11757

Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК-6

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК6 Методические указания по выполнению лабораторной работы Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычисл...

Русский

2013-04-11

479 KB

35 чел.

Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК-6

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК-6» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.
В методических указаниях рассмотрены вопросы моделирования типовых динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК-6, приведены теоретические сведения о типовых динамических звеньях, устройство и принцип действия комплекса АВК-6, а также последовательность проведения лабораторной работы.


I
. ВВЕДЕНИЕ

Аналоговый вычислительный комплекс АВК-6 предназначен для исследования различных систем автоматического регулирования или их отдельных звеньев путем моделирования процессов, протекающих в них. Суть моделирования в том, что если две системы различной природы описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, то они являются адекватными.

Исследование электронной схемы всегда предпочтительнее исследования механической или электромеханической системы, так как электронные схемы значительно легче собрать и настроить, чем реальные механические и электромеханические системы автоматики. Кроме того, электрические сигналы легко изобразить на экране электроннолучевой трубки и измерить с помощью вольтметра. АВК-6 является автономной установкой и содержит всё необходимое для моделирования систем автоматики, которые описываются дифференциальными уравнениями до шестого порядка.

Основу АВК-6 составляют решающие блоки, из которых собираются различные схемы с помощью коммутационных проводов. Настройка параметров осуществляется с помощью переменных резисторов.

II. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с типовыми звеньями первого порядка и их исследование с помощью переходных и частотным характеристик на аналоговом вычислительном комплексе «АВК—6».

III. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Аналоговый вычислительный комплекс АВК-6 с набором линейных блоков; комплект коммутационных проводов.

IV. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1. Понятие типового звена первого порядка.

Современные системы автоматики являются достаточно сложными. При составлении в целом математического описания такой системы получаются дифференциальные уравнения высоких порядков. Для облегчения анализа такой системы её можно разделить на отдельные звенья. При этом каждое звено описывается дифференциальным уравнением либо первого, либо второго порядка и называется в этом случае типовым.

В данной работе будут рассмотрены три типовых звена первого порядка. Первое из них называется реальным интегрирующим звеном или апериодическим звеном первого порядка и может быть описано дифференциальным уравнением следующего вида:

                        (1)

где:  х — входной сигнал (входное воздействие),

у - выходной сигнал,

А1 , А0 и В0 - коэффициенты, соответствующие конкретным параметрам той системы, которую описывает это уравнение,

t — время (независимая переменная).

Разделим обе части уравнения на А0 и введем новые обозначения, выполнив преобразование Лапласа:

Р- параметр преобразования Лапласа:,

Т = А10 - постоянная времени,

k = B0/A0 — коэффициент правой части уравнения.

Тогда уравнение в операторной форме принимает вид:

                   (Т*p + 1)*Y(p)=k*X(p)            (2)

где:  Х(р) — входной сигнал в операторной форме,

Y(р) — выходной сигнал в операторной форме.

Передаточная функция - это есть отношение изображения по Лапласу выходного сигнала к изображению по Лапласу входного сигнала, следовательно, передаточная функция обсуждаемого звена имеет следующий вид:

               W(p) = Y(p)/X(p)=k/(T*p+1)  (3)

Заменив в выражении передаточной функции р на j, получим выражение для комплексного коэффициента передачи (ККП) реального звена:

                W(j) = k/(T**j+1)    (4)

 ККП можно записать в  виде амплитудно-фазово   частотной характеристики (АФЧХ):

 (5)

где:  Р() - действительная часть выражения АФЧХ,

Q() - мнимая часть выражения АФЧХ.

Амплитудная частотная характеристика (АЧХ) определяет амплитуду выходного сигнала в зависимости от частоты входного сигнала. Независимой переменной является частота - . Амплитудная характеристика определяется аналитически как модуль ККП:

           (6)

Фазовая частотная характеристика (ФЧХ) определяет смещение фазы выходного сигнала от фазы входного сигнала в зависимости от частоты входного сигнала. Независимой переменной является частота - . Фазовая частотная характеристика определяется аналитически через ККП по формуле:

   (7)

Поскольку диапазон изменения частот бывает большим и может составлять несколько порядков, то при построении графиков АЧХ и ФЧХ по оси абсцисс часто откладывают не саму частоту , а её десятичный логарифм – Lg(). Вообще, часто при отображении амплитудно-частотных характеристик, используют логарифмический масштаб отображения.

4.2. Устройство и принцип действия линейного блока АВК-6.

Рис. 1.

Линейный блок является основным блоком АВК-6 и предназначен для построения моделей разнообразных систем, которые описываются линейными дифференциальными уравнениями. Именно с этим и связано название блока — «линейный», однако этот блок еще называют интегратором, поскольку он может выполнять операцию интегрирования. На рис. 1 показан внешний вид лицевой панели линейного блока – интегратора.

Помимо операции интегрирования линейный блок может выполнять также операции нормирования и умножения на постоянный коэффициент. Выходной сигнал в этом случае будет соответствовать уравнению:

   (8)

где  k и b - постоянные коэффициенты,

X1, Х2 и Х3 - переменные величины.

Все переменные величины должны укладываться в диапазон от -10 вольт до +10 вольт. Коэффициент b может быть задан в диапазоне от 0 до 1, а коэффициент k либо в диапазоне (0,1), либо в диапазоне (0,10). В первом случае необходимо установить перемычку между гнездом над буквой k и гнездом «1» (см. рис 1). Во втором случае между гнездом над буквой k и гнездом 10. Значения k и b выставляются переменными резисторами «0 – 1».

Для того чтобы линейный блок выполнял только суммирование входных сигналов в соответствии с уравнением (8), необходимо установить перемычку между двумя гнездами с обозначением "1". Эти гнезда находятся в центральной рамке «1/р».

Для того, чтобы линейный блок помимо суммирования трёх входных сигналов производил ещё и интегрирование, перемычка в центральной рамке «1/р» устанавливается между гнездом «х» и одним из трёх гнёзд «100», «10» или «1».

Чтобы пояснить сказанное, рассмотрим рис. 2, на котором приводится упрощённая принципиальная схема линейного блока.

Рис. 2.

Линейный блок выполнен на двух операционных усилителях DA1 и DA2. Главным является первый операционный усилитель DA1, в обратную связь которого может быть включён либо резистор R4, либо один из трёх конденсаторов C1, C2, С3. При включении в обратную связь резистора R4, линейный блок выполняет только суммирование трёх входных сигналов. Если вход остается свободным, то это равнозначно прибавлению нуля.

При включении в обратную связь одного из трёх конденсаторов, линейный блок помимо суммирования еще и интегрирует эту сумму во времени. Изменяя величину конденсатора, включённого в цепь обратной связи, можно изменить масштаб времени. Применение масштаба времени позволяет моделировать какой-либо процесс в замедленном или убыстрённом темпе. Во всех случаях знак сигнала на выходе DA1 изменяется на противоположный, т.е. инвертируется.

Для того чтобы получить правильный знак сигнала, его нужно ещё раз инвертировать. Эту задачу выполняет второй операционный усилитель DA2. Благодаря наличию двух переменных резисторов R6 и R7, включённых между входом и выходом инвертора, можно получить два независимых сигнала в диапазоне от +Y до -Y.

4.3. Схемная реализация типовых звеньев первого порядка на   

      АВК-6.

На рис. 3 представлена структурная схема, которая позволяет исследовать одновременно три типа звеньев первого порядка.

Выходной сигнал реального интегрирующего звена соответствует сигналу Y1(t).

Выходной сигнал реального дифференцирующего звена соответствует сигналу Y2(t).

Выходной сигнал звена равномерного пропускания соответствует сигналу Y3(t), который представляет разность сигналов Y1 (t) и Y2(t).

Рис. 3.

Рис. 4.

На рис. 4 приведены три электрические схемы, которым соответствуют три звена, собранные выше. При К=Т-1.

Схема А преобразует сигнал входного напряжения Ux в сигнал выходного напряжения Uy1 в соответствии с передаточной функцией W1(p) и называется интегрирующей RC-цепочкой.

Схема Б преобразует сигнал входного напряжения Ux в сигнал выходного напряжения Uy2 в соответствии с передаточной функцией W2(p) и называется дифференцирующей CR-цепочкой.

Схема В преобразует сигнал входного напряжения Ux в сигнал выходного напряжения Uy3 в соответствии с передаточной функцией W3(p) и называется мостом Вина или фазовращателем.

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ЗАДАНИЕ №1. Исследование переходных характеристик типовых звеньев первого порядка.

Соберите на коммутационной панели стенда АВК—6 модель звеньев первого порядка в соответствии с рис. 5.

Если схема трёх типовых звеньев первого порядка уже собрана в соответствии с рис. 5 и закрыта стеклом, то обратите внимание на следующие моменты:

  •  выход ГСС сигналов прямоугольной формы должен соединяться с входом схемы UK, a ручка повернута в крайнее положение по часовой стрелке (максимальная амплитуда - 10 вольт);
  •  выход ГСС линейных сигналов (треугольник) должен соединяться с входом индикатора X, а ручка повернута в крайнее положение по часовой стрелке (максимальная амплитуда — 10 вольт);
  •  выход схемы Uy1 (реальное интегрирующее звено) должен соединяться с первым (крайним левым) входом коммутатора и с прямым входом сумматора (незаштрихованный треугольник);
  •  выход схемы Uy2 (реальное дифференциируюшее звено) должен соединяться со вторым входом коммутатора и с инверсным входом сумматора (заштрихованный треугольник);
  •  выход сумматора Uy3 (звено равномерного пропускания) должен соединяться с третьим  входом коммутатора;
  •  выход делителя должен соединяться, с четвёртым входом коммутатора, а вход делителя должен быть соединён перемычкой с эталонным напряжением;
  •  должна быть нажата кнопка «2», что обеспечивает ввод начальных условий при обратном ходе луча;
  •  должна быть установлена перемычка гашения обратного хода луча Z (как правило, среднее и левое гнездо).

Рис. 5.

Порядок проведения эксперимента.

1. Измерения проводят на двух диапазонах. Сначала, работают на диапазоне, когда нажата кнопка 10 генератора. Кнопка «ИНДИКАТОР» должна быть отжата.

2. Ручкой плавной регулировки генератора «1 Гц 11» установить по цифровому секундомеру т=50 мс, что соответствует времени прохождения луча по экрану от крайней  левой до крайней правой точки за 50 миллисекунд (т - время развертки луча, соответствующее одному полупериоду).

3. Последовательно вынимая и вставляя обратно провода из трех первых гнезд коммутатора определить, какая кривая соответствует какому звену. Зафиксируйте это одним небольшим рисунком в отчёте по лабораторной работе.

4. Вращая ручку делителя подвести измерительную линейку до совпадения с правым концом кривой реального интегрирующего звена. Показания цифрового вольтметра записать в соответствующую позицию таблицы 1. Аналогично измерить значение для реального дифференцирующего звена и звена равномерного пропускания.

5. Повторить пункт 4 для значений времени 25; 15; 10 и 5 миллисекунд.

6. Перейти на следующий диапазон, отжав все три кнопки 0.1, 1.0 и 10 на панели генератора. Для получения более чёткого изображения нужно нажать кнопку «ИНДИКАТОР». Измерения проводят аналогично пункту 4 для значений времени 2,5; 1 и 0,5 миллисекунды. Для измерения координат звена равномерного пропускания измерительную рейку придётся перемещать в область отрицательных значений, для чего вход делителя соединяется перемычкой с эталонным напряжением — 10 вольт.

7. По результатам экспериментальных исследований (Табл. 1) в координатах «время - выходное напряжение» (время откладывается по оси абсцисс), построить три кривые, соответствующие трём переходным характеристикам трёх типовых звеньев первого порядка. График строится на миллиметровой бумаге с указанием отложенных по осям величин и их размерности. Около каждой кривой указывается название соответствующего звена.

8. По графику определить коэффициенты передач звеньев по формуле k=Uy/Ux, для такого участка, где процесс можно считать установившимся (50мс), и постоянные времени Т путём построения касательных к трём временным характеристикам для t=0 и определения точек пересечения с асимптототами, к которым стремится данные кривые при t= (в нашем случае можно условно взять максимальное значение t). Время переходного процесса можно определить по формуле tпп=3*T.

Таблица 1

ЗАДАНИЕ №2. Исследование частотных характеристик типовых звеньев первого порядка.

Порядок проведения эксперимента.

1. Внесите в схему следующие изменения:

  •  вернитесь на первый диапазон, для этого нажмите кнопку 10 генератора и отожмите кнопку «ИНДИКАТОР»;
  •  нажмите кнопку 1, что соответствует режиму непрерывного интегрирования без ввода начальных условий;
  •  выньте перемычку гашения обратного хода луча Z;
  •  переставьте концы провода, который соединяет выход ГСС сигналов прямоугольной формы с входом схемы Ux, в выход ГСС синусоиды и поверните ручку в крайнее положение по часовой стрелке (максимальная амплитуда — 10 вольт);
  •  переставьте конец провода, который соединяет выход ГСС линейных сигналов (треугольной формы) с входом Х индикатора, во второе гнездо выхода ГСС синусоиды;
  •  проверьте, что вход делителя напряжения соединён перемычкой с гнездом +10 вольт.

2. Измерения проводят на двух диапазонах. На первом диапазоне ручкой плавной регулировки генератора «1 Гц 11» установить по цифровому секундомеру т = 50 мс, что соответствует половине периода синусоидального сигнала, подаваемого на вход схемы. Частота сигнала рассчитывается по формуле f =1/(2т).

3. На индикаторе должны получиться три эллипса, которые являются простейшими фигурами Лиссажу. Измеряя координаты характерных точек эллипсов (см. рис. 6), получают необходимую информацию для построения экспериментальных АЧХ и ФЧХ.

4. Последовательно вынимая и вставляя обратно провода из трёх первых гнезд коммутатора, определить какой эллипс соответствует какому звену. Зафиксируйте это одним небольшим рисунком в отчёте по лабораторной работе.

Рис. 6.

5. Координата С, соответствующая максимальной ширине эллипса, определяет амплитуду входного сигнала. Поскольку мы установили ручку регулятора в крайнее положение, то амплитуда составит 10 вольт, следовательно С == 10В. Проверьте, одинакова ли ширина трех эллипсов, сделайте обоснование.

6. Координата В, соответствующая максимальной высоте эллипса, определяет амплитуду выходного сигнала каждого звена. Перемещая по вертикали измерительную линейку, совместите с самой верхней точкой эллипса реального интегрирующего звена и определите координату В.

7. Координата B, находящаяся на точке пересечения эллипса с центральной вертикальной линией разметки экрана, определяет фазовую координату выходного сигнала. Перемещая по вертикали измерительную линейку, совместите с точкой пересечения эллипса реального интегрирующего звена с центральной линией экрана и определите координату В.

8. Повторите пункт 5 для двух других эллипсов, результаты запишите в таблицу 2.

9. Повторите пункты 3, 4, 5 для следующих величин времени полупериода т= 25, 10, 5мс.

10. Перейти на следующий диапазон, отжав все три кнопки 0.1, 1.0 и 10 на панели генератора. Для получения более чёткого изображения нужно нажать кнопку «ИНДИКАТОР». Измерения проводят аналогично пунктам 5, 6, 7, 8 для значений времени 2,5; 1 и 0,5 миллисекунды.

11. Для построения экспериментальных частотных характеристик рассчитайте необходимые значения круговой частоты по формуле ω=π/т. Определите десятичный логарифм круговой частоты и заполните соответствующие столбцы таблицы 2.

12. Рассчитайте амплитуду выходного сигнала по формуле А(ω)=В/С и заполните соответствующий столбец таблицы 2.

13. Рассчитайте фазовый сдвиг выходного сигнала по формуле φ(ω)=arcsin(b/В) и заполните соответствующий столбец таблицы 2. в координатах «время - выходное напряжение» (время откладывать по оси абсцисс).


Таблица 2


VI. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что называется типовым звеном? Дайте определение типового звена системы.
  2.  Дайте определение передаточной функции. Каким образом получают передаточную функцию системы?
  3.  Как выглядят дифференциальные уравнения и передаточные функции рассмотренных в работе типовых звеньев?
  4.  На чём основано моделирование систем управления и их звеньев?
  5.  Размерности и физический смысл постоянных (констант) в уравнениях и передаточных функциях звеньев.
  6.  Что такое комплексный коэффициент передачи звена или системы? Как он определяется?
  7.  Какие формы сигналов используются при исследовании звеньев и систем во временной и частотной областях?
  8.  Масштабирование и методика решения уравнений на моделирующей установке АВК-6.
  9.  Порядок получения временных и частотных характеристик.
  10.  Влияние постоянных времени на динамические свойства звена.
  11.  Что такое АЧХ и ФЧХ звена? Как получить расчётные формулы для АЧХ и ФЧХ?
  12.  С какой целью при математическом анализе процессов в автоматических системах применяется операторное преобразование Лапласа?
  13.  Из чего состоит и какие функции выполняет линейный блок в установке АВК-6?
  14.  Каково назначение операционных усилителей в линейном блоке АВК-6?
  15.  Какие генераторы сигналов имеются в составе установки АВК-6?
  16.  Какие средства индикации и отображения информации имеются в установке АВК-6?


VII
. ЛИТЕРАТУРА

  1.  Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматического управления». М., издательство «Наука», 1972 г.
  2.  Гинзбург С.А., Лехтман И.Я., Малов В.С. «Основы автоматики и телемеханики». М., Госэнергоиздат, 1965 г.
  3.  Соломенцев Ю.М. «Теория автоматического управления». М., издательство «Высшая школа», 2000 г.
  4.  Васильев Д.В., Гуич В.Г. «Системы автоматического управления». М., издательство «Высшая школа», 1967 г.
  5.  Бесекерский В.А., Герасимов А.Н. «Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления». М., издательство «Наука», 1972 г.
  6.  Харитонов В.И., Меша К.И., Драгунов С.С. Методические указания по выполнению курсовой работы по электронике для студентов, обучающихся по специальностям 210100, 210200 и направлению 550200. М., МГТУ «МАМИ», 2002 г.
  7.  Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматического регулирования». М., 2003, 750 с.
  8.  Д.И. Агейкин и др. «Датчики контроля и регулирования». Москва, 1965г.

VIII. СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ______________________________________________

3

II. ЦЕЛЬ РАБОТЫ__________________________________________

3

III. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА_____________

3

IV. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ_______________________________

3

4.1. Понятие типового звена первого порядка.______________

3

4.2. Устройство и принцип действия линейного блока АВК-6._

6

4.3. Схемная реализация типовых звеньев первого порядка на АВК-6.____________________________________________

7

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ__________________________

9

ЗАДАНИЕ №1. Исследование переходных характеристик типовых звеньев первого порядка._____________________

9

ЗАДАНИЕ №2. Исследование частотных характеристик типовых звеньев первого порядка._____________________

11

VI. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ_____________________________

15

VII. ЛИТЕРАТУРА_________________________________________

16


Методические указания по выполнению лабораторной работы «Моделирование динамических звеньев систем автоматического управления на аналоговом вычислительном комплексе АВК-6» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Подписано     Заказ    Тираж

Усл.п.л     Уч-изд.л.

Бумага типографская   Формат 60×90/16

Типография МГТУ «МАМИ» 105839, Москва, ул. Б. Семёновская, д.38.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83693. Холодоснабжение Кафе общего типа на 50 мест, с самообслуживанием, работающей на полуфабрикатах 545 KB
  Подбор и расчет камеры наиболее экономичной для предприятия общественного питания. Реализация данной цели предполагает решение следующих задач: подобрать современную сборную щитовую камеру; определить теплопритоки через ограждения от термообработки продуктов и эксплуатации камеры...
83695. По‏нятие и о‏со‏бенно‏сти Федерально‏го‏ ко‏нституцио‏нно‏го‏ зако‏на в Ро‏ссийско‏й Федерации 154.02 KB
  Для то‏го‏ что‏бы дать характеристику любо‏й о‏трасли прaва нео‏бхо‏димо‏ о‏пределить о‏со‏бенно‏сти со‏ставляющих ее но‏рм. Рассматривая по‏нятие ко‏нституцио‏нно‏-право‏вых но‏рм, нужно‏ прежде всего‏ о‏тметить, что‏ им сво‏йственны и о‏бщие признаки, присущие всем право‏вым но‏рмам, безо‏тно‏сительно‏ к их о‏траслево‏й...
83696. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БАТИКА 8.74 MB
  Путь подготовки ткани для росписи был многоступенчатым: вымачивание, отбеливание, затем кипячение. Сам процесс, состоящий из следующих одна за другой операций: покрытие горячим воском — крашение — сушка, повторяющихся для каждого цвета, отличался сложностью и длительностью, требовал мастерства итерпения.
83697. Деньги и цена. Денежное обращение и его законы 238.5 KB
  Деньги это неотъемлемая и существенная часть финансовой системы каждой страны. Называются ли они долларами, рублями, гривнами, фунтами или франками, деньги служат средством оплаты, средством сохранения стоимости и единицей счёта во всех экономических системах.
83698. Проектирование одноэтажного жилого коттеджа «Дивный край» 708.98 KB
  Верхняя плоскость фундамента на которой располагаются надземные части здания называется поверхностью фундамента или обрезом а нижняя его плоскость соприкасающаяся с основанием – подошвой фундамента. Особенности ленточного фундамента Если рассматривать основные особенности ленточного фундамента то в первую...
83699. Полевой контроль состояния сейсморазведочных работ 2.86 MB
  В административном отношении площадь исследований находится на территории Муслюмовского района Республики Татарстан. Объем полевых сейсморазведочных работ по ПВ составит 50,0 кв. км. В качестве регистрирующей аппаратуры будет использоваться телеметрическая система сбора сейсмической...
83700. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БД СПОРТИВНОЙ ШКОЛЫ 2.28 MB
  Целью данной курсовой работы является рассмотрение теории и создания на практике базы данных в продукте корпорации Microsoft для управления базами данных Microsoft Access на тему: Проектирование БД спортивной школы. Система Access — это набор инструментов конечного пользователя для управления базами данных.