Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра инженерной кибернетики

 

 

 

 НАЛАДКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 

Методические  указания к выполнению лабораторных работ

для магистрантов специальности

6М070200 – «Автоматизация и управление»

 

 

Алматы  2011 

СОСТАВИТЕЛЬ: Б. А.Чернов. Наладка систем автоматизации. Методи-ческие указания к выполнению лабораторных работ для магистрантов специальности  6М070200 – «Автоматизация  и  управление». – Алматы: АУЭС, 2011. - 31с. 

 

         В методических указаниях приведено описание лабораторных работ, предназначенных для формирования навыков наладки и определения харак-теристик систем автоматического управления, имеющих сложную структуру. Даются краткие теоретические сведения о системах управления следящих, с компенсацией возмущений, комбинированных, каскадных и с вспомогатель-ными регулируемыми величинами, а также сведения об элементах этих сис-тем. Лабораторные работы выполняются с применением многоканального АЦП и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяющих измерять и регис-трировать одновременно несколько сигналов, а также обрабатывать результа-ты измерений в автоматизированном режиме.

Ил. 7, табл. 1, библиогр. – 18 назв. 

        

Рецензент:  канд. техн. наук,  доцент  Н.В. Сябина

 

         Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011г. 

 

         Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

Содержание

 

1 Лабораторная работа № 1. Дифференциаторы                                         4

1.1 Задание                                                                                                      5

1.2 Порядок выполнения работы                                                                  6

1.3 Контрольные вопросы                                                                             7

2 Лабораторная работа № 2. Импульсный ПИ-регулятор                          8

2.1 Задание                                                                                                      9

2.2 Порядок выполнения работы                                                                  9

2.3 Контрольные вопросы                                                                            10

3 Лабораторная работа  № 3. Системы управления положением

исполнительного механизма                                                                        11

         3.1 Задание                                                                                                     12

3.2 Порядок выполнения работы                                                                 12

3.3 Контрольные вопросы                                                                            14

4 Лабораторная работа № 4. Системы управления с компенсацией   возмущений      14

4.1 Задание                                                                                                    16

4.2 Порядок выполнения работы                                                                16

4.3 Контрольные вопросы                                                                            17

5 Лабораторная работа № 5. Комбинированная САУ                               18

5.1 Задание                                                                                                    19

5.2 Порядок выполнения работы                                                                20

5.3 Контрольные вопросы                                                                            21

6 Лабораторная работа № 6. Система управления с  вспомогательными регулируемыми величинами                                      21

6.1 Задание                                                                                                    23

6.2 Порядок выполнения работы                                                                24

6.3 Контрольные вопросы                                                                            25

7 Лабораторная работа № 7. Каскадная САР                                             25

7.1 Задание                                                                                                     28

7.2 Порядок выполнения работы                                                                 28

7.3 Контрольные вопросы                                                                            29

   Список литературы                                                                                    30

 

1  Лабораторная работа № 1. Дифференциаторы

 

Цель работы: приобретение навыков экспериментального исследования динамических характеристик и определения по ним параметров дифференциа-торов, в том числе промышленных.

Оборудование: установленные в напольном или настольном  стенде блок динамических преобразований приборного исполнения БДП-П (комплекса АКЭСР), блок кондуктивного разделения приборного исполнения БКРЗ-П (комплекса АКЭСР), вольтметр, регулируемый источник возмуще-ния, осциллограф типа С1-83 и инфранизкочастотный генератор, например, генератор сигналов низкочастотный прецизионный ГЗ-110 или функциональ-ный генератор  DEGEM  SYSTEMS, модель 141В1. При наличии в стенде многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и ПЭВМ с соот-ветствующим программным обеспечением, измерение и регистрация сигналов производится по п. 3.2.11 без использования осциллографа.

Дифференциаторы как элементы систем автоматического управления (САУ) используются в корректирующих средствах [1], для построения диффе-ренциальных устройств и ПИД-регуляторов [2-4], в САУ с комбинированным управлением по задающему и возмущающему воздействиям [1,2,4], а также в  системах с вспомогательными регулируемыми величинами [2,4].

На рисунках 1 и 2 приведены структурные схемы дифференциаторов, рассматриваемых в данной работе и реализованных на блоках БДП-П и БКРЗ-П [3]. На этих рисунках: α12, α13 – коэффициенты масштабирования; С – коэф-фициент усиления сумматора; Т – постоянная времени. С помощью органов

 

 

 

 

Рисунок 1 - Структурная схема дифференциатора на базе прибора БДП

 


     Рисунок 2 - Структурная схема дифференциатора на базе прибора БКРЗ

 

настройки «α12»,  « α13», «С»  и «Т», расположенных на боковых панелях выдвижных шасси блоков, изменяются параметры дифференциаторов.

Передаточная  функция  идеального  дифференциатора  имеет  вид   W(р) = кр. Такое устройство физически нереализуемо. Передаточная функция реальных  дифференциаторов обычно имеет вид

 

      W(р) = КДТД р / (1+ ТД р) или W(р) = к р / (1+ ТД р),                           (1)

 

где  к = КДТД – коэффициент передачи, ТД – постоянная времени диффе-ренцирования.

Дифференциаторы с низким уровнем высокочастотных шумов имеют более сложные передаточные функции. Например, дифференцирующий поме-хозащищенный субблок Ф5170 (БМАД I) комплекса контроля и регулирова-ния с переменной структурой КМ 2201 [3] имеет передаточную функцию

 

                  W(р) = ТД р / (1+ Т1 р)(1+ Т2 р),                                                 (2)

 

где постоянные времени Т1 и Т2 автоматически изменяются в зависимос-ти от интенсивности шумов. Переходные функции дифференциаторов, соот-ветствующие выражениям (1), имеют вид

 

          h (t) = КД ехр( - t / ТД ) 1(t)   или   h (t) = к /ТД ехр( - t / ТД ) 1(t).     (3)

 

Дифференциаторы, применяемые в САУ, предназначены для дифферен-цирования медленно меняющихся сигналов. Поэтому такие дифференциаторы создаются с использованием интеграторов (см. рисунок 1) и имеют большие значения ТД, доходящие до 104 с.

 

1.1 Задание

 

1.1.1 Ознакомиться  с конструкцией и техническим описанием [3] при-боров БДП-П и БКРЗ-П. Составить передаточные функции дифференциаторов в соответствии с рисунками 1 и 2.

1.1.2 Снять переходные и амплитудно-частотные характеристики (АЧХ)  дифференциаторов при различных положениях органов настройки.

1.1.3 На основании экспериментальных данных графически построить переходные характеристики и асимптотические логарифмические амплитуд-но-частотные характеристики (ЛАЧХ) исследуемых  дифференциаторов, определить параметры их передаточных функций.

1.1.4 Проанализировать зависимость параметров  к, КД  и ТД дифферен-циаторов от положения органов их настройки.

 

 

         1.2  Порядок выполнения работ

 

         1.2.1 Установить  органы настройки на правой боковой панели выдвиж-ного шасси блока БДП-П согласно указанию преподавателя. Подать  питание  220 В  на  стенд и  осциллограф, вход которого подключить к выходу  диффе-ренциатора.

         1.2.2 К входу дифференциатора подключить вольтметр V1 и регулируе-мый источник возмущения (ИВ) и тумблером последнего сначала включить, а затем через несколько минут, когда выходное напряжение UВЫХ  дифференци-атора уменьшится до нуля, отключить задающее воздействие ΔUВХ. Используя осциллограф, зарегистрировать переходные процессы напряжения UВЫХ диф-ференциатора при включении и отключении ИВ. При этом вольтметром изме-рить ΔUВХ. Величина ΔUВХ должна быть равна такому значению, при котором не зашкаливает вольтметр и отсутствуют нелинейные искажения типа «огра-ничение» в выходном сигнале дифференциатора.

         1.2.3  Определить коэффициент КД дифференциатора по формуле

 

                                                   КД = UВЫХ МАК / ΔUВХ,                                           (4)

 

         где UВЫХ МАК – максимальное напряжение на выходе дифференциатора, наблюдаемое при подаче ΔUВХ и измеренное осциллографом.

         Определить постоянную времени дифференцирования ТД по формуле

 

                                      ТД = Δt / ln [UВЫХ МАК/ UВЫХ t)],                                  (5)

 

         где UВЫХ t) – выходное напряжение дифференциатора через время Δt после подачи воздействия ΔUВХUВЫХ t) и Δt берутся с осциллограмм заре-гистрированных переходных процессов. Из (5) следует, в частности,

 

                                           ТД = 1,442 Δt2;                   ТД = Δtе,                                   (6)

 

         где Δt2  и Δtе – значения Δt, за которые выходной сигнал дифференциа-тора уменьшается соответственно в 2 и в е = 2,718 раз по сравнению с перво-начальным значением UВЫХ МАК. Последний случай соответствует определе-нию ТД  по величине «подкасательной» на графике переходного процесса.

         1.2.4 Вход дифференциатора отсоединить от вольтметра и источника ИВ и подключить к выходу генератора. Подать питание 220 В на генератор. Вхо-ды осциллографа  подключить к входу и выходу дифференциатора для изме-рения амплитуд входного UВХm  и выходного UВЫХm напряжений.

1.2.5 При снятии АЧХ дифференциатора  амплитуду  UВХm на низких частотах следует применять максимально большую, а на средних частотах амплитуду UВХm следует уменьшить до значения, при котором отсутствуют нелинейные искажения в выходном сигнале. Результаты измерений частоты генератора f, амплитуд UВХm, UВЫХm и вычислений угловой частоты   ω = 2πf, коэффициентов усиления К = UВЫХm / UВХm и L = 20lgК занести в таблицу 1. Значения частоты  в таблице указаны применительно к  генератору  ГЗ-110.

1.2.6 ЛАЧХ, построенная по экспериментальным данным, аппроксими-руется прямолинейными отрезками, один из которых имеет наклон 20 дБ/дек, а второй параллелен оси частот. Коэффициент КД  дифференциатора равен его коэффициенту усиления К(ω) на плоском участке АЧХ, а постоянная времени ТД  определяется через частоту сопряжения ωС:  ТД = 1 / ωС.

 

Т а б л и ц а  1

 

f,  Гц

 

0,01

 

0,02

 

0,04

 

0,08

 

0,16

 

0,32

 

0,64

 

1,28

 

2,56

 

5,12

 

10,2

 

20,5

ω,  с -1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВХm, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UВЫХm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L,  дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.7 Сравнить значения параметров, полученных в пунктах 1.2.3 и 1.2.6.

1.2.8  Аналогично пунктам 1.2.1…1.2.7 проводится исследование диф-ференциатора, выполненного на блоке БКРЗ-П.

1.2.9 Оформление подробного отчета с выполнением  пунктов 1.1.3 и 1.1.4 задания и написанием выводов.

 

1.3  Контрольные вопросы

 

         1.3.1 Передаточные функции идеального и реального дифференциаторов.

         1.3.2  Почему нереализуем идеальный дифференциатор?

         1.3.3 Переходные  функции идеального и реального дифференциаторов.

         1.3.4  Нахождение  параметров дифференциатора из его ЛАЧХ.

         1.3.5  Нахождение  параметров дифференциатора из его  h (t).

         1.3.6  Влияние органов настройки на параметры дифференциатора.

         1.3.7 Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ дифференциатора по его W(р).

         1.3.8  Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ дифференциатора по его h (t).

         1.3.9  Вид выходных сигналов дифференциатора при ступенчатых и си-нусоидальных входных сигналах.

         1.3.10  Применение дифференциаторов в ПИД-регуляторах.

         1.3.11  Применение дифференциаторов в комбинированных САУ.

         1.3.12  Применение дифференциаторов в каскадных САУ.

         1.3.13  На какую величину отличается коэффициент усиления К(ω) на частоте ω = 0,5 с – 1 двух дифференциаторов, имеющих передаточные функции              W1(р) =  р / (1+ 0,1р)   и   W2(р) = р / (1+ 0,2р) ?

         1.3.14 Вид выходных сигналов дифференциатора при треугольных и пилообразных входных сигналах.

         2 Лабораторная работа № 2. Импульсный ПИ-регулятор

 

         Цель работы: приобретение навыков в исследовании и наладке промыш-ленных импульсных регуляторов, в качестве исполнительных механизмов (ИМ) которых  используются электродвигатели с постоянной скоростью вра-щения выходного вала.

Оборудование: установленные в настольном стенде регулирующий при-бор РП4-У (комплекса АКЭСР-2), однофазный двигатель переменного тока мощностью 40 Вт с пусковой аппаратурой, блок управления, вольтметр, регу-лируемый источник возмущения, потенциометрический датчик положения ИМ с встроенным вольтметром и осциллограф типа С1-83. При наличии в стенде многоканального АЦП и ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением, измерение и регистрация сигналов производится по п. 3.2.11 без использования осциллографа.

         Идеальные ПИ-регуляторы имеют передаточные функции [3]

 

                                              W(р) = КР + 1/(ТИр)                                                   (7)

 

         или                            W(р) = КР[1 + 1/(ТИЗр)],                                              (8)

 

         где КР – коэффициент усиления; ТИ и ТИЗ – постоянные времени соответ-ственно интегрирования и изодрома.

         ПИ-регулятор с передаточной функцией (7) имеет не зависящие друг от друга параметры настройки КР и ТИ, а регулятор с передаточной функцией (8) имеет взаимосвязанные параметры настройки. Так, при настройке коэффици-ента КР будет меняться и постоянная времени интегрирования ТИ = ТИЗ / КР.

         Переходные функции ПИ-регуляторов, соответствующие (7) и (8), имеют вид

                       h (t) = (КР + 1/ТИdt) 1(t)  или   h (t) = КР(1 + 1/ТИЗdt) 1(t).        (9)

 

         В САУ в качестве ИМ широко применяются электродвигатели с посто-янной частотой вращения, которые перемещают регулирующий орган с посто-янной скоростью, их называют ИМ постоянной скорости.           ИМ постоянной скорости может находиться только в трех состояниях: неподвижность и пере-мещение в прямом и обратном направлениях с постоянной скоростью. Стати-ческая характеристика такого ИМ является существенно нелинейной, ее нельзя линеаризовать.  Однако при релейно-импульсном изменении входного сигнала эта  характеристика близка к линейной, а сам ИМ можно представить интегрирующим звеном [5].

          Импульсные регулирующие блоки комплекса АКЭСР-2, в том числе и прибор РП4-У, в комплекте с ИМ постоянной скорости реализуют закон ПИ-регулирования. Их передаточная функция определяется выражением

 

                                  W(р) = КР [1 + 1/(ТИЗр)]  /(1+ТФр),                                    (10)

         где ТФ - постоянная времени демпфирования.

         Управление объектом от РП4-У может осуществляться  как автомати-чески, так и вручную. Это переключение производится ключом выбора режимов «Автомат - Ручное» в блоке управления. Прибор РП4-У предназна-чен для работы с токовыми датчиками. Его токовые входы гальванически разделены друг от друга  и от выхода. Алгебраическая сумма входных сигна-лов демпфируется.

         В режиме «Автомат» при подаче на вход РП4-У ступенчатого сигнала ΔUВХ сначала следует длительный импульс включения ИМ, а затем идет чере-дование пауз и коротких импульсов включения ИМ. Изменение положения ИМ в течение первого импульса включения эквивалентно пропорциональной составляющей ПИ-регулятора. Усредненная скорость перемещения ИМ за счет последующих импульсов включения реализует интегральную составляю-щую регулятора.

         В ручном режиме пусковая аппаратура ИМ срабатывает от нажатия кно-пок «Больше» и «Меньше» в блоке управления. С помощью органов настрой-ки  «αП», «τИ», «tИ», и «ТФ», расположенных на боковой панели выдвижного шасси, изменяются динамические свойства прибора РП4-У.

 

         2.1 Задание

 

          2.1.1 Ознакомиться с конструкцией и техническим описанием [3] РП4-У.

         2.1.2  Снять переходные процессы выходного сигнала Uε устройства сравнения прибора РП4-У при ступенчатом изменении «задания» и сигналов на входах  «α1», «α2» и  «α3» этого прибора. На основании экспериментальных данных определить вид и параметры передаточных функций  устройства срав-нения между указанными входами и выходом.

         2.1.3  Снять переходные процессы выходного сигнала UИМ датчика поло-жения ИМ при ступенчатом изменении «задания» РП4-У для ряда значений настроек  αП, τИ, tИ, αΣ.

         2.1.4  На основании проведенных экспериментов проанализировать вли-яние органов  настройки  «αП», «τИ», «tИ»,  «αΣ» на параметры переходной и передаточной функций исследованного регулятора и составить его структур-ную схему.

 

         2.2 Порядок выполнения работы

 

         2.2.1 На правой боковой панели выдвижного шасси установить органы настройки РП4-У в положение:  αΣ = α1 = α2 = α3 = 1;  αП = 0,5 с/%;  τИ = 100 с;   tИ = 0,1 с; ТФ = 0; Δ = 1 %; «задание %» = 0.

         2.2.2 Подать питание 220 В на стенд и осциллограф, вход которого подключить к гнездам «Y0» и «Y1»  РП4-У для контроля сигнала Uε.

         2.2.3 Используя осциллограф, зарегистрировать переходные процессы  сигнала Uε сначала при ступенчатом увеличении на 10 %, а затем при ступен-чатом уменьшении на 10 % «задания» РП4-У.

         2.2.4  К входу «α1» РП4-У подключить вольтметр V1 и источник возму-щения и тумблером последнего сначала включить, а затем выключить сигнал ΔUВХ. Используя осциллограф, зарегистрировать переходные процессы  сиг-нала Uε, при этом измерить ΔUВХ. Величина ΔUВХ не должна приводить к зашкаливанию вольтметра V1 и к нелинейным искажениям типа «ограниче-ние» сигнала Uε.

         2.2.5  Повторить п. 2.2.4 применительно к входам «α2»  и «α3» РП4-У.

         2.2.6  На осциллографе выставить коэффициент отклонения 2 В/дел и длительность развертки 5 с/дел, а его вход подключить к выходу «Положение ИМ». В режиме «Ручное» кнопкой «Меньше» установить ИМ в нулевое поло-жение (UИМ = 0).

         2.2.7  В момент нахождения луча осциллографа в левом нижнем углу масштабной сетки нажать кнопку «Больше» и зарегистрировать во времени изменение сигнала UИМ от нуля до максимального значения UМАХ (около 12 В).

         2.2.8  Кнопкой «Меньше» выставить UИМ = 0, «задание» РП4-У - в нуле-вом положении. В момент нахождения луча осциллографа в левом нижнем углу масштабной сетки одновременно включить режим «Автомат» и ступен-чато увеличить на 10 % «задание» РП4-У. Зарегистрировать переходной процес  сигнала UИМ. При достижении UИМ = UМАХ перейти в режим «Ручное».

         2.2.9  Повторить п.2.2.8 при других значениях τИ, например, 35 с и 0 с.

         2.2.10 Повторить п.2.2.8 при других значениях αП, например,  2,2 с/%.

         2.2.11  Повторить п.2.2.8 при других значениях αΣ, например, 0,7 и 0,4.

         2.2.12 Повторить п.2.2.8 при других значениях tИ, например, 0,3 с и 0,6 с.   2.2.13 Оформление подробного отчета с выполнением  пунктов 2.1.2 и 2.1.4 задания и написанием выводов.

 

         2.3  Контрольные вопросы

 

         2.3.1 Какие идеальные передаточные функции (7) или (8) лежат в основе работы исследованного регулятора?

         2.3.2 Функциональная связь параметров передаточной функции (10) с τИ.

         2.3.3 Функциональная связь параметров передаточной функции (10) с αП.

         2.3.4 Функциональная связь параметров передаточной функции (10) с αΣ.

         2.3.5  Назначение настроек  τИ,  Δ и  ТФ в приборе РП4-У.

         2.3.6  Какими органами настройки изменяется пропорциональная сос-тавляющая  исследованного регулятора?

         2.3.7 Какими органами настройки изменяется интегральная состав-ляющая  исследованного регулятора?

         2.3.8 Переходные характеристики, соответствующие функциям (9).

         2.3.9 Понятия: коэффициент заполнения, скважность, средняя скорость перемещения регулирующего органа.

         3 Лабораторная работа № 3. Системы управления положением исполнительного механизма

 

         Цель работы: приобретение навыков экспериментального  исследования динамических и статических характеристик (СХ) промышленных сервомеха-низмов и следящих систем управления.

         Оборудование (см. рисунок 3): установленные в настольном стенде ре-гулирующий прибор РП4-У (комплекса АКЭСР-2) с задатчиком и устройст-вом сравнения (УС), исполнительный механизм (ИМ) постоянной скорости в виде однофазного двигателя переменного тока мощностью 25 Вт с редукто-ром,  блок управления (БУ) с пусковой аппаратурой, вольтметр (V1), потенци-ометрический датчик положения ИМ с встроенным указателем положения, четырехканальный АЦП и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяю-щие измерять и регистрировать одновременно четыре сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

  Рисунок 3 - Функциональная схема электромеханической следящей системы

 

         При управлении технологическими объектами управляющие воздейст-вия обычно представляют собой механическое перемещение регулирующих органов (штока клапана, шибера, движка реостата, рулей кораблей и летатель-ных аппаратов и т.п.). Поэтому на выходе регулирующего прибора (в общем случае - управляющей вычислительной машины) располагаются достаточно мощные ИМ (серводвигатели) – электрические, пневматические или гидрав-лические реверсивные двигатели, сочлененные с регулирующими органами объекта [2]. Наиболее распространенными задачами, которые решают САУ, являются стабилизация, выполнение заданной программы и слежение.

         Системы, управляемая величина которых воспроизводит произвольно изменяющееся задающее воздействие, называются следящими [6-9]. В них управляемая величина ковариантна с задающим воздействием [10]. На рисун-ке 3 показан пример электромеханической следящей системы, где φ – угол по-ворота вала ИМ. Подобная система позволяет при незначительной мощности, требуемой для вращения задатчика (командной оси), управлять мощными тя-желыми объектами (орудийными башнями, антеннами радиолокаторов и т.п.). Кроме того, она может обеспечить дистанционность управления, т.е. задатчик может находиться на удалении от объекта и силовой части системы.

         Кроме электромеханических существуют также электрогидравлические, электропневматические и чисто гидравлические и пневматические следящие системы в зависимости от вида применяемых в них усилителей и ИМ. Вход-ная и выходная величины следящей системы могут быть не только механичес-кие, как на рисунке 3, но могут иметь любую физическую природу [1]. Во многих областях техники существует большое количество разнообразных САУ, использующих принцип следящих систем.

         Для уменьшения ошибки, вызванной задающим воздействием в замкну-той системе, применяют неединичную обратную связь. Причем наиболее эф-фективным ее действие оказывается в статической системе. Здесь простым уменьшением коэффициента передачи жесткой главной обратной связи на незначительную величину по сравнению с единицей можно получить аста-тизм первого порядка относительно задающего воздействия (отсутствие ста-тической ошибки) [1,9]. Аналогичные результаты получаются масштабирова-нием входной или выходной величины системы.

 

         3.1 Задание

        

         3.1.1 Снять и графически построить СХ разомкнутой системы управле-ния положением ИМ по задающему воздействию (заданию) для ряда значений αП и αΣ РП4-У.

         3.1.2 Собрать, опробовать и настроить замкнутую систему управления – САУ положением ИМ.

         3.1.3 Снять и графически построить СХ САУ положением ИМ по задаю-щему воздействию для ряда значений αП и αΣ  прямой цепи и α1 обратной связи РП4-У.

         3.1.4 После линеаризации полученных СХ определить коэффициенты передачи разомкнутой и замкнутой систем и оценить линейность систем.

         3.1.5  Снять переходные процессы сигналов рассогласования Uε РП4-У и управляемой величины UИМ замкнутой системы (см. рисунок 3) при ступенча-том изменении задания для ряда значений  αП, αΣ, τИ и α1 РП4-У.

         3.1.6 Определить показатели переходных процессов (перерегулирова-ние, длительность переходного процесса, время установления первого максимума и др.). Проанализировать влияние αП, αΣ, α1 и τИ  на показатели переходных процессов и свойства САУ.

 

         3.2 Порядок выполнения работы

 

         3.2.1 На правой боковой панели выдвижного шасси установить органы настройки РП4-У в положение: αΣ = 1; αП = 0,5 с/%;  τИ = 500 с;  tИ = 0,1 с;     ТФ = 0; Δ = 0,5 %; «задание %» = 0.

         3.2.2 Подать питание 220 В на стенд. К выходу датчика положения ИМ подключить вольтметр V1 для измерения напряжения UИМ.

         3.2.3 В режиме «Ручное» кнопкой «Меньше» установить ИМ в нулевое положение (UИМ = 0). Изменяя в режиме «Автомат» «задание» РП4-У с шагом 4%, снять и графически построить СХ разомкнутой системы UИМ(задание %) сначала при увеличении, а затем при уменьшении задания.

         3.2.4 Повторить п. 3.2.3 при αΣ = 0,4.

         3.2.5 Повторить п. 3.2.4 при других значениях αП , например, 0,65 с/% и 0,8 с/% .

         3.2.6 Собрать замкнутую систему (см. рисунок 3). Для этого вход «α1» узла сравнения РП4-У соединить двумя проводниками с выходом датчика положения ИМ, а органы настройки установить в положение:   αΣ = α1 = 1;     αП = 0,5 с/%;  τИ = 500 с;  tИ = 0,1 с; ТФ =30 с; Δ = 0,5 %.

         3.2.7 Проверить правильность выполнения в п. 3.2.6 отрицательной обратной связи (ООС). Для этого в режиме «Ручное» с помощью кнопок «Больше» и «Меньше»         установить вал ИМ в среднее положение (около 50 % по указателю положения). С помощью задатчика РП4-У установить сигнал рассогласования Uε = 0, при этом световые сигналы «Б» (команда «больше») и «М» (команда «меньше») на РП4-У погаснут.

         При нажатии кнопки «Больше» должна формироваться на РП4-У коман-да «М». Если же формируется команда «Б», то необходимо поменять местами проводники ООС на гнездах «α1».

         3.2.8  Изменяя в режиме «Автомат» «задание» РП4-У с шагом 10 %, снять и графически построить СХ UИМ(задание %) сначала при увеличении, а затем при уменьшении задания.

         3.2.9 Повторить п. 3.2.8 при других значениях α1 , например, 0,8 и 0,6.

         3.2.10 Двумя проводниками соединить гнезда «Y0» и «Y1»  РП4-У соот-ветственно с общей точкой стенда и входом первого канала АЦП для регис-трации сигнала Uε. К выходу датчика положения ИМ подключить вход второ-го канала АЦП. Блок управления по-прежнему в режиме «Автомат».

         3.2.11 Подать питание 220 В на ПЭВМ. Запустить программу регистра-ции измеряемых сигналов двойным щелчком левой кнопки «мыши» по ярлы-ку «САР» на рабочем столе.

         Регистрация сигналов начинается (продолжается) или заканчивается (останавливается) после выбора щелчком левой кнопки «мыши» подпунктов соответственно «Соединить» или «Разъединить» меню «Измерение». После останова регистрации диаграмма сигналов остается неизменной для просмотра, сохранения данных или настройки ее внешнего вида.

         Настройка диаграммы сигналов может выполняться предварительно или во время измерений с помощью диалогового окна, которое выводится на эк-ран ПЭВМ после выбора двойным щелчком левой кнопки «мыши» подпункта «Настройка» меню «Измерение». Во время настройки регистрация сигналов, проводившаяся в режиме «Измерение», временно прекращается и автомати-чески возобновляется при завершении настройки. В режиме «Настройка» мо-гут независимо меняться масштабы всех четырех отображаемых сигналов и масштаб времени («число измерений на графике»). При максимально возмож-ном «числе измерений», равном 10000, масштаб времени на диаграмме равен 1,5 с/деление.

         3.2.12 Зарегистрировать одновременные переходные процессы сигналов Uε и UИМ при ступенчатом увеличении «задания» РП4-У с 0 до 50 %. После этого задатчик РП4-У вернуть в нулевое положение. При необходимости от-градуировать с помощью секундомера ось времени на полученной диаграмме.

         3.2.13 Повторить п. 3.2.12 при других значениях αП, например, 1,1 с/% и 2,2 с/%.

         3.2.14 Повторить п. 3.2.12 при αП = 1,1 с/% и τИ = 100 с.

         3.2.15 Повторить п. 3.2.14 при αΣ = 0,4.

         3.2.16  Повторить п. 3.2.14 при α1 = 0,8.

         3.2.17 Оформление подробного отчета с выполнением  пунктов 3.1.4 и 3.1.6 задания и написанием выводов.

 

         3.3 Контрольные вопросы

 

         3.3.1 Достоинства и недостатки разомкнутых систем управления.

         3.3.2 Достоинства и недостатки замкнутых систем управления.

         3.3.3 Понятие СХ, ее применимость и экспериментальное определение.

         3.3.4 Понятие переходной характеристики, ее применимость и экспери-ментальное определение.

         3.3.5 Понятие следящей системы управления.

         3.3.6 Влияние αΣ и αП на СХ исследованной разомкнутой системы.

         3.3.7 Использование неединичных ООС.

         3.3.8 Возможность автоколебаний в разомкнутых и замкнутых системах.

         3.3.9 Влияние αΣ , αП и α1 на СХ исследованной замкнутой системы.

         3.3.10 Влияние αΣ , αП , α1 и τИ на показатели переходных процессов исследованной замкнутой системы управления.

 

         4 Лабораторная работа № 4. Системы управления с компенсацией возмущений

 

         Цель работы: приобретение навыков экспериментального  исследования и наладки разомкнутых систем управления с параллельной компенсацией возмущений.

Оборудование (см. рисунок 4): установленные в настольном стенде ре-гулирующий прибор РП4-У (комплекса АКЭСР-2) с задатчиком, исполнитель-ный механизм (ИМ) постоянной скорости в виде однофазного двигателя пере-менного  тока  с  редуктором  и  потенциометрическим   датчиком положения,

Блок   управления (БУ) с пусковой аппаратурой, регулируемый источник воз-

мущения (ИВ) с встроенным вольтметром, трехзвенная модель объекта управ-

ления (МОУ), вольтметры (V1,V3), четырехканальный  АЦП  и  ПЭВМ с про-

 

 

 

 Рисунок 4 - Функциональная схема системы с компенсацией возмущений

 

граммным обеспечением, позволяющие измерять и регистрировать одновре-менно четыре сигнала.

         В сложных системах для достижения высокого качества работы исполь-зуется принцип инвариантности [1,2,10-12], т.е. независимости, например, ошибки системы от возмущений. Различают [10,11] следующие виды инвари-антности: абсолютную, полную, до заданной малой величины ε, частичную и селективную.

         Для абсолютной инвариантности необходимо, чтобы передаточная фун-кция ошибки системы  WЕ(р) ≡ 0. Это условие  реализуется редко. Обычно до-биваются инвариантности до наперед заданной малой величины  ε: WЕ(р) < ε.

         Если независимость ошибки от возмущения достигается только в уста-новившемся режиме работы системы, то говорят о полной инвариантности или инвариантности до переходной составляющей. Если возмущение имеет ограниченное число производных, то инвариантность ошибки системы отно-сительно такого сигнала называют частичной. Форма инвариантности, когда обеспечивается малость установившейся реакции системы на некоторые типы возмущений, называется селективной. Инвариантность от нескольких возму-щений называют полиинвариантностью.

         В системах, построенных по принципу измерения отклонения, инвари-антность ошибки относительно возмущений невозможна. Это связано с тем, что подобные системы не удовлетворяют необходимому структурному свой-ству инвариантных систем (двухканальности), в соответствии с которым должно быть по меньшей мере два канала воздействия возмущений на ошибку системы. Мощным средством обеспечения инвариантности к основному возмущению на объект, если это возмущение может быть измерено, является параллельная компенсация.

 

         4.1 Задание

 

         4.1.1 Собрать, опробовать и настроить разомкнутую систему управления без компенсации, состоящую из следящего сервомеханизма и МОУ. Снять и графически построить СХ этой системы UВЫХ(задание %) без возмущений f1, f2 и  f3, а также UВЫХ(f1), UВЫХ(f3) при двух значениях задающего воздействия.

         4.1.2 При отсутствии возмущений снять переходные процессы сигналов рассогласования Uε РП4-У, датчика положения UИМ, выходов первого U1 и третьего  UВЫХ  звеньев МОУ при ступенчатом изменении задающего воздей-ствия (задания) для двух значений  постоянных времени МОУ.

         4.1.3 Ввести связь, компенсирующую возмущение f1. Снять и графичес-ки построить СХ UВЫХ(f1) и  UИМ(f1) при двух значениях задания.

         4.1.4 Снять переходные процессы сигналов Uε, UИМ, U1 и UВЫХ при сту-пенчатом изменении возмущения f1 без компенсации и с компенсацией f1 для двух значений  постоянных времени МОУ.

         4.1.5 Ввести связь, компенсирующую возмущение f3. Снять и графичес-ки построить СХ UВЫХ(f3) при максимальном  задании.

         4.1.6 Снять переходные процессы сигналов Uε, UИМ, U1 и UВЫХ при сту-пенчатом изменении возмущения f3 без компенсации и с компенсацией f3 для максимальных  постоянных времени МОУ.

         4.1.7 Проанализировать влияние примененных компенсирующих связей на свойства системы управления.

 

         4.2 Порядок выполнения работы

 

         4.2.1 Собрать следящую систему управления серводвигателем в соответ-ствии с пунктами 3.2.6 и 3.2.7.  Установить органы настройки МОУ: α4 = 0,4; α5 = α6 = 0,5; α7 =1; параметры обратных связей задаются преподавателем. С помощью тумблеров МОУ соединить с ИМ и отключить от возмущений.

         4.2.2 Подать питание 220 В на стенд. К выходам ИМ и МОУ подклю-чить вольтметры V1 и V3 для измерения напряжений соответственно UИМ и UВЫХ. Блок управления – в режиме «Автомат».

         4.2.3 Изменяя  «задание» РП4-У, снять и графически построить СХ UВЫХ(задание %).

         4.2.4 Включить тумблер «f1» и ИВ. Изменяя напряжение UИВ, снять и графически построить СХ UВЫХ(UИВ) для двух значений «задания», например, 100 % и 60 %.

         4.2.5 Повторить п. 4.2.4 для возмущения f3.

         4.2.6 Двумя проводниками соединить гнезда «Y0» и «Y1»  РП4-У соот-ветственно с общей точкой стенда и входом первого канала АЦП для регист-рации сигнала Uε. Входы второго, третьего и четвертого каналов АЦП соеди-нить с выходами соответственно датчика положения ИМ и первого и третьего звеньев МОУ.

         4.2.7 Запустить программу регистрации сигналов по п. 3.2.11. При от-сутствии возмущений зарегистрировать одновременные переходные процессы сигналов Uε, UИМ, U1 и UВЫХ  при ступенчатом увеличении «задания» РП4-У с 0 до 50 %. Постоянные времени МОУ задаются преподавателем.

         4.2.8  Вход «α2» РП4-У соединить двумя проводниками с выходом ИВ, а органы настройки установить в положение: α2= 0; «задание % » = 50; UИВ= 4В. После этого измерить напряжение UВЫХ.

         4.2.9 Включить тумблер «f1», при этом напряжение UВЫХ изменится. Проверить правильность выполнения связи, компенсирующей возмущение f1: при увеличении настройки α2 напряжение UВЫХ должно приближаться к пер-воначальному значению. Если этого не происходит, то нужно поменять места-ми проводники на гнездах «α2». Зафиксировать настройку α2, при которой восстанавливается первоначальное значение UВЫХ. Зарисовать окончательную схему соединения гнезд ИВ с гнездами «α2», которая потребуется в п. 5.2.10.

         4.2.10 Повторить п. 4.2.4.

         4.2.11  Выставить «задание» на РП4-У 50 %. Зарегистрировать одновре-менные переходные процессы сигналов Uε, UИМ, U1 и UВЫХ  при ступенчатом сначала увеличении UИВ с 0 до 4 В, а затем при уменьшении UИВ  с 4 В до 0. Постоянные времени МОУ задаются преподавателем.

         4.2.12 Повторить п. 4.2.11 при α2 = 0, т.е. без компенсации.

          4.2.13  Выключить тумблер «f1» и включить тумблер «f3», выставить UИВ = 10 В и измерить UВЫХ. Аналогично п. 4.2.9 проверить правильность выполнения связи, компенсирующей возмущение f3.

         4.2.14 Изменяя напряжение UИВ при «задание %» = 100, снять и графи-чески построить СХ  UВЫХ(UИВ).

         4.2.15 Повторить пункты 4.2.11 и 4.2.12 при ступенчатом изменении UИВ на 10 В для максимальных постоянных времени МОУ.

         4.2.16 Оформление подробного отчета с выполнением  п. 4.1.7 задания и написанием выводов.

 

         4.3 Контрольные вопросы

        

         4.3.1 Параллельная компенсация возмущений.

         4.3.2 Последовательная компенсация возмущений [10].

         4.3.3 Передаточные функции звеньев МОУ по отдельным входам.

         4.3.4 Вид инвариантности исследованной системы управления.

         4.3.5  Причины меньшего влияния возмущения f3 на систему, чем возму-щения f1.

         4.3.6 Понятие инвариантности САУ.

         4.3.7 Виды инвариантности.

         4.3.8 Условие инвариантности исследованной системы управления.

         4.3.9  Как построить полиинвариантную систему к возмущениям f1 и f3?

         4.3.10 Достоинства и недостатки САУ по возмущению.

         4.3.11 Вид инвариантности исследованной системы управления.

         5 Лабораторная работа № 5. Комбинированная САУ

 

         Цель работы: приобретение навыков экспериментального  исследования и наладки САУ, в которых наряду с управлением по отклонению (замкнутый цикл) используется управление по возмущению (разомкнутый цикл).

         Оборудование (см. рисунок 5): установленные в настольном стенде ре-гулирующий прибор РП4-У (комплекса АКЭСР-2) с задатчиком, исполнитель-ный механизм (ИМ) постоянной скорости в виде однофазного двигателя пере-менного тока  с редуктором и потенциометрическим датчиком положения,  блок управления (БУ) с пусковой аппаратурой, дифференциатор (Д1), регули-руемый источник возмущения (ИВ) с встроенным вольтметром, трехзвенная модель объекта управления (МОУ), вольтметры (V1,V3), четырехканальный АЦП и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяющие измерять и регис-трировать одновременно четыре сигнала.

         Значительный эффект дает одновременное использование принципов регулирования по отклонению и возмущению. В этом случае системы управ-ления называются комбинированными. Комбинированное регулирование – основной и широко используемый способ обеспечения инвариантности регу-лируемой координаты от сильного возмущения [1,2,4,6-8,11,13,14]. Это воз-можно в том случае, если возмущение доступно измерению. При этом в систе-ме кроме замкнутого контура создается дополнительная цепь воздействия ос-новного возмущения. Эта цепь должна компенсировать влияние возмущения на регулируемую координату, поэтому ее называют компенсирующей. 

 

 

 

Рисунок 5 – Функциональная схема исследуемой комбинированной САУ

        

         Замкнутый контур осуществляет регулирование по отклонению: обеспе-чивает воспроизведение регулируемой координатой задающего воздействия и уменьшает влияние второстепенных возмущений. Компенсирующая цепь не может обеспечить абсолютную инвариантность, поэтому замкнутый контур принимает участие и в уменьшении влияния основного возмущения.

         Следует иметь в виду, что из-за неточностей в определении параметров объекта и выполнении компенсирующей цепи, а также вследствие изменения параметров комбинированной системы при эксплуатации, практически обеспечивается полная или частичная инвариантность лишь с точностью до ε. Несмотря на это, комбинированное регулирование имеет большие достоин-ства. При достаточно эффективной компенсирующей цепи можно иметь мень-ший передаточный коэффициент разомкнутого контура и, следовательно, лег-че обеспечить устойчивость системы. Компенсирующая цепь не влияет на динамические свойства и устойчивость замкнутого контура, а также на качес-тво переходного процесса в системе, создаваемого задающим воздействием.

         В исследуемой САУ (см. рисунок 5 и схему на стенде) возмущение UИВ и регулирующее воздействие UИМ алгебраически складываются на входах МОУ с некоторыми коэффициентами КИВ и КИМ. Тогда компенсация достига-ется при

                                        КИМWК(р) WР-ИМ(р) = КИВ,                                             (11)

 

         где WК(р) и WР-ИМ(р) – передаточные функции соответственно компен-сатора и цепочки РП4-ИМ.

         Из (8) и (10) следует, что цепочка РП4-ИМ при ТФ = 0 приближенно представляет собой изодромное звено с передаточной функцией

 

                                             WР-ИМ(р) = КР[1 + 1/(ТИЗр)].                                    (12)

 

         Из (11, 12) получаем

        

                   WК(р) = КИВ / КИМ WР-ИМ(р) = КИВ ТИЗр / КИМ КР(1+ ТИЗр).             (13)

 

         Поэтому в соответствии с (1) в данной  САУ компенсатор выполнен в виде дифференциатора с передаточной функцией  WК(р) = КТр / (1+ Тр)  с изменяемыми коэффициентом передачи К и постоянной времени дифферен-цирования Т.

 

         5.1 Задание

 

         5.1.1 Собрать, опробовать и настроить рассматриваемую САУ без ком-пенсирующей цепи. Снять и графически построить СХ этой системы UВЫХ(задание %) и UИМ(задание %) без возмущения f1,  а также UВЫХ(f1) при двух значениях задающего воздействия (задания).

         5.1.2 При отсутствии возмущения f1 снять переходные процессы сигна-лов рассогласования Uε  РП4-У, датчика положения UИМ и UВЫХ  МОУ при ступенчатом изменении задания.

         5.1.3 Снять переходные процессы сигналов Uε, UИМ и UВЫХ при ступен-чатом изменении возмущения f1.

         5.1.4 Ввести дифференциатор, компенсирующий возмущение f1. Повто-рить п. 5.1.3 для ряда значений параметров К и Т дифференциатора.

         5.1.5 Проанализировать результаты пунктов 5.1.3. и 5.1.4, среди которых наиболее информативными являются временные диаграммы сигнала Uε. Ука-зать значения К и Т дифференциатора, обеспечивающие наиболее существен-ное повышение качества комбинированной САУ.

 

         5.2 Порядок выполнения работы

 

         5.2.1 Собрать замкнутую САУ без дифференциатора Д1 (см. рисунок 5). Для этого вход МОУ подключить тумблером к ИМ, а два гнезда входа «α1» РП4-У соединить двумя проводниками с выходом МОУ и общей точкой стенда.

         5.2.2 Установить органы настройки РП4-У и МОУ: αΣ = α1 = α2 = α7 = 1; α4 = 0,2; α5 = α6 = 0,5; αП = 0,5 с/%;  τИ = 20 с;  tИ = 0,1 с; ТФ = 0; Δ = 1 %. Пара-метры обратных связей МОУ задаются преподавателем.

         5.2.3 Подать питание 220 В на стенд. К выходам ИМ и МОУ подклю-чить вольтметры V1 и V3 для измерения напряжений UИМ и UВЫХ.

         5.2.4 Проверить правильность выполнения в п. 5.2.1 отрицательной обратной связи. Для этого повторить п. 3.2.7.

         5.2.5  Изменяя в режиме «Автомат» «задание» РП4-У с шагом 10 %, снять и графически построить СХ  UВЫХ(задание %) и UИМ(задание %).

         5.2.6 Включить тумблер «f1» и ИВ. Изменяя напряжение UИВ, снять и графически построить СХ  UВЫХ(UИВ) для двух значений «задания», например, 50 % и 90 %.

         5.2.7 Двумя проводниками соединить гнезда «Y0» и «Y1»  РП4-У соот-ветственно с общей точкой стенда и входом первого канала АЦП для регист-рации сигнала Uε. Входы второго и  третьего каналов АЦП соединить с выхо-дами  датчика положения ИМ и МОУ.

         5.2.8 Запустить программу регистрации сигналов по п. 3.2.11. При от-сутствии возмущения  f1 зарегистрировать одновременные переходные про-цессы сигналов Uε, UИМ и UВЫХ  при ступенчатом увеличении «задания» РП4-У с 0 до 70 %.

         5.2.9 Выставить на РП4-У «задание % » = 70, включить тумблер  «f1». Зарегистрировать одновременные переходные процессы сигналов Uε, UИМ и UВЫХ  при ступенчатом  увеличении UИВ  с 0 до 3,5 В.

         5.2.10 Восстановить схему подключения ИВ к входу «α2 » по п. 4.2.9. После этого проводник с сигнального гнезда ИВ соединить с входом диффе-ренциатора Д1, выход которого дополнительным проводником соединить с освобожденным гнездом входа «α2 » РП4-У.

         5.2.11 Выставить параметры дифференциатора  К = 1,8; Т = ТМАК. Пов-торить п. 5.2.9.

         5.2.12 Повторить п. 5.2.11 при других значениях  К и Т, например, 1,8 и  0,5ТМАК;  0,9 и ТМАК;  0,9 и 0,5ТМАК.

         5.2.13 Оформление подробного отчета с выполнением  п. 5.1.5 задания и написанием выводов.

 

         5.3 Контрольные вопросы

        

         5.3.1Условие инвариантности регулируемой величины от возмущения f1.

         5.3.2 Обоснование реализации компенсатора в виде дифференциатора.

         5.3.3 Вид инвариантности исследованной системы управления.

         5.3.4 Как построить полиинвариантную комбинированную систему к возмущениям f1 и f3?

         5.3.5 Назначение и достоинства комбинированных САУ.

         5.3.6 Достоинства и недостатки САУ по отклонению.

         5.3.7  Почему компенсирующая цепь не влияет на устойчивость замкну-того контура?

         5.3.8 Назначение компенсирующей цепи.

         5.3.9 Назначение замкнутого контура.

 

6  Лабораторная работа № 6. Система управления с вспомогательными регулируемыми величинами

 

         Цель работы: приобретение навыков экспериментального  исследования и наладки САУ с одним регулятором, на вход которого подаются, помимо главной регулируемой величины, предварительно скорректированные  вспо-могательные регулируемые величины.

         Оборудование (см. рисунок 6): установленные в настольном стенде ре-гулирующий прибор РП4-У с задатчиком, исполнительный механизм (ИМ) постоянной скорости в виде однофазного двигателя переменного тока  с ре-дуктором и потенциометрическим датчиком положения,  блок управления (БУ) с пусковой аппаратурой, дифференциаторы (Д1, Д2), регулируемый источник возмущения (ИВ) с встроенным вольтметром, трехзвенная модель объекта управления (МОУ), вольтметры (V1,V3), четырехканальный АЦП и ПЭВМ с программным обеспечением, позволяющие измерять и регистриро-вать одновременно четыре сигнала.

         Если одноконтурная система с ПИД-регулятором недостаточно эффек-тивно подавляет действие возмущений, то это свидетельствует о необходи-мости введения добавочных каналов связи регулятора с объектом. Объясняет-ся это тем, что во всякой информационной структуре имеется предел допус-тимой точности регулирования, обусловленный, в частности, запаздыванием в регулирующем канале объекта. Преодолеть этот предел в рамках той же структуры принципиально невозможно никаким усовершенствованием алго-ритмов регулирования.

 

 

 

Рисунок 6 – Функциональная схема исследуемой САУ

 

         Есть два основных способа усложнения информационной структуры системы управления. Первый способ – это создание систем с компенсацией возмущений, рассмотренный в разделах  4 и 5. При втором способе в регуля-тор вводится добавочная информация об изменении некоторых специально подобранных величин, более оперативно, чем управляемая величина, характе-

ризующих текущее состояние объекта – это так называемые системы с вспо-могательными регулируемыми  величинами [2,4]. Различие между указанны-ми системами состоит в том, что введение компенсирующих цепей не увели-чивает число замкнутых контуров, в то время как системы с вспомогательны-ми регулируемыми  величинами – это многоконтурные системы, т.к. введение каждой вспомогательной величины образует новый внутренний контур.

Настройка многоконтурных САУ выполняется с помощью трудоемких многошаговых поисковых алгоритмов, к числу которых относится метод одновременного поиска настройки регулятора  и корректора, называемый ме-тодом многоуровневого сканирования [2]. Число и место отбора вспомога-тельных регулируемых  величин определяется требуемым улучшением ка-чества управления при возможно меньшем усложнении структуры системы, а также конструкцией объекта (желаемая величина может оказаться недоступ-ной для контроля), наличием соответствующих датчиков и т.п.

         В системах с одним регулятором (см. рисунок 6), на входы которого по-даются и главная и предварительно скорректированная в корректоре  вспомо-гательная регулируемые величины, на практике принято [2] использовать ПИ-регулятор, а корректор выполнять в виде дифференциатора с передаточной функцией WК(р) = КТр / (1+ Тр). Необходимость дифференцирования вспомо-гательной величины обусловливается статикой САУ – вспомогательный сиг-нал на входе в ПИ-регулятор должен исчезнуть по окончании переходного процесса, иначе регулятор будет поддерживать не заданное значение регули-руемой величины, а его сумму с вспомогательной величиной. Кроме того, дифференцирование вспомогательного сигнала может улучшить динамику САУ. ПИ-регулятор в данной работе реализован на РП4-У.

         Применение рассматриваемой системы эффективно тогда, когда инер-ционность вспомогательного контура мала сравнительно с инерционностью главного канала, а основной вес имеют возмущения, входящие в объект со стороны регулирующего органа. Именно для этого случая разработаны мно-гие известные методы расчета. Если инерционности главного и вспомогатель-ных каналов соизмеримы, расчет целесообразно проводить методом много-мерного сканирования [2].

 

         6.1 Задание

 

         6.1.1 Собрать, опробовать и настроить рассматриваемую САУ без вспо-могательных контуров. Снять и графически построить СХ этой системы  UИМ(f1),  UИМ(f2) при двух значениях задающего воздействия (задания).

         6.1.2 При отсутствии возмущений снять переходные процессы сигналов рассогласования Uε  РП4-У, выходов всех звеньев  МОУ при ступенчатом из-менении задания.

         6.1.3 Снять переходные процессы сигналов Uε, звеньев МОУ при сту-пенчатом изменении возмущения f1.

         6.1.4 Ввести дифференциатор Д1. Повторить п. 6.1.3 для ряда значений параметров К и Т дифференциатора Д1.

         6.1.5 Проанализировать результаты пунктов 6.1.3. и 6.1.4, среди которых наиболее информативными являются временные диаграммы сигнала Uε. Ука-зать значения К и Т корректора Д1, обеспечивающие наиболее существенное повышение качества САУ с вспомогательной регулируемой величиной при отработке возмущения f1.

         6.1.6 Отключить дифференциатор Д1. Снять переходные процессы сигналов Uε, звеньев МОУ при ступенчатом изменении возмущения f2.

         6.1.7 Ввести дифференциатор Д2. Повторить п. 6.1.6 для ряда значений параметров К и Т дифференциатора Д2.

         6.1.8 Проанализировать результаты пунктов 6.1.6. и 6.1.7, среди которых наиболее информативными являются временные диаграммы сигнала Uε. Ука-зать значения К и Т корректора Д2, обеспечивающие наиболее существенное повышение качества САУ с вспомогательной регулируемой величиной при отработке возмущения f2.

 

         6.2 Порядок выполнения работы

 

         6.2.1 Собрать замкнутую САУ без дифференциаторов Д1 и Д2 (см. рису-нок 6). Для этого вход МОУ подключить тумблером к ИМ, а два гнезда входа «α1» РП4-У соединить двумя проводниками с выходом МОУ и общей точкой стенда.

         6.2.2 Установить органы настройки РП4-У и МОУ: αΣ = α1 = α2 = α3 = α7 = = 1; α4 = 0,2; α5 = α6 = 0,5; αП = 0,5 с/%;  τИ = 20 с;  tИ = 0,1 с; ТФ =30 с; Δ= 0,5 %. Параметры обратных связей МОУ задаются преподавателем.

         6.2.3 Подать питание 220 В на стенд. К выходам ИМ и МОУ подклю-чить вольтметры V1 и V3 для измерения напряжений UИМ и UВЫХ.

         6.2.4 Проверить правильность выполнения в п. 6.2.1 отрицательной об-ратной связи. Для этого повторить п. 3.2.7.

         6.2.5 Включить тумблер «f1» и ИВ. Изменяя напряжение UИВ, снять и графически построить СХ  UИМ(UИВ) для двух значений «задания», например, 50 % и 90 %.

         6.2.6 Выключить тумблер «f1». Повторить п. 6.2.5 при включенном тумблере «f2».

         6.2.7 Двумя проводниками соединить гнезда «Y0» и «Y1»  РП4-У соот-ветственно с общей точкой стенда и входом первого канала АЦП для регист-рации сигнала Uε. Входы второго, третьего и четвертого каналов АЦП соеди-нить с выходами соответственно первого, второго и третьего звеньев МОУ для регистрации сигналов U1, U2, и UВЫХ.

         6.2.8 Запустить программу регистрации сигналов по п. 3.2.11. При от-сутствии возмущений  зарегистрировать одновременные переходные процес-сы сигналов Uε, U1, U2 и UВЫХ  при ступенчатом увеличении «задания» РП4-У с 10 до 70 %.

         6.2.9 Выставить на РП4-У «задание % » = 50, включить тумблер  «f1». Зарегистрировать одновременные переходные процессы сигналов Uε, U1, U2  и UВЫХ    при ступенчатом  увеличении UИВ  с 0 до 1 В.

         6.2.10 Ввести в действие дифференциатор Д1 по схеме на рисунке 6. Для этого два гнезда входа «α3» РП4-У соединить двумя проводниками с выходом первого звена МОУ и общей точкой стенда. Данная обратная связь должна быть отрицательной (ООС). Для проверки этого необходимо выполнить         п. 3.2.7 при α1 = 0 (без главной ООС). Если при нажатии кнопки «Больше» формируется  команда «Б», то необходимо поменять местами проводники ООС на гнездах «α3».

         После этого  проводник с выхода первого звена МОУ соединить с вхо-дом дифференциатора Д1, выход которого дополнительным проводником сое-динить с освобожденным гнездом входа «α3 » РП4-У. Вновь выставить α1 = 1.

         6.2.11 Выставить параметры дифференциатора Д1 К = 0,9; Т = ТМИН. Повторить п. 6.2.9.

         6.2.12 Повторить п. 6.2.11 при других значениях К и Т, например, 5,1 и  0,5ТМИН;  5,1 и 0,5ТМАК;  5,1 и ТМАК.

         6.2.13 Отсоединить дифференциатор Д1 и отключить тумблер «f1». Вы-полнить п. 6.2.9 при включенном тумблер «f2».

         6.2.14 Ввести в действие дифференциатор Д2 по схеме на рисунке 6. Для этого необходимо выполнить действия, аналогичные приведенным в п. 6.2.10 с использованием входа «α2 » РП4-У.

         6.2.15  Выставить параметры дифференциатора Д2 К = 0,9; Т = ТМИН. Повторить п. 6.2.13.

         6.2.16  Повторить п. 6.2.15 при других значениях К и Т, например, 0,9 и  ТМАК;  0,9 и 0,5ТМАК.

         6.2.17 Оформление подробного отчета с выполнением  пунктов 6.1.5 и 6.1.8 задания и написанием выводов.

 

         6.3 Контрольные вопросы

        

         6.3.1 При действии возмущения f1 какой из корректоров Д1 илиД2 более эффективен?

         6.3.2 При действии возмущения f2 какой из корректоров Д1 или Д2 более эффективен?

         6.3.3 Составить функциональную схему комбинированной САУ с вспо-могательной регулируемой величиной.

         6.3.4 Влияние обратной связи в МОУ на эффективность корректоров Д1 и Д2.

         6.3.5 Какой вид обратной связи осуществляют корректоры Д1 и Д2?

         6.3.6 Понятие и применение гибкой обратной связи.

         6.3.7 Понятие и применение жесткой обратной связи.

         6.3.8 Число контуров в исследованной САУ.

 

         7  Лабораторная работа № 7. Каскадная  САР

 

         Цель работы: приобретение навыков экспериментального  исследования и наладки многоконтурных САР с каскадным включением регуляторов.

         Оборудование (см. рисунок 7): установленные в настольном стенде вы-полняющий функции главного регулятора (РГ) регулирующий прибор РП4-У с задатчиком, исполнительный механизм (ИМ) постоянной скорости в виде однофазного двигателя переменного тока  с редуктором и потенциометричес-ким датчиком положения,  блок управления (БУ) с пусковой аппаратурой, регулируемый источник возмущения (ИВ) с встроенным вольтметром, выпол-ненный на операционном усилителе вспомогательный регулятор (РВ), выпол-ненная на операционных усилителях двухзвенная модель объекта управления (МОУ), вольтметры (V1,V3), четырехканальный АЦП и ПЭВМ с програм-мным обеспечением, позволяющие измерять и регистрировать одновременно четыре сигнала. Резисторы и конденсаторы вспомогательного регулятора и МОУ имеют следующие номинальные значения: R1= R3 = R6 = R7 = R9 =  =R10 = 1 МОм, R2 = R4 = R5 = R8 = 200 кОм, С1= С5 = С9 = 4,7 мкФ, С2 =   =С6  = С10 = 1 мкФ, С3 = С7 = С11 = 0,47 мкФ, С4 = С8 = С12 = 0,22 мкФ.

 

 

Рисунок 7 – Функциональная схема исследуемой САР

 

         Для управления сложными технологическими комплексами и автомати-зированными электроприводами постоянного и переменного тока применяют многоконтурные системы, построенные по принципу подчиненного регули-рования [2,6,8,13,16-18]. Системы подчиненного регулирования характеризу-ются каскадным включением регуляторов, количество которых соответствует числу N регулируемых координат, например, тока, напряжения, момента вращения, скорости и положения вала электродвигателя. На входе каждого из N регуляторов сравниваются сигналы, пропорциональные заданному и действительному значениям выходной координаты данного контура регулиро-вания, а выходной сигнал регулятора является задающим сигналом для после-дующего контура регулирования, т.е. последующий контур регулирования подчинен предыдущему. Ограничение любой из координат системы обеспечи-вается ограничением сигнала задания данной координаты. В зависимости от конкретных условий пределы ограничения координат могут быть постоян-ными или меняться по заданному закону.

         Каждый N-й контур системы регулирования делится на регулятор и объект регулирования переменной, включающий в себя замкнутый контур ре-гулирования, внутренний по отношению к данному контуру. Контуры регули-рования могут быть как концентрическими, так и с перекрестными связями.

         При оптимизации статических и динамических свойств замкнутого контура регулирования наибольшие постоянные времени объекта регулирова-ния компенсируют корректирующими звеньями регулятора. С увеличением номера N контура регулирования его некомпенсированная постоянная време-ни возрастает, что влечет за собой снижение быстродействия каждого после-дующего внешнего контура регулирования.

          На схеме, представленной на рисунке 7, регулирование осуществляется двумя соподчиненными регуляторами – главным РГ и вспомогательным РВ. Первый, контролируя основную регулируемую величину UВЫХ, формирует командное воздействие UИМ  для второго, который на основании контроля отклонения вспомогательной величины UВ модели объекта управления от UИМ вырабатывает регулирующее воздействие UРВ. При использовании в отрица-тельной обратной связи операционного усилителя только резистора R3 обес-печивается пропорциональный тип регулятора РВ, только конденсаторов С1…С4 – интегральный тип РВ, а одновременно R3 и С1…С4 – инерционный тип РВ [15].

         Главный регулятор должен иметь ПИ-закон регулирования [2], что обеспечивается совместным применением РП4-У и ИМ постоянной скорости (см. раздел 2). Вспомогательный регулятор должен представлять собой интегро-дифференцирующее звено [2] с передаточной функцией

 

WРВ(р) = К(1 + рТ1)/(1 + рТ2) ≈ К{рТ1/ (1+рТ2) +1}.

 

Полученный таким образом вспомогательный регулятор обладает реальным ПД-законом регулирования, т.е.формируемое им регулирующее воздействие оказывается пропорциональным взвешенной сумме отклонения регулируемой величины и ее первой реальной производной.

В практике автоматизации технологических процессов оба регулятора в каскадных схемах традиционно выбирают в виде ПИ-регуляторов. Здесь ска-залась инерционность мышления, когда исходя из опыта проектирования од-ноконтурных систем сформировалось представление, что ПИ-алгоритм регу-лирования превосходит по своим качествам П-алгоритм. Однако анализ сви-детельствует [2], что за исключением редких случаев (малой инерционности вспомогательного канала объекта, когда процессы в главном и вспомогатель-ном контурах протекают практически независимо, т.е. когда имеются две независимые одноконтурные системы) применение интегральной составляю-щей во вспомогательном регуляторе оказывается не только излишним, но и вредным. Действительно, эта составляющая вводится для устранения стати-ческой ошибки. Однако в каскадной системе эту функцию уже выполняет интегральная составляющая главного регулятора. В то же время введение такой составляющей уменьшает, как правило, запас устойчивости системы.

Если технические возможности не позволяют реализовать во вспомо-гательном регуляторе ПД-алгоритм, следует остановиться на простейшем П-алгоритме регулирования. Настройка и расчет каскадных САР производится аналогично тому, как это описано в разделе 6.

 

         7.1 Задание

 

         7.1.1  Собрать, опробовать и настроить рассматриваемую САР без внутреннего контура. Снять и графически построить СХ этой системы UВЫХ(задание %) без возмущения f3,  а также UВЫХ(f3) при двух значениях задающего воздействия (задания).

         7.1.2  Собрать, опробовать и настроить рассматриваемую САР с пропорциональным РВ. Снять и графически построить СХ этой системы UВЫХ(задание %) без возмущения f3,  а также UВЫХ(f3) при двух значениях задающего воздействия (задания).

         7.1.3  В САР сначала без внутреннего контура, а затем с пропорцио-нальным и инерционным РВ при отсутствии возмущения f3 снять переходные процессы сигналов рассогласования Uε  РП4-У, датчика положения UИМ и UВЫХ  МОУ при ступенчатом изменении задания.

         7.1.4  В САР сначала без внутреннего контура, а затем с пропорцио-нальным и инерционным РВ  снять переходные процессы сигналов рассогла-сования Uε  РП4-У, датчика положения UИМ и UВЫХ  МОУ при ступенчатом изменении возмущения f3.

         7.1.5  Проанализировать полученные результаты. Указать значения параметров регулятора РВ, обеспечивающие наиболее высокое качество каскадной САР.

 

         7.2 Порядок выполнения работы

 

         7.2.1 Собрать  САР без внутреннего контура (см. рисунок 7). Для этого вход МОУ подключить тумблером к ИМ, а два гнезда входа «α1» РП4-У соединить двумя проводниками с выходом МОУ и общей точкой стенда.

         7.2.2 Установить органы настройки РП4-У и МОУ: αΣ = α1 =1; α4 = 0,4;  α5 = α6 = 0,2; α7 = 0;  αП = 0,5 с/%; τИ = 20 с; tИ = 0,1 с; ТФ = 20 с; Δ = 0,6 %. Сос-тояние обратных связей операционных усилителей: включены резисторы R3,  R6,  R9 и конденсаторы С9…С12.

         7.2.3 Подать питание 220 В на стенд. К выходам ИМ и МОУ подклю-чить вольтметры V1 и V3 для измерения напряжений UИМ и UВЫХ.

         7.2.4 Проверить правильность выполнения в п.7.2.1 отрицательной обратной связи. Для этого повторить п. 3.2.7.

         7.2.5  Изменяя в режиме «Автомат» «задание» РП4-У, снять и графичес-ки построить СХ  UВЫХ(задание %) при отключенном тумблере f3.

         7.2.6 Включить тумблер «f3» и ИВ. Изменяя напряжение UИВ, снять и графически построить СХ  UВЫХ(UИВ) для двух значений «задания», например, 50 % и 90 %.

         7.2.7  Установить α7 = 1 и повторить пункты 7.2.5 и 7.2.6.

         7.2.8  Двумя проводниками соединить гнезда «Y0» и «Y1»  РП4-У соот-ветственно с общей точкой стенда и входом первого канала АЦП для регист-рации сигнала Uε. Входы второго и  третьего каналов АЦП соединить с выхо-дами  датчика положения ИМ и МОУ.

         7.2.9  Запустить программу регистрации сигналов по п. 3.2.11. При α7 = 0 и отсутствии возмущения  f3  зарегистрировать одновременные переходные процессы сигналов Uε, UИМ и UВЫХ  при ступенчатом увеличении «задания» РП4-У с 50 % до 80 %.

         7.2.10  Повторить п. 7.2.9 при α7 = 1.

         7.2.11  В регуляторе РВ включить конденсаторы С2 и С3 и повторить   п. 7.2.10.

         7.2.12  Выставить на РП4-У «задание % » = 80, установить α7 = 0, отклю-чить конденсаторы С2 и С3, включить тумблер «f3». Зарегистрировать одно-временные переходные процессы сигналов Uε, UИМ и UВЫХ  при ступенчатом  увеличении UИВ  с 0 до 3 В.

         7.2.13  Повторить п. 7.2.12  при α7 = 1.

         7.2.14  Повторить п. 7.2.13  при включенных конденсаторах С2 и С3.

         7.2.15  Оформление подробного отчета с выполнением  п. 7.1.5 задания и написанием выводов.

 

         7.3 Контрольные вопросы

 

         7.3.1  Схема на операционном усилителе, частотные характеристики, передаточная и переходная функции П-регулятора.

         7.3.2  Схема на операционном усилителе, частотные характеристики, передаточная и переходная функции И-регулятора.

         7.3.3  Схема на операционном усилителе, частотные характеристики, передаточная и переходная функции ПИ-регулятора.

         7.3.4  Схема на операционном усилителе, частотные характеристики, передаточная и переходная функции инерционного регулятора.

         7.3.5  Схема на операционных усилителях, частотные характеристики, передаточная и переходная функции ПД-регулятора.

         7.3.6  Схема на операционных усилителях, частотные характеристики, передаточная и переходная функции ПИД-регулятора.

         7.3.7  Назначение, области применения и достоинства каскадных САР.

         7.3.8  Какими должны быть главный  и вспомогательный регуляторы ?

         7.3.9 Привести экспериментальные доказательства отсутствия или нали-чия статической ошибки в исследованной САУ.

         7.3.10 Сопоставить работу исследованной САУ с пропорциональным и инерционным РВ.

         7.3.11 Сопоставить работу исследованной САУ без внутреннего контура и с внутренним контуром.

         7.3.12 Исследованная САУ статическая или астатическая? Ответ обосно-вать проделанными в работе экспериментами.

Список литературы

 

         1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управ-ления. - СПб, Изд-во  «Профессия»,  2004. – 752 с.

         2.  Ротач В.Я. Теория автоматического управления. – М.: Издательство МЭИ,  2008. – 400 с.

         3. Наладка средств автоматизации и  автоматических систем регулиро-вания / Под ред. А.С. Клюева. – М.:  Энергоатомиздат,  1989. – 368 с.

         4.  Г. Олссон, Дж. Пиани. Цифровые системы автоматизации и управле-ния. – СПб.: Невский Диалект, 2001. – 557 с.

5. Чернов Б.А. Автоматизация типовых технологических процессов и производств. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление. – Алматы: АИЭС, 2008. – 15 с.

6. Лукас В.А. Теория автоматического управления. – М.: Недра, 1990. – 416 с.

7. Шишмарев В.Ю. Основы автоматического управления. – М.: Изда-тельский центр «Академия», 2008. – 352 с.

8. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. – Минск: Дизайн ПРО, 2002. – 352 с.

9. Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического управле-ния. – М.: Высш. шк., 2004. – 365 с.

10. Теория автоматического управления / Под ред. В.Б. Яковлева. – М.: Высшая школа, 2009. – 567 с.

11.  Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. – М.: Радиотехника, 2003. - 288 с.

12. Волобуева О.П. Основы теории управления. – Алматы: КазНТУ, 2005. – 256 с.

13.Теория автоматического управления / Под ред. В.И. Лачина. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 469 с.

14. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы. – СПб.: 2005. – 336 с.

15. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.4. Использование электри-ческой энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.- М.: Издательство МЭИ, 2004. – 696 с.

16. Гальперин М.В. Автоматическое управление. – М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2007. – 224 с.

17. Певзнер Л.Д. Практикум по теории автоматического управления.- М.: Высш. шк., 2006. – 590 с.

18. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 911 с.

                                                                     

                                                            Дополнительный план  2011г., поз.