Radioavtomatika

Полученное значение Kn следует также преобразовать в шестнадцатеричный формат.

Таким образом, для экспериментального исследования помехоустойчивости системы ФАПЧ следует иметь расчеты (8.4) с вариациями (8.5) и расчет (8.6).

8.3.2. Экспериментальное исследование помехоустойчивости системы ФАПЧ (исследовательская часть работы)

4.Включить ЭВМ, открыть Total_CMD, в каталоге e:\Stud организовать персональный подкаталог My_ADSP_1101_1 (номер группы и бригады) и записать в него проект (совокупность программ, обеспечивающих работу системы ФАПЧ).

5.Включить генератор синусоидального сигнала, осциллограф и отладочную плату EZ-KIT. Убедиться, что генератор настроен на частоту 6,10 кГц.

6.Включить интегрированную среду разработки программ "Visual DSP" для сигнального процессора.

7.Закрыть существующий проект (File/Close\Project…) с подтверждением и открыть проект из своего каталога (File\Open\Project\...\pll_btc).

8.Двойным щелчком левой кнопки мыши открыть файл Process_pll (Source Files/ Process_pll.c). Включить нумерацию строк (правая кнопка мыши, Line Number). Убедиться, что в файле Process_pll для построения графиков (строка 48, функция signal_probe(…)) используются сигналы d_ph (ошибка) и acc[1] (содержимое интегратора фазы).

Установить расчетные значения K1 , K2 и Kn (строки 19-21).

9. Командой Project/Build Project загрузить проект, подтвердить команду и дождаться в окне «Output Window» положительного результата (сооб-

щение: Load complete).

Убедиться в наличии окон с графиками (в случае их отсутствия дать ко-

манду File/Workspace/Open/pll_btc_2014.vdw). В окне «BLACKFIN Memory [Signed Fractional 16 bit]» убедиться в совпадении значений K1 , K2 и Kn с введенными в п.8. Если такого совпадения нет, дать команду Project/Rebuild Project.

10. Командой Debug/Run запустить программу. Подождать не менее 1-й минуты (время усреднения) и командой Debug/Halt остановить процесс. Снять экспериментальное значение дисперсии флюктуационной ошибки сис-

50

темы ФАПЧ «sigma_2» (в окне «BLACKFIN Memory [Signed Fractional 32 bit]»).

11. Варьируя параметр K1 (значения K1 / 4, K1 / 2, 2K1, 4K1 ) при оптимальном значении K2 , повторить действия по п.10.

12. Варьируя параметр K2 (значения K2 / 4, K2 / 2, 2K2, 4K2 ) при оптимальном значении K1 , повторить действия по п.10.

8.3.3. Ознакомительная часть работы

13. В файле Process_pll (строка 56) замаркировать (//) команду суммирования помехи и сигнала ошибки. Командой Project/Build Project загрузить проект, командой Debug/Run запустить программу и убедиться в ее работоспособности по картинке на осциллографе. Картинку зарисовать (сфотографировать) и объяснить. При желании можно изменить частоту генератора в пределах 6,05-6,10 кГц.

14. Активировать графики. Для этого щелкнуть правой кнопкой мыши по графику d_ph, открыть диалоговое окно и дать команду Auto Refresh. Щелкнуть левой кнопкой мыши по графику acc[1] и повторить указанные действия.

15. Изменяя частоту генератора в пределах 6,10-5,90 кГц посмотреть график phase (содержимое интегратора фазы). Характерные графики зарисовать и объяснить.

15а. Зафиксировать график для отчета можно и так:

командой Debug/Halt остановить процесс;

левой кнопкой мыши выделить график и командой Alt+PrtSc занести его в память;

командами Start/Programs/Accessories/Paint открыть графиче-

ский редактор и вызвать содержимое памяти (Edit/Paste);

с помощью левой кнопки мыши выделить непосредственно график рамкой и занести его в память (Edit/Copy); командой File/New (без записи) открыть новое полотно Paint и занести туда график из памяти; белые границы графика убрать; командой Image/Invert Colors обратить цвета и записать рисунок в свой подкаталог.

16. При остановленной программе (в разделе Debug команда Halt погашена) вывести на график содержимое интегратора частоты (в строке 48 файла Process_pll в аргументе функции signal_probe(…) заменить acc[1] на

51

acc[0]). Щелкнуть правой кнопкой мыши по графику phase, открыть диалоговое окно и дать команду Configure, в открывшемся окне изменить название графика: вместо phase – frequency.

Загрузить проект (Project/Build Project), убедиться в его загрузке, запустить проект (Debug/Run). Изменяя частоту генератора в пределах 5,90- 6,10 кГц посмотреть график frequency (содержимое интегратора частоты). Характерные графики зарисовать и объяснить. Указать масштаб графика по оси ординат (какой частоте в Гц соответствует значение 10000?). При желании можно изменить масштаб графика по оси ординат: щелкнуть правой кнопкой мыши по графику frequency и в открывшемся окне выбрать Modify Setting/2DAxis.

17.Познакомиться с работой системы АПЧ. Для этого при остановленной программе (в разделе Debug команда Halt погашена) замаркировать строки 46 (фазовый дискриминатор), 60 и 61 (коррекция интеграторов системы ФАПЧ). Демаркировать строки 47 (частотный дискриминатор), 57 (запоминание сигнала ошибки) и 62 (коррекция интегратора системы АПЧ).

Для построения графиков в аргументе функции signal_probe(…) в строке 48 следует указать d_f и acc[0]>>16. Сопоставить картинку на осциллографе для системы АПЧ с прежней (для системы ФАПЧ).

18.Командой Debug/Halt остановить программу. Выключить генератор синусоидального сигнала, осциллограф и отладочную плату EZ-KIT. Вежливо попрощаться с ЭВМ.

8.4.Содержание отчета

1.Функциональная схема системы ФАПЧ, алгоритмы работы дискриминатора и сглаживающих цепей.

2.Процессы на входе и выходе системы ФАПЧ (п. 13, разд. 8.3).

3.Графики, отражающие содержимое интеграторов системы ФАПЧ

(пп. 15 и 16, разд. 8.3).

4.Результаты выполнения расчетной части работы по формулам (8.4)-

(8.6).

5.Графики, отражающие зависимости экспериментального значения дисперсии от параметров системы (пп.10 – 12, разд. 8.3).

6.Для своего варианта исходных данных вычислить среднеквадратичное значение флюктуационной ошибки с помощью выражения:

52

Теоретический результат сопоставить с данными эксперимента. Для этого следует из экспериментального значения дисперсии, полученной в п. 10 разд. 8.3 при оптимальных параметрах, извлечь корень квадратный и результат умножить на 180.

7. Функциональная схема системы АПЧ, алгоритмы работы дискриминатора и сглаживающих цепей. Процессы на входе и выходе системы АПЧ

(п. 17, разд. 8.3).

8.5.Контрольные вопросы

1.Укажите достоинства и недостатки систем ФАПЧ и АПЧ.

2.Как реализуется дискретный интегратор программными средствами?

3.Какие функции используются для определения сигнала ошибки при программной реализации системы фазовой автоподстройки?

4.Зачем в системе фазовой автоподстройки применяют сглаживающий фильтр с двумя интеграторами?

5.Опишите модель входного воздействия (формирующий фильтр) для системы ФАПЧ. Динамика каких процессов учитывается в такой модели?

6.Дайте физическое объяснение зависимости помехоустойчивости системы от ее параметров (с привлечением метода ЛХ).

7.Укажите схемотехнические и системные особенности исследуемых систем ФАПЧ и АПЧ.

9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИВОДА С ТАХОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Цель работы:

1)изучение характеристик электрического двигателя;

2)исследование возможностей изменения динамических свойств САУ методом коррекции с помощью местной обратной связи;

3)ознакомление с аппаратными способами линеаризации САУ.

53

9.1 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка содержит (рис. 9.1) двигатель (Д), подключенный к нагрузке через редуктор (Р), элементы коррекции, вольтметры и осциллограф (индикаторы на рисунке не показаны). Выходной величиной исследуемой системы является угол поворота вала на выходе редуктора φ. Элементы коррекции включают в себя тахогенератор (Т) (его вал механически связан с валом двигателя), усилитель (У) и вычитающий элемент. Тахогенератор представляет собой высокоточный измерительный прибор, обладающий линейной зависимостью выходного напряжения UT от угловой скорости вращения вала Ω. Напряжение управления двигателем UУ либо снимается с выхода усилителя У, либо подается непосредственно с вычитающего элемента.

Рис. 9.1

С помощью вольтметров контролируются входное напряжение UВХ и напряжение тахогенератора UT . Для измерения длительности переходных процессов используется осциллограф, подключенный к выходу тахогенератора.

Лабораторная установка работает в 2-х режимах:

-режим исследования характеристик двигателя (цепь обратной связи размыкается, усилитель отключается);

-режим исследования привода с тахометрической обратной связью (функционируют все элементы лабораторной установки).

Непосредственное использование электрического двигателя в качестве привода механических элементов САУ (антенных систем, устройств управления частотой генератора и т.п.) затруднено следующими обстоятельствами:

где KДВ – коэффициент усиления двигателя; τДВ – постоянная времени двигателя.

54

Апериодическое звено, входящее в состав WДВ ( j ) , обусловлено наличием

момента инерции ротора двигателя и нагрузки, который и определяет величину постоянной времени τДВ (чем больше мощность двигателя , тем больше τДВ). В САУ инерционные звенья с большой постоянной времени нежелательны, поэтому параметр τДВ необходимо снизить до пренебрежимо малой величины.

2) Статическая характеристика двигателя, связывающая входное напряжение UУ и скорость вращения вала Ω существенно нелинейная (особенно нежелательна нелинейность типа «зона нечувствительности», обусловленная силами трения). Используемый в составе САУ привод должен иметь линейную характеристику, причем размер зоны нечувствительности необходимо также уменьшить до пренебрежимо малой величины.

Первая задача решается следующим образом. Функция передачи привода с тахометрической обратной связью равна:

тахогенератора; KТ и Т коэффициент усиления и постоянная времени тахогенератора.

Поскольку тахогенератор - устройство малоинерционное, то в интересующей нас низкочастотной области допустима аппроксимация вида:

WТГ ( j ) WТГ* ( j ) KТ j .

Подстановка в выражение для WП ( j ) функций передачи WДВ ( j ) и

WТГ* ( j ) приводит к результату:

Если выбрать KKДВ KТ 1, то получим ДВI ДВ , и первая задача будет решена.

55

Замечание. Включение в схему привода элементов коррекции в соответствии с рис. 9.1 позволяет реализовать метод коррекции с использованием местной обратной связи. Согласно идеологии этого метода функция передачи привода WП ( j ) должна быть обратной функции передачи звена в цепи об-

ратной связи, т.е. WТГ* ( j ). Действительно, из выражения для функции пере-

Так как функция передачи WДВ ( j ) кроме интегратора содержит еще

апериодическое звено, с ростом частоты условие K WДВ ( j ) WТГ ( j ) 1

1

Рис. 9.2

56

Пунктиром показана ЛАЧХ привода с тахометрической обратной связью, об-

1

разуемая низкочастотной асимптотой ЛАЧХ и высокочастотной

WТГ* ( j )

асимптотой K WДВ ( j ) . Точке пересечения асимптот соответствует частота

Вторая задача решается следующим образом. Для преодоления сил трения и уменьшения зоны нечувствительности статической характеристики привода используется усилитель У, а линеаризация остальной части характеристики привода обеспечивается использованием цепей обратной связи. Действительно, тахогенератор является точным измерительным прибором, линейно преобразующим скорость вращения вала двигателя в напряжение. В схеме с обратной связью выполняется сравнение входного напряжения UВХ и напряжения тахогенератора UТ. При большом значении коэффициента усиления K для вращения двигателя достаточно иметь малое значение разности e=UВХ-UТ. Следовательно, UВХ UТ и, благодаря линейности характеристики тахогенератора скорость вращения вала привода пропорциональна UВХ.

9.2. Задание по работе

1.Убедиться, что на макете тумблеры включения двигателя и тахогенератора находятся в состоянии «Выкл». Включить питание на сетевом удлин быть включенителе. Индикатор источника питания должен показывать 30 в. Осциллограф должен быть включен.

2.Установить тумблер включения двигателя в верхнее положение. С помощью стрелочных индикаторов и ручки регулировки входного напряжения снять зависимость угловой скорости вращения вала двигателя от входного

напряжения UВХ при выключенной обратной связи (тумблер включения тахогенератора находится в состоянии «Выкл», измерение угловой скорости вращения вала двигателя выполняется путем измерения напряжения на выходе тахогенератора). Измерить величину зоны нечувствительности характеристики двигателя Uо.

3.Построить график снятой зависимости и выбрать рабочую точку на линей-

ном участке графика, соответствующую UВХ*. Установить входное напряжение UВХ*. Подсчитывая количество оборотов вала двигателя (на выходе редуктора) n на заданном временном интервале T (например, 1 мин), опреде-

57

лить коэффициент усиления двигателя: K ДВ =2π*n*N/T/( UВХ*-Uо) [рад/с/в] и

тахогенератора: KТ = UТ*/( UВХ*-Uо)/ K ДВ [в*рад-1*с], где UТ* - напряжение на выходе тахогенератора в рабочей точке; N=225 – коэффициент редуктора «внутренняя шкала-двигатель» (см. макет).

4. Рекомендуется выполнить проверку результатов вычислений в п.3. Для этого следует определить крутизну линейного участка UТ*/( UВХ*-Uо) построенной в п.3 характеристики и сравнить ее с произведением K ДВ * KТ . Кроме

того, следует результат вычисления KТ сравнить с указанным на макете значением. Допустимая погрешность – 10%.

5. Установить тумблер включения тахогенератора в верхнее положение. Снять зависимость угловой скорости вращения вала двигателя от входного напряжения UВХ при включенной обратной связи. Измерить величину зоны нечувствительности характеристики привода.

Замечание 1. Для точного измерения величины зоны нечувствительности характеристики привода Uо рекомендуется выполнить следующую процедуру:

-при выключенной обратной связи установить входное напряжение на уровне зоны нечувствительности характеристики двигателя Uо;

-включить обратную связь;

-уменьшить напряжение внешнего источника питания (ручка U) до значения

UП’, соответсвующего полной остановки двигателя;

-вычислить Uо’ = Uо * UП’ /30;

-установить напряжение внешнего источника питания 30 в.

6.Установить входное напряжение UВХ* на линейном участке построенной в п.3 характеристики. С помощью осциллографа при скачкообразном включении напряжения UВХ определить постоянную времени двигателя ДВ1 (без

обратной связи), полагая, что переходный процесс завершается за время, примерно равное 3 ДВ . Выполнить аналогичное измерение ДВ2 при скачко-

образном выключении напряжения UВХ. В предположении, что силы трения одинаково замедляют процесс разгона двигателя и ускоряют процесс его торможения, постоянную времени двигателя ДВ (без обратной связи) опре-

делить как среднее арифметическое измеренных величин.

58

Замечание 2. Постоянные времени удобно измерять, используя кнопку Run/Stop (Пуск/Стоп) на осциллографе. Для этого рекомендуется выполнить следующую процедуру:

-установить медленную развертку;

-после нажатия кнопки и запуска развертки следует изменить положение переключаемого тумблера на макете и повторно нажать упомянутую кнопку;

-настроить горизонтальное положение переходного процесса и выбрать желаемый масштаб временной развертки. Длительность переходного процесса (Три постоянные времени) измеряется по масштабной сетке с учетом скорости развертки, указанной внизу экрана.

При желании можно использовать курсорные измерения.

7.Аналогично определить постоянную времени привода с тахометрической обратной связью ДВI .

8.На макете ручку регулировки входного напряжения перевести в крайнее левое положение, тумблеры включения двигателя и тахогенератора устано-

вить в состояние «Выкл». Выключить питание сети на сетевом удлините-

ле.

9.3.Обработка результатов эксперимента.

1.В дополнение к построенной в п.3 характеристике на том же графике построить зависимость угловой скорости вращения вала привода от входного напряжения при включенной обратной связи.

2.По изменению зоны нечувствительности характеристики привода оценить экспериментальное значение коэффициента усиления K .

3.Используя вычисленное значение K ДВ и экспериментально получен-

привода с тахометрической обратной связью

59