Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплинам "Электромеханические системы" (стр. 6 из 8)
4. В режиме "Статическая характеристика" выбрать шаг между двумя точками регулировочной характеристики (рекомендуется взять достаточно большим 0.05…0.1 с, так как предварительные измерения нужны только для определения оптимальных значений вспомогательных параметров: времени на переходный процесс; времени на измерение скорости; частоты ШИМ). Снять регулировочную характеристику
(при увеличении управляющего воздействия и для одного направления вращения двигателя). Перед снятием характеристики задать все необходимые параметры: частоту ШИМ выбрать в середине допустимого диапазона (весь диапазон допустимых частот ШИМ от 500 Гц до 20 кГц), например, 10 кГц; время, отводимое на переходный процесс, задать по результатам исследования в п. 3. Изменяя время, отводимое на измерение скорости вращения вала двигателя, изучить влияние этого параметра на точность измерения (снять характеристики для нескольких значений этого времени, например, 0.001, 0.01, 0.1, 1, 2 с): при малых значениях может наблюдаться нестабильность в данных измерений, появление помех. Оптимальные значения параметров зафиксировать для использования при дальнейших исследованиях.5. Исследовать влияние частоты ШИМ на вид регулировочной характеристики. Для этого снять семейство регулировочных характеристик при разных значениях частоты ШИМ из допустимого диапазона (отличающихся друг от друга в 2…5 раз от 500 Гц до 20 кГц). Зафиксировать значение, при котором характеристика наиболее близка к линейной, и использовать его при дальнейших исследованиях.
6. Более точно (с меньшим в 10…20 раз, чем в п. 4, шагом) снять регулировочную характеристику для вращения двигателя вперед и назад. По полученным графикам определить основные параметры характеристики: зону линейности, коэффициент наклона в линейной зоне, уровень насыщения, параметры зоны нечувствительности ("мертвой зоны") и гистерезиса.
7. Используя режим "Переходный процесс", изучить характер переходных процессов в разомкнутой системе. Необходимо снять несколько процессов для различных условий: разгон от нуля до максимального значения, разгон от нуля до »70 % максимального значения, разгон от »30 до »70 % значения воздействия. По полученным данным определить электромеханическую постоянную времени двигателя
.Оформление отчета
Результаты выполненной работы должны быть представлены в виде отчета, содержащего:
1. Принципиальную схему исследуемой системы.
2. Структурную схему разомкнутой системы с передаточными функциями отдельных элементов.
3. Результаты предварительного исследования и определения значений времени, отводимого на переходный процесс, времени на измерение скорости, частоты ШИМ по пп. 3–5.
4. Семейство регулировочных характеристик по п. 6 и определенные по ним коэффициенты передачи усилителя-преобразователя
5. Определение электромеханической постоянной времени двигателя
по результатам выполнения п. 7.6. Математические модели системы управления – линейную и нелинейную.
7. Выводы по работе.
II ЭТАП
Целью второго этапа работы являются:
1. Изучение возможных вариантов построения систем прямого цифрового управления с датчиком перемещения ЛИР-20, сравнение вариантов.
2. Расчет регуляторов системы прямого цифрового управления для разных вариантов структурной организации (одно- и двухконтурной систем).
3. Исследование статических и динамических характеристик системы прямого цифрового управления как позиционной системы при отработке малых, средних и больших перемещений.
4. Исследование характеристик системы при типовых воздействиях
и 
.Общие указания
При исследовании элементов структуры указанной системы (I ЭТАП) была обоснована возможность представления математической модели системы как непрерывной. При решении задач анализа и синтеза системы будем рассматривать ее как линейную. Структурная схема одноконтурной системы регулирования положения, представленная на рис. 3.5, содержит все ранее перечисленные элементы, а также: РП – регулятор положения, передаточную функцию которого необходимо определить в ходе расчета,
; БВУ – блок вычисления угла, 
.Рис. 3.5
 |
Представление математических моделей элементов системы указанными передаточными функциями обусловлено тем, что якорная постоянная времени двигателя
много меньше электромеханической постоянной времени двигателя 
( 
), а также большинство элементов (УП, ДАТ, РЕД, БВУ) имеют малые постоянные времени. Чтобы учесть все эти малые постоянные времени, некомпенсируемую часть системы представим эквивалентным апериодическим звеном с постоянной времени, равной сумме всех малых постоянных времени 
. Данное звено может быть объединено с любым из звеньев системы, например с двигателем. В этом случае передаточная функция двигателя будет иметь вид 
.Следует учитывать, что существенное влияние на значение некомпенсируемой постоянной времени Tμ оказывает дискретность датчика, а также задержки, возникающие в ПЭВМ (время реакции на прерывание, время на переключение задач, время на вычисление управляющего воздействия, время на обмен с платой ЛА-ТМР и т. д.). Задержка, возникающая из-за дискретности датчика, зависит от скорости вращения вала двигателя (определяется временем, проходящим между двумя импульсами от датчика), при малых скоростях она возрастает. Причем, с целью повышения точности измерения производится усреднение значений скорости, полученных в результате нескольких измерений.
Учитывая все эти обстоятельства, в первом приближении можно принять значение некомпенсируемой постоянной времени контура положения
.Синтез замкнутой системы можно провести исходя из требований минимального времени регулирования, что соответствует настройке контура на модульный оптимум. Известно, что в этом случае необходимо обеспечить передаточную функцию разомкнутого контура в виде
. (3.3)Передаточная функция разомкнутого контура в соответствии с рис. 3.5 будет
,откуда
. (3.4)Подставив в (3.4) передаточные функции всех звеньев, а также
из (3.3), получим передаточную функцию регулятора
. (3.5)Получили ПД-регулятор, который физически нереализуем, так как степень полинома числителя выше степени полинома знаменателя. Проанализируем возможность замены ПД-регулятора на П-регулятор, т. е. примем
. Запишем передаточную функцию разомкнутой системы для этого случая 
.Для упрощения дальнейших расчетов пренебрежем членом
и представим передаточную функцию разомкнутой системы в виде 
.Для анализа полученного результата запишем передаточную функцию замкнутого контура
Передаточная функция (3.6) может быть представлена в виде колебательного звена
,где
. (3.7)Известно, что при
= 1 переходный процесс в системе является апериодическим, а при 
= 0.707 перерегулирование в системе составляет 4.3 %, а время переходного процесса минимально. Исходя из этого условия, используя (3.7), можно найти коэффициент передачи регулятора положения
. (3.8)  |
Известно, что управление электродвигателями постоянного тока часто реализуется по принципу подчиненного регулирования. Для системы регулирования положения в общем случае требуется построение трехконтурной системы, содержащей контуры тока, скорости и положения. При построении маломощных систем (как в данном случае) можно отказаться от реализации контура тока, перейдя, таким образом, к двухконтурной системе, структурная схема которой, представленная на рис. 3.6, кроме известных элементов содержит также: БВС – блок вычисления скорости; датчик ω – датчик скорости; датчик α – датчик положения.
Как уже отмечено в указаниях к данной работе по I этапу, скорость вычисляется путем измерения времени между двумя импульсами датчика. Известно, что датчик выдает 1000 импульсов за один оборот, т. е. одно расстояние между двумя штрихами составляет 21.6 угловых мин. Следует учитывать, что погрешность нанесения штрихов в датчике составляет 150 угловых с, или
. Это означает, что и значение скорости рассчитывается с точностью около 12 %. Причем характер изменения этой погрешности случаен и, как показали измерения, расстояние между соседними штрихами может отличаться даже более чем на 12 % (так как погрешность может иметь разный знак для соседних промежутков между штрихами). Дополнительную погрешность в измерение скорости вносит то обстоятельство, что время реакции на прерывания в ПЭВМ также случайно и может изменяться в широких пределах (в среднем от 10 до 200 мкс, в отдельных случаях до нескольких миллисекунд). В результате воздействия этих факторов вычисленные значения скорости в двух последовательных тактах могут отличаться на 15…20 %, что делает практически невозможным работу контура скорости. С целью уменьшения влияния этих "помех" программное обеспечение лабораторного стенда производит цифровую фильтрацию сигнала скорости. Моделирование и экспериментальные исследования позволили оценить значение постоянной времени полученного фильтра как 0.055 с. Следует однако отметить, что данный фильтр сильно нелинейный и рассматривать его как апериодическое звено можно только в первом приближении.