой система будет иметь необходимые динамические свойства. Однако из-за сложности W _k1 решено создать в системе два корректирующих устройства - последовательное и параллельное (рис. 5.13) . Определяем передаточные функции разомкнутой цепи каждой из этих систем и приравниваем их друг другу

Из этого равенства следует, что

Можно выбрать передаточную функцию W _k2 ' параллельного корректирующего устройства и по первому из равенств (5.23) определить необходимое значение W _k1 ' передаточной функции последовательного корректирующего устройства. Или же выбрать передаточную функцию W _k1 ' последовательного корректирующего устройства и тогда второе из равенств (5.23) определит необходимое значение W _k2 ' передаточной функции параллельного корректирующего устройства.

Аналогично можно составить формулы для замены последовательного корректирующего устройства последовательным и прямым параллельным или же параллельным и прямым параллельным.