Ошибка управления сау

---

The deviation of the output of control system from desired response during steady state is known as steady state error. It is represented as $e_{ss}$. We can find steady state error using the final value theorem as follows.

$$e_{ss}=lim_{t to infty}e(t)=lim_{s to 0}sE(s)$$

Where,

E(s) is the Laplace transform of the error signal, $e(t)$

Let us discuss how to find steady state errors for unity feedback and non-unity feedback control systems one by one.

Steady State Errors for Unity Feedback Systems

Consider the following block diagram of closed loop control system, which is having unity negative feedback.

Where,

• R(s) is the Laplace transform of the reference Input signal $r(t)$
• C(s) is the Laplace transform of the output signal $c(t)$

We know the transfer function of the unity negative feedback closed loop control system as

$$frac{C(s)}{R(s)}=frac{G(s)}{1+G(s)}$$

$$Rightarrow C(s)=frac{R(s)G(s)}{1+G(s)}$$

The output of the summing point is —

$$E(s)=R(s)-C(s)$$

Substitute $C(s)$ value in the above equation.

$$E(s)=R(s)-frac{R(s)G(s)}{1+G(s)}$$

$$Rightarrow E(s)=frac{R(s)+R(s)G(s)-R(s)G(s)}{1+G(s)}$$

$$Rightarrow E(s)=frac{R(s)}{1+G(s)}$$

Substitute $E(s)$ value in the steady state error formula

$$e_{ss}=lim_{s to 0} frac{sR(s)}{1+G(s)}$$

The following table shows the steady state errors and the error constants for standard input signals like unit step, unit ramp & unit parabolic signals.

Input signal	Steady state error $e_{ss}$	Error constant
unit step signal	$frac{1}{1+k_p}$	$K_p=lim_{s to 0}G(s)$
unit ramp signal	$frac{1}{K_v}$	$K_v=lim_{s to 0}sG(s)$
unit parabolic signal	$frac{1}{K_a}$	$K_a=lim_{s to 0}s^2G(s)$

Where, $K_p$, $K_v$ and $K_a$ are position error constant, velocity error constant and acceleration error constant respectively.

Note − If any of the above input signals has the amplitude other than unity, then multiply corresponding steady state error with that amplitude.

Note − We can’t define the steady state error for the unit impulse signal because, it exists only at origin. So, we can’t compare the impulse response with the unit impulse input as t denotes infinity.

Example

Let us find the steady state error for an input signal $r(t)=left( 5+2t+frac{t^2}{2} right )u(t)$ of unity negative
feedback control system with $G(s)=frac{5(s+4)}{s^2(s+1)(s+20)}$

The given input signal is a combination of three signals step, ramp and parabolic. The following table shows the error constants and steady state error values for these three signals.

Input signal	Error constant	Steady state error
$r_1(t)=5u(t)$	$K_p=lim_{s to 0}G(s)=infty$	$e_{ss1}=frac{5}{1+k_p}=0$
$r_2(t)=2tu(t)$	$K_v=lim_{s to 0}sG(s)=infty$	$e_{ss2}=frac{2}{K_v}=0$
$r_3(t)=frac{t^2}{2}u(t)$	$K_a=lim_{s to 0}s^2G(s)=1$	$e_{ss3}=frac{1}{k_a}=1$

We will get the overall steady state error, by adding the above three steady state errors.

$$e_{ss}=e_{ss1}+e_{ss2}+e_{ss3}$$

$$Rightarrow e_{ss}=0+0+1=1$$

Therefore, we got the steady state error $e_{ss}$ as 1 for this example.

Steady State Errors for Non-Unity Feedback Systems

Consider the following block diagram of closed loop control system, which is having nonunity negative feedback.

We can find the steady state errors only for the unity feedback systems. So, we have to convert the non-unity feedback system into unity feedback system. For this, include one unity positive feedback path and one unity negative feedback path in the above block diagram. The new block diagram looks like as shown below.

Simplify the above block diagram by keeping the unity negative feedback as it is. The following is the simplified block diagram.

This block diagram resembles the block diagram of the unity negative feedback closed loop control system. Here, the single block is having the transfer function $frac{G(s)}{1+G(s)H(s)-G(s)}$ instead of $G(s)$. You can now calculate the steady state errors by using steady state error formula given for the unity negative feedback systems.

Note − It is meaningless to find the steady state errors for unstable closed loop systems. So, we have to calculate the steady state errors only for closed loop stable systems. This means we need to check whether the control system is stable or not before finding the steady state errors. In the next chapter, we will discuss the concepts-related stability.

1. Точность САУ

2. План

1 Общие положения
2 Понятие о типовых режимах САУ
3 Теорема о предельном значении оригинала и
методика определения установившихся
ошибок
4 Ошибки статических и астатических САУ в
типовых режимах
5 Ошибки САУ при произвольных входных
сигналах (коэффициенты ошибок)
6 Методы повышения точности САУ

3. 1 Общие положения

Точность является важнейшим критерием
качества систем. В настоящее время
практически все многочисленные
элементы любых технических систем
изготавливаются автоматически т.е. с
помощью САУ. Таким образом точность
САУ определяет качество продукции,
товаров, их надежность,
энергопотребление, долговечность и т.д.
и т.п.

4. 2 Понятие о типовых режимах САУ

Точность САУ принято оценивать по величине
ошибок в типовых режимах. Типовыми
называются режимы просто описываемые
математически и имеющие четкий
физический смысл. К ним относятся:
— режим покоя, когда х(t)=const;
— режим линейно-нарастающих сигналов, когда
х(t)=a*t, где а=const;
— режим гармонических входных сигналов,
когда х(t)=A*sinωt.

5.

ε
Итак, нам необходимо вычислить
установившуюся ошибку ε(t) при t→∞,
при типовых режимах и по ней можно
будет судить о точности САУ.

6. 3 Теорема о предельном значении оригинала и методика определения установившихся ошибок

Сформулируем для этого теорему о
предельном значении оригинала:
limX(t)=limX(s),
t→ ∞
s→ 0
т.е. предел оригинала при t→∞ равен
пределу изображения по Лапласу при
s→0.

7.

Передаточная функция САУ по ошибке:
( s)
1
F (s)
x( s ) 1 w p ( s )
Итак, чтобы определить установившуюся (при t→ ∞)
ошибку САУ нужно:
— Найти x(s) зная x(t)
— Определить Fε(s)
— Найти ε(s)= X(s) * Fε (s)
— Определить εуст= lim ε(s)
S→0

8. 4 Ошибки статических и астатических САУ в типовых режимах

Рассмотрим ошибки САУ в типовых режимах:
1. Ошибка САУ в покое (статическая ошибка)
X(t)=X0=const X(s)=X0
K
Пусть W p ( s )
— статическая
(T1S 1)(T2 S 1)
САУ, поскольку в знаменателе нет
множителя S, т.е. интегрирующего элемента
в системе

9.

По теореме о предельном значении аргумента
1
ст lim (t ) lim (s) (s) * F (s) (s) *
t
s 0
1 Wp ( s)
Подставляя Wp(s) в (1) получим:
X 0 (T1S 1)(T2 S 1)
X0
ст lim
s 0 (T S 1)(T S 1) K
1 K
1
2
(1)

10.

Статическая ошибка в
статической САУ в
(1+К) раз меньше
входной величины.
y(t)
X0
εст
t

11.

Пусть теперь
— астатическая САУ (есть
интегратор, т.е.
множитель S в знаменателе передаточной
функции)
K
W p ( s)
S (T1S 1)
ст
X 0 *1
X 0 S (TS 1)
lim (s) lim
lim
0
s 0
s 0 1 W ( s )
s 0 K S (TS 1)
p

12.

Таким образом,
статическая ошибка
в астатической САУ
равна 0
y(t)
X0
εст=0
t

13.

2. Второй типовой режим — движение с постоянной
скоростью (скоростная ошибка)
x(t)=at
a=cost
x( s)
a
s
Пусть:
K
W p ( s)
— статическая САУ
(T1S 1)(T2 S 1)
Тогда:
a (T1S 1)(T2 S 1)
(
t
)
lim
t a s 0 s K (T1S 1)(T2 S 1)

14.

x(t)=at
εα→∞
y(t)
α
t
tgα=a
Ошибка в статической
САУ при линейнонарастающем входном
сигнале x(t)=at
возрастает до ∞.
Т.о. статические САУ в
таком режиме не
работоспособны.

15.

Пусть теперь
K
Wp ( s)
S (TS 1)
— астатическая САУ
Тогда
S ( ST 1)
a
a
*
t a ( t ) lims 0(s) lim
s 0 s
K S (TS 1) K

16.

a
a
K
x(t)
y(t)
t
Т.о. в астатических
САУ при x(t)=at
a=const
устанавливается
ошибка в “К” раз
меньше чем “a”, т.е.
они работоспособны
в таких режимах.

17. 3. Третий режим — гармонических входных сигналов.

Пусть x(t)=xmsinωkt
xm,ωk – амплитуда и
частота “качки”.
x(s)
ε(s)
Wp(S)
y(s)

18. Определим амплитуду εm ошибки САУ в этом режиме.

Для этого найдем:
1
( s)
F ( s)
1 W p ( s ) x( s )
— ПФ САУ по ошибке
Подставим S=jωk
X ( j k )
( j k )
1 Wp ( j k )
(1)

19. Выражение (1) справедливо и для амплитуд, т.е.

m
xm
Xm
1 W p ( j k ) W p ( j k )
Откуда следует:
W p ( j k )
Ак
20 lg
xm
xm
(2)
m
Прологарифмируем (2):
L(ω)
m
ω
ω=ωk
Ак – контрольная точка
20 lg W p ( j k ) 20 lg
xm
m
(3)

20.

Из (3) следует, что САУ будет иметь амплитуду
ошибки не более допустимой εдоп, если
20 lg W p ( j k ) L( k ) 20 lg
xm
доп

21. Т.о. чтобы ошибка САУ в гармоническом режиме не превышала допустимой εдоп необходимо:

1. Определить положение контрольной точки
Ак с координатами:
xm
ω=ωк и 20 lg
доп
2. Обеспечить прохождение L(ω) выше
контрольной точки Ак

22. 5 Ошибки САУ при произвольных входных сигналах (коэффициенты ошибок)

Пусть на вход САУ действует сигнал x(t)
произвольной формы. Чтобы определить
ошибку ε(t) в этом случае найдем вначале ее
изображение.
x(s)
ε(s)
Wp(S)
y(s)

23.

( s)
Поскольку:
1
F ( s)
x( s ) 1 W p ( s )
(1)
То:
x( s )
( s)
1 Wp ( s)
(2)
Разложим далее Fε(s) по возрастающим
степеням S в ряд, тогда (2) можно записать в
виде:
C2 2 C3 3
( s ) C0 C1S S S x( s )
2!
3!
(3)

24.

При нулевых начальных условиях
S p
d
dt
и переходя в (3) к оригиналам можно записать
2
dx(t ) C2 d x(t )
(t ) C0 x(t ) C1 *
*
2
dt 2! dt
Величины С0, С1, С2 … называются
коэффициентами ошибок САУ.
(4)

25. Чтобы определить ошибку САУ при произвольной форме входного сигнала x(t) необходимо:

1. Определить передаточную функцию
САУ по ошибке Fε(s);
2. Разложить в ряд Fε(s) путем деления
ее числителя на знаменатель и найти
коэффициенты С0, С1, С2 …;
3. Подставить коэффициенты ошибок в
(4) и найти установившуюся ошибку
ε(t).

26. Пример

Найти ошибку в САУ при:
Если:
bt 2
x(t ) x0 at
2
K
W p (s)
S (T1S 1)(T2 S 1)

27. Решение:

1.Найдем
1
F (s)
1 Wp ( s)
1
S (T1S 1)(T2 S 1)
T1T2 S 3 (T1 T2 ) S 2 S
F ( s)
1 W p ( s) K S (T1S 1)(T2 S 1) T1T2 S 3 (T1 T2 ) S 2 S K

28. 2. Разложим (1) в степенной ряд путем деления числителя на знаменатель

S (T1 T2 ) S T1T2 S
2
—
—
3
1
1
S S 2 * (T1 T2 ) S 3 …
K
K
1 2
T T 3
T1 T2 S T1T2 1 2 S …
K
K
1 2
T1 T2 S …
K
K S (T1 T2 )S 2 T1T2 S 3
1 2
1 1
S * T1 T2 S
K
K K

29.

Ограничимся первыми тремя членами
ряда, т.к. входной сигнал X(t) имеет
лишь три не нулевых первых
производных.

30.

3. Итак:
1
1 2
T1T2
F ( s ) S
2 S
K
K
K
(5)
Сопоставляя (5) и (4) имеем коэффициенты
ошибок:
T1T2
1
1
С0=0
C2 2
2 (6)
C1
K
K
K

31.

4. Определим далее производные от X(t):
bt 2
x(t ) x0 at
2
dx(t )
a bt
dt
d 2 x(t )
b
dt
(7)

32.

5. Подставляя коэффициенты С0, С1, С2… и
производные (7) в (4) получим:
1
1
T1T2
(t ) * (a bt )
2 *b
K
K
K
Т.е. ошибка с течением времени будет
нарастать до ∞ из-за члена “bt”.

33. 6 Методы повышения точности САУ

Анализируя выражения для
коэффициентов ошибок отметим, что:
1. Все коэффициенты обратнопропорциональны коэффициенту К –
усиления системы;
2. Чем выше порядок астатизма “v” тем
большее количество первых
коэффициентов ошибок равны 0

34. ВНИМАНИЕ

Порядок астатизма “v” определяется числом
интегрирующих звеньев в контуре системы.
Формально “v” равно показателю степени
множителя S в знаменателе передаточной
функции wp.
N ( s)
wp v
S M ( s)

35. 1. Первый способ повышения точности САУ – увеличение К

Т.о. самым универсальным способом
повышения точности САУ являются
увеличение коэффициента К усиления
системы. При этом все коэффициенты
ошибок уменьшаются, а это означает, что
система во всех режимах работы будет иметь
меньшие ошибки. Однако этот способ
снижает запасы устойчивости системы и рано
или поздно приводит к полной потере
устойчивости. Это можно показать на
примере критерия Найквиста.

36.

Im
K2>K1
К1
К2
-1;j0
wp(jω)
Re

37. 2. Способ повышения точности САУ – путем увеличения астатизма “v”

Этот способ исключает первые коэффициенты в
ряду ошибок. Действительно:
v=0 (статическая САУ)
Все коэффициенты не
равны 0, т.е. с0≠0 с1≠0
с2≠0 …, т.е. статическая
система в любых
режимах работы, в т.ч. и
в покое будет иметь
ошибки

38.

v=1 (астатическая САУ
с астатизмом
первого порядка)
с0=0 с1≠0 с2≠0 …, т.е.
такая система не
будет иметь ошибки
в режиме покоя.
v=2 (астатическая САУ
с астатизмом
второго порядка)
с0=0 с1=0 с2≠0 с3≠0 …,
такая система не
будет иметь ошибок
не только в режиме
покоя, но и при
линейнонарастающем
сигнале

39.

К сожалению, этот способ также снижает
запасы устойчивости САУ. Действительно:
Im
v=2
Re
-1;j0
v=0
v=1
По критерию Найквиста системы при v=0, v=1
могут быть как устойчивыми так и не
устойчивыми, но при v=2 они становятся не
устойчивыми при любых коэффициентах К.

40. 3. Повышение точности САУ с использованием принципов комбинированного управления.

Принцип комбинированного управления
состоит в том, что в дополнение к принципу
обратной связи реализуется принцип
управления по возмущению. V(t)
Измеритель
x(t)
y(t)
Регулятор
Объект

41.

Здесь сочетается (комбинируются) оба
названных принципа:
— Управление по возмущению (за счет
измерения возмущения v(t) и выработки
дополнительного управляющего сигнала
компенсирующего действия возмущения);
— Управление по отклонению или принцип
обратной связи реализуется за счет главной
отрицательной обратной связи и сигнала
рассогласования и регулятора.

42.

Рассмотрим следящую систему с
комбинированным управлением и найдем
передаточную функцию обычной системы
эквивалентной по точности.
W3(S)
y(s)
x(s)
W1(s)
W2(S)
≡
Wэ(S)

43.

Для этого приравняем их передаточные функции.
wэ (s)
y(s) w1 (s)w2 (s)
w2 (s)
F (s)
w3 (s)
x(s) 1 w1 (s)w2 (s)
1 w1 (s)w2 (s) 1 wэ (s)
(1)

44.

Из (1) после некоторых преобразований можно
получить:
w1 ( s) w3 ( s)
wэ ( s) w2 ( s) *
1 w3 ( s) w2 ( s)
(2)
Как видно из последнего выражения, при:
1
w3 ( s )
w2 ( s )
wэ(s)=∞
Условие (3) называется условием полной
инвариантности.
(3)

45.

Это означает, что ошибка рассматриваемой
комбинированной следящей системы будет
равна 0 в любых режимах работы поскольку:
( s)
1
F ( s )
0
x( s ) 1 wэ ( s )

46.

Достоинство принципа комбинированного
управления в том, что он не изменяет
(не ухудшает) устойчивости и качества
переходных процессов. Однако,
реализовать точно условие полной
инвариантности практически
невозможно.

47. ПРИМЕР

Пусть:
K
w2 ( s)
S (T1S 1)(T2 S 1)
Найдем:
1
S (T1S 1)(T2 S 1) 1
T1 T2 2 T1T2 3
w3 ( s)
S
S
S
w2 ( s)
K
K
K
K

48.

Структурная схема такой комбинированной
следящей системы имеет вид:
III
II
I
T1T2
S3
K
T1 T2 2
S
K
1
S
K
x(s)
w1(s)
K
S (T1S 1)(T2 S 1)
y(s)

49.

Итак, чтобы точно реализовать условие полной
инвариантности в нашем примере необходимо:
• реализовать канал I (тахогенератор)
• реализовать канал II (это 2-ая производная от угла)
• реализовать канал III (это 3-ая производная от угла)
Точно это сделать практически нельзя. Кроме того, в
реальных САУ имеется множество нелинейностей,
которые мы не учитывали при выводе условия
полной инвариантности.
Поэтому часто используют частично-инвариантные
САУ, т.е. САУ не имеющие ошибок лишь в некоторых
режимах.