Использование номограмм Честната-Майера
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Динамический синтез следящей системы
Учебно-методическое пособие к курсовой работе по дисциплине «Теория автоматического управления»
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» УДК 519.71(075.9)
Второв В. Б. Динамический синтез следящей системы: Учебно-методическое пособие к курсовой работе по дисциплине «Теория автоматического управления». СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 40 с.
Содержит основные требования и методику выполнения курсовой работы, необходимые расчетные соотношения и практические рекомендации по выбору элементов для обеспечения заданных точности и динамических свойств следящей системы. Предназначено для студентов направления 27.03.04 «Управление в технических системах» факультета электротехники и автоматики.
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие методические указания представляют собой пересмотренный вариант предыдущего издания 2004 г. [1]. Они содержат все необходимые для успешного выполнения курсовой работы пояснения и практические рекомендации относительно содержания и методики выполнения курсовой работы. Выполнение курсовой работы имеет своей целью овладение студентами методикой и инженерными навыками динамического синтеза следящей системы. Последний заключается в таком выборе структуры и параметров управляющей части системы (что обычно достигается введением в исходную систему некоторых корректирующих средств), при котором следящая система кроме необходимых показателей точности приобретает требуемые динамические свойства.
В данной курсовой работе для выполнения динамического синтеза рекомендуется использовать метод логарифмических частотных характеристик, нашедший наиболее широкое применение в инженерной практике в силу своей наглядности, простоты и универсальности применения для целей анализа и синтеза. Вместе с тем, частотные методы расчета автоматических систем недостаточно формализованы, в связи с чем процедура синтеза, как правило, носит итерационный характер. К тому же рекомендуемые обычно довольно громоздкие методики синтеза желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики [2] нередко дают весьма неточные результаты. В связи с этим в данной курсовой работе студентам рекомендуется применять упрощенную методику (вполне приемлемую по точности), дополняя процедуру синтеза компьютерным анализом показателей качества желаемой системы. Для анализа динамических свойств синтезированной системы в курсовой работе предусматривается использование ЭВМ.
1. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ Курсовая работа «Динамический расчет следящей системы» должна содержать следующие обязательные элементы. 1. Титульный лист и задание (оформляются в соответствии с прил. 1 и 2. 2. Оглавление. 3. Введение, где должны быть изложены цель и основные задачи работы, используемые теоретические методы и обоснование их выбора. 4. Описание системы и анализ ее динамических свойств. Здесь должны быть приведены: а) сведения о назначении системы, ее структурная схема и параметры; б) построение логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) исходной (нескорректированной) системы и анализ ее устойчивости. 5. Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики (ЛАХ) разомкнутой системы, включающее в себя:
а) построение низкочастотной части желаемой ЛАХ; б) построение средне- и высокочастотной частей желаемой ЛАХ; в) анализ переходной характеристики, частотных характеристик и точности желаемой системы на ЭВМ и, при необходимости, коррекцию желаемой ЛАХ. 6. Синтез корректирующего устройства, предусматривающий: а) выбор способа коррекции по согласованию с преподавателем (как правило, используется параллельная коррекция); б) построение ЛАХ корректирующего устройства и ее уточнение с целью обеспечить физическую реализуемость; в) определение ЛАХ скорректированной системы приближенным методом (построение асимптотической ЛАХ) и точным методом (на ЭВМ); сравнение с желаемой ЛАХ; г) определение состава элементов корректирующего устройства (включая измерительно-преобразовательные элементы), разработка принципиальной схемы и расчет параметров корректирующего устройства; определение его передаточной функции. 7. Исследование динамических свойств скорректированной системы на ЭВМ. Предусматриваются следующие этапы: а) получение переходной характеристики системы; б) определение показателя колебательности (для варианта M); в) оценка чувствительности заданных показателей качества динамики к вариациям параметров системы. 8. Анализ точности системы при отработке типовых входных воздействий. 9. Заключение (анализ полученных в курсовой работе результатов и их сопоставление с требованиями задания). 10. Библиографический список.
2. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ Курсовая работа выполняется на листах формата А4 с полями (левое – шириной не менее 2,5–3 см). Ее оформление должно соответствовать ГОСТ 7.32 – 2001. Не разрешается вставлять листы в «файлики» и затем подшивать. Не рекомендуется использовать толстые скоросшиватели. Работа пишется от руки, разборчивым почерком на одной стороне листа. На принтере печатаются только результаты компьютерного моделирования (графики, схемы в Simulink), а также титульный лист, задание и, возможно, оглавление. Графики ЛАХ должны быть выполнены на миллиметровой бумаге. Схемы могут быть выполнены также на миллиметровой бумаге с соблюдением требований ЕСКД. Строго обязательны пояснения в тексте: расшифровка всех используемых обозначений, объяснение и обоснование всех действий и способа их выполнения. Буквенные обозначения физических величин должны соответствовать ГОСТ. Числа, являющиеся результатами вычислений, округляются, как правило, до трёх значащих цифр (если первая значащая цифра – единица, то в числе надо оставить четыре значащих цифры). При вычислениях приводится расчетная формула, затем подставляются все необходимые численные значения и, наконец, записывается окончательный числовой результат в необходимой размерности. Расчеты выполняются в СИ.
Все страницы должны быть пронумерованы. Следует пронумеровать формулы, на которые есть ссылки в тексте, все иллюстрации и таблицы. Желательно, чтобы иллюстрации имели подписи и приводились по ходу изложения материала; в тексте на них необходимо сделать ссылки. Ссылки на литературный источник даются заключенным в квадратные скобки числом, соответствующим номеру данного источника в библиографическом списке. Последний должен содержать полные библиографические описания использованных при выполнении курсовой работы литературных источников. 3. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 3.1. Общие положения Задание на курсовую работу выдается студенту преподавателем и, в соответствии с номером варианта, содержит данные из двух таблиц (таблицы вариантов находятся у преподавателя). Первая таблица содержит численные значения параметров элементов системы, вторая – требования к качеству проектируемой системы. Эти требования делятся на две группы: 1) требования к точности; 2) требования к показателям качества динамики. Предусмотрены два варианта требований к точности воспроизведения задающего воздействия: А – для гармонического воздействия, Б – для воздействия произвольной формы. Требования к динамике также имеют две разновидности; они условно обозначены: М, если задан показатель колебательности системы М, и h, если заданы показатели качества переходной характеристики
На титульном листе студент должен указать номер варианта своего задания, состоящий из трех позиций: – порядковый номер варианта; – вид требований к точности (А или Б); – вид требований к динамике (М или h); например: вариант 15А h. 3.1. Требования к точности Вариант А. Входное (задающее) воздействие – гармоническое (например, при компенсации качки):
где Необходимо, чтобы при отработке воздействия (3.1) амплитуда Значения Вариант Б. Входное воздействие имеет произвольную форму, но скорость его изменения и ускорение ограничены:
где Необходимо, чтобы при отработке воздействия, удовлетворяющего условиям (3.2), установившаяся ошибка Значения
3.2. Требования к динамике Вариант М. Показатель колебательности спроектированной системы не должен превышать заданного значения M. Вариант h. Перерегулирование переходной характеристики и время регулирования системы не должны превышать заданных значений Задание на курсовую работу должно быть оформлено в соответствии с прил. 2. В курсовой работе должны быть выбраны и рассчитаны все основные элементы следящей системы. Расчет ведется в предположении, что система представляет собой линейную непрерывную динамическую систему с постоянными сосредоточенными параметрами.
4. ОПИСАНИЕ ИСХОДНОЙ СИСТЕМЫ 4.1. Структурная схема системы Выполнение курсовой работы рекомендуется начать с составления структурной схемы, на которой изображаются лишь основные функциональные блоки системы. Их названия даются в виде аббревиатур, смысл которых затем поясняется, например: ЧЭ – чувствительный элемент; У1 – первый предварительный усилитель и т. п. Далее должна быть приведена аналитическая структурная схема системы. На ней внутри блоков записываются передаточные функции в буквенном виде с последующим указанием численных значений всех параметров. На схеме следует обозначить все переменные системы. Исходная система, в дальнейшем именуемая также нескорректированной, представляет собой следящую систему, состоящую из следующих последовательно соединенных функциональных элементов: · чувствительный элемент (ЧЭ) (например, на основе вращающихся трансформаторов или потенциометрического моста); выполняет функцию сравнения задающего воздействия
· усилительно-преобразовательное устройство (УПУ) (может содержать фазочувствительный выпрямитель или демодулятор; обязательно содержит один или несколько предварительных усилителей, обеспечивающих требуемое значение добротности системы и возможность суммирования сигнала местной обратной связи, т. е. введение параллельной коррекции), описывается коэффициентом передачи · усилитель мощности (УМ) (транзисторный усилитель, тиристорный преобразователь или широтно-импульсный преобразователь); описывается передаточной функцией (ПФ) · двигатель постоянного тока Д; описывается ПФ · редуктор; описывается ПФ 4.2. Расчет и анализ исходной системы Этот раздел курсовой работы предполагает выполнение следующих действий. 1. Определить требуемую добротность системы
2. Определить необходимый коэффициент усиления предварительного усилителя (ПУ) (а точнее, УПУ) по формуле
3. Определить число операционных усилителей (ОУ), необходимых для реализации коэффициента передачи 5. Преобразовать ПФ двигателя. Соотношение постоянных времени 6. Упростить ПФ силовой части (СЧ). Поскольку постоянные времени
где 7. Изобразить окончательную структурную схему системы, выделив в ней следующие элементы: ЧЭ, ПУ (или оба ПУ, если их два), СЧ и редуктор, записав их ПФ в числовом виде. 8. Записать ПФ нескорректированной разомкнутой системы 9. Записать в числовом виде ПФ замкнутой системы 10. По критерию Гурвица исследовать, устойчива нескорректированная система или нет. 11. Изобразить асимптотическую ЛАХ нескорректированной системы по ее передаточной функции в разомкнутом состоянии. Этот график, необходимый для синтеза корректирующей цепи, строят на обычной (не полулогарифмической) миллиметровой бумаге. Рекомендации по построению этой ЛАХ приведены в прил. 3). 12. Получить на компьютере графики точной ЛАХ и ЛФХ разомкнутой системы. С помощью критерия Найквиста исследовать устойчивость системы. Если система устойчива, определить ее запас устойчивости по фазе и сделать суждение о предполагаемом качестве переходных процессов.
5. ПОСТРОЕНИЕ ЖЕЛАЕМОЙ ЛАХ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ Желаемую ЛАХ разомкнутой системы принято разделять на три части: низкочастотную (НЧ), среднечастотную (СЧ) и высокочастотную (ВЧ) (рис. 1). НЧ-часть ЛАХ строится из условия обеспечения требуемой точности, СЧ-часть – из условий обеспечения устойчивости системы и требуемых значений ее показателей качества, а ВЧ-часть незначительно влияет на по-
казатели работы системы, в связи с чем при проектировании системы стремятся повторить в ВЧ-части желаемой ЛАХ основные особенности ВЧ части ЛАХ нескорректированной системы, чтобы излишне не усложнять коррекцию.
5.1. Низкочастотная часть желаемой ЛАХ Для выполнения требований в отношении точности достаточно, чтобы по задающему воздействию система имела астатизм первого порядка. Типичный вид ЛАХ такой системы показан на рис. 1. Числами –1...–3 обозначена кратность наклона участков ЛАХ значению 20 дБ/дек. Приведенный тип ЛАХ можно, таким образом, условно обозначить как –1/–2/–1/–2/–3. Возможны и другие типы желаемой ЛАХ. Некоторые методики частотного синтеза рассчитаны на типовые ЛАХ, состоящие из четырех участков, например –1/–2/–1/–3 или –1/–3/–1/–3, с тремя сопрягающими частотами. Эти методики можно применять и для показанной на рис. 1 характеристики, если участок с наклоном –2, выполняющий сопряжение СЧ и ВЧ участков, имеет небольшую протяженность (до 0.2–0.3 дек). В этом случае в качестве частоты Методика построения НЧ-части желаемой ЛАХ имеет некоторые различия для вариантов А и Б. Вариант А. Основное требование состоит в том, чтобы точная (не асимптотическая!) ЛАХ следящей системы не проходила ниже контрольной точки A (рис. 2, а) с координатами (
Обычно в качестве первой частоты сопряжения
С учетом изложенного рекомендуется следующий порядок построения НЧ-части желаемой амплитудной характеристики. 1. Определить 2. Построить контрольную точку 3. Через контрольную точку провести асимптоты с наклонами –20 и – 40 дБ/дек. Рекомендуется после этого графически определить по построенной НЧ-части значение добротности и убедиться, что оно совпадает со значением, найденным по формуле (4.1). Вариант Б. Входное воздействие произвольной формы с ограниченными скоростью изменения
по формулам
Основное требование, налагаемое на НЧ-часть ЛАХ, состоит в том, что ее точный график не должен заходить в запретную область, граница которой отмечена штриховкой на рис. 2, б. Ордината точки А определяется формулой
Порядок построения НЧ-части ЛАХ следующий. 1. Определить 2. Построить контрольную точку ( 3. Провести через нее асимптоты с наклонами –20 и –40 дБ/дек. Как и в предыдущем случае, рекомендуется по графику ЛАХ определить значение добротности системы и сравнить со значением, найденным по формуле (4.2).
5.2. Средне- и высокочастотная части желаемой ЛАХ Вариант М. Наиболее простой способ построения СЧ-части по заданному значению показателя колебательности предусматривает следующую последовательность действий. 1. Определить частоту
2. Найти сопрягающую частоту
3. Задаться значениями сопрягающих частот
Не следует сильно занижать значение 4. На частотах Таким образом, желаемая ЛАХ следящей системы оказывается полностью сформирована. Для последующего выполнения синтеза корректирующего устройства необходимо на лист с графиком желаемой ЛАХ нанести также график ЛАХ нескорректированной системы. Необходимо помнить, что начальные участки обеих характеристик должны совпадать; кроме того, эти ЛАХ должны иметь одинаковые наклоны последнего участка. Вариант h. Частотные методы синтеза желаемой ЛАХ по заданным значениям перерегулирования и времени регулирования отличаются значительным разнообразием. Рассмотрим наиболее употребительные из них. Метод В.В.Солодовникова Он может быть применен в тех случаях, когда требуется спроектировать систему с перерегулированием не менее 18 %. Как показывает практика, показатели качества системы с ЛАХ, синтезированной данным методом, часто существенно отличаются от значений, используемых в качестве исходных данных при синтезе. Это объясняется тем, что используемые в рассматриваемом методе соотношения между показателями качества переходной характеристики и некоторыми параметрами частотных характеристик системы предполагают, что вещественная частотная характеристика замкнутой системы 1. Определение частоты среза В некоторых справочниках и учебниках вместо величины 2. Построение среднечастотной асимптоты. Ее проводят через точку 3. Сопряжение среднечастотной асимптоты с НЧ-частью ЛАХ. Его выполняют с помощью асимптоты с наклоном –40 (иногда –60) дБ/дек, причем так, чтобы в интервале частот, где
Значения Практически сопряжение СЧ- и НЧ-частей ЛАХ выполняют следующим образом. Сначала ограничивают СЧ-участок точкой, для которой значение ЛАХ составляет
где Обычно условие (5.3) легко выполняется. Если избыток фазы превышает значение 4. Сопряжение среднечастотной асимптоты с ВЧ-частью ЛАХ. СЧ-участок с наклоном –20 дБ/дек необходимо ограничить справа точкой, для которой значение ЛАХ составляет Использование номограмм Честната-Майера Для построения СЧ- и ВЧ-частей желаемой ЛАХ могут быть использованы номограммы Честната-Майера [4], позволяющие для систем, имеющих характерные (типовые) ЛАХ с четырьмя участками, определять основные показатели качества переходной характеристики и амплитудной частотной характеристики замкнутой системы. Для синтеза желаемой ЛАХ эти номограммы используются следующим образом. 1. Задаются типом желаемой ЛАХ. В данной курсовой работе следящая система рассматривается как динамическая система третьего порядка, поэтому целесообразно выбрать характеристику типа –1/–2/–1/–3 (при необходимости по окончании синтеза можно выполнить сопряжение двух последних асимптот небольшим участком с наклоном –40 дБ/дек). 2. Задаются отношением 3. По результатам пп. 1 и 2 выбирают соответствующую пару номограмм, расположенных одна под другой. 4. По заданному значению перерегулирования определяют относительное значение максимума переходной характеристики 5. По построенной НЧ-части желаемой ЛАХ определяют значение 6. Для данного значения 7. Так как значение 8. Для найденного значения 9. Если найденное значение времени регулирования превышает заданное, следует попытаться добиться желаемого результата, повторив расчет для другого значения 10. Через точку на оси абсцисс графика ЛАХ, соответствующую найденному значению 11. От последней точки проводят вправо высокочастотную асимптоту с наклоном –60 дБ/д
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|