Ответы на экзаменационные вопросы № 36-39 дисциплины "Теория машин и механизмов" (Разбег машины с учетом динамической характеристики двигателя. Замкнутые системы управления с обратными связями), страница 6

                                                                         (9.33)

при любом , если ; если же , то неравенство (9.33) выполняется при

.                                                                   (9.34)

Вторые слагаемые удовлетворяют неравенству

,                                                                                                 (9.35)

если

.                                                                                     (9.36)

Таким образом, при достаточно больших значениях  и , удовлетворяющих условиям (9.34) и (9.36), выполняются оба неравенства, (9.33) и (9.35), а при этом модуль числителя в (9.32) наверняка будет меньше модуля знаменателя, то есть будет выполняться условие эффективности управления ().  Более того, при дальнейшем увеличении коэффициента усиления величина  будет монотонно убывать, стремясь к нулю; при этом будет стремиться к нулю величина амплитуды динамической ошибки по скорости.

Условия устойчивости замкнутой системы. Казалось бы, увеличивая коэффициенты усиления системы обратной связи, можно обеспечить сколь угодно высокую точность выполнения программного движения. В действительности возможности повышения точности ограничены рядом причин, главной из которых является необходимость обеспечения устойчивости замкнутой системы. Для исследования устойчивости рассматриваемой системы обратимся к уравнению (9.27). Для асимптотической устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы характеристическое уравнение

.                                               (9.37)

имело все корни с отрицательными вещественными частями. Для этого все коэффициенты этого уравнения должны быть положительными, что выполняется, если ; , а также должно выполняться условие Гурвица для уравнения третьей степени, которое в рассматриваемом случае принимает форму

.     (9.38)

Обозначив ; , приводим условие (9.38) к виду

.

На рис. 9.4 представлены области устойчивости системы на плоскости параметров , , соответствующие различным величинам . Чем больше постоянная времени двигателя , тем меньше область допустимых значений  и , а следовательно, и коэффициентов усиления  и .

Таким образом, увеличение коэффициентов усиления системы обратной связи может приводить к неустойчивости замкнутой системы. Отрицательная обратная связь, которая по принципу действия должна была бы вызывать уменьшение динамической ошибки, в действительности оказывается причиной ее неограниченного увеличения. Не прибегая к подробному описанию всех процессов, возникающих в замкнутой системе, отметим только, что по существу неустойчивость вызывается инерционностью двигателя, характеристикой которой является его постоянная времени . Эта инерционность приводит к смещению по фазе колебательного момента двигателя по отношению к той колебательной компоненте переходного процесса, которую он должен демпфировать. В результате момент двигателя, возбужденный сигналом обратной связи, вместо демпфирующего становится раскачивающим. Чем больше величина , тем сильнее сказывается это обстоятельство.

Следует отметить, что инерционностью обладают и другие элементы системы управления. Так, например, сигнал на входе регулятора  связан с динамической ошибкой  более сложной зависимостью, чем та, что описана выражением (9.25). В первом приближении динамические процессы, происходящие в  регуляторе, описываются уравнением вида

,                                                                                            (9.39)

где  – постоянная времени регулятора. Обычно «запаздывание» в регуляторе мало (), так что при малых коэффициентах усиления им можно пренебречь. Однако с увеличением  и  влияние малой постоянной  на устойчивость системы становится существенным.

Вообще, чем больше коэффициенты усиления цепи обратной связи, тем более точной должна быть динамическая модель системы. В частности, это относится к учету упругости звеньев механической системы. Этот учет становится необходимым в системах управления движением прецизионных машин, в которых программные движения  должны выполняться с высокой точностью.