Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «основы автоматики и сау» (стр. 1 из 8)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
“ЛЭТИ” имени В.И.Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Методические указания
к лабораторным работам по дисциплине
«ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И САУ»
Санкт-Петербург
2007
УДК 621.37/39 (076)
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
«Основы автоматики и САУ»/ Сост.: А.И.Соколов, К.К.Бехтерев; СПбГЭТУ. – С.-Пб., 2007 – 32с.
Приведено описание восьми работ стандартного лабораторного цикла дисциплины. Содержатся сведения о принципах построения моделей устройств автоматического управления и порядке их исследования. Изложена методика проведения исследований физических и математических моделей изучаемых в дисциплине систем. Предназначено для студентов радиотехнических специальностей.
Утверждено редакционно-методическим советом университета в качестве методических указаний
Введение
Представленные в данном методическом пособии работы обеспечивают лабораторную поддержку для основных разделов дисциплины «Основы автоматики и САУ». При одновременных лекционном и лабораторном курсах рекомендуется лабораторный цикл начать с выполнения первых 4-х работ. Центральное место в этой части цикла занимают первые 2 работы, связанные с исследованием одной и той же САУ разными средствами: исследование физической модели САУ (2 часа) и исследование математической модели САУ с помощью ЭВМ (4 часа). В первой работе основное внимание уделяется построению асимптотических логарифмических характеристик (ЛХ), а также исследованию переходных и частотных характеристик САУ. Во второй работе студенты знакомятся с такими инструментами исследования САУ, как точные ЛХ, распределение полюсов передаточной функции, переходные характеристики и амплитудно-фазовые характеристики (АФХ), а также осваивают методы коррекции САУ. Следующие две работы дополняют начальный мини-цикл, давая возможность студентам познакомиться с устройствами радиоавтоматики и углубить свои знания в вопросах системного характера. Последовательность выполнения работ мини-цикла может быть любой. Остальные 4 работы рекомендуются к исполнению при наличии достаточной лекционной поддержки. Эти работы связаны с анализом помехоустойчивости САУ, их параметрической оптимизацией и исследованием влияния нелинейных элементов на основные показатели качества изучаемых систем.
1. Исследование простейшей САУ - физическая модель
(лабораторная работа 1)
Цель работы:
1) экспериментальное определение показателей качества САУ и
установление их связи со структурой и параметрами САУ;
2) приобретение навыков работы с ЛХ.
1.1. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из физической модели САУ, генератора сигналов и осциллографа и позволяет исследовать переходные и частотные характеристики системы. Физическая модель САУ включает в себя неизменную часть: амплитудный дискриминатор (вычитающий элемент), электронный интегратор (усилитель с частотнозависимой отрицательной обратной связью) и
изменяемую часть: четырехполюсник, структура которого задается с помощью переключателя, а параметры изменяются переменным резистором.
Передаточная функция электронного интегратора содержит усилительное звено и апериодическое звено, однако при большом коэффициенте усиления и исследовании САУ вблизи частоты среза ωСР допускается аппроксимация передаточной функции электронного интегратора вида: К/jω, где значение коэффициента К определяется параметрами частотнозависимой обратной связи.
В результате имеется возможность исследования 4-х типов САУ с передаточными функциями в разомкнутом состоянии:
, 
, 
, 
.Переходные характеристики наблюдаются на экране осциллографа при подаче на вход системы ступенчатого воздействия путем нажатия кнопки на макете (и ее удержании в нажатом состоянии в течение необходимого для наблюдения времени). Частотные характеристики исследуются при подаче на вход САУ сигнала от генератора. Частота сигнала устанавливается по шкале генератора, а амплитудные и фазовые соотношения исследуемых сигналов регистрируются по шкалам осциллографа.
1.2. Задание по работе
Для всех 4-х типов САУ (первые три типа САУ задаются переключателем при нулевом значении переменного резистора, 4-й тип САУ соответствует 3-й позиции переключателя при отличном от нуля значении переменного резистора) провести следующие расчеты и эксперименты.
1. Зарисовать схему лабораторной установки и записать номиналы ее элементов.
2. Построить асимптотические ЛХ для всех 4-х типов САУ (параметры передаточных функций должны соответствовать схеме, изображенной на макете). ЛХ всех САУ должны быть построены в одних координатных осях. С помощью ЛХ определить значения частоты среза ωСР и запаса устойчивости по фазе γ и по ним воспроизвести осциллограммы переходных процессов.
3. Записать характеристические уравнения САУ и построить распределения полюсов передаточных функций замкнутых систем на плоскости комплексной переменной.
4. Посмотреть на осциллографе и зарисовать экспериментальные переходные процессы, сопоставив их с расчетными.
5. Экспериментально определить значения ωСР и γ. Для этого изменять частоту гармонического входного сигнала до ωСР , при которой модуль передаточной функции разомкнутой системы равен единице;
. Значение fСР ( ωCР=2π fСР ) фиксируется при равенстве амплитуд входного и выходного напряжений разомкнутой системы (гнезда e и y на макете). Величина γ фиксируется при частоте ωCР по относительному смещению осциллограмм указанных напряжений (для САУ 1-го типа величина γ априори известна и она может использоваться в качестве «контрольной точки» эксперимента).6. Снять экспериментальные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) замкнутых САУ, фиксируя отношение амплитуд выходного и входного напряжений (гнезда y и g на макете). Частоту входного гармонического сигнала изменять от минимально возможного (близкого к нулю) значения до значений, при которых модуль функции передачи замкнутых САУ падает до уровня 0,1 (количество экспериментальных точек определяется ресурсом времени выполнения лабораторной работы). Обязательно обратить внимание и зафиксировать резонансные явления. Построить графики АЧХ в одних осях (для оси частот использовать линейный масштаб).
7. Сопоставить расчетные и экспериментальные данные и сделать заключение о
- соотношениях, связывающих время нарастания tН, перерегулирование σ% и степень колебательности μ переходных процессов от параметров ωCР и γ;
- связи ЛХ и переходных процессов с АЧХ САУ;
- связи переходных процессов с распределением полюсов передаточной функции замкнутых САУ.
1.3. Содержание отчета
1. Схема лабораторной установки с указанием номиналов ее элементов.
2. Функции передачи всех исследуемых систем в разомкнутом состоянии с указанием параметров.
3. Семейство ЛХ.
4. Распределения полюсов передаточных функций замкнутых САУ.
5. Семейство расчетных и экспериментальных переходных процессов.
6. Семейство АЧХ.
7. Расчетные соотношения для построения переходных процессов по ЛХ и рекомендации относительно их достоверности.
8. Выводы по результатам выполнения лабораторной работы.
1.4. Контрольные вопросы
1. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при увеличении (уменьшении) коэффициента К?
2. Как изменятся переходные процессы и АЧХ САУ при изменении постоянных времени T1…T4?
3. Каким образом влияет переменный резистор на переходные процессы САУ 4-го типа?
4. Какая связь существует между ЛХ и АЧХ?
5. В каком направлении следует изменять ЛХ и АЧХ для снижения колебательности системы?
6. Указать установившееся значение выходного напряжения САУ при g(t)=1(t) (ответ обосновать).
2. Исследование простейшей САУ - математическая модель
(лабораторная работа 2)
Цель работы:
1) определение показателей качества САУ путем моделирования на ЭВМ;
2) приобретение навыков коррекции САУ.
2.1. Моделирование САУ с помощью учебной программы «Classic»
Моделирование начинается с САУ, имеющей в разомкнутом состоянии функцию передачи
2.1.1. Ввод структурной схемы САУ
Программа «Classic» предоставляет пользователю стандартные возможности визуального моделирования систем на уровне структурной схемы. Типовым элементом среды является звено, доопределяемое необходимой для моделирования функцией передачи. Количество звеньев определяет пользователь (рекомендуется моделируемую САУ представить в виде последовательного соединения 3-х звеньев, два из которых используются для задания функции передачи исходной САУ и третье – для корректирующего элемента; кроме того, следует разместить дополнительное звено в цепи обратной связи для выполнения операции инвертирования сигнала).