ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 -...

27
49 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИПОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЕВ Цель работы. Изучение частотных характеристик типовых динамических зве- ньев и способов их построения. Методические рекомендации. До начала работы студенты должны ознако- миться с описанием лабораторной работы и получить вариант задания. До работы до- пускаются студенты, заполнившие первые два столбца таблицы экспериментальных данных 9.4 для всех типов заданных динамических звеньев. Лабораторная работа рас- считана на 2 часа. Теоретические сведения. Если на вход устойчивого линейного звена с переда- точной функцией Ws () подается гармонический сигнал gt g t m () sin , где уг- ловая частота, а g m амплитуда, то на его выходе в установившемся режиме будет гармонический сигнал yt y t m () sin( ) той же частоты , но, в общем случае, с другой амплитудой y m и ненулевым фазовым сдвигом (см. рис.9.1, где / временной интервал, соответствующий фазовому сдвигу ). Рис. 9.1.Реакция устойчивого линейного звена на гармонический сигнал Для аналитического описания частотных свойств динамических звеньев исполь- зуется частотная передаточная функция Wj ( ) , которая для фиксированной частоты представляет собой комплексное число, модуль которого равен отношению ампли- туды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала, а аргумент — сдвигу фаз меж- ду входным и выходным сигналами. В более общей формулировке частотная переда- точная функция определяется как отношение изображений Фурье выходного и входно- го сигналов. Формальное правило получения аналитического выражения для частотной передаточной функции по известной передаточной функции Ws () состоит в подстанов- ке s j , т.е. Wj Ws s j ( ) () , что соответствует переходу от изображения Лапласа к изображению Фурье. Частотная передаточная функция (ЧПФ) может быть представлена в виде: Wj A e j ( ) ( ) ( ) или

Transcript of ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 -...

Page 1: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

49

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ

ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИПОВЫХ

ДИНАМИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЕВ

Цель работы. Изучение частотных характеристик типовых динамических зве-

ньев и способов их построения.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны ознако-

миться с описанием лабораторной работы и получить вариант задания. До работы до-

пускаются студенты, заполнившие первые два столбца таблицы экспериментальных

данных 9.4 для всех типов заданных динамических звеньев. Лабораторная работа рас-

считана на 2 часа.

Теоретические сведения. Если на вход устойчивого линейного звена с переда-

точной функцией W s( ) подается гармонический сигнал g t g tm( ) sin , где — уг-

ловая частота, а gm — амплитуда, то на его выходе в установившемся режиме будет

гармонический сигнал y t y tm( ) sin( ) той же частоты , но, в общем случае, с

другой амплитудой ym и ненулевым фазовым сдвигом (см. рис.9.1, где / —

временной интервал, соответствующий фазовому сдвигу ).

Рис. 9.1.Реакция устойчивого линейного звена на гармонический сигнал

Для аналитического описания частотных свойств динамических звеньев исполь-

зуется частотная передаточная функция W j( ) , которая для фиксированной частоты

представляет собой комплексное число, модуль которого равен отношению ампли-

туды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала, а аргумент — сдвигу фаз меж-

ду входным и выходным сигналами. В более общей формулировке частотная переда-

точная функция определяется как отношение изображений Фурье выходного и входно-

го сигналов. Формальное правило получения аналитического выражения для частотной

передаточной функции по известной передаточной функции W s( ) состоит в подстанов-

ке s j , т.е. W j W s s j( ) ( ) , что соответствует переходу от изображения Лапласа

к изображению Фурье.

Частотная передаточная функция (ЧПФ) может быть представлена в виде:

W j A e j( ) ( ) ( )

или

Page 2: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

50

W j U jV( ) ( ) ( ) ,

где U( ) — вещественная часть, V( ) — мнимая часть, A U V( ) ( ) ( ) 2 2 —

модуль, а

( )

( )

( ) arctg

V

U — аргумент (фаза) ЧПФ.

С помощью частотной передаточной функции могут быть легко построены сле-

дующие частотные характеристики.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость A( ) при изме-

нении частоты от 0 до (см. рис.9.2) .

Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) — зависимость ( ) при измене-

нии частоты от 0 до (см. рис.9.3).

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) — годограф, соответ-

ствующий частотной передаточной функции при изменении частоты от 0 до , по-

строенный на комплексной плоскости ( , )U V (см. рис.9.4). При этом за положительное

значение фазы понимается направление вращения от вещественной оси против часовой

стрелки.

Рис. 9.4. Амплитудно-фазовая

частотная характеристика

Рис. 9.5. Логарифмические ампли-

тудная и фазовая частотные харак-

теристики

Рис. 9.2. Амплитудно-частотная

характеристика

Рис. 9.3. Фазовая частотная

характеристика

Page 3: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

51

Логарифмические амплитудная и фазовая частотные характеристики (ЛАЧХ и

ЛФЧХ). При построении логарифмической амплитудной частотной характеристики по

оси ординат откладывается величина L A( ) lg ( ) 20 , единицей измерения которой

является децибел (дБ). По оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом

масштабе (см. рис. 9.5). Ось ординат может пересекать ось абсцисс в произвольном

месте. Поэтому ее проводят так, чтобы справа от нее отобразить интересующий диапа-

зон частот. Точка пересечения ЛАЧХ с осью абсцисс называется частотой среза с р . В

инженерных расчетах используют асимптотические ЛАХ, которые можно построить

практически без вычислительной работы. Подобные характеристики представляют

собой ломанную линию, состоящую из отрезков, расположенных к оси абсцисс под

углами, кратными 20 дБ/дек. Логарифмическая фазовая частотная характеристика

отличается от ФЧХ только тем, что ось абсцисс строится в логарифмическом масштабе.

В данной работе частотные характеристики элементарных динамических звень-

ев строятся по точкам на основании данных, полученных экспериментально. В экспе-

рименте исследуется реакция звена на синусоидальное входное воздействие (см.

рис.9.1). Схема моделирования в этом случае должна состоять из генератора синусои-

дального сигнала, исследуемого звена и устройств регистрации входного и выходного

сигналов. При заданном значении частоты и амплитуды входного сигнала для опреде-

ления точек частотной характеристики необходимо измерить значение амплитуды вы-

ходного сигнала и сдвиг фаз между входным и выходным сигналом в установившемся

режиме. После соответствующей обработки эти данные дадут одну точку на частотной

характеристике. Повторение таких измерений при различных значениях частоты вход-

ного сигнала даст массив точек по которым строятся частотные характеристики.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему моделирования в соответствии с кодом варианта задания (см.

табл.9.1). Первые три цифры кода обозначают тип исследуемых звеньев (см. табл.9.2), а

последняя цифра — номер сочетания параметров исследуемых звеньев (см. табл.9.3).

2. Установить амплитуду gm 1 и частоту 1 входного сигнала. Частота

1 должна быть меньше на одну декаду сопрягающей частоты 1/ T . В установившемся

режиме измерить значения амплитуды выходного сигнала и сдвиг фаз между входным

и выходным сигналами. Для определения значения фазы следует учитывать, что на по-

лученных графиках по оси абсцисс отложено время. Значение фазы выходного сигнала

в радианах можно рассчитать, используя формулу , где значение частоты

входного сигнала в радианах. Полученные данные занести в таблицу (см. табл.9.4).

3. Изменить значение частоты синусоидального воздействия и повторить изме-

рения по п.2. Для построения частотных характеристик необходимо снять не менее 10

точек с различными значениями частоты. Диапазон изменения частоты входного сиг-

нала — от -1 декады до +1 декады относительно сопрягающей частоты 1/ T .

Содержание отчета

1. Передаточные функции исследуемых звеньев.

2. Одна из полученных временных диаграмм со всеми построениями, иллю-

стрирующими способ получения экспериментальных данных.

3. Таблицы экспериментальных данных.

4. Экспериментальные АЧХ, ФЧХ, АФЧХ и ЛАФЧХ исследуемых звеньев.

5. Асимптотические ЛАЧХ исследуемых звеньев, построенные графо-

аналитическим методом.

Page 4: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

52

6. Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы.

1. Запишите аналитическое выражение для вещественной части ЧПФ апериоди-

ческого звена 1-го порядка.

2. Запишите аналитическое выражение для аргумента ЧПФ изодрома.

3. Чему равно значение модуля ЧПФ на частоте среза?

4. Почему в выражении для L( ) присутствует множитель 20?

Таблица 9.1

Коды вариантов задания

№ вар 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

код 1671 2352 4573 1264 1455 3676 2457 1572 2363 1256 3561 2465

Таблица 9.2 Таблица 9.3

Тип звена Передаточная функция k T

1 Апериодическое 1-го поряд-

ка

k

Ts 1

1 5 0.1 0.1

2 Колебательное k

T s Ts2 2 2 1

2 2 0.5 0.15

3 Идеальное интегрирующее k

s

3 10 2 0.25

4 Интегрирующее с замедле-

нием

k

s Ts( )1

4 8 4 0.3

5 Изодромное k Ts

s

( )1

5 15 0.2 0.2

6 Дифференцирующее с за-

медлением

ks

Ts1

6 4 8 0.45

7 Консервативное k

T s1 2 2

7 3 5 0.4

Таблица 9.4

Таблица экспериментальных данных

lg A( ) L A( ) lg ( ) 20 ( )

1 lg1

Page 5: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НУЛЕЙ И ПОЛЮСОВ

ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

Цель работы. Изучить связь характера переходной характеристики, ди-

намических свойств системы с размещением на комплексной плоскости нулей и

полюсов.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны по-

лучить от преподавателя вариант задания. К занятию допускаются студенты,

выполнившие требуемые расчеты и составившие схемы моделирования иссле-

дуемых систем. Лабораторная работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Рассмотрим динамическую систему, которая

описывается дифференциальным уравнением n-го порядка

y a y a y a y bgn

n

n( ) ( )

1

1

1 0 , (6.1)

где y - выходная переменная , g - входная переменная, a an0 1, , ,b - постоян-

ные параметры. Здесь y k( ) - k-ая производная функции y t( ) по времени t .

Корни si ( i n 12, , , ) характеристического полинома системы (полюса систе-

мы)

a s s a s a s an

n

n( )

1

1

1 0 , (6.2)

где s - комплексная переменная, определяют характер переходной функции

h t( ) системы с установившимся значением h t k b an ( ) / , а следовательно, и

такие динамические показатели, как время переходного процесса t и перере-

гулирование .

Используя понятие среднегеометрического корня

s s s ann n

1 2 0

характеристический полином (6.2) можно представить в виде

a s s s sn

n

n n n( )

1

1

1

1 , (6.3)

в котором коэффициенты 1 2 1, , , n определяются выражением

i

i

n i

a .

Среднегеометрический корень может служить мерой быстроты проте-

кания переходных процессов. Если в уравнении (6.3) увеличить , например, в

10 раз, то переходный процесс, оставаясь подобным самому себе, будет проте-

Page 6: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

32

кать в 10 раз быстрее. В связи с этим можно рассматривать полином (6.3) при

1 как некоторый нормированный характеристический полином, которому

соответствует нормированная переходная функция h t* ( ) и нормированное время

переходного процесса t* . Если качество переходного процесса с точки зрения

перерегулирования является приемлемым, то требуемое время переходного

процесса t может быть обеспечено соответствующим выбором величины .

Для обеспечения требуемого значения перерегулирования необходимо

задаться определенным распределением корней характеристического полинома,

например, распределением Баттерворта или биномиальным распределением

Ньютона.

Распределением Баттерворта называется такое размещение на ком-

плексной плоскости 2n комплексных чисел si , при котором они располагаются

в вершинах правильного 2n-угольника (см. рис. 6.1). При этом все числа имеют

знакоопределенную вещественную часть (Re si 0 ) и равные модули si .

Значения таких комплексных чисел для заданного n однозначно определяется

значением и находятся из выражения

si =

ej

i

n2

2 1

2

, i n=1,2, ,2 ,

причём n чисел s sn1 , , имеют строго отрицательную вещественную часть, т.е.

лежат в левой полуплоскости.

R e

I m

R e

I m

n 1 n 2

Рис. 6.1. Распределение Баттерворта для различных значений порядка n

Полиномом Баттерворта называется алгебраический полином n-го по-

рядка a s , n корней которого совпадают с n комплексными числами, подчиня-

ющимися распределению Баттерворта и имеют отрицательную вещественную

часть. Полином определяется формулой

a s = s ej

i

n

i

n

2

2 1

2

1

= s s sn

n

n n n

1

1

1

1 , (6.4)

где i 0 , а его коэффициенты находятся по формуле: ai i

n i . Полиномы

1-6 -го порядка приведены в табл. 6.1.

Page 7: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

33

При биномиальном распределении Ньютона n комплексных чисел si

принимаются равными и вещественными, т.е. si . Биномиальный полином

Ньютона n-го порядка задается в общем виде выражением

Таблица 6.1.

Полиномы Баттерворта для различного порядка системы n

n полином Баттерворта

1 s+

2 s s2 +1.414 + 2

3 s s s3 2+2 +2 + 2 3

4 s s s s4 3 2+2.613 +3.414 + 2.613 + 2 3 4

5 s s s s s5 4 3 2+3.236 +5.236 +5.236 +3.236 + 2 3 4 5

6 s s s s s s6 5 4 3 2+ 3.86 + 7.46 + 9.13 + 7.46 + 3.86 + 2 3 4 5 6

s s s s sn n

n

n n n

1

1

1

1 , (6.5)

где i -биномиальные коэффициенты. Полиномы 1-6-го порядков приведены в

табл. 6.2.

Таблица 6.2

Биномиальные полиномы для различного порядка системы n

n Биномиальный полином

1 s +

2 s s2 + 2 + 2

3 s s s3 2+3 +3 + 2 3

4 s s s s4 3 2+4 +6 +4 + 2 3 4

5 s s s s s5 4 3 2+5 +10 +10 +5 + 2 3 4 5

6 s s s s s s6 5 4 3 2+6 +15 +20 +15 +6 + 2 3 4 5 6

Переходные характеристики системы (6.1) порядка n 1 6, , с характе-

ристическим полиномом вида (6.4), построенные в нормированном виде ( 1,

b 1), приведены на рис. 6.2, а с характеристическим полиномом (6.5) на

рис.6.3. Динамические системы с рассмотренными характеристическими поли-

номами асимптотически устойчивы, что обусловлено выбором корней характе-

ристического полинома и обладают высокими динамическими показателями.

Перерегулирование для системы (6.1) с полиномом Баттерворта ограничено:

15% ,

Page 8: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

34

а с биномиальным распределением обеспечивается получение монотонного пе-

реходного процесса ( 0 ).

Метод стандартных переходных функций используется для определения

коэффициентов системы (6.1) по заданным показателям , ,t k . При этом тре-

бование монотонности переходного процесса однозначно определяет выбор в

качестве характеристического полинома биномиального полинома (6.5), а до-

Рис 6.2 Нормированные переходные характеристики системы с

характеристическим полиномом Баттерворта

Рис 6.3 Нормированные переходные характеристики системы с

биноминальным характеристическим полиномом

пущение перерегулирования не большего 15% - выбор полинома Баттерворта

(6.4). Кроме того, при распределении корней характеристического полинома по

Баттерворту, в сравнении с биномиальным распределением, требуемое время

переходного процесса можно обеспечить при меньших по абсолютной величине

значениях коэффициентов характеристического полинома.

Page 9: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

35

Коэффициенты системы ai ( i n 12, , , ) находятся по заданному значе-

нию времени переходного процесса t следующим образом:

a) по нормированным переходным функциям (рис.6.2, 6.3) определяется значе-

ние t* ;

b) среднегеометрический корень определяется по значениям t и t* , для

чего используется формула t t

* / ;

c) коэффициенты ai искомого полинома определяются выражением

ai i

n i , где значения i находятся по таблице 6.1 или 6.2, в зависимости

от выбранного типа распределения корней характеристического уравнения.

Коэффициент b определяется по заданной величине статического коэф-

фициента k выражением b ka 0 .

В некоторых случаях, возникает задача оценки быстродействия системы

без построения ее переходной характеристики. Для этого может использоваться

понятие степени устойчивости. Под степенью устойчивости понимается

абсолютное значение вещественной части ближайшего к мнимой оси корня.

Предполагая, что переходный процесс можно считать закончившимся тогда,

когда затухнет составляющая, определяемая ближайшим к мнимой оси корнем,

получим приближенную зависимость между степенью устойчивости и временем

переходного процесса

t 1 1

005ln.

(6.6)

Формула (6.6) имеет приемлемую точность, когда абсолютное значение веще-

ственной части ближайшего к мнимой оси корня не менее чем на порядок

меньше абсолютных значений вещественных частей остальных корней.

В отличии от рассмотренной выше системы вида (6.1) характер переход-

ного процесса в системе вида

y a y a y a y b g b gn

n

n

m

m( ) ( ) ( )

1

1

1 0 0 (6.7)

определяется не только корнями характеристического полинома, т.е. полюсами

системы, но и корнями полинома

b s b s b s bm

m

m

m( )

1

1

0 ,

которые называются нулями системы. При заданном полиноме a s( ) выбором

коэффициентов полинома b s( ) можно, к примеру, уменьшить время переходно-

го процесса, или обеспечить инвариантность системы к некоторым типам вход-

ных сигналов.

Порядок выполнения работы

1. По заданным в табл. 6.3 значениям постоянных n t k, , определите

параметры системы (6.1) с характеристическим полиномом Баттерворта и би-

номиальным полиномом. Для каждого случая рассчитайте корни характеристи-

ческого полинома (6.2) и оцените время переходного процесса по формуле (6.6).

Page 10: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

36

Составьте схему моделирования системы и постройте переходные характери-

стики, соответствующие двум типам распределения корней характеристическо-

го уравнения.

2. Для каждого набора параметров b bm0 , , , приведенных в табл. 6.4 и

6.5, постройте переходные характеристики системы (6.7) с коэффициентами

a an0 1, , и коэффициентом b, рассчитанными в п.1 для биномиального рас-

пределения корней характеристического уравнения.

3. Для набора параметров b bm0 , , и внешнего воздействия g t( ) , приве-

денных в табл. 6.6, постройте реакцию системы (6.7) с нулевыми начальными

условиями и коэффициентами a an0 1, , рассчитанными в п.1 для биномиаль-

ного распределения корней характеристического уравнения. На экран монитора

выводить графики y t g t( ), ( ) .

Содержание отчета

1. Математическая модель динамических систем (6.1), (6.7) и соответ-

ствующие им схемы моделирования.

2. Коэффициенты и корни характеристического уравнения системы, рас-

считанные по заданным показателям для двух типов распределения корней.

Оценка времени переходного процесса.

3. Результаты вычислительных экспериментов (графики пяти переход-

ных функций и график реакции системы на заданное входное воздействие).

4. Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы

1. Определите установившиеся значение переходной функции системы,

описанной дифференциальным уравнением

y y y g g 2 4 3 .

2. У системы 3-го порядка характеристический полином совпадает с по-

линомом Баттерворта при единичном радиусе распределения. Укажите на ком-

плексной плоскости корни характеристического уравнения системы.

3. Используя нормированные переходные характеристики, укажите вре-

мя переходного процесса в системе (6.1) с характеристическим биномиальным

полином при n 4 и 0 5 .

4. Определите время переходного процесса в системе

.y y y g 4 4 15 .

5. Определите время переходного процесса в системе . . y y y g g 11 01

6. Определите установившуюся реакцию системы y y y g g 2

на внешнее воздействие g t 2sin( ) .

Page 11: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

37

Таблица 6.3

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

n 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6

t 3 1 2.5 1.5 4 2 5 4 6 7 8 6

k 0.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.5 2.5 5 3.5

Таблица 6.4

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

b0 b

b1 0.5 1.25 1.5 2.5 1.75 2 2.25 3 2 2.5 2.75 1.5

Таблица 6.5

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

b0 b b b b b b b b b b b b

b1 2 2 0.5 0.5 1 0.25 0.1 0.2 0.1 0.2 0.3 0.1

b2 0.5 1.5 1 0.25 1.25 0.5 0.2 0.1 0.5 0.1 0.1 0.2

b3 0.25 1 1 1.25 0.25 0.75 0.5 0.2 0.2 0.2 0.3 0.4

b4 - - - 2 2.5 3 0.3 0.5 0.25 0.3 0.2 0.5

b5 - - - - - - 3.5 4 0.25 0.5 0.3 0.2

b6 - - - - - - - - - 2 2.5 3

Таблица 6.6

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

b0 1 1 0.25 2.25 8 4.5 1 1 0.25 2.25 8 4.5

b1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

b2 0.25 1 1 2 0.5 0.5 0.25 1 1 2 0.5 0.5

g t( ) sin( )2t 2sin( )t sin( . )05t sin( . )15t 3 4sin( )t 2 3sin( )t cos( )2t 3cos( )t cos( . )05t cos( . )15t 4 4cos( )t cos( )3t

Page 12: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

46

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ

УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ НА ПЛОСКОСТИ

ДВУХ ПАРАМЕТРОВ

Цель работы. Ознакомление с экспериментальными методами построения об-

ластей устойчивости линейных динамических систем и изучение влияния на устойчи-

вость системы ее параметров.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны ознако-

миться с описанием лабораторной работы и получить вариант задания. Лабораторная

работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Под областью устойчивости в пространстве пара-

метров понимается множество значений параметров, при которых система является

асимптотически устойчивой. Под областью неустойчивости, соответственно, понима-

ется множество значений параметров, при которых система является неустойчивой.

Области устойчивости и неустойчивости отделены друг от друга так называемыми гра-

ницами устойчивости, т.е. множествами значений параметров, при которых система

является устойчивой по Ляпунову.

Экспериментальное построение областей устойчивости и неустойчивости осу-

ществляется в соответствии со следующей методикой. Фиксируются значения всех па-

раметров системы кроме одного. Изменяя этот параметр, определяют такое его значе-

ние, при котором система находится на границе устойчивости. При этом определение

типа устойчивости системы может осуществляться, например, по виду кривой пере-

ходного процесса (для аналитического определения типа устойчивости могут исполь-

Рис.8.1 Пример границы устойчивости на плоскости двух параметров 1 и 2

Page 13: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

47

зоваться корневые, алгебраические или частотные критерии). Полученная таким обра-

зом совокупность параметров системы задает одну точку границы устойчивости в про-

странстве параметров. Затем выбирают новую комбинацию фиксированных парамет-

ров, и процедура повторяется. В результате определяется совокупность точек границы

устойчивости. Пример графического представления границы устойчивости на плоско-

сти двух параметров 1 и 2 приведен на рис.8.1.

В лабораторной работе исследуется линейная система третьего порядка, струк-

турная схема которой представлена на рис.8.2. Подобная структурная схема является

типичной для широкого класса электромеханических объектов управления. Система

имеет три параметра — постоянные времени T1 , T2 и коэффициент передачи K . Для

простоты, при исследовании системы постоянную времени T1 будем считать фиксиро-

ванной, а область устойчивости будем определять на плоскости двух параметров K и

T2 .

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему моделирования, установив значение постоянной времени T1

согласно заданному варианту (см. табл. 8.1). Установить значение постоянной време-

ниT2 , равное 0,1 с.

2. Изменяя коэффициент передачи K , подобрать такое его значение, при кото-

ром система находится на границе устойчивости. Тип устойчивости системы опреде-

лить по виду переходного процесса при нулевом входном воздействии g t( ) 0 и нену-

левом начальном значении выходной переменной y( )0 1 . Полученные таким образом

значения K и T2 дадут одну точку границы устойчивости.

3. Изменить значение постоянной времени T2 и повторить пункт 2 задания,

найдя, таким образом, следующую точку границы устойчивости. Количество точек, не-

обходимое для построения границы устойчивости, должно быть не менее 10. Диапазон

изменения постоянной времени T2 — от 0,1 с до 5 с.

Содержание отчета

1. Схема моделирования.

2. Графики переходных процессов и значения корней характеристического

уравнения для трех сочетаний параметров K и T2 , соответствующих устойчивой си-

стеме, неустойчивой системе и системе, находящейся на границе устойчивости.

3. Таблица данных, необходимая для построения экспериментальной границы

устойчивости на плоскости двух параметров K , T2 . Графическое изображение границы

устойчивости, найденной экспериментально.

Рис.8.2. Структурная схема линейной системы третьего порядка

Page 14: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

48

4. Теоретический расчет границы устойчивости с использованием критерия

Гурвица.

5. Таблица данных, необходимая для построения теоретической границы устой-

чивости на плоскости двух параметров K , T2 . Графическое изображение теоретиче-

ской границы устойчивости.

6. Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы

1. Дайте определение устойчивости систем автоматического управления.

2. Как определить свойства устойчивости линейной стационарной системы по

корням ее характеристического уравнения?

3. Определите свойства устойчивости линейной стационарной системы с харак-

теристическим полиномом D s s a s a s a( ) 3

2

2

1 0 , если все коэффициенты полинома

положительны и, дополнительно, a a a1 2 0 .

4. Определите аналитически границу устойчивости в пространстве параметров

T1 и T2 для системы, изображенной на рис.8.2.

Таблица 8.1

Варианты задания

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

T1 ,с 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 2.75 3.0 0.25

Page 15: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

38

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы. Исследование точностных свойств систем управления.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны получить от

преподавателя вариант задания. К занятию допускаются студенты, получившие анали-

тическое выражение для установившейся ошибки из п.4.3 (см. порядок выполнения ра-

боты). Лабораторная работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Точность работы любой системы управления наибо-

лее полно характеризуется мгновенным значением ошибки слежения, равной разности

между требуемым и действительным значениями регулируемой переменной

e t g t y t( ) ( ) ( ) . Однако в большинстве задач управления реальными объектами зада-

ющие и возмущающие воздействия заранее точно неизвестны и, следовательно, опре-

делить заранее величину e t( ) для всех моментов времени не представляется возмож-

ным. Поэтому точностные свойства системы, как правило, оцениваются при типовых

входных воздействиях — постоянном, линейно или квадратично нарастающем. Для ха-

рактеристики точностных свойств системы управления используется понятие устано-

вившейся ошибки слежения, а также предельного значения установившейся ошибки

слежения. Установившаяся ошибка e ty ( ) представляет собой функцию времени, удо-

влетворяющую условию

lim( ( ) ( ))t

ye t e t

0 (7.1)

для любых начальных условий e( )0 и заданного входного воздействия g t( ) . Другими

словами, она характеризует ошибку слежения, установившуюся после завершения пе-

реходного процесса. Предельное значение установившейся ошибки определяется

выражением

lim ( )te t (7.2)

(при условии, что предел (7.2) существует).

Величина предельного значения установившейся ошибки при типовом задаю-

щем воздействии может быть достаточно просто рассчитана по передаточной функции

системы. Пусть образы Лапласа ошибки слежения E s( )=L e(t) и сигнала задания

G s( )= L g(t) связаны соотношением

E s s G se( ) ( ) ( ) , (7.3)

где e s( ) — известная передаточная функция замкнутой системы по ошибке слеже-

ния (относительно задающего воздействия). Например, для систем с единичной отрица-

тельной обратной связью (см. рис.7.1) имеем

e s W s( )

( )

1

1,

где W s( ) — передаточная функция разомкнутой системы, включающая в себя пере-

Page 16: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

39

даточные функции регулятора и объекта управления. Тогда, в соответствии с теоремой

о предельном переходе во временной области (см. [3]), имеем

lim ( ) ( )s o s s G s .

Образы Лапласа типовых задающих воздействий приведены в таблице 7.1.

Для приближенной оценки установившейся ошибки слежения e ty ( ) при произ-

вольном (но достаточно гладком) входном воздействии g t( ) можно воспользоваться

следующей методикой. Разложим e s( ) в ряд Тейлора в окрестности точки s 0

e s c c scs

cs( )

! ! 0 1

2 2 3 3

2 3 , (7.4)

где cd

dssi

i

i e

s

( )0

, i 01 2, , ,. Тогда, подставляя (7.4) в (7.3) и переходя во времен-

ную область, получаем выражение установившейся ошибки при произвольном входном

воздействии

e t c g t cd

dtg t

c d

dtg t

c d

dtg ty ( ) ( ) ( )

!( )

!( ) 0 1

2

2

2

3

3

32 3 , (7.5)

где постоянные ci носят название коэффициентов ошибок. Если g t( ) изменяется дос-

Таблица 7.1

Образы Лапласа типовых задающих воздействий

Типовое

воздействие

Постоянное g t A( )

Линейно

возрастающее g t Vt( )

Квадратично

возрастающее

g tat

( )

2

2

Образ Лапласа G s( )

A

s

V

s2

a

s3

Рис 7.1. Система с единичной от-

рицательной обратной связью

Рис. 7.2. Возмущённая система управления

( f1— возмущение по управлению, f

2—

ошибка измерительного устройства).

Page 17: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

40

таточно медленно, то для приближенной оценки e ty ( ) можно использовать конечное

число членов ряда (7.5).

Замечание. Так как e s( ) является дробно-рациональной функцией, то коэффи-

циенты ошибок можно получить делением числителя e s( ) на знаменатель и сравне-

нием получающегося ряда с выражением (7.4).

В качестве универсальной характеристики точностных свойств систем управле-

ния используется понятие порядка астатизма (по отношению к входному воздей-

ствию). Система называется статической (или — с нулевым порядком астатизма), ес-

ли в выражении (7.5) c0 0 . Говорят, что система имеет k-й порядок астатизма, если

в выражении (7.5) ci 0 для всех 0 i k и ck 0 .

Для систем с единичной отрицательной обратной связью (см. рис. 7.1) порядок

астатизма может быть достаточно просто определен на основе анализа структурных

свойств системы. Так, система на рис.7.1 является статической (т.е. с нулевым поряд-

ком астатизма), если

lim ( )s W s k 0 ,

где k — общий коэффициент усиления разомкнутой системы. Для статической систе-

мы при постоянном входном воздействии g t A( ) имеем

lim

( )s sW s

A

s

A

k0

1

1 1.

Последнее выражение означает, что постоянное входное воздействие отрабатывается с

ненулевой установившейся ошибкой (с так называемой, статической ошибкой). При

линейно нарастающем входном воздействии g t Vt( ) имеем

lim( )

lims ssW s

V

s k

V

s0 2 0

1

1

1

1,

откуда следует, что линейно возрастающее задающее воздействие отрабатывается ста-

тической системой с неограниченно растущей ошибкой.

Система на рис.7.1 является астатической, если

lim ( )s W s 0

и передаточная функция разомкнутой системы W s( ) может быть представлена в виде

W ssW sr( ) ( ) 1

,

где W s — передаточная функция статической системы (т.е. lim ( )s W s k

0 ).

При этом число r соответствует порядку астатизма.

Для системы с первым порядком астатизма при постоянном входном воздей-

ствии g t A( ) имеем

Page 18: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

41

Таблица 7.2

Соответствие порядка астатизма предельному значению

установившейся ошибки слежения

Порядок

астатизма

Постоянное g t A( )

Линейно

возрастающее g t Vt( )

Квадратично

возрастающее

g tat

( )

2

2

0 A

k1

1

0 V

k

2

0

0 a

k

lim( )

lim( )

lims s ssW s

A

s W s

s

As

s kA0 0 0

1

1

1

1

0 ,

а при линейно нарастающем воздействии g t Vt( )

lim( )

lims ssW s

V

s

s

s k

V

s

V

k0 2 0

1

1.

Таблица 7.2 демонстрирует соответствие между порядком астатизма и предель-

ным значением установившейся ошибки слежения.

Аналогичным образом может быть введено понятие порядка астатизма по воз-

мущающему воздействию. Особо отметим, что порядок астатизма по задающему воз-

действию, в общем случае, не соответствует порядку астатизма по возмущению. В ка-

честве примера рассмотрим задачу стабилизации ( g t( ) 0) системы, представленной

на рис.7.2, где H s s( ) / 1 — передаточная функция регулятора, W s( ) — передаточная

функция объекта управления ( lim ( )s W s k 0 ), f t1( ) — возмущение по управлению,

f t2 ( ) — ошибка измерительного устройства, рассматриваемая в качестве возмущения

по выходу. Очевидно, что замкнутая система по задающему воздействию обладает по-

рядком астатизма, равным единице.

На основе анализа структурной схемы системы можно записать

e g y y W s fsf y W s f

sf e

1 2 1 2

1 1

или

( ( )) ( ) ( )11 1

1 2 sW s e W s f

sW s f .

Предельное значение установившейся ошибки

при различных видах задающего воздействия

Page 19: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

42

После элементарных преобразований окончательно получаем

eW s

sW s

fsW s

sW s

fsW s

s W sf

W s

s W sf

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )11

1

111 2 1 2 .

Пусть возмущения f t F1 1( ) и f t F2 2( ) являются постоянными. Тогда

lim

( )

( )

( )

( )s ssW s

s W s

F

ssW s

s W s

F

sF0

1 2

2 .

Таким образом, возмущение f 2 дает статическую ошибку (величина которой не

зависит от параметров системы управления), а влияние возмущения f1 полностью ком-

пенсировано. В общем случае, факт наличия или отсутствия установившейся ошибки

должен быть определен для каждого действующего на систему возмущения на основе

анализа соответствующих передаточных функций от возмущения к ошибке, вне зави-

симости от порядка астатизма системы по задающему воздействию.

Порядок выполнения работы.

1. Исследование системы с астатизмом нулевого порядка. Структура системы

представлена на рис.7.3, где H s k( ) . Варианты передаточной функции объекта

управления W s( ) , а также характеристики задающего воздействия g t( ) приведены в

табл.7.3.

1.1. Исследование стационарного режима работы: g t A( ) . Получить переход-

ные процессы для трех различных значений коэффициента k и определить предельное

значение установившейся ошибки .

Значения коэффициента k (здесь и во

всех последующих пунктах): 1, 5, 10.

1.2. Исследование режима дви-

жения с постоянной скоростью:

g t Vt( ) . Получить переходные про-

цессы для различных значений коэф-

фициента k . Интервал наблюдения —

30 секунд.

2. Исследование системы с

астатизмом первого порядка. Структура системы представлена на рис.7.3, где

H s k s( ) / . Варианты передаточной функции объекта управления W s( ) , а также ха-

рактеристики квадратично нарастающего задающего воздействия g t at( ) / 2 2 приве-

дены в табл.7.4. Характеристики постоянного и линейно нарастающего задающих воз-

действий взять из табл.7.3.

2.1. Исследование стационарного режима работы: g t A( ) . Получить переход-

ные процессы для различных значений коэффициента k и определить предельное зна-

чение установившейся ошибки .

2.2. Исследование режима движения с постоянной скоростью: g t Vt( ) . Полу-

чить переходные процессы для различных значений коэффициента k и определить

предельное значение установившейся ошибки . Интервал наблюдения — 30 секунд.

Рис. 7.3. Структурная схема моделируемой

системы

Page 20: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

43

2.3. Исследование режима движения с постоянным ускорением: g t at( ) / 2 2 .

Получить переходные процессы для различных значений коэффициента k . Интервал

наблюдения — 30 секунд.

3. Исследование влияния внешних возмущений.

3.1. В соответствии с вариантом задания (см. табл.7.5 и рис.7.4) собрать схему

моделирования возмущенной системы. При этом вид передаточной функции W s( )

взять из табл.7.3.

3.2. Полагая f t2 0( ) и g t t( ) ( ) 1 , получить переходной процесс и определить

предельное значение установившейся ошибки .

3.3. Полагая f t1 0( ) и g t t( ) ( ) 1 , получить переходной процесс и определить

предельное значение установившейся ошибки .

4. Исследование установившейся ошибки при произвольном входном воздей-

ствии. Структура системы представлена на рис.7.3, где H s( ) 1. Варианты передаточ-

ной функции W s( ) взять из табл.7.3, а вид задающего воздействия g t( ) из табл. 7.6.

4.1. Получить переходной процесс в замкнутой системе и определить (по графи-

ку) установившуюся ошибку слежения e ty ( ) .

4.2. Получить приближенное аналитическое выражение для e ty ( ) , сохранив в

ряде Тейлора (7.5) три первых члена. Построить график e ty ( ) в соответствии с полу-

ченным аналитическим выражением (использовать для этого блок нелинейных функ-

ций Fnc).

Содержание отчета.

1. Структурные схемы моделируемых систем и графики переходных процессов.

2. Графики экспериментально полученных зависимостей предельных значений

установившейся ошибки от коэффициента k (пункты 1.1, 2.1 и 2.2 порядка выполне-

ния работы). Аналитическое подтверждение полученных результатов.

3. Аналитический расчет установившихся ошибок в возмущенной системе.

4. Аналитический расчет и графики расчетной и экспериментально определен-

ной установившейся ошибки слежения при произвольном входном воздействии (см.

пункт 4.3 порядка выполнения работы).

5. Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы.

1. Можно ли использовать конечное число членов ряда (7.5) для приближенной

оценки установившейся ошибки слежения за задающим воздействием вида g t t( ) sin ? 3 3

2. Пусть k — общий коэффициент усиления разомкнутой системы с нулевым

порядком астатизма. Чему равен коэффициент c0 в формуле (7.5)?

3. Можно ли компенсировать ошибку измерительного устройства f 2 (см.

рис.7.2), повысив порядок астатизма системы по задающему воздействию?

4. Определить предельное значение установившейся ошибки в системе, пред-

ставленной на рис.7.2, если g t t( ) ( ) 1 , f t t1 2( ) а f t2 0( ) .

Таблица 7.3

Варианты параметров систем с нулевым порядком астатизма

Page 21: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

44

Вариант W s( ) g A

g Vt

Вариант W s( ) g A

g Vt

1

2

3 1s

1

0,5t

7

1

2 3 12s s

1

1,5t

2

3

2 5 1, s

2

2t

8

2

0 5 2 12, s s

1

2t

3

15

0 5 1

,

, s

2

4t

9

2

0 5 22, s s

2

2t

4

15

2 12

,

s s

1

t

10

8

0 5 2 82, s s

2

t

5

1

22s s

2

2t

11

1

0 5 1 12, s s

2

2t

6

5

5 62s s

1

t

12

1

01 0 7 12, ,s s

4

2t

Таблица 7.4

Варианты параметров систем с первым порядком астатизма

Вариант

W s( )

g at 2 2/

Вариант

W s( )

g at 2 2/

1

2

3 1s

0 25 2, t

7

s

s s

1

2 3 12

0 25 2, t

2

3

2 5 1, s

0 5 2, t

8

s

s s

2

0 5 2 12,

0 2 2, t

3

15

0 5 1

,

, s

0 2 2, t

9

s

s s

2

0 5 22,

0 5 2, t

4

s

s s

15

2 12

,

0 4 2, t

10

15 8

0 5 2 82

,

,

s

s s

0 3 2, t

5

s

s s

1

22

0 3 2, t

11

s

s s

1

0 5 1 12,

0 45 2, t

6

s

s s

5

5 62

0 45 2, t

12

s

s s

1

0 1 0 7 12, ,

0 4 2, t

Таблица 7.5

Варианты возмущенных систем

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Параметры

сигнала задания

Параметры

сигнала задания

Page 22: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

45

Структура

системы

(см. рис.7.4)

а)

а)

а)

б)

б)

б)

в)

в)

в)

г)

г)

г)

f1 1 0,5 -0,5 2 -0,5 -1 -0,25 -0,5 2 1,5 -0,5 0,5

f2

-0,5 0,5 1 1 0,25 0,5 1 -0,5 0,5 -0,5 0,25 -0,4

Таблица 7.6

Варианты сигнала задания

Вариант Сигнал задания Вариант Сигнал задания Вариант Сигнал задания

1 2 3 0 5 sin , t 5 t t 0 5 0 5, cos , 9 2 01 2 , t

2 0 2 0 52, sin ,t t 6 0 6 0 2 2, ,t t 10 5 t

3 0 5 2 01, cos ,t t 7 3 0 6 0 4 , sin , t 11 0 3 2 0 8, sin ,t t

4 0 4 0 2 2, ,t t 8 2 0 5 , t 12 2 0 5 cos , t

Рис. 7.4.Структурные схемы возмущённых систем.

а) б)

в) г)

Page 23: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы. Изучение математических моделей и исследование характеристик

электромеханического объекта управления, построенного на основе электродвигателя

постоянного тока независимого возбуждения.

Методические рекомендации. До начала работы студенты должны получить от

преподавателя вариант задания. К выполнению работы допускаются студенты, рассчи-

тавшие параметры математических моделей ЭМО (см. п.1 порядка выполнения рабо-

ты). Лабораторная работа рассчитана на 2 часа.

Теоретические сведения. Функциональная схема типичного электромеханиче-

ского объекта (ЭМО) представлена на рис.10.1. Она включает усилительно-

преобразовательное устройство (УПУ), электродвигатель (ЭД), редуктор (Р) и исполни-

тельный механизм (ИМ). Усилительно-преобразовательное устройство служит для

формирования напряжения, подаваемого на двигатель в соответствии с управляющим

сигналом. Электродвигатель осуществляет преобразование электрической энергии в

механическую. Редуктор снижает скорость вращения и повышает момент двигателя на

валу ИМ. В качестве исполнительного механизма могут выступать механизмы станков,

роботов, поточных линий, рулевые устройства летательных аппаратов, подвижные эле-

менты автоматического оборудования и приборов. Для получения информации о состо-

янии объекта, используемой в устройстве управления, ЭМО может снабжаться различ-

ными измерительными устройствами: углового или линейного перемещения (измери-

тели перемещения — ИП), угловой или линейной скорости (измерители скорости —

ИС), измерителями тока якоря и напряжения усилителя мощности.

Рис.10.1 Функциональная схема ЭМО

Page 24: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

54

В работе рассматривается электромеханический объект управления, выходным

сигналом которого является угловое перемещение ИМ, а управляющим сигналом —

входное напряжение УПУ. Измерение угловой скорости осуществляется на валу двига-

теля. Момент сопротивления MCM , приложенный к валу ИМ, выступает в качестве

возмущающего воздействия.

Модель ЭМО. В соответствии с законом Ома, для электрической цепи двигателя

получаем следующее уравнение

U E IR LdI

dtУ , (10.1)

где U y — напряжение, подаваемое на двигатель, E kE — противо-ЭДС, I — ток,

якоря, R и L— сопротивление и индуктивность цепи якоря, kE — коэффициент ЭДС

(первая конструктивная постоянная), — угловая скорость ротора. Обозначив

T LRЯ , K RД 1 , уравнение (10.1) можно записать в виде

TdI

dtI K U kЯ Д У E . (10.2)

Уравнение вращения якоря электродвигателя имеет вид

M M Jd

dtД C

, (10.3)

где M k IД М — вращающий момент двигателя, kM — коэффициент момента (вторая

конструктивная постоянная), J — момент инерции, приведенный к валу двигателя,

MC — момент сопротивления, приведенный к валу двигателя. Скорость вращения и

угол поворота ротора связаны соотношением

d

dt

. (10.4)

Редуктор обеспечивает усиление момента двигателя и соответствующее сниже-

ние скорости вращения нагрузки

M i МM Д р ,

M i

р

,

M i

р

, (10.5)

где iР — передаточное отношение редуктора, MM — вращающий момент на выходном

валу редуктора (т.е. момент, приложенный к исполнительному механизму), M — уг-

ловая скорость вращения выходного вала редуктора, M — угол поворота исполни-

тельного механизма (нагрузки) При этом справедливо и обратное преобразование от

выходного вала к входному M M iC CM P / . При наличии редуктора момент инерции,

приведенный к валу двигателя, определяется по формуле

J J JJ

iД P

M

P

2 , (10.6)

Page 25: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

55

где J Д — момент инерции двигателя, J P — приведенный момент инерции редуктора,

JM — момент инерции исполнительного механизма (нагрузки).

Усилительно-преобразовательное устройство с высокой степенью точности мо-

жет быть представлено апериодическим звеном

TdU

dtU k Uу

y

y y , (10.7)

где U — входное напряжение УПУ, Ty и k y — постоянная времени и коэффициент

усиления УПУ, соответственно. Требуемый коэффициент усиления k y определяется

как отношение номинального напряжения двигателя UH к максимальному напряжению

Um на входе усилительно-преобразовательного устройства kUUy

H

m , (обычно

U Вm 10 ).

Измерительные устройства будем считать безынерционными. На выходе изме-

рительных устройств формируются измеренные значения напряжения U y , тока I ,

скорости и угла поворота M

U K Uy U y , I K II , K , M MK . (10.8)

Коэффициенты передачи измерительных устройств KU , KI , K и K должны обеспе-

чить соответствие максимального значения измеряемого сигнала уровню 10 В на выхо-

де измерительного устройства.

Таким образом, математическая модель ЭМО полностью описывается уравне-

ниями (10.1)-(10.8). Структурная схема ЭМО приведена на рис.10.2.

Упрощенная модель ЭМО. Часто электрические постоянные времени усилителя

Ty и ЭД TЯ значительно меньше, чем механическая постоянная времени TM . В этом

случае для упрощения математической модели пренебрегают малыми постоянными

времени, заменяя апериодические звенья первого порядка с передаточными функциями

Рис.5.2 Структурная схема ЭМО

Page 26: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

56

W sK

T s

Д

Я

1 1( )

и W s

K

T s

y

y

2 1( )

пропорциональными звеньями с коэффициентами пе-

редачи KД и Ky , соответственно. Таким образом, упрощенная модель ЭМО имеет вид,

приведенный на рис.5.3, где KK

k i

y

E P

, KR

k k if

M E P

2 , TRJ

k kM

M E

.

Порядок выполнения работы.

1. Изучить математические модели ЭМО (полную и упрощенную) и для задан-

ного варианта (см. табл.10.1) рассчитать их параметры. При расчете параметров приве-

денный момент инерции редуктора считать J JP Д 02. . Коэффициент kE рассчитыва-

ется исходя из формулы скорости вращения холостого хода OH

E

Uk (обратите

внимание, что в табл.10.1 частота вращения холостого хода nO измеряется в "оборотах

в минуту").

2. Составить схему моделирования полной модели ЭМО и получить графики

переходных процессов для U y , I , , M при MCM 0 Нм и U В 5 . Время модели-

рования должно быть выбрано таким, чтобы обеспечить наилучшее представление пе-

реходного процесса.

3. Исследовать влияние момента сопротивления MCM на вид переходных про-

цессов. Для этого получить графики переходных процессов по U y , I , и M при

различных значениях момента сопротивления MCM . Диапазон изменения MCM : от 0

Нм до величины, равной i MP H . По временным диаграммам определить время пере-

ходного процесса tП и установившиеся значения скорости y и тока I y .

4. Исследовать влияние момента инерции нагрузки JM на вид переходных про-

цессов. Определить время переходного процесса tП и установившиеся значения y и

I y . Диапазон изменения момента инерции: 50 00 от заданного значения.

5. Исследовать влияние передаточного отношения редуктора iP на вид переход-

ных процессов (при изменении iP учесть, что будет меняться и приведенный момент

инерции, см. формулу (10.6)). Исследования проводить при величине момента сопро-

тивления MCM , равного половине максимального значения (см. п.3), рассчитанного для

заданного значения iP , и при MCM 0 . Диапазон изменения передаточного отноше-

ния: 75 00 от заданного значения.

Рис. 5.3 Структурная схема упрощенной модели ЭМО.

Page 27: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 - ifmo.rucsi.ifmo.ru/netcat_files/multifile/2536/Laboratornye_po...Лабораторная работа рас-считана на 2 часа.

57

6. Получить графики переходных процессов при меньших значениях постоян-

ных времени: Ty ,TЯ —уменьшить на порядок.

7. Собрать схему моделирования приближенной модели ЭМО и получить гра-

фики переходных процессов для измеренных значений M , M при MCM 0 . Проана-

лизировать погрешности, вызванные упрощением модели, для чего результаты иссле-

дования сопоставить с данными, полученными в п.2. и в п.6.

Содержание отчета

1. Расчет параметров математической модели двигателя.

2. Схемы моделирования.

3. Графики переходных процессов по U y , I , , M и данные, полученные по

этим графикам.

4. Вывод математических моделей вход-состояние-выход для полной и упро-

щенной схем моделирования ЭМО.

5. Выводы.

Вопросы к защите лабораторной работы

1. Какое назначение имеет усилительно-преобразовательное устройство?

2. Какой передаточной функцией описывается редуктор?

3. Рассчитать момент сопротивления на валу двигателя (см. рис.10.1), если из-

вестны масса подвешенного груза и диаметр барабана ИМ.

4. Какая размерность коэффициентов передачи K и K f упрощенной модели

двигателя?

5. Какие параметры математической модели ЭМО влияют на время переходного

процесса?

6. На основе структурной схемы (рис.10.2) получите методом структурных пре-

образований передаточную функцию ЭМО от U к M (от MC к M ).

7. В каком случае возможно использование упрощенной математической модели

ЭМО?

Таблица 10.1

Варианты задания.

№ вар. U H

В

n0

об/мин

IH

A

MH

Нм

R Ом

мс

J Д

кг м2

мс

iP JM

кг м2

1 27 600 1,4 0,6 6,6 6 1,5.10

-3 4 15 0,05

2 48 1000 12 5,5 0,75 5 1,6.10

-3 6 16 2,75

3 36 4000 6,5 0,57 0,85 3 2,2.10

-4 6 40 0,15

4 27 970 3,76 1 1,5 6 0,001 8 16 0,84

5 120 6000 21 4 0,53 8 1,9.10

-3 8 40 5,75

6 27 2500 0,92 0,12 16,6 7 7.10

-5 4 50 0,01

7 52 1240 18 7,21 0,3 10 0,004 10 20 2,48

8 110 2400 11,5 5 0,95 7 2.10

-3 8 20 3,7

9 27 2440 0,38 0,04 32 6 5,5.10

-6 3 40 0,03

10 65 2000 14,7 4,6 0,65 10 3,4.10

-3 8 20 2,25

11 27 1975 1,23 0,16 4,2 5 7.10

-5 8 25 0,15

12 27 646 10 4 0,72 2 0,003 10 10 1,6