Клиначев Н.В. Предмет ТАУ. Методические указания к выполнению лабораторных работ - файл n1.html

Клиначев Н.В. Предмет ТАУ. Методические указания к выполнению лабораторных работ
скачать (285.4 kb.)
Доступные файлы (94):
n1.html77kb.22.06.2002 11:21скачать
n2.html29kb.22.06.2002 11:50скачать
2ou+kor.ca4
n4.vsm
n5.vsm
n6.vsm
n7.vsm
D_4_K&T.VSM
ERR_AST1.VSM
ERR_AST2.VSM
ERR_AST3.VSM
E^(-PT).VSM
E^(-PT)1.VSM
E^(-PT)2.VSM
E^(-PT)3.VSM
E^(-PT)4.VSM
FIL_RESP.VSM
n18.gif7kb.25.08.2000 21:45скачать
n19.gif5kb.25.08.2000 21:51скачать
knv_elec.gif3kb.20.03.2000 23:43скачать
knv_elec1.gif2kb.29.12.1999 21:13скачать
knv_tau.gif2kb.18.03.2000 20:42скачать
n23.gif4kb.16.12.2000 17:09скачать
n24.gif5kb.16.12.2000 17:10скачать
tit_ru.gif5kb.12.02.2000 10:03скачать
n26.gif1kb.08.05.2000 20:46скачать
n27.vsm
n28.vsm
n29.vsm
n30.vsm
n31.vsm
KOR_OOC.VSM
KOR_OOC1.VSM
KOR_OOC2.VSM
n35.vsm
n36.vsm
n37.vsm
n38.txt46kb.01.11.1995 22:20скачать
NON_1OOC.VSM
n40.vsm
n41.vsm
n42.vsm
n43.vsm
OUHIK&F1.VSM
n45.vsm
n46.vsm
n47.vsm
PWM_EX.VSM
P_DERIVA.VSM
P_D_AST.VSM
n51.vsm
RMS_EX.VSM
n53.vsm
n54.vsm
n55.vsm
n56.vsm
n57.vsm
n58.vsm
n59.vsm
adc_dsigm.vsm
array_dz.js
dz_00.gif6kb.08.03.2001 17:47скачать
dz_cr.gif10kb.11.03.2001 01:26скачать
dz_fr.gif10kb.08.03.2001 15:52скачать
dz_ht.gif6kb.09.03.2001 20:24скачать
err_s^-1.vsm
n146.gif6kb.16.02.2000 22:32скачать
n147.js
n148.html2kb.08.03.2001 17:27скачать
n149.html7kb.13.04.2001 08:35скачать
k((1+tp)(1+tp))^-1.ca4
k(1+2etp+(tp)^2)^-1.ca4
k(p^-1).ca4
kor_2_ou.ca4
kor_c_in.ca4
kor_cout.ca4
kor_derv.ca4
kor_ou3.ca4
n159.ca4
md_ed_mm.bmp
msg_0.html2kb.10.03.2001 01:31скачать
msg_1.html2kb.10.03.2001 01:32скачать
msg_2.html2kb.10.03.2001 01:32скачать
msg_3.html2kb.10.03.2001 01:32скачать
msg_4.html2kb.10.03.2001 01:32скачать
msg_5.html2kb.10.03.2001 01:32скачать
n167.bmp
ou2+1.ca4
n169.ca4
pid_reg.bmp
r1_r2.bmp
n172.bmp
n173.ca4
z_sin.vsm

n1.html


южно-уральский государственный университет

кафедра Электротехника

 

Методические указания
к выполнению лабораторных работ

 

ПРЕДМЕТ
ТАУ

 
интернет- коллоквиум тесты по электротехнике и электрическим машинам
Клиначёв Н.В.
klinаchеrv_nv@mаil.ru

Челябинск 2000

СОДЕРЖАНИЕ
ЧАСТЬ 1

1. Знакомство с моделирующим ПО
2. Типовые динамические звенья
3. Принципы и законы регули-вания
4. Анализ устойчивости САР
5. Оценка качества регулирования
6. Повышение точности САР
7. Коррекция САР
8. Синтез САР

[Коллоквиум]

[ЧАСТЬ 2] [Предисловие] [Форум]
[Инструкции] [Литература]
[Требуемое ПО] [О VisSim-e]
[Примеры для самост. изучения]

Данное руководство является собственностью автора Клиначева Николая Васильевича и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия автора запрещается


ПРЕДИСЛОВИЕ
к содержанию

Лабораторные работы, приведенные в данном руководстве, предназначены для студентов электротехнических специальностей, изучающих курсы: теория автоматического управления (ТАУ), моделирование систем управления и им подобных. Лабораторные исследования проводятся на персональных ЭВМ с применением моделирующих пакетов VisSim и Electronics Workbench. При разработке лабораторного практикума преследовалась цель заменить процесс решения дифференциальных уравнений движения моделированием и уделить максимум внимания постановке задач теории управления и интерпретации результатов. Вся совокупность учебных моделей разбита на две группы. Ядром являются модели, для пакета VisSim, которые не отражают особенности конкретных систем, поскольку являются чисто математическими, т.е. построены на основе задания структурных схем и передаточных функций. Эта совокупность моделей может быть использована для любой специальности вплоть до нетехнических. Вторая группа моделей для пакета Electronics Workbench разработана для студентов электротехнических специальностей и отражает особенности технической реализации систем управления на основе электронных устройств - операционных усилителей (ОУ). Совокупность работ закрывает потребность в лабораторном практикуме по обыкновенным линейным системам автоматического регулирования и рассчитана на выполнение в течение одного семестра.


