Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование типовых динамических звеньев систем радиоавтоматики. Методические указания к лабораторным работам с применением программы Micro Cap
.pdf
Министерство 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 ТИПОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ
ЗВЕНЬЕВ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ
Методические указания к лабораторным работам
с применением программы Micro Cap
Новосибирск
2022
2
УДК [621.396:004](076.5)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент: Шушнов М.С.
Архипов, С. Н. Исследование типовых динамических звеньев 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. – 47 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 мето-
дические указания содержат рекомендации по выполнению лабораторных ра-
бот №1, №2, №3 с применением программы компьютерного моделирования
«Micro Cap». Приводятся задания для предварительного расчета к лаборатор-
ным работам, вопросы для самопроверки, а также необходимый теоретический
и справочный материал по методикам исследования, расчета и работе с программой компьютерного моделирования линейных систем радиоавтоматики.
© Архипов С.Н., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………………...
3
Лабораторная работа №1 «Особенности применения программы Micro
Cap для исследования автоматических систем»……………………………...
5
Лабораторная работа №2 «Изучение типовых динамических звеньев»……
18
Лабораторная работа №3 «Исследование характеристик сложных систем
автоматического управления»…………………………………………………
25
ПРИЛОЖЕНИЯ П.1. Типовые динамические звенья и их свойства………..
29
П.2. Примеры построения результирующих частотных характеристик
системы из последовательного соединения звеньев…………………………
44
Список литературы……………………………………………………………..
46
4
ВВЕДЕНИЕ
Системы автоматического управления (САУ) широко применяются не
только в радиотехнике, но и в энергетике, механике, химии, биологии и других
сложных системах. Принципы построения САУ применительно к области радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоуправления называют теорией
радиоавтоматики (РА).
Системы РА функционируют на основе автоматического измерения и преобразования входного сигнала или его параметров, в качестве которых могут
использоваться электрическое напряжение, частота, фаза (в системах слежения
и стