Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "электромеханические системы"

, .

Таким образом, структурная схема системы регулирования, подлежащая исследованию и расчету, представлена на рис. 3.4. В представленной структурной схеме на входе и выходе каждого звена указаны отклонения соответствующих переменных от установившихся значений. Приращение регулируемой величины системы  обусловлено переходным процессом, вызванным изменениями задающего воздействия на величину Uз. Коэффициент передачи датчика ДОС взят со знаком
"–", так как статическая характеристика ДОС, исходя из которой определялся kДОС, δ показывает, что уменьшение воздушного зазора ведет к увеличению выходного напряжения, снимаемого с ДОС.

Поскольку рассматриваемая система имеет в своем составе неминимально-фазовое звено, то согласно частотному критерию устойчивости Найквиста при K = kУkобм. ЭМkОУkДОС >1 данная система будет неустойчива и для обеспечения ее работоспособности требуется применение корректирующих устройств. Детальный анализ данной системы регулирования показал, что для ее стабилизации единственно приемлемым решением является использование последовательных корректирующих устройств. Для реализации системы регулирования положения ФМТ необходимо рассчитать корректирующие цепи двух типов:

  1. дифференцирующую пассивную RC-цепь (Д-RC-цепь);

  2. интегро-дифференцирующую пассивную RC-цепь (ИД-RC-цепь), при заданном значении коэффициента передачи УПТ в соответствии с вариантом: 1) kУ = 50; 2) kУ = 60; 3) kУ = 80; 4) kУ = 90; 5) kУ = 100.

С
труктурная схема системы регулирования с последовательной коррекцией (ПК) представлена на рис. 3.5. Здесь же показано наличие возмущающего воздействия f, реализуемого в системе с помощью вентилятора, сдувающего при его включении ФМТ.

Порядок выполнения работы

  1. Ознакомиться с общими указаниями к выполнению данной лабораторной работы, изучив принцип действия лабораторного макета.

  2. Получить математическую модель системы регулирования на основе общих указаний и выполнения лабораторной работы по исследованию элементов заданной установки.

  3. Рассчитать параметры двух типов последовательной коррекции Д-RC-цепи и ИД-RC-цепи при заданном значении kУ. Расчет необходимо провести заранее вручную или с использованием ЭВМ.

  4. Ознакомиться с расположением и назначением элементов системы и органов управления на лицевой панели макета.

  5. Собрать схему регулирования положения ФМТ с последовательной коррекцией 1-го типа (Д-RC-цепью) и установить ее параметры, полученные в результате расчета.

  6. Перед включением тумблера "СЕТЬ" установить заданное значение коэффициента усиления УПТ, положить шарик (ФМТ) на подставку установки, регулятор управляющего напряжения поставить в положение "0", тумблеры "СКАЧОК" и "ВОЗМУЩЕНИЕ" в положение "ВЫКЛ.".

  7. Включить тумблер "СЕТЬ". Плавно увеличивая управляющее напряжение, наблюдать подъем и зависание ФМТ, установив ток ЭМ на уровне 1.7 А.

  8. Подключить осциллограф на выход системы к клемме y (y = Δδ) и вольтметр к клемме ε (ε = ΔU). Включить и настроить осциллограф.

  9. При ступенчатом изменении задающего напряжения тумблером "СКАЧОК" зарисовать с экрана осциллографа кривые переходного процесса y(t) и определить по ним максимальное перерегулирование, время регулирования и значение установившейся ошибки по показаниям измерительного прибора, подключенного к выходу элемента сравнения.

  10. Включить тумблер "ВОЗМУЩЕНИЕ", наблюдать процесс изменения y(t) и ε(t) на экране осциллографа.

  11. Уменьшить заданный kУ на 10…20 % по отношению к заданному значению и повторить пп. 9 и 10.

  12. Собрать схему регулирования положения ФМТ с последовательной коррекцией 2-го типа (ИД-RC-цепью) и установить ее параметры, полученные в результате расчета.

  13. Повторить пп. 6–11.

Оформление отчета

Результаты выполненной работы должны быть представлены в виде отчета, содержащего:

  1. Принципиальную схему макета установки.

  2. Структурную схему системы регулирования положения ФМТ.

  3. Математическую модель отдельных элементов структуры и системы в целом.

  4. Расчет параметров корректирующих цепей двух типов.

  5. Результаты экспериментального исследования системы в соответствии с пп. 9–11, по которым согласно п. 9 должны быть определены показатели качества системы регулирования.

  6. Расчет установившихся ошибок для системы регулирования Д-RC-цепью при двух значениях kУ по формуле

,

где (см. ПК). И для случая использования ИД-RC-цепи также при двух значениях kУ по формуле

.

  1. Результаты моделирования системы регулирования на ЭВМ.

  1. Сравнение экспериментальных, расчетных данных и результатов моделирования по всем однотипным вариантам.

  2. Определение лучшего варианта из всех исследованных и рассчитанных.

  3. Выводы по работе.

Лабораторная работа № 4

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

ПЛАТФОРМЫ ("ВЕРТОЛЕТ")

Целью работы являются:

  1. Изучение возможных принципов построения системы управления положением механического объекта.

  2. Исследование одноконтурной системы регулирования углового положения платформы, расчет и реализация возможных вариантов корректирующих устройств.

  3. Определение качественных показателей работы одноконтурной системы регулирования углового положения платформы для различных вариантов структурной организации.

  4. Изучение принципов построения системы подчиненного (многоконтурного) регулирования положения платформы.

  5. Ознакомление с принципами расчета регуляторов отдельных контуров системы подчиненного регулирования.

  6. Аналитический расчет и экспериментальное определение статических и динамических характеристик системы подчиненного регулирования положения механического объекта.

Общие указания

Описание поворотной платформы как механического объекта управления подробно рассматривается в лабораторной работе № 4 [2]. Возможны различные способы реализации замкнутой системы регулирования углового положения платформы. В качестве одного из них предложена одноконтурная система управления, структурная схема которой изображена на рис. 4.1.

Рассмотрим элементы структурной схемы и их математическое описание. В соответствии с исследованием ОУ (поворотной платформы (Пл)), проведенном в работе № 4 [2], передаточная функция его линеаризованной модели представляется в виде колебательного звена

,

где параметры kОУ, ТОУ и ζ меняются в зависимости от углового положения платформы и положения противовеса.

При расчете системы регулирования рекомендуется принять усредненные значения указанных параметров, полученные в ходе исследования ОУ.

В качестве исполнительного двигателя в данной работе используется типовой для данной лаборатории электродвигатель постоянного тока типа Д-25-Г. Передаточная функция двигателя имеет вид

,

где рад/(В·с); ТЭМ = 0.16 с; ТЯ = 2.7·10–3 с.

В работе используется трехкаскадный усилитель постоянного тока, обеспечивающий линейность характеристики в пределах ±27 В при максимальном токе нагрузки I = 2 А, имеющий передаточную функцию

,

где kУ= 10…70; ТУ = 1.4 · 10–3 с.

Пропеллер имеет сложную нелинейную характеристику, однако, как отмечалось в работе № 4 [2], в линеаризованном варианте передаточная функция пропеллера принимается в виде безынерционного звена

,

где коэффициент передачи пропеллера был определен путем аппроксимации его экспериментальных характеристик kп = 0.000765 Н · с/рад.

Потенциометрический датчик (ПОС) для измерения углового положения платформы зафиксирован на оси, вокруг которого вращается платформа, и имеет следующие характеристики: тип датчика - ПТП 5К1, сопротивление 10 кОм, рабочий диапазон α = 330°, напряжение питания датчика Uп= 93 В.

Передаточная функция датчика

,

где .

Результаты анализа поведения системы регулирования углового положения платформы (в том числе в ходе выполнения данной лабораторной работы) показывают, что система неустойчива уже при коэффициенте передачи усилителя kУ = 15. Таким образом, возникает задача обеспечения устойчивости и хороших статических и динамических показателей качества системы регулирования, решение которой может быть достигнуто использованием различных средств. В данной лабораторной работе рассматриваются два варианта реализации системы регулирования углового положения платформы.

Вариант 1. Одноконтурная система регулирования с последовательной интегро-дифференцирующей RC-цепью (ПКЦ).

Достоинства и недостатки данного метода коррекции общеизвестны. Главным достоинством ПКЦ является простота расчета и реализации. Однако, учитывая нелинейный характер ОУ, представленного колебательным звеном, параметры которого принимаются усредненными и постоянными, а в реальности, как уже отмечалось, меняются, использование ПКЦ не обеспечивает высоких качественных показателей работы системы в статике и динамике во всем диапазоне регулирования положения платформы.

Обычно ПКЦ включается на вход усилителя. Задача лабораторной работы по данному варианту состоит в расчете параметров ПКЦ, экспериментальном определении статических и динамических показателей качества работы системы регулирования и сравнение их с расчетными.

Вариант 2. Трехконтурная система подчиненного регулирования углового положения поворотной платформы.

Основные принципы построения систем подчиненного регулирования изложены в лабораторной работе № 2 настоящего пособия, там же отмечены достоинства такой организации работы систем и даны идеи их расчета. В данной лабораторной работе исследуется трехконтурная система подчиненного регулирования, структурная схема которой представлена на рис. 4.2. На схеме используются следующие обозначения: УПТ - усилитель постоянного тока; Д1 - Д2 - Д3 - двигатель; Пр - пропеллер; Пл - платформа; ДТ - датчик тока; ДЭ - датчик ЭДС; ДП - датчик положения; РТ - регулятор тока; РЭ - регулятор ЭДС; РП - регулятор положения.

Двигатель, имеющий передаточную функцию WД(s), в данном случае представлен в виде трех последовательно соединенных звеньев с передаточными функциями WД1(s), WД2(s) и WД3(s), что необходимо для выделения промежуточных координат. На выходе передаточной функции WД1(s) получим ток якоря, на выходе передаточной функции WД2(s) имеем значение ЭДС двигателя и, наконец, на выходе WД3(s) имеем значение скорости вращения вала двигателя.

Выбор в качестве промежуточной координаты значения ЭДС, а не скорости, объясняется конструкцией макета, в котором нет тахогенератора, установка которого повлекла бы кардинальные изменения конструкции.

Согласно общим указаниям к работе № 2 имеем

,

где RЯ = RЯД + RШ - полное сопротивление якорной цепи; RШ = 1 Ом - добавочное сопротивление в якорной цепи для реализации обратной связи по току.

В соответствии с изложенным ранее принципом расчета контуров на модульный оптимум (см. также работу № 2) нетрудно последовательно, начиная с внутреннего контура, рассчитать регуляторы тока, ЭДС и положения.

Некомпенсируемой частью контура тока является усилитель, имеющий малую постоянную времени ТУ. Таким образом, некомпенсируемая малая постоянная времени контура тока Тμ будет равна ТУ, Тμ = ТУ. Передаточная функция разомкнутого контура тока . Тогда передаточная функция регулятора тока будет иметь вид

, (4.1)

где - коэффициент передачи регулятора тока.

Выразим передаточную функцию замкнутого контура тока

. (4.2)

Учитывая передаточную функцию датчика ЭДС , где kэ= 0.44, можно рассчитать регулятор ЭДС.

Для этого контура некомпенсируемой малой постоянной является сумма малых постоянных замкнутого контура тока 2ТУ и датчика ЭДС, равная якорной постоянной двигателя ТЯ, т. е. .

При настройке на модульный оптимум передаточная функция разомкнутого контура ЭДС

. (4.3)

С другой стороны (см. рис. 4.2),

. (4.4)

Тогда, учитывая (4.2) и (4.3), выразим из (4.4) передаточную функцию регулятора ЭДС:

Учитывая, что , передаточная функция регулятора ЭДС будет иметь вид

, (4.5)

где - коэффициент передачи регулятора ЭДС.

Передаточная функция замкнутого контура ЭДС .

Таким образом, малая постоянная времени контура положения есть , и тогда передаточная функция разомкнутого контура положения

.

Из структуры (рис. 4.2) видно, что

. (4.6)

Из (4.6) выразим WРП(s)

. (4.7)

После подстановки в (4.7) значений всех передаточных функций получим передаточную функцию регулятора положения

, (4.8)

где - коэффициент передачи регулятора положения.

Анализ выражений передаточных функций регуляторов тока (4.1), ЭДС (4.5) и положения (4.8) показывает, что настройка регулятора тока зависит от задаваемого коэффициента передачи усилителя kУ, настройка регулятора ЭДС не зависит от kУ и параметров ОУ, а настройка регулятора положения определяется параметрами объекта и коэффициентом передачи пропеллера kп. Учитывая, что вблизи горизонтального положения платформы (α0 = 90°) коэффициент передачи пропеллера kп меняется незначительно, рекомендуется применять усредненное постоянное значение kп, полученное в ходе исследования механического объекта [2].

Таким образом, для реализации трехконтурной системы регулирования и последующего ее исследования необходимо рассчитать и настроить регуляторы контуров в соответствии с заданием, в котором указывается значение коэффициента передачи усилителя kУ и рабочая точка α = α0, для которой ранее были получены параметры ОУ: kОУ, TОУ и ζ.

В соответствии со схемами регуляторов, представленных на лицевой панели макета, и выражениями передаточных функций (4.1) и (4.8) расчет настраиваемых параметров производится следующим образом. Для регулятора тока (4.1) имеем

откуда при известном значении Rт. о. с, указанном на лицевой панели, определяем Rт, соответствующее заданному kУ:

[кОм].

Поскольку постоянная времени регулятора, равная ТЯ, не изменяется, значения сопротивления и емкости Ст выбраны в соответствии с с.

Для регулятора положения (4.8) имеем ,

где - при принятых допущениях величина постоянная.

В соответствии со схемой регулятора положения имеем , откуда .

Значения R1 и R2 определяются следующими соотношениями:

.

Значение сопротивления R4 выбрано в соответствии с выражением .

Порядок выполнения работы

  1. Ознакомиться с установкой, расположением и назначением элементов и органов управления.

  2. Рассчитать предложенный вариант или варианты, заданные преподавателем. Задаются структура системы регулирования (вариант 1 или 2), коэффициент усиления УПТ kУ, рабочая точка α0, положение противовеса, как правило, тех же значений, которые были использованы при исследовании ОУ и вычислении параметров его передаточной функции.

  3. Перед началом выполнения лабораторной работы убедиться, что органы управления находятся в следующих положениях: тумблер "СЕТЬ" - в положении "ВЫКЛЮЧЕНО"; кнопки "СКАЧОК 1", "СКАЧОК 2" и "ВОЗМУЩЕНИЕ" - в отжатом состоянии; кнопки "ОС" и "АНАЛОГОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ" - в нажатом состоянии.

  4. Собрать рассчитанную систему, установить необходимые параметры в соответствии с заданием и расчетом (параметры ПКЦ либо параметры регуляторов тока и положения в трехконтурном варианте). Включить тумблер "СЕТЬ".

  5. Нажать кнопку "СКАЧОК 1", вызывающую ступенчатое изменение напряжения Uз. С помощью задающего потенциометра установить значение напряжения Uз, при котором платформа будет находиться в заданной рабочей точке (α = α0). Отжать кнопку "СКАЧОК 1", зафиксировав начальное положение платформы.

  6. Нажать кнопку "СКАЧОК 1". Определить время регулирования tр и максимальное перерегулирование σmax%, измерить значение сигнала ошибки ΔU. Отжать кнопку "СКАЧОК 1".

  7. Нажать кнопку "СКАЧОК 2" и с помощью задающего потенциометра вывести платформу в заданное рабочее положение. Отжать кнопку "СКАЧОК 2", платформа опустится в начальное положение.

  8. Нажать кнопку "СКАЧОК 2" и, наблюдая процесс перемещения платформы в заданное положение, определить время разгона, перерегулирование и количество колебаний.

  9. Нажать кнопку "ВОЗМУЩЕНИЕ". Зафиксировать максимальное отклонение платформы от установившегося положения, обусловленное вращением диска с противовесом, измерить также максимальное значение сигнала ошибки ΔU. Изменяя скорость вращения противовеса, наблюдать изменение частоты колебаний платформы.

  10. В момент, когда груз будет находиться в положении, противоположном первоначально заданному, остановить его движение, отжав кнопку "ВОЗМУЩЕНИЕ". Измерить угол положения платформы и сравнить его с заданным α0.

  11. При данном положении противовеса повторить пп. 5–8.

  1. При установленных настройках (п. 4) рассчитанных параметров системы изменить положение платформы на ±5º и повторить пп. 5–9, выяснив влияние изменения параметров объекта на качество системы регулирования и управления.

  2. Изменив kУ на 10…15 % от заданного значения, повторить пп. 5–9. Сравнить полученные результаты по качеству управления и регулирования.

Оформление отчета

Результаты выполненной работы должны быть представлены в виде отчета, содержащего:

  1. Принципиальную схему макета установки.

  2. Структурную схему системы регулирования.

  3. Краткое описание системы регулирования.

  4. Расчет параметров корректирующих устройств реализованной системы регулирования углового положения платформы.

  5. Результаты исследования системы по всем пунктам ее выполнения: лучше, если они будут представлены в виде сводной таблицы.

  6. Анализ полученных результатов.

  7. Выводы по работе.

Список литературы

  1. Иванов В. И., Желтов В. П. К расчету электромагнита в магнитном подвесе сферы //Тр. МАИ. 1974. Вып. 305. С. 72–79.

  2. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Элементы и устройства автоматических систем"/ Сост.: С. Н. Гайдучок, Н. В. Соловьев; ГЭТУ. СПб., 1999. 32 с.

Содержание

Лабораторная работа № 1 2

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ 2

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2

НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ 2

Лабораторная работа № 2 8

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ 8

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА 8

С ПОДЧИНЕННЫМ ТОКОВЫМ КОНТУРОМ 8

Лабораторная работа № 3 16

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ 16

ПОЛОЖЕНИЯ МАГНИТНОГО ТЕЛА 16

Лабораторная работа № 4 23

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ 23

ПЛАТФОРМЫ ("ВЕРТОЛЕТ") 23

Список литературы 30

Редактор И. Г. Скачек

ЛР № 020617 от 24.06.98

______________________________________________________________________

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага тип. № 2 .

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,86. Уч.-изд. л. 2,0.

Тираж 125 экз. Заказ

______________________________________________________________________

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

  1. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "элементы и устройства автоматических систем"

    Методические указания
    Исследование элементов систем управления: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Элементы и устройства автоматических систем" / Сост.
  2. Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплинам "Электромеханические системы"

    Методические указания
    Исследование элементов и синтез систем автоматического управления: Методические указания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплинам "Электромеханические системы", "Технические
  3. Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «автоматизированный электропривод» часть основы электропривода

    Методические указания
    Цель работы — изучить механические характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением и способы регулирования его частоты вращения.
  4. Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей, все формы обучения

    Методические указания
    Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» составлены на основании рабочих программ дисциплины «Безопасность жизнедеятельности».
  5. Учебно-методический комплекс по дисциплине «управление техническими системами» для студентов 4 курса специальности: 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» (СМ)

    Учебно-методический комплекс
    Цель учебной дисциплины состоит в том, чтобы на основе изу­чения теории автоматического управления, принципа действия, кон­структивных особенностей и области применения устройств авто­матики, методов их построения, эксплуатации и ремонта
  6. Обеспечение образовательного процесса учебной и учебно-методической литературой по заявленным к лицензированию образовательным программам n п/п (13)

    Программа
    Reimann, Monika. Основы грамматики = Grundstufen-Grammatik. Russische Version : немецкий язык как иностранный : объяснения и упражнения / M. Reimann .— Ismaning : Max Hueber Verlag, 2 .
  7. Отчет о самообследовании основной образовательной программы по специальности 260203 Технология сахаристых продуктов

    Содержательный отчет
    Подготовка дипломированных специалистов по основной образовательной программе (ООП) по специальности 260203 Технология сахаристых продуктов ведется в Воронежской государственной академии с 1924 года.
  8. План издания учебной и методической литературы уральского государственного университета путей сообщения на 2009 год

    Документ
    Лабораторные работы по программированию в системе Delpfi для специальностей 190402–Автоматика, телемеханика и связь, 080801– Прикладная информатика в экономике
  9. Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " технические основы создания машин

    Программа дисциплины
    Программа составлена в соответствии с содержанием и требованиями Государственного образовательного стандарта, предъявляемыми к минимуму содержания дисциплины и в соответствии с примерной программой дисциплины, утвержденной департаментом

Другие похожие документы..