Исследование качества регулирования систем радиоавтоматики. Методические указания к лабораторным работам с применением программы Micro Cap
.pdfМинистерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
С. Н. Архипов
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ
Методические указания к лабораторным работам с применением программы Micro Cap
Новосибирск
2022
УДК [621.396:004](076.5)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент: Шушнов М.С.
Архипов, С. Н. Исследование качества регулирования систем радиоавтоматики : методические указания к лабораторным работам с применением программы Micro Cap / С. Н. Архипов ; Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики ; кафедра радиотехнических устройств и техносферной безопасности. – Новосибирск, 2022. – 22 с.
Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного обучения, обучающихся по программам бакалавриата (направления 11.03.02, 11.03.03, 11.03.04) и специалитета (11.05.02, 11.05.04). Данные методические указания содержат рекомендации по выполнению лабораторных работ №6, №7 с применением программы компьютерного моделирования «Micro Cap». Приводятся задания для предварительного расчета к лабораторным работам, вопросы для самопроверки, а также необходимый теоретический и справочный материал по методикам оценки ошибки регулирования и параметров переходного процесса при детерминированных воздействиях.
©Архипов С.Н., 2022
©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2022
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Лабораторная работа №6 «Исследование качества регулирования при детерминированных воздействиях»………………………………………... 4
Лабораторная работа №7 «Исследование адаптивной системы компенсации помехи»……………………………………………………………….. 12
ПРИЛОЖЕНИЯ П.1. «Метод коэффициентов ошибки»……………………………………... 18
П.2. «Параметры переходного процесса»………………………………….. 20
Список литературы………………………………………………………….. 21
3
Лабораторная работа №6
Исследование качества регулирования при детерминированных воздействиях
1. Цель работы
Исследование влияния структуры и параметров замкнутой линейной стационарной САУ на величину ошибки регулирования и параметры переходного процесса при детерминированных воздействиях.
2. Описание лабораторной установки
Исследование качества регулирования при детерминированных воздействиях производится методом компьютерного моделирования с применением программы Micro Cap. Структурная схема исследования замкнутой следящей системы автоматического регулирования приведена на рисунке 6.1.
|
|
Статическая система |
|
|
x(t) |
1(t) |
К1(р) |
К2(р) |
y1(t) |
|
||||
|
Астатическая система |
|
|
2(t) |
К3(р) |
К4(р) |
y2(t) |
|
|
||
Рисунок 6.1 - Структурная схема исследования качества регулирования
Для сравнения, свойства статической и астатической систем исследуются одновременно, при одном входном воздействии x(t). Математическая модель задается передаточной функцией, соответственно, К1(р), К2(р) для статической системы; К3(р), К4(р) для астатической системы. Структура систем и передаточные функции для различных вариантов построения указаны в таблице 6.1.
Модель элемента, заданная в виде передаточной функции (рисунок 6.2), в среде Micro Cap описывается с помощью зависимого источника напряже-
4
ния, управляемого напряжением Е1, в котором функциональная связь между входной и выходной переменной задается с применением преобразования Лапласа.
Рисунок 3.2 – Модель зависимого источника, описываемого с применением преобразования Лапласа
Этот элемент обозначается как Laplace Sourses и его описание сводится к уравнению, записанному через оператор Лапласа в окне параметров элемента.
Таким образом, схема лабораторной установки, изображенная в стандарте Micro Cap, может быть представлена в следующем виде:
х(t) |
1(t) |
y(t) |
|
Статическая система
2(t)
Астатическая система
Рисунок 6.3 – Схема лабораторной установки
Как видно из рисунка, каждая система состоит из двух звеньев: Е3, Е4 – для статической системы и Е4, Е5 – для астатической. Ошибка регулирования (t) определяется, соответственно, в узлах (3) и (6). Следует отметить, что в зависимости от точки снятия выходного параметра, исследуемая замкнутая система будет являться либо системой слежения (выходной узел,
5
соответственно 2 или 5), либо системой стабилизации (выходной узел, соответственно 4 или 7).
Следящая система должна как можно точнее отслеживать изменение входного параметра (стремиться к нему в установившемся режиме), для чего применяется 100%-я отрицательная обратная связь.
Система стабилизации предназначена для устранения нестабильности входного параметра, то есть в установившемся режиме изменение выходного параметра должно стремиться к нулю. Независимо от назначения системы, ошибка регулирования на выходе вычитателя должна стремиться к нулю.
В отличие от статической системы, астатическая система должна содержать хотя бы одно интегрирующее звено, причем количество интегрирующих звеньев определяет порядок астатизма системы. С повышением порядка астатизма уменьшается (либо устраняется) ошибка регулирования, даже при сложных функциях входного воздействия, но ухудшается устойчивость замкнутой системы (вследствие дополнительных фазовых сдвигов, вносимых интегрирующими звеньями), то есть без применения специальных корректирующих звеньев система может самовозбудиться. В данной работе исследуется система с астатизмом первого порядка.
Для временного анализа процессов и ошибки регулирования на вход системы подается сигнал от генератора импульсного сигнала V1. Параметры сигнала задаются в специальном окне, которое открывается после двойного щелчка левой кнопки мыши на изображении импульсного генератора. Вид окна показан на рисунке 6.4. С помощью генератора импульсного сигнала можно получить сигналы либо прямоугольной, либо пилообразной формы.
Рисунок 6.4 – Окно установки параметров прямоугольного сигнала
6
Прямоугольный импульсный сигнал применяется для исследования воздействия скачка напряжения постоянной амплитуды на качество регулирования и параметры переходного процесса (переходная характеристика).
Для получения сигнала, описываемого линейно возрастающей функцией, формируется пилообразное напряжение, для чего время перехода от уровня нуля до уровня единицы (Р2) берется равным длительности импульса, как показано на рисунке 6.5.
Рисунок 6.5 – Окно установки параметров пилообразного сигнала
Передаточная функция, выраженная через преобразование Лапласа задается в окне параметров Laplace Sourses, которое открывается двойным щелчком мыши на изображении зависимого источника, показанного на рисунке 6.2 (см. пояснения к работе №2).
Напоминаем, что параметр Лапласа в формате Micro Cap и ряде учебников обозначается как «S» в отличие от электронных лекций и данных методических указаний, где он обозначается через «Р». При выборе опции «LAPLACE=» в ячейке «Value» записывается заданная передаточная функция, как показано на рисунке 6.6. За исключением параметра «s», все остальные параметры должны вводиться в виде числовых значений.
7
Рисунок 6.6 – Окно установки параметров передаточной функции
Временной анализ производится выбором в основном меню опции «Analysis» и «Transient». Запуск временного анализа выполняется щелчком левой кнопки мыши на кнопке «Run».
После этого появляются графики временных характеристик, примерный вид которых показан на рисунке 6.7.
Определение параметров переходного процесса производится непосредственно по графику. Подводя курсор мыши к любой точке графика, около курсора появится небольшое окно с указанием временных и амплитудных параметров, как показано на рисунке 6.8. Графики для каждого узла схемы выделяются разным цветом и соответствующими обозначениями в нижней части графика.
8
Рисунок 6.7 – Окно временного анализа
3. Подготовка к работе
3.1. Выбрать структуру статической и астатической системы в соответствии с таблицей 6.1.
Таблица 6.1 – Варианты исследования качества регулирования
№ |
Статическая система |
Астатическая система |
||
вар. |
К1(s) |
К2(s) |
К3(s) |
К4(s) |
1 |
6 |
1/(1+0.02*s) |
6 |
1/(0.02*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
1/(1+0.01*s) |
2/(1+0.001*s) |
1/(1+0.01*s) |
2/(0.001*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
3 |
2/(1+0.02*s) |
1/(1+0.02*s) |
2/(1+0.02*s) |
1/(0.02*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
4 |
7 |
1/((1+0.02*s)*(1+0.005*s)) |
7 |
1/(0.02*s*(1+0.005*s)) |
|
||||
|
|
|
|
|
5 |
2/(1+0.1*s) |
2/(1+0.001*s) |
2/(1+0.1*s) |
2/(0.001*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
6 |
4 |
1/(1+0.01*s) |
4 |
1/(0.01*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
7 |
1/(1+0.02*s) |
3/(1+0.001*s) |
1/(1+0.02*s) |
3/(0.001*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
8 |
2/(1+0.03*s) |
3/(1+0.01*s) |
2/(1+0.03*s) |
3/(0.01*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
9 |
5 |
1/((1+0.02*s)*(1+0.005*s)) |
5 |
1/(0.02*s*(1+0.005*s)) |
|
||||
|
|
|
|
|
0 |
1/(1+0.15*s) |
5/(1+0.002*s) |
2/(1+0.15*s) |
2/(0.002*s) |
|
||||
|
|
|
|
|
3.2.Записать передаточную функцию разомкнутой системы.
3.3.Записать характеристическое уравнение замкнутой системы и передаточную функцию ошибки регулирования ([1] лекция 11).
9
3.4.Определить коэффициенты ошибки и вывести формулу оригинала ошибки регулирования для двух вариантов входного воздействия: x(t)=1 и x(t)=0.2t ([1] лекция 11, приложение 3).
3.5.Построить временную зависимость входного воздействия и установившейся ошибки.
4. Порядок выполнения работы
4.1.Запустить программу Micro Cap (по указанию преподавателя).
4.2.Открыть файл lab_ra_3.cir.
4.3.Описать функциональные блоки Laplace Sourses в соответствии с заданным вариантом, для чего открыть окно установки параметров зависимых источников (Е1, Е2, Е3, Е4) и записать заданные передаточные функции (см.
п.2).
4.4.Установить ступенчатое напряжение на генераторе V1 (параметры сигнала и методика установки параметров прямоугольных импульсов изложены в п.2).
4.5.Исследовать временные функции ошибки регулирования (в узлах 3
и6), а также вид переходного процесса (узлы 2 и 5) для статической и астатической системы:
- привести полученные осциллограммы входного воздействия, ошибки регулирования и переходного процесса в отчете;
- определить характер ошибки регулирования; - определить все возможные параметры переходного процесса, исполь-
зуя прямые методы оценки качества (([1] лекция 12).
Примечание: при измерении времени регулирования задаться необходимой точностью. Например, ε = 10%.
4.6.Установить линейно нарастающее напряжение на генераторе V1 (параметры сигнала и методика установки параметров изложены в п.2).
4.7.Исследовать временные функции ошибки регулирования для статической и астатической системы при линейно нарастающем напряжении:
- привести полученные осциллограммы входного воздействия, ошибки регулирования и выходного процесса в отчете;
- определить характер ошибки регулирования.
5. Содержание отчета
5.1. Цель работы.
5.2. Структурная схема исследуемой системы автоматического регулирования и схема лабораторной установки в формате Micro Cap.
5.3. Результаты предварительных расчетов.
5.4. Временные зависимости ошибки регулирования для статической и астатической систем при различных входных воздействиях.
5.5. Результаты определения параметров переходного процесса для статической и астатической систем.
10