ИНСТРУКЦИИ
к содержанию

Данный документ - tau1.html - является связывающим звеном при выполнении всего комплекса лабораторных работ. Далее по тексту описаны лабораторные работы и в каждой имеются ссылки на рабочие файлы. Для большей оперативности работы необходимо, чтобы ваша операционная система распознавала расширения рабочих файлов (*.vsm и *.ca4), и автоматически "запускала их из этого документа". У вас должны быть установлены соответствующие программные пакеты: VisSim 3.0 (Бесплатная Академическая Программа) и Electronics Workbench 4.1. В дальнейшем планируется добавить этот файл системой автоматического, контрольного опроса студентов. Рекомендуется не пользоваться данным руководством в режиме OnLine. Возьмите текущий архив (177 kB), и периодически проверяйте его обновление (http://vissim.nm.ru). В OnLine режиме модели, т.е. рабочие файлы недоступны, все они есть в архиве.


Лабораторная работа 1
ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПАКЕТОВ
к содержанию

Рабочие файлы: [csd_new.scm] [rlc.vsm] [rlc.ca4]

1. Цель работы

Приобретение навыков работы с моделирующими программными пакетам VisSim и Electronics Workbench. Ознакомление с главными этапами моделирования. Определение общих методов представления результатов. Выяснение сути задания параметров моделирования и начальных условий состояния системы.

2. Содержание работы

2.1. Выяснить порядок запуска используемых программных пакетов VisSim и Electronics Workbench.
2.2. Просмотреть демонстрацию работы программы VisSim (файл csd_new.scm - control system design demo). Выявить а) назначение программы, б) основные этапы работы с программой.
2.3. Запустить программу VisSim. Ознакомиться с содержанием меню. Загрузить файл rlc.vsm с моделью "RLC"-цепи и изучить модель. Записать уравнение модели. Определить параметры моделируемых элементов и начальные условия в схеме. Изменить начальные условия и параметры модели по собственному усмотрению.
2.4. Запустить программу Electronics Workbench. Ознакомиться с содержанием меню. Составить "RLC"-цепь получить переходный процесс подобный полученному в пакете VisSim.
2.5. По вариантам (см. табл.) спроектировать модели источников периодического сигнала в пакете VisSim. Измерить и при необходимости компенсировать постоянную составляющую в сигнале. Использовать блок "plot" для осциллографирования.
Вариант
Форма сигнала
Частота, кГц Амплитуда, ед.
1 Прямоугольный скважность 1:2 10 10
2 Треугольный 20 20
3 Линейно нарастающий 30 30
4 Нарастающий по параболе 40 40
5 Модуль синусоиды 50 50

3. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

3.1. Кратко описать принципы функционирования программных пакетов VisSim и Electronics Workbench.
3.2. Привести распечатки, подтверждающие выполнение всех пунктов экспериментальной части и текстовые пояснения к ним. Для модели "RLC"-цепи записать уравнение, подставить в него параметры элементов и начальные условия, а также полностью охарактеризовать переходный процесс.
3.3. Для измерения постоянной составляющей (см. пп. 2.5) следует составить блок-схему соответствующую магнитоэлектрическому измерительному механизму, который реагирует на среднее значение. Главный блок в модели измерительного преобразователя - интегратор.
3.4. Выводы.


Лабораторная работа 2
ТИПОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ
к содержанию

Рабочие файлы: [zvenya.vsm] [k((1+tp)(1+tp))^-1.ca4] [k(1+2etp+(tp)^2)^-1.ca4] [k(p^-1).ca4] [kp.ca4]

1. Цель работы

Исследование взаимосвязей между параметрами типовых динамических звеньев и их характеристиками. Идентификация реальных технических устройств - схем на операционных усилителях с типовыми звеньями (т.е. с математическим описанием). Приобретение навыков использования типовых возмущающих воздействий и инструментов частотного анализа для исследования систем.

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Составить уравнения и вывести передаточные функции W(p) для всех блоков файла zvenya.vsm. Сравнить полученные передаточные функции с типовыми, идентифицировать блоки по названиям.

3. Содержание работы

3.1. В программе VisSim ознакомиться с моделями единичной ступенчатой функции - 1(t) и дельта-функции - 1'(t) (файл zvenya.vsm). Выявить положенные допущения (неидеальности) в моделях.
3.2. В программе VisSim (файл zvenya.vsm) выполнить исследование типовых динамических звеньев (см. п. "Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета"). По ходу работы необходимо изменить постоянные времени, коэффициенты затухания и усиления по своему усмотрению. Убедится, что дифференцирование переходной функции звена - h(t) дает его функцию веса - w(t); и наоборот, интегрирование функции веса звена - w(t) дает его переходную функцию - h(t).
3.3. Выполнить измерения виртуальными приборами (анализатор, осциллограф) в схемах на операционных усилителях (файлы *.ca4 для программы Electronics Workbench) с целью идентификации моделей с типовыми динамическими звеньями. Настроить схемы по совпадению вида ЛАЧХ & ЛФЧХ, а так же реакций подобных переходной функции и функции веса. Допустимо несовпадение только коэффициентов усиления.
3.4. Подавая на вход типовых динамических звеньев синусоидальный сигнал, убедиться, что изменение коэффициента усиления вне полосы пропускания за одну декаду составляет либо 20 дб (10 раз), либо 40 дб (100 раз).

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Привести названия и графики использованных типовых возмущающих воздействий. Описать изменения в реакции типовых звеньев на варьирование параметров воздействий.
4.2. Для каждого звена привести: а) название звена; б) структурную схему (подписав входную величину, выходную, сигнал ошибки и обратной связи); в) вывод передаточной функции (подставить коэффициенты усиления и постоянные времени; проверить соответствие с линеаризованной передаточной функцией, которую рассчитывает программа VisSim (Analyze, Transfer Function Info); записать координаты корней и полюсов функции); г) список параметров с описанием характера влияния (на ЛАЧХ & ЛФЧХ, переходные процессы, ...);  д) переходную функцию; е) функцию веса; ж) ЛАЧХ & ЛФЧХ (определить достигает ли фаза значения -180 градусов в диапазоне частот и если да, то имеет ли звено на данной частоте коэффициент усиления больший единицы); з) диаграмму Найквиста (определить охватывает ли АФХ точку (-1, j0); отметить траектории для положительных и отрицательных частот; точки, в которых частота стремится к нулю и к бесконечности); и) корневой годограф (определить имеются ли нулевой, положительные, или чисто мнимые корни; если есть парные корни с мнимой частью, то по мнимой части определить собственную частоту колебаний звена и сравнить с колебаниями переходной функции или функции веса, сделать вывод об устойчивости звеньев).
4.3. Указать на неидеальности, присущие свойствам, которыми обладают реальные дифференцирующие устройства и их компьютерные дискретные модели. Пояснить причину неидеальности в дискретных моделях.
4.4. Кроме осциллограмм, ЛАЧХ & ЛФЧХ подтверждающих результаты настройки схем по пп. 3.3 необходимо привести схемы проведения измерений (включая источники тест-сигналов) и дать пояснения к ним.


Лабораторная работа 3
ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
к содержанию

Рабочие файлы: [open.vsm] [closed.vsm] [pid.ca4]

1. Цель работы

Ознакомление с принципами разомкнутого и замкнутого регулирования. Исследование процессов преобразования сигналов в каналах типового ПИД-регулятора. Изучение свойств непрерывных законов регулирования: пропорционального (П), интегрального (И), изодромного (ПИ) и вариантов с дифференцирующим каналом (ПД, ПИД).

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Составить передаточные функции W(p) для всех блоков структурных схем рабочих файлов.

3. Содержание работы

3.1. Изучить параметры сигнала задания g(t) в файле open.vsm. (определить интервалы, где координата задания постоянна, меняется с постоянной скоростью или с постоянным ускорением).
3.2. Включая каналы типового ПИД-регулятора по очереди, изучить, как формируется сигнал воздействия на объект - u(t) из первичной информации - x(t) (файл open.vsm).
3.3. В файлах open.vsm и closed.vsm коэффициенты усиления регуляторов оптимально настроены для управления объектом в соответствии с принципами Понселе (без ОС) и Ползунова-Уатта (с ОС). По своему усмотрению изменить параметры объекта и вновь настроить регуляторы.
3.4. Оценить степень влияния изменений параметров объекта на ошибку регулирования для обоих вариантов управления. При анализе следует учесть, что статическую составляющую ошибки определяет нестабильность коэффициента усиления объекта, а динамическую - его постоянная времени.
3.5. Изучить реализацию ПИД-регулятора на ОУ (файл pid.ca4).

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Привести общее описание типового ПИД-регулятора (структурная схема, дифференциальное уравнение или передаточная функция, основные параметры).
4.2. Описать принципиальные отличия в формировании сигнала воздействия на объект u(t) каналами типового ПИД-регулятора (сравнительный анализ): а) при малых возмущениях в первичной информации x(t), и при больших; б) при постоянстве входной координаты, при движении её с постоянной скоростью и с постоянным ускорением. Привести поясняющие графические зависимости.
4.3. Привести переходные процессы: а) при оптимальных настройках регуляторов для разных принципов регулирования объектом; б) для тех же случаев, с теми же настройками, но при отклонениях параметров объекта. Дать пояснения.
4.4. Построить два семейства зависимостей приведенной статической погрешности от изменения коэффициента усиления объекта при разных коэффициентах передачи пропорционального канала регулятора. В первом случае - для управления с ОС, во втором - без ОС. Первое семейство погрешностей привести к сигналу задания 1(t), второе - к среднему значению коэффициента усиления для каждой вариации (семейство вырождается в один график). Пояснить результаты.
4.5. Определить для модели ПИД-регулятора на ОУ коэффициенты усиления каждого канала. Для интегрального и дифференциального каналов необходимо указать граничные (сопрягающие) частоты или соответствующие постоянные времени. Нанести значения параметров на ЛАЧХ & ЛФЧХ регулятора. Выявить соответствие между параметрами и элементами схемы. Описать, какие ограничения накладывает частотная характеристика типового ОУ на параметры ПИД-регулятора. Продемонстрировать изменения сдвига фаз сигналов на характерных участках частотных характеристик, используя сигнал синусоидальной формы. При выполнении экспериментов следует учитывать, что данный ПИД-регулятор инвертирует сигнал.


Лабораторная работа 4
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ САР
к содержанию

Рабочие файлы: [mihaylo4.vsm] [d_4_k&t.vsm] [nyquist.vsm] [ou3.vsm] [ou2+1.ca4]

1. Цель работы

Приобретение навыков использования критериев устойчивости Михайлова и Найквиста. Исследование влияний параметров систем на их устойчивость.  Изучение методики применения D-разбиения.

2. Предварительное домашнее задание

2.1. По передаточной функции разомкнутой системы (файл mihaylo4.vsm) записать ее характеристический полином D(p), определить его коэффициенты, выделить мнимую и вещественную составляющие.
2.2. Без применения программных инструментов построить асимптотические ЛАЧХ & ЛФЧХ для передаточных функций:
W(p) = 4 0,5p+1 ;   W(p) = 1 2p+1 ;   W(p) = 1 2p2+p+1
p2-p 0,15p+p p3

2.3. Для передаточных функций W(p) (файл nyquist.vsm) вывести передаточные функции соответствующих замкнутых систем Ф(p).
2.4. Самостоятельно познакомиться с сутью итерационных алгоритмов.

3. Содержание работы

3.1. Исследовать границу устойчивости (типы границы устойчивости), используя возможность пакета VisSim задать передаточную функцию с помощью перечисления корней (нулей и полюсов её числителя и знаменателя). Убедиться, что только корни-полюсы с неотрицательной вещественной частью приводят к расходящемуся переходному процессу.
3.2. Исследовать влияние корней характеристического полинома на вид годографа Михайлова (файл mihaylo4.vsm).
3.3. Изучить влияние контурного коэффициента усиления на устойчивость системы и вид годографа Михайлова.
3.4. Задавая постоянную времени T2 по варианту (см. табл.), подбором найти коэффициент усиления системы, при котором она будет находиться на колебательной границе устойчивости. В качестве признака границы использовать критерий Михайлова.
Вариант 1 2 3 4 5
T2 0,12; 0,42; 0,72 0,18; 0,48; 0,78 0,24; 0,54; 0,84 0,30; 0,60; 0,90 0,36; 0,66; 0,96

3.5. Познакомиться с применением D-разбиения (файл d_4_k&t.vsm). Убедиться, что параметры, см. пп. 3.4, образуют точки на границе разбиения. Определить частоты для этих точек.
3.6. Исследовать на устойчивость передаточные функции, предложенные в файле nyquist.vsm, применяя годограф Найквиста и логарифмические частотные характеристики.
3.7. Изучить характер влияния контурного коэффициента усиления на устойчивость и на полосу пропускания замкнутой системы - модели электронного усилителя на трехкаскадном ОУ (файлы ou3.vsm и ou2+1.ca4). Менять контурный коэффициент усиления предполагается делителем в цепи обратной связи.

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Для произвольно спроектированных передаточных функций привести переходные процессы, соответствующие наличию: а) одного и двух нулевых корней-полюсов; б) паре чисто мнимых корней-полюсов;  в) корню-полюсу с положительной вещественной частью.
4.2. Убедиться, что каждый корень-полюс с отрицательной вещественной частью разворачивает годограф Михайлова на 90 градусов против часовой стрелки, а с положительной - на 90 градусов по часовой.
4.3. Продемонстрировать влияние коэффициента усиления на вид переходных процессов и вид годографа Михайлова (в режиме перекрытия графиков).
4.4. Для D-разбиения, указать область устойчивости (подтвердить моделированием) и выяснить влияние параметров на ее размер.
4.5. Среди предложенных к изучению с помощью годографа Найквиста и логарифмических частотных характеристик найти передаточные функции, отвечающие следующим признакам: а) астатические (указать порядок); б) имеющие корни-полюсы с положительной вещественной частью (Transfer Function Info); б) неустойчивые в разомкнутом состоянии; в) неустойчивые в замкнутом состоянии; ж) в которых понижение коэффициента усиления приведет к появлению неустойчивости в замкнутом состоянии; з) в которых повышение коэффициента усиления приведет к появлению неустойчивости в замкнутом состоянии; д) условно устойчивые; г) абсолютно устойчивые. Результаты свести в таблицу с отметками "+" и "-". Методика получения результатов должна быть отображена.
4.6. Пункт 3.7 предполагает построение семейств ЛАЧХ & ЛФЧХ для разомкнутой и замкнутой систем, при варьировании контурного коэффициента усиления электронного усилителя. Для замкнутой системы дополнительно требуется получить семейство переходных характеристик. Кроме пояснения графических результатов, в отчете привести описание модели трехкаскадного ОУ. Модель для пакета Electronics Workbench (ou2+1.ca4) предполагается использовать для сравнительного контроля полученных результатов.
4.7. Описать с точки зрения удобства применения в исследованиях годографы Михайлова, Найквиста и ЛАЧХ.


Лабораторная работа 5
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ
к содержанию

Рабочие файлы: [err_ast3.vsm] [err_s^-1.vsm]

1. Цель работы

Ознакомление с основными группами критериев качества (оценивающими точность,   устойчивость, быстродействие и обобщенные свойства САР). Изучение методики использования интегральных оценок качества при исследовании ошибок систем в типовых режимах движения. Приобретение навыков оценки качества по переходной характеристике и по АЧХ замкнутой системы.

2. Предварительное домашнее задание

Приравнивая в структурной схеме (файл err_ast3.vsm) коэффициенты усиления (KI1 & KI2 & KI3), или (KI2 & KI3) или (KI3) к нулю, можно получить модели САР с астатизмом от нулевого до третьего порядков (считая исходную).
2.1. Начальные значения коэффициентов усиления установить в соответствии с вариантом (см. табл.). Вывести передаточные функции по ошибке Фx(p) для четырех моделей САР при астатизме от нулевого до третьего порядка.
Вариант 1 2 3 4 5
KI1; KI2; KI3 25; 50; 60 30; 50; 70 35; 50; 80 45; 50; 90 50; 50; 100

2.2. Для тех же моделей вывести формулы расчёта первых четырёх коэффициентов ошибки и определить их числовые значения.
2.3. Описать суть интегральной и улучшенной интегральной оценок качества.
2.4. Составить функцию цены из блоков пакета VisSim, подсчитывающую количество переходов через ноль ошибки САР в переходном процессе.

3. Содержание работы

3.1. Изучить сигнал задания g(t) спроектированный для введения систем в режимы типового движения (файл err_ast3.vsm). Заполнить таблицу.
Временной промежуток постоянства параметров сигнала          
Параметр сигнала и его значение          

3.2. Измерить значения первых четырех установившихся ошибок по: положению q0, скорости qu, ускорению qe, и приращению ускорения qg''' для систем с астатизмом от нулевого до третьего порядков (файл err_ast3.vsm). Параметры моделей должны соответствовать расчетному заданию. Опираясь на экспериментальные данные определить коэффициент усиления систем в области низких частот K, а так же добротности по скорости Ku, ускорению Ke и приращению ускорения Kg'''. Определить численные значения коэффициентов ошибок по положению, скорости, ускорению и приращению ускорения - c0, c1, c2, c3. Заполнить таблицу.
Система \ Ошибки q0 & K & c0 qu & Ku & c1 qe & Ke & c2 qg''' & Kg''' & c3
W(p)=1/p^0 * ...        
W(p)=1/p^1 * ...        
W(p)=1/p^2 * ...        
W(p)=1/p^3 * ...        

