Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «основы автоматики и сау» (стр. 3 из 8)
Следует иметь в виду, что реальная зависимость
из-за нелинейности статической (дискриминационной) характеристики фазового дискриминатора описывается нелинейной нечетной функцией. При этом экспериментально удается получить лишь фрагмент зависимости 
, на котором следует выявить линейный участок для расчета коэффициента 
.Для качественной оценки быстродействия и степени колебательности переходных процессов в системе ФАПЧ в цепи входного сигнала предусмотрена фазосдвигающая цепь, включаемая тумблером «Скачок фазы».
В полной комплектации система ФАПЧ содержит не один, а два интегратора: подключается двигатель, управляющий ротором конденсатора переменной емкости, который, в свою очередь, включен во времязадающую цепь управляемого генератора. При этом сохраняется и основной канал управления частотой генератора с помощью реактивного элемента, также включенного во времязадающую цепь управляемого генератора. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается устойчивость системы ФАПЧ второго порядка астатизма. Функция передачи такой системы в разомкнутом состоянии имеет вид:
Замечание: включение двигателя выполняет лаборант или преподаватель.
3.2. Задание по работе
1. Выполнить исследование системы ФАПЧ первого порядка астатизма. Для этого следует
1) снять экспериментальную зависимость
; для построения графика требуется 3-5 точек при расстройке частоты в одну сторону и столько же точек – в другую; результаты свести в таблицу и построить график;2) на графике
выявить линейный участок, для которого рассчитать экспериментальное значение ; результат согласовать с преподавателем;3) используя найденное значение
, построить асимптотические ЛХ для 3-х вариантов включения системы ФАПЧ первого порядка астатизма (все ЛХ построить на одном графике для удобства сравнения);4) оценить качество переходных процессов для всех 3-х вариантов системы; зарисовать схемы корректирующих цепей и указать быстродействие и степень колебательности переходных процессов в системе ФАПЧ при включении этих цепей;
5) сопоставить расчетные (построенные с помощью ЛХ) и экспериментальные характеристики переходных процессов.
2. Выполнить исследование системы ФАПЧ второго порядка астатизма. Для этого следует
1) при выключенном двигателе вручную установить ротор конденсатора переменной емкости в среднее положение;
2) выполнить грубое сведение частот генераторов и обеспечить ввод системы в режим слежения (без цепей последовательной коррекции);
3) включить двигатель и плавно изменяя частоту внешнего генератора ручкой «Расстройка» убедиться
- в наличии реакции конденсатора переменной емкости на изменении частоты генератора;
- в отсутствии ошибки слежения при постоянной расстройке частоты генератора (по фигуре Лиссажу);
- в наличии ошибки слежения при изменении частоты генератора (при повороте ручки генератора «Расстройка»);
4) изобразить структурную схему формирующего фильтра для ситуации Δf=const и объяснить причины изменения свойств системы ФАПЧ при включении двигателя.
3.3. Содержание отчета
1. Функциональная схема системы ФАПЧ (первого и второго порядка астатизма), схемы корректирующих элементов с указанием номиналов резисторов и емкостей, функции передачи разомкнутой системы для всех исследуемых вариантов.
2. Таблица и график зависимости
, расчет и постоянных времени корректирующих элементов.3. Асимптотические ЛХ для 3-х вариантов построения системы ФАПЧ первого порядка астатизма.
4. Сравнительные характеристики переходных процессов и их объяснение.
5. Структура формирующего фильтра для ситуации Δf=const и объяснение эффектов синхронности (равенства частот) и синфазности (
) входного и выходного сигналов системы ФАПЧ второго порядка астатизма.3.4. Контрольные вопросы
1. Как работают функциональные элементы системы ФАПЧ и вся система в целом?
2. Какой параметр входного сигнала является информативным для системы ФАПЧ?
3. Какой вид имеет структура формирующего фильтра в случае Δf(t)=0, Δf(t)=const, Δf(t)=vt? Какой вид имеет структура согласованной САУ?
4. Как изменяются свойства системы ФАПЧ при увеличении (уменьшении) коэффициента усиления
?5. С какой целью включаются корректирующие элементы в системе ФАПЧ первого порядка астатизма?
6. Как изменяются свойства системы ФАПЧ при увеличении порядка астатизма?
7. Что произойдет с системой ФАПЧ, если при включенном двигателе отключить реактивный элемент?
4. Исследование привода с тахометрической обратной связью
(лабораторная работа 4)
Цель работы:
1) изучение характеристик электрического двигателя;
2) исследование возможностей изменения динамических свойств САУ методом коррекции с помощью местной обратной связи;
3) ознакомление с аппаратными способами линеаризации САУ.
4.1 Описание лабораторной установки
Лабораторная установка содержит (рис.1) двигатель (Д), подключенный к нагрузке через редуктор (Р), элементы коррекции, вольтметры и осциллограф (индикаторы на рисунке не показаны). Выходной величиной исследуемой системы является угол поворота вала на выходе редуктора φ. Элементы коррекции включают в себя тахогенератор (Т) (его вал механически связан с валом двигателя), усилитель (У) и вычитающий элемент. Тахогенератор представляет собой высокоточный измерительный прибор, обладающий линейной зависимостью выходного напряжения UT от угловой скорости вращения вала Ω. Напряжение управления двигателем UУ либо снимается с выхода усилителя У, либо подается непосредственно с вычитающего элемента.
Рис.1
С помощью вольтметров контролируются входное напряжение UВХ и напряжение тахогенератора UT . Для измерения длительности переходных процессов используется осциллограф, подключенный к выходу тахогенератора.
Лабораторная установка работает в 2-х режимах:
- режим исследования характеристик двигателя (цепь обратной связи размыкается, усилитель отключается);
- режим исследования привода с тахометрической обратной связью (функционируют все элементы лабораторной установки).
Непосредственное использование электрического двигателя в качестве привода механических элементов САУ (антенных систем, устройств управления частотой генератора и т.п.) затруднено следующими обстоятельствами:
1) Двигатель имеет функцию передачи
,где KДВ – коэффициент усиления двигателя; τДВ – постоянная времени двигателя.
Апериодическое звено, входящее в состав
, обусловлено наличием момента инерции ротора двигателя и нагрузки, который и определяет величину постоянной времени τДВ (чем больше мощность двигателя , тем больше τДВ). В САУ инерционные звенья с большой постоянной времени нежелательны, поэтому параметр τДВ необходимо снизить до пренебрежимо малой величины.2) Статическая характеристика двигателя, связывающая входное напряжение UУ и скорость вращения вала Ω существенно нелинейная (особенно нежелательна нелинейность типа «зона нечувствительности», обусловленная силами трения). Используемый в составе САУ привод должен иметь линейную характеристику, причем размер зоны нечувствительности необходимо также уменьшить до пренебрежимо малой величины.
Первая задача решается следующим образом. Функция передачи привода с тахометрической обратной связью равна:
,где
коэффициент усилителя У; 
функция передачи тахогенератора; 
и 
коэффициент усиления и постоянная времени тахогенератора.Поскольку тахогенератора устройство малоинерционное, то в интересующей нас частотной области допустима аппроксимация вида:
.Подстановка в выражение для
функций передачи 
и 
приводит к результату: