86574

Исследование систем Радиоавтоматики

Практическая работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При автоматическом управлении каким-либо объектом обеспечивается поддержание на заданном уровне или изменение по определенному закону некоторой физической величины, характеризующей состояние объекта, на основе конкретной информации об этой величине.

Русский

2015-04-08

4.19 MB

14 чел.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

Факультет радиоэлектроники и автоматики

Кафедра радиотехники и радиотехнических систем

Расчетно-графическая работа

по дисциплине

«Радиоавтоматика»

Тема: « Исследование систем Радиоавтоматики »

                                                                   

Студент группы

             РТЭ 41-11___________________

                           (учебная  группа)

Захаров Д.В.

Руководитель курсовой  работы

должность, звание, ученая степень

.    доцент      Медведев В.Г,                                                  . 

Рецензент (при наличии)

должность, звание, ученая степень

_______________________________

Работа представлена к защите

«__»_______2014 г.

(подпись студента)

«Допущен к защите»

«__»_______2014 г.

(подпись руководителя)

+

Чебоксары 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

« Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова »

Факультет радиоэлектроники и автоматики

Кафедра РРС

ЗАДАНИЕ

на контрольную работу по дисциплине:

« Радиоавтоматика »

Тема: « Исследование систем Радиоавтоматики »

Студент             Захаров Д.В.              Группа     РТЭ 41-11     .   

Часть 1: 1) Для системы автоматического регулирования (рис.1) записать и построить: передаточную функцию разомкнутой системы - , передаточную  функцию замкнутой системы - , передаточную функцию замкнутой системы по ошибке - , импульсную переходную функцию замкнутой системы (функция веса) – h(t) , переходную функцию – q(t) , импульсную переходную функцию разомкнутой системы – w(t).

2) Определить показатели качества и показатели качества переходного процесса для этой же системы.

Часть 2: Составить математическую модель системы на АВМ по структурной схеме и дифференциальному уравнению.

Часть 3: Коррекция САУ. Определение скорректированной системы на устойчивость.

Содержание.

Рабочее задание………………………………………………………...……..…..2

Содержание…………………………………………………………………..……3

Введение. ……………………………………………………………………...…..4

1. Исходные данные………………………………………………………………5

2. Часть 1.

2. 1 Передаточная функция разомкнутой системы………………………6

2. 2 Передаточная функция замкнутой системы…………………………7

2. 3 Определение устойчивости………………………………………….9

2. 3. 1 По расположению корней на комплексной плоскости…...9

2. 3. 2 По критерию Гурвица………………………………………10

2. 3. 3 Критерий Михайлова……………………………………………….....11

2. 3. 4 Критерий Найквиста…………………………………………………...12

2. 3. 5 Оценка устойчивости по ЛЧХ……………………………...13

2. 3. 6 Определение запаса устойчивости усилению и по фазе…14

2. 4 Передаточная функция замкнутой системы по ошибке…………...15

2. 5 Импульсная переходная функция замкнутой системы…………….16

2. 6 Переходная характеристика замкнутой системы…………………..16

2. 7 Импульсная переходная функция разомкнутой системы……..…...17

2. 8 Определение частотных показателей качества переходного процесса…………………………………………………………………………..18

2. 9 Расчет цепи коррекции…………………………………………………………....20

3 Часть 2.

3. 1 Построение схемы устройства на АВМ по структурной схеме…...22

Вывод……………………………………………………………………………..25

Литература……………………………………………………………………………………………..26

Введение.

Радиоавтоматика является одной из Важнейших технических наук общего применения. Она дает основную теоретическую базу для исследования и проектирования любых автоматизированных систем во всех областях техники.

 Управление - это целенаправленное воздействие на рабочий орган какой-либо машины, устройства или воздействие на технологический процесс. При управлении всегда происходит преобразование одного вида энергии в другой или происходит изменение (регулирование) потока энергий к рабочему органу. При этом на само управление затрачивается лишь незначительная часть от потока энергии, участвующего в технологическом процессе.  Управление бывает ручное, выполняемое непосредственно человеком, и автоматическое, выполняемое каким-либо устройством (регулятором), но без помощи человека;

Изучение законов автоматического управления, общих для всех технических устройств и является целью радиоавтоматики.

При автоматическом управлении каким-либо объектом обеспечивается поддержание на заданном уровне или изменение по определенному закону некоторой физической величины, характеризующей состояние объекта, на основе конкретной информации об этой величине. Осуществляется это с помощью системы автоматического управления (САУ).

1 Исходные данные.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

Рисунок 1. Структурная схема системы автоматического регулирования.

;

;

;

;

;

T3 =15 

2 Часть 1.

2. 1 Передаточная функция разомкнутой системы.

Из рисунка видно, что данная структурная схема состоит из трех последовательно соединенных звеньев, и подключенного к ним интегрирующего звена. Для каждого из блоков соответственно имеются три передаточных функции, которые записываются как:

; ; ;

Из курса схемотехники известно, что коэффициент передачи последовательно соединённых звеньев есть произведение коэффициентов передачи отдельных звеньев, а при параллельном соединении их сумма. Согласно этому правилу запишем общий коэффициент передачи разомкнутой системы:

;

После подставления соответствующих коэффициентов передачи, записанных ранее, в это выражение, а также последующего его упрощения, имеем коэффициент передачи разомкнутой системы:

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

Найдем АЧХ и ФЧХ разомкнутой системы.

Построим график этих функций:

Рисунок 2. АЧХ разомкнутой системы.

Рисунок 3. ЛАЧХ разомкнутой системы.

Рисунок 4. ФЧХ разомкнутой системы.

Рисунок 5. ЛФЧХ разомкнутой системы.

2. 2 Передаточная функция замкнутой системы.

Т.к. в моем случае имеется О.О.С. и коэффициент передачи цепи обратной связи равен единице, то можно записать передаточную функцию замкнутой системы как:  

;

После подстановки W(p) в выше стоящее выражения и его упрощения получим:

;

Запишем данную передаточную функцию в комплексной форме:

;

Рисунок 9. АЧХ замкнутой системы.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

 Рисунок 10. ЛАЧХ замкнутой системы.

Рисунок 11. ФЧХ замкнутой системы.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

Рисунок 12. ЛФЧХ замкнутой системы.

2. 3 Определение устойчивости.

2. 3. 1 По расположению корней на комплексной плоскости.

Определение устойчивости по расположению корней на комплексной плоскости разомкнутой системы.

Для анализа системы на устойчивость найдем корни характеристического уравнения:

;

          Корни:

Т.к. корни имеют реальные значения и к тому же отрицательные, то, исходя из основного условия устойчивости, можно утверждать, что система устойчива.

Т. к. корни характеристического уравнения разомкнутой системы действительные, то система не является колебательной.

Устойчивость данной системы .

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

Определение устойчивости по расположению корней на комплексной плоскости замкнутой системы.

Найдем корни характеристического уравнения передаточной функции, чтобы проанализировать систему на устойчивость:

;

Корни:

Т.к. действительные части корней отрицательны, то, исходя из основного условия устойчивости, можно утверждать, что система устойчива.

Т. к. имеются мнимые части корней, то система колебательная.

Устойчивость данной системы .

2. 3. 2 По критерию Гурвица.

Определение устойчивости по критерию Гурвица разомкнутой системы.

Запишем характеристическое уравнение:

;

Матрица Гурвица имеет вид ;

Вычислим определители , , .

Система устойчива, т. к. все определители матрицы Гурвица положительны.

Определение устойчивости по критерию Гурвица замкнутой системы.

Запишем характеристическое уравнение:

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

Матрица Гурвица имеет вид ;

Вычислим определители , , .

Система устойчива, т. к. все определители матрицы Гурвица положительны.

Из критерия Гурвица найдем критический коэффициент усиления, путем приравнения одного из определителей матрицы к нулю.

Получим:

при , ;

 

 

2. 3. 3 Критерий Михайлова.

Согласно критерию Михайлова СРА устойчива, если годограф характеристического вектора, начинаясь с положительной оси, обходит последовательно в положительном направлении n квадрантов, где n=3 -  порядок характеристического уравнения.

В характеристическом полиноме запишем коэффициент передачи в комплексной форме:

;

Построим годограф Михайлова:

По команде nyquist(h) в Матлаб

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

Рисунок 13. Годограф Михайлова.

Годограф данной системы удовлетворяет условию устойчивости, следовательно система устойчива.

2. 3. 4 Критерий Найквиста.

В передаточной функции разомкнутой системы запишем коэффициент передачи в комплексной форме:

;

Построим годограф Найквиста:

Рисунок 14. Годограф Найквиста.

Система РА, устойчивая в разомкнутом состоянии, будет устойчива и в замкнутом состоянии, если годограф частотной характеристики разомкнутой системы не охватывает точку с координатами  . В том случае, когда годограф частотной характеристики охватывает эту точку, система неустойчива.

Годограф не охватывает точку (-1;j0), следовательно система устойчива.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

2. 3. 5 Оценка устойчивости по ЛЧХ.

Построение годографов частотных характеристик разомкнутых систем РА связано с громоздкими вычислениями, поэтому целесообразно оценивать их устойчивость по ЛЧХ. Для этого необходимо построить логарифмические частотные характеристики разомкнутой системы.

Отсюда, ,

Видно, что в моем случае ЛФЧХ не пересекает ось υ=180`. Запас устойчивости  Ձ = ∞

2. 3. 6 Определение запаса устойчивости усилению и по фазе.

На частоте среза ЛАЧХ разомкнутой системы равна нулю. Их ЛАЧХ видно,

                                       Рис. ЛАЧХ разомкнутой системы

Определение запаса устойчивости усилению и по фазе разомкнутой системы.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

Т. к. , то запас по усилению (амплитуде) .

Т. к. , то запас устойчивости по фазе  

Определение запаса устойчивости усилению и по фазе замкнутой системы.

Рис ЛАЧХ замкнутой системы

Т. к. , то запас по усилению (амплитуде) .

Т. к. , то запас устойчивости по фазе .

2. 4 Передаточная функция замкнутой системы по ошибке.

Т.к. имеем О.О.С., то передаточная функция по ошибке будет находиться из выражения:

;

После подстановки H(p) в выше обозначенное выражение и упрощения получившегося, получим следующую передаточную функцию по ошибке:

;

Запишем передаточную функцию по ошибке в комплексной форме:

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

Рисунок 17. АЧХ и ЛФЧХ замкнутой системы по ошибке.

2. 5 Импульсная переходная функция замкнутой системы.

Импульсная переходная характеристика, или как её ещё принято называть, функция веса, ищется при действии на входе дельта функции Дирака, которая описывается следующим образом:

График импульсной переходной функции замкнутой системы будет иметь вид:

Рисунок 18. Импульсная переходная характеристика замкнутой системы q(t). 

impulse

2. 6 Переходная характеристика замкнутой системы.

Нахождение q(t) производится по передаточной функции замкнутой системы H(p), при действие на входе в

p области  

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

График будет иметь следующий вид:  step(h)

Рисунок 19. Переходная  характеристика замкнутой системы q(t).

2. 7 Весовая функция и переходная характеристика разомкнутой системы

График функции w(t) будет выглядеть так:

 

Рисунок 20. Весовая функция и переходная характеристика разомкнутой системы

2. 8 Определение частотных показателей качества переходного процесса.

По переходной характеристике q(t) определим следующие показатели качества:

а) Длительность переходного процесса:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

18

Длительностью переходного процесса называется время, при котором амплитудное значение переходного процесса не превышает 5% от его установившегося значения.

Из графика q(t) видно, что установившееся значение переходного процесса . Найдем время, при котором q(t) будет равно 1,05. Из графика видно, что  .

б) Перерегулирование:

Под перерегулированием подразумевается отношение максимального значения выходного сигнала q(t) к его установившемуся значению. Т.к. установившееся значение в переходном процессе равно единице, то достаточно найти лишь максимальное значение сигнала в переходном процессе:

;

По графику q(t) было найдено максимальное значение сигнала в переходном процессе, теперь можно найти перерегулирование:

;

в) Время установления первого максимума:

Из графика q(t) видно, что первый максимум устанавливается за время .

г) Частоту колебаний в переходном процессе:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

19

 


Из графика
q(t) найдем, что период колебаний T=3.25 сек, тогда частота колебаний в переходном процессе:

;

По частотной характеристике определим следующие показатели качества:

д) Полосу пропускания:

Полосу пропускания будем искать по уровню 0,7 от максимального значения . Из графика можно найти, что максимальное значение, которое принимает АЧХ передаточной функции замкнутой системы равно

2.3 . Умножив данное число на 0,7 найдем значения АЧХ при уровне 0,7 от его максимального значения, оно будет составлять 1.6.

Теперь, найдем значение верхней и нижней граничной частоты:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

20

Тогда полоса пропускания

е) Резонансную частоту:

Как известно при максимальном коэффициенте передачи в системе наступает резонанс. Поэтому, решая уравнение , находим резонансную частоту:

 

ж) показатель колебательности:

Показатель колебательности М есть максимальное значение АЧХ передаточной функции замкнутой системы. Из графика видно, что М=2.4.

2. 9 Расчет цепи коррекции.

Коэффициент передачи разомкнутой системы:

;

Задача синтеза состоит в нахождении желаемой передаточной функции разомкнутой системы

 

 

Корректирующему устройству соответствует передаточная функция :

;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

21

Рисунок 27. Схема с коррекцией.

            R1 =10  R2=5 C=0.001Ф

               

 

; ;

Рисунок 28. ЛАЧХ и ЛФЧХ корректирующего устройства

                                                    

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

22

3 Часть 2.

3. 1 Построение схемы устройства на АВМ по структурной схеме.

Т.к. имеется передаточная функция для каждого звена в разомкнутом состоянии, то запишем все три передаточных функции и проанализируем их:

; ; ;

Очевидно, что выполняет интегрирование сигнала, а   и выполняют однотипные действия.  Так же очевидно, что в цепи О.С. схем с передаточными функциями вида , и должен быть нелинейные, а так же линейные элементы. Поэтому для передаточных функций и справедлива следующая схема:

Рисунок 29. Общая схема передаточных функций и .

Чтобы доказать справедливость выбранного звена для передаточных функций и , найдем передаточную функцию звена, показанного на Рисунке 26:

;

Т.к. схема на Рисунке 26 построена по принципу инвертирующего усилителя, то коэффициент передачи можно записать:

;

Что и требовалось доказать.

Интегрирующее звено будет иметь следующий вид:

Рисунок 30. Схема интегрирующего звена.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

24

Как видно интегрирующее звено тоже построено по схеме инвертирующего усилителя.

Т.к. в наличии уже имеются все звенья передаточных функций, то согласно Рисунку 1. построим схему на АВМ по передаточной функции каждого звена:

Рисунок 31. Принципиальная схема на АВМ, построенная по передаточной функции.

Первые три ОУ выполняют соответственно функции, которые описаны в , и . Четвертый ОУ инвертирует выходной сигнал, чтобы его полярность оставалась такой же как и на входе, и соответственно тоже имеет единичный коэффициент передачи.   

Номиналы элементов определяются из следующих соотношений:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

24

;

Пусть , то , ;

Пусть , то , а ;

, то ;

Пусть , то ;

Вывод.

Таким образом в моделировании систем автоматического регулирования отправной точкой является передаточная функция разомкнутой системы. Первым из способов моделирования является, так сказать, разложение этой передаточной функции на составляющие, а затем определение схемотехнического вида каждой из совокупности передаточных функций. Вторым же способом является определение операций над сигналами, т.е. после всех преобразований дифф. уравнения, составленного из передаточной функции разомкнутой системы, находятся, так сказать, промежуточные сигналы, которые и определяют сначала структурный, а затем и схемотехнический облик системы на АВМ.

Были рассмотрены фундаментальные методы анализа и синтеза систем на АВМ и создание цепей коррекции.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

25

Литература.

  1.  Г.Ф. Коновалов, “Радиоавтоматика”, изд. Москва “Высшая школа” 1990г.
  2.  Л.Д. Храмов, И.И. Белов, “Радиоавтоматика. Программа задания к контрольным работам и методические указания”, Чебоксары 2001г.
  3.  В. С. Пряников, “Схемотехника аналоговых электронных устройств. Учебное пособие.”, Чебоксары 1998г.
  4.  Бессекеркий В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования .М:Наука, 1975.768с.
  5.  Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем .М.:Наука,1977.559с

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

26

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10154. Научное знание: структура и методы теоретического знания. Абстрагирование и идеализация - начало теоретического познания 42 KB
  Научное знание: структура и методы теоретического знания. Абстрагирование и идеализация – начало теоретического познания. Абстракции возникают на аналитической стадии исследования когда начинают рассматривать отдельные стороны свойства и элементы единого процесс...
10155. Научная картина мира как форма систематизации научного знания, ее виды и функции. 82.5 KB
  Научная картина мира как форма систематизации научного знания ее виды и функции. Как особый структурный феномен не входящий полностью в теоретическое знание в настоящее время выделяется еще научная картина мира. НКМ – целостная система представлений об общих ...
10156. Научные революции и типы научной рациональности 62.5 KB
  Научные революции и типы научной рациональности. Типология традиций и новаций в науке. Глобальные научные революции. Изменение научной рациональности. В предыдущей лекции речь шла о соотношении традиций и новаций в развитии науки. Выделим теперь типы...
10157. Глобальные научные революции в истории культуры. Классическая, неклассическая и постнеклассическая наука: временные рамки и специфика 49 KB
  Глобальные научные революции в истории культуры. Классическая неклассическая и постнеклассическая наука: временные рамки и специфика. В истории европейской науки традиционно принято выделять две глобальные научные революции, более дискуссионными являются вопро
10158. Этика науки и проблема социальной ответственности ученого и проектировщика. Формы реализации ответственности ученых за использование достижений науки 44 KB
  Этика науки и проблема социальной ответственности ученого и проектировщика. Формы реализации ответственности ученых за использование достижений науки. Проблема этической размерности научной деятельности и технического творчества обозначилась в ХХ в.: достаточ...
10159. Различие внутренней и внешней этики науки. Этические нормы в профессиональной работе ученого, проектировщика 43 KB
  Различие внутренней и внешней этики науки. Этические нормы в профессиональной работе ученого проектировщика С т.з. адресата этика науки и техники подразделяется на внешнюю по отношению к обществу в целом и внутреннюю но отношению к коллегам в рамках совместного тр
10160. Предмет философии техники. Специфика философского изучения техники 71.5 KB
  Предмет философии техники. Специфика философского изучения техники ФТ это конкретная философская дисциплина так же как ФН ФР этика эстетика логика. Т.е. достаточно самостоятельная область исследования. Философия техники во-первых исследует феномен техники в цел...
10161. Предпосылки и этапы формирования философии техники 33.5 KB
  Предпосылки и этапы формирования философии техники. История техники это объективная предпосылка человеческой деятельности. Есть несколько концепций исторического развития техники. В классическом марксистском видении ее история выражена цепочкой последовательн...
10162. Определение техники как философская проблема. Основные способы определения техники 47 KB
  Определение техники как философская проблема. Основные способы определения техники. Отсутствие должной степени разработки философских аспектов техники во многом вызвано тем обстоятельством что техника как объект исследования со стороны философии представляет с...