3.3. Изучить влияние (качественно) на вид переходной функции h(t) систем с астатизмом первого второго (и третьего по указанию преподавателя) порядков возмущающего воздействия f(t). В качестве f(t) использовать сигнал задания g(t) спроектированный для изучения типовых режимов движения систем. Возмущающее воздействие подавать до и после интегрирующих элементов, менять его знак и подбирать амплитуду так, чтобы ошибка от возмущения в установившемся режиме составляла 10...30 % от h(t) и была наглядна при визуальном наблюдении (информацию удобно представить в режиме перекрытия графиков).
3.4. Минимум три раза оптимально настроить ПИД-регулятор для модели системы регулирования (файл err_s^-1.vsm), используя разные функции цены - интегральные оценки качества. Для каждого случая заполнить таблицу.
KP KI KD
     

Функция цены и переходная характеристика h(t)
 

3.5. Оценить запас устойчивости и быстродействие по переходным характеристикам системы при различных настройках ПИД-регулятора, используя показатели качества: перерегулирование s, длительность переходного процесса tП, частота колебаний f, допустимое число колебаний, время запаздывания tЗ, время нарастания tН. Величиной допустимых отклонений 2D для определения длительности переходного процесса задаться самостоятельно.
3.6. Для тех же вариантов настроек ПИД-регулятора, используя АЧХ замкнутой системы |Ф(jw)| определить показатель колебательности М и показатели быстродействия: резонансную частоту wР, полосу пропускания wП, частоту среза wС, и эквивалентную полосу пропускания wЭ.
3.7. Для тех же случаев, определить запас устойчивости по амплитуде (модулю) L и по фазе m, используя АФХ (годограф Найквиста). Повторить определение по ЛАЧХ & ЛФЧХ.

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Исследование точности в типовых режимах (пп. 3.1, 3.2, 3.3) следует проиллюстрировать временными зависимостями с подробными пояснениями. Внесенные в таблицы данные, должны быть отражены на графиках. Рекомендуется использовать режим графического наложения результатов моделирования при изменении знака и точки ввода воздействий.
4.2. Сравнить экспериментальные значения коэффициентов ошибки с расчетными.
4.3. В основе функций цены для итерационного процесса оптимизации должны быть: интегральная оценка качества; улучшенная интегральная оценка; и оценка дополнительно использующая параметры переходного процесса - перерегулирование или количество колебаний. Сравнить эффективность оценок, качественно характеризуя принципиально достижимые результаты.
4.4. Показатели качества найденные в пп. 3.5 и 3.7, нанести на переходные характеристики h(t), АЧХ замкнутой системы |Ф(jw)|, АФХ и ЛАЧХ & ЛФЧХ разомкнутой системы соответственно. Сравнить качество настроек ПИД-регулятора в трех случаях. АЧХ замкнутой системы |Ф(jw)| - это ее ЛАЧХ, у которой ось модуля не логарифмическая (снимите соответствующую галочку в свойствах графика). При определении ЛАЧХ & ЛФЧХ разомкнутой системы следует выделить требуемые блоки структурной схемы и отметить точки входа и выхода сигнала (Select Input/Output Points).


Лабораторная работа 6
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ САР
к содержанию

Рабочие файлы: [1.vsm] [3.vsm] [2.vsm] [4.vsm] [5.vsm]

1. Цель работы

Освоение основных методов повышения точности САР: 1) увеличения коэффициента усиления разомкнутой цепи, 2) регулирования по производным от ошибки с увеличением контурного коэффициента усиления, 3) повышения степени астатизма,  4) применения неединичных обратных связей или масштабирующих устройств на входе / выходе, 5) введения комбинированного управления.

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Дано пять систем. Каждая обладает совокупностью уникальных свойств (см. табл.). В работе изучается пять методов повышения точности САР. Выбрать наиболее эффективный или единственно возможный метод повышения точности для каждой САР. Выбор обосновать.
Nо
Свойства САР (состоящих из минимально фазовых звеньев)

Метод,
файл
1 САР статическая. Контурный коэффициент мал (<10). Объект и чувствительный элемент являются одним конструктивным элементом (нет возможности изменить вид ЛАЧХ прямого канала)  
ИЛИ: ЛАЧХ разомкнутой системы в области низких частот имеет наклон -20 или -40 дб/дек. При этом либо в измерительном канале (на входе, вне контура регулирования) неединичный коэффициент передачи, либо в цепи обратной связи установлен делитель сигнала
2 Объект моделируется двумя звеньями: колебательным (с большим подавлением) и апериодическим. Сопрягающая частота апериодического звена на две декады меньше резонансной частоты колебательного звена  
3 ЛАЧХ разомкнутой системы имеет вид 20-0-20-40 (участок с нулевым наклоном не продолжителен). Предъявлены требования: минимально возможное перерегулирование, и малые собственные шумы САР. В точке единичного усиления фаза, уменьшаясь, пересекает значение -90 градусов с небольшим приращением  
4 Объект моделируется двумя звеньями: колебательным (с большим подавлением) и апериодическим. Сопрягающая частота апериодического звена на две декады больше резонансной частоты колебательного звена  
5 ЛАЧХ разомкнутой системы в области низких частот имеет наклон 0 дб/дек. Контурный коэффициент объекта не стабилен в той же полосе частот (в области низких частот); или предъявлено требование равенства нулю первой или первой и второй составляющих ошибки  

3. Содержание работы

3.1. Ознакомиться с предложенными моделями, идентифицировать их с описаниями в таблице.
3.2. Определить цель применения изучаемых методов повышения точности для каждой модели (повышение точности в установившихся режимах, увеличение запаса устойчивости или повышение быстродействия).
3.3. Повысить точность систем в соответствии с выбранными методами.
3.4. Качественно описать результаты применения методов повышения точности. Рекомендуется использовать переходную функцию h(t). Графическую информацию удобно представить в режиме наложения (перекрытия) результатов моделирования.
3.5. Используя инструменты частотного исследования систем (ЛАЧХ & ЛФЧХ) сформулировать ограничения в применении каждого метода повышения точности.
3.6. Выполнить количественное исследование результатов применения методов повышения точности САР на основе исследований (измерений) ошибки x(t). Можно измерить значения первых установившихся составляющих ошибки по: положению q0, скорости qu, ... - до и после применения методов повышения точности. По необходимости рекомендуется использовать тест-сигналы задания g(t): единичную ступенчатую функцию 1(t), синусоидальный, меняющийся с постоянной скоростью или ускорением (см. сигнал g(t) в файле err_ast3.vsm). Для измерений ошибки рекомендуется использовать: датчики скорости и ускорения (дифференцирующие звенья), преобразователи построенные в соответствии с интегральными оценками качества, а так же измерители действующего или средневыпрямленного значений (см. файл rms_ex.vsm). Выбор схемы измерения ошибки x(t) следует обосновать.
3.7. Рассмотреть все блоки (звенья), которые применялись для повышения точности. Назвать техническое устройство их практической реализации. Рассмотрев все модифицированные модели САР, указать необходимые диапазоны для подстраиваемых параметров этого устройства.

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Готовые звенья для изменений в структурных схемах моделей находятся в блоке Instruments. Только требуемое звено и соответствующий регулятор настройки нужно перенести и подключить к модели. Изменения в структурных схемах отразить в отчете.
4.2. Если моделирование занимает много времени (10...20 с, VisSim 1.2), то отключите второстепенные визуализирующие приборы - такие как блок Display. Синхронный с разверткой вывод на экран информации на каждом шаге расчёта растягивает последний на 1/50 секунды.
4.3. В случае применения неединичных обратных связей или масштабирующих устройств на входе / выходе или комбинированного управления использование выходного сигнала чувствительного элемента системы (сумматора) для исследования ошибки x(t) не имеет смысла. Необходимо вычесть выходной сигнал y(t) из входного g(t) дополнительным сумматором.


Лабораторная работа 7
КОРРЕКЦИЯ САР
к содержанию

Рабочие файлы: [k1.vsm] [k2.vsm] [k3.vsm] [k4.vsm]
[kor_ou3.ca4] [kor_c_in.ca4] [kor_cout.ca4] [kor_2_ou.ca4] [kor_derv.ca4]
[kor_ooc.vsm]

1. Цель работы

Освоение основных методов повышения запаса устойчивости (коррекции) САР: 1) демпфирования с подавлением высоких частот, 2) демпфирования с подавлением средних частот, 3) демпфирования с подавлением низких частот. Приобретение навыков решения типовых задач коррекции схем на операционных усилителях. Ознакомление с основными видами корректирующих обратных связей: 1) гибкими ООС, 2) жесткими ООС, 3) положительными (изодромное звено на апериодическом звене).

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Дано четыре системы. Каждая обладает совокупностью уникальных свойств (см. табл.). Подобрать наиболее оптимальное или единственно возможное, последовательное корректирующее звено для каждой САР (апериодическое, пассивное дифференцирующее, пассивное интегрирующее, пассивное интегро-дифференцирующее). Выбор обосновать.
Nо
Свойства САР (состоящих из минимально фазовых звеньев)

метод,
звено,
файл
1 ЛФЧХ разомкнутой системы чуть ниже частоты среза (в пределах декады) меняет свое значение от -90 до -270 градусов. Допустима минимально возможная потеря частотных свойств (площади ограниченной ЛАЧХ и осью частот)  
2 ЛАЧХ разомкнутой САР соответствует трехкаскадному операционному усилителю без внутренней коррекции (звено с большим коэффициентом усиления и три апериодических звена с близкими сопрягающими частотами), и пересекает ось частот с наклоном -60 дб/дек. Допустима существенная потеря полосы пропускания  
3 ЛФЧХ системы вплоть до частоты среза приобретает значения около -180 градусов. Для исключения условий, при которых возможно появление неустойчивости в большом, дополнительные отрицательные фазовые сдвиги не допустимы  
4 Вблизи частоты среза и ниже по частоте более декады наклон ЛАЧХ разомкнутой системы составляет -40 дб/дек. Допустима минимально возможная потеря частотных свойств  

2.2. Составить структурную схему и построить ЛАЧХ & ЛФЧХ для передаточной функции корректирующего звена: W(p)=1/(1+T1p)+(0,1)+T2p/(1+T2p); T1=0,1; T2=0,0001. Определиться с его названием. Разобраться, какие изменения в структурной схеме звена надо сделать, чтобы получить: апериодическое, или пассивное дифференцирующее или пассивное интегрирующее звено.

3. Содержание работы

3.1. Ознакомиться с первыми четырьмя предложенными моделями систем, идентифицировать их с описаниями в таблице. Изменить параметры моделей так, чтобы их логарифмические частотные характеристики сместились вдоль частотной шкалы.
3.2. Скорректировать системы в соответствии с выбранными методами (ввести соответствующие корректирующие звенья в контур и настроить их, добиваясь устойчивости в замкнутом состоянии).
3.3. Дать количественную характеристику результатам коррекции, оценивая: полученный запас устойчивости (L & m или M), потери точности (K или Ku или Ke), и уменьшение быстродействия (wП, wС).
3.4. По указанию преподавателя, для одной из исследуемых моделей составить подобную на операционных усилителях в пакете Electronics Workbench.
3.5. Изучить модели *.ca4, в которых рассмотрены стандартные задачи коррекции схем на операционных усилителях. Описать суть способов коррекции. Дать количественную характеристику результатам, оценивая их аналогично пп. 3.3.
3.6. В соответствии с вариантом (см. табл.), составить подобную схеме на операционном усилителе модель из блоков пакета VisSim.
Вариант,
модель
Описание типовых задач коррекции схем на ОУ
1
kor_ou3.ca4
Выходное сопротивление ОУ и паразитная емкость монтажа выходных цепей образуют третий полюс ЛАЧХ, ведущий к неустойчивости. Модель можно рассматривать как схему на трехкаскадном ОУ без или с частичной внутренней коррекцией
2
kor_c_in.ca4
Паразитная емкость монтажа входных цепей ОУ и большое сопротивление обратной связи образуют апериодическое звено первого порядка, которое может привести к неустойчивости схем на ОУ
3
kor_cout.ca4
Необходимость работы ОУ на емкостную нагрузку приводит к тому, что выходное сопротивление ОУ и емкость нагрузки образуют третий полюс ЛАЧХ, ведущий к неустойчивости. Малое сопротивление емкости нагрузки на высоких частотах может перегрузить выход ОУ
4
kor_2_ou.ca4
Стремление получить в схемах высокую точность и быстродействие приводит к необходимости использования двух ОУ (точного и быстродействующего). Но простое последовательное включение приводит к неустойчивости схемы, поскольку минимальное фазовое запаздывание для двух, даже корректированных ОУ составляет 180 градусов
5
kor_derv.ca4
Построение дифференциатора на ОУ вызывает затруднения: а) в петле ОС ОУ оказывается включенным апериодическое звено с большой постоянной времени, что увеличивает результирующее запаздывание по фазе свыше значения 180 градусов и приводит к неустойчивости схемы; б) входное емкостное сопротивление дифференциатора может вызвать неустойчивость и в предыдущем каскаде на ОУ; в) коэффициент усиления схемы по высокой частоте велик и это ухудшает соотношение сигнал/шум

3.7. Ознакомиться с тремя наиболее часто используемыми видами корректирующих обратных связей (файл kor_ooc.vsm). Определить, какими последовательными корректирующими звеньями можно добиться тех же результатов.

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Определить ЛАЧХ & ЛФЧХ разомкнутой системы в пакете VisSim можно без размыкания контура - необходимо выделить все блоки файла, а за тем отменить выделение только для источника сигнала и сумматора. Если САР неустойчива, то нужно разорвать контур. Для описанного выделения выполните два действия: а) установите мышь на свободное место и нажмите Shift+[правая клавиша мыши] (выделение всей схемы), б) повторная отметка указанной комбинацией любого элемента схемы отменит выделение для него. В некоторых случаях потребуется принудительно отметить вход и выход. Далее - стандартно.
4.2. При составлении моделей по пп. 3.4, допускается произвольная инверсия сигналов в схемах на операционных усилителях, но следует обратить внимание на результирующий фазовый сдвиг от инверсии.
4.3. Схемотехника инвертирующих включений операционных усилителей предполагает введение входного сигнала в корректирующую цепь. Если при построении моделей в пакете VisSim по пп. 3.6 это вызывает затруднения, то можно перейти к неинвертирующему включению операционного усилителя.
4.4. В пакете Electronics Workbench методика использования виртуального прибора - анализатора сильно упрощена. На практике, подобные подключения прибора не позволят снять частотную характеристику операционного усилителя с разорванной обратной связью. Дайте пояснения.
4.5. В файле kor_ooc.vsm корректирующие обратные связи должны включатся не одновременно.


Лабораторная работа 8
СИНТЕЗ САР
к содержанию

Рабочие файлы: [w1.vsm] [w2.vsm]

1. Цель работы

Приобретение навыков использования метода логарифмических частотных характеристик и метода корневых годографов для синтеза САР.

2. Предварительное домашнее задание

2.1. В соответствии с вариантом (см. табл.) построить располагаемую ЛАЧХ объекта регулирования. Учитывая требования к точности и к устойчивости, нанести на график низкочастотную и высокочастотную запретные области.
Параметры
Значения
Вариант
Располагаемая передаточная функция
объекта
Wo(p) =    100                        1                     
w1.vsm
1+0,33p
p2/30002+2*0,04p/3000+1
1, 2
Wo(p) = 100       40                           1                     
w2.vsm

p
1+0,0033p
p2/30002+2*0,04p/3000+1
3, 4
Требования
к точности
Vm =10 ед./с; Em = 100 ед./с2; Xm =0,01 ед. 1, 3
wK = 0,3 рад/с; Dj = 0,573e-3 град; d = 9e-6 % 2, 4
к устойчивости M < 1,16 1,2,3,4

2.2. Определить передаточные функции последовательных (возможно последовательно-параллельных) корректирующих устройств, которые рекомендуется разбить на типовые звенья. Составить структурную схему системы с устройствами коррекции.

3. Содержание работы

3.1. Дополнить структурные схемы в рабочих файлах рассчитанными последовательными корректирующими звеньями. Проверить, имеет ли ЛАЧХ системы желаемый вид.
3.2. Пустые блоки "1" и "2" определяют места возможного подключения средств коррекции к реальной системе. Заменить часть последовательных корректирующих устройств эквивалентной обратной связью, в соответствии с заданной структурой системы.
3.3. Точно настроить устройства коррекции и выполнить измерения, подтверждающие верность результатов синтеза, подавая тест сигналы с необходимыми параметрами.
3.4. Используя корневой годограф, определить параметр затухания z для сопряженных комплексных корней передаточной функции синтезированной системы при единичной обратной связи. А также определить во сколько раз должен увеличиться контурный коэффициент усиления (добротность по скорости), чтобы система оказалась на границе устойчивости (проверить по переходной функции).

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. При синтезе низкочастотных корректирующих устройств следует полагать, что подъём ЛАЧХ от запретной области не допустим, по причине возможного возрастания влияния помех и наводок на входе.
4.2. При выполнении измерений, цель которых - определить точность замкнутой системы, следует подавать синусоидальные сигналы как на участках границы запретной области с разным наклоном, так и на сопрягающей частоте. Только фазовую ошибку Dj допустимо измерить, прибегая к функциям частотного анализа (необходимо задаваться очень узким частотным диапазоном).
4.3. При точной настройке системы по показателю колебательности M следует помнить, что второй пик АЧХ замкнутой системы |Ф(jw)| так же не должен достигать уровня M.
4.4. Для построения годографа корней в пакете VisSim нужно выделять разомкнутую систему W(p).
4.5. VisSim строит годограф корней - 1+KocW(p)=0 - характеристического уравнения замкнутой системы Ф(p) с варьируемым коэффициентом передачи в цепи обратной связи Koc, для выделенных блоков, которые принимает за разомкнутую систему W(p):
а) Если Kос=0, то корни уравнения 1+KocW(p)=0 устремляются к корням-полюсам W(p), которые отмечены крестами (только при Kос=0!).
б) Если Kос стремится к бесконечности, то часть корней уравнения 1+KocW(p)=0 устремляется к корням-нулям W(p), а часть - к бесконечности.
в) Если Kос=1, то характеристическое уравнение соответствует единичной обратной связи.
4.6. Если уточнять координаты корней на траекториях годографов, то дополнительно будут высвечиваться три соответствующие корню параметра: 1) Koc; 2) параметр затухания - z (в программе VisSim - z); 3) угловая частота свободных колебаний - w. По значению Koc, можно оценить: при каких значениях контурного коэффициента усиления K*Kос система станет не устойчивой, а также быстродействие системы. Степень быстродействия  определяется по самому ближнему к мнимой оси корню на траекториях при заданном значении Koc. Параметр затухания - z и угловую частоту свободных колебаний - w легко интерпретировать, если вспомнить, что передаточная функция замкнутой системы с комплексными корнями Ф(p) часто может быть аппроксимирована колебательным звеном.


ЛИТЕРАТУРА
к содержанию

1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - M.: Наука, 1975.
2. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления/ Под редакцией В.А. Бесекерского. - M.: Наука, 1978.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/ Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3 т./ Пер. с англ. - М.: Мир, 1993


ТРЕБУЕМЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТЫ
к содержанию

1. Рекомендуется использовать программу Internet Explorer для облегчения работы с данным руководством.
2. Для организации учебного процесса следует получить пакет VisSim 3.0 по Бесплатной Академической Программе (см. также VisSim в России). Большинство работ можно выполнить, используя старую версию пакета - VisSim 1.2 (моделирование переходных процессов, частотный анализ без Найквиста, нет оптимизации). Достоинство этого варианта в том, что можно выдать лабораторные работы студентам на одной дискете (размер пакета не более 400 kB).
3. Electronics Workbench 4.1


ПРИМЕРЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ И СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
к содержанию

Моделирование в программе VisSim
Переходный процесс в "RLC" схеме: [rlc.vsm]
Модели измерителей электрических величин: [rms_ex.vsm] [meter.vsm]
Поиск корней уравнения: [roots.vsm]
Звенья с модулированным сигналом: [fil_resp.vsm] [pwm_ex.vsm]
Звено чистого запаздывания: [vtcdelay.vsm]
Релейные САР: [roomctrl.vsm]
Импульсные САР: [bworth.vsm]
Диаграмма Вышнеградского [vishngrd.vsm]
Линии уровня показателя колебательности М [m.vsm]
W(p) на основе характеристического полинома D(p): [order3.vsm]
Создвние собственных моделей для пакета VisSim [mydll.html]
Коррекция САР [2ou+kor.ca4] [ouhik&f1.vsm]
[коррекция жесткой ОС &
изодромный блок на апериодическом звене]
Дельта-сигма АЦП [adc_dsigm.vsm]


ПЛАН РАЗВИТИЯ ДАННОГО РУКОВОДСТВА
к содержанию

1. Разработка лабораторных работ для второго семестра (нелинейные и цифровые системы) (к февралю 2001г.).
2. Дальнейшая взаимная интеграция моделей из разных моделирующих пакетов. Организация одновременной работы моделей (в разных пакетах) в динамическом режиме посредствам технологий динамического обмена данными (DDE - dinamic data exchange, на базе ActiveX). Пример: регулятор в пакете Electronics Workbench, объект в пакете VisSim, - должны работать совместно.
3. Разработка моделей, предполагающих наличие в контуре модели реального технического устройства, подключенного посредством платы сбора данных - (DAQ-board).
4. Подготовка моделей для альтернативных моделирующих пакетов, например "МВТУ" (если будет договоренность с разработчиками).


30.10.2000

Сделать "D-разбиение" по вариантам см. задачник.
1. Цель работы 2. Предварительное домашнее задание 3. Содержание работы
4. Обработка результатов 5. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета 6. Контрольные вопросы



 

Работа 4

3.7. Провести исследование устойчивости модели электронного усилителя на трехкаскадном ОУ (файлы ou3.vsm и ou2+1.ca4)
3.8. Исследовать влияние контурного коэффициента усиления на полосу пропускания замкнутой системы на примере электронного усилителя на ОУ.

Работа 5?[err_pid.vsm] [PIDTUNE.vsm]

Выяснение сути корневых методов оценки качества.

 Работа 6?[ASTATIC.vsm]

Изучение основных методов повышения точности САР: 1) увеличение коэффициента усиления разомкнутой цепи, 2) применение регулирования по производным от ошибки с увеличением контурного коэффициента усиления, 3) повышение степени астатизма,  4) применение неединичных обратных связей или масштабирующих устройств на входе / выходе и 5) комбинированного управления.

4.3. Выполнить количественное исследование результатов применения методов повышения точности САР на основе исследований (измерений) ошибки x(t). По необходимости рекомендуется использовать тест-сигналы задания g(t): единичную ступенчатую функцию 1(t), синусоидальный, меняющийся с постоянной скоростью или ускорением (см. сигнал g(t) в файле err_ast3.vsm). Для измерений ошибки рекомендуется использовать: датчики скорости и ускорения (дифференцирующие звенья), преобразователи построенные в соответствии с интегральными оценками качества, а так же измерители действующего или средневыпрямленного значений. Выбор схемы измерения ошибки x(t) следует обосновать.
3.6. Определить первые коэффициенты ошибок систем до и после применения методов повышения точности.
(можно измерить первые коэффициенты ошибок систем до и после повышения точности).


4.1. Один из методов повышения точности САР - это повышение степени астатизма. Метод реализуется применением либо интегрирующего, либо изодромного звена включаемого в разрыв контура регулирования. Качественно описать результаты применения упомянутых технических решений (в сравнении). Сформулировать достоинства, недостатки (ограничения в применении). Привести поясняющие графические зависимости (информацию удобно представить в режиме пререкрытия графиков).

Работа 8 [Ak_wk.vsm] [wo.vsm]

Среди предложенных моделей идентифицировать устойчивые в разомкнутом состоянии.
3.2. Для неустойчивых в разомкнутом состоянии систем спроектировать последовательные компенсационные звенья.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Развернуть все

Свернуть все
к содержанию

© Н.В. Клиначёв, 2000. Все права защищены

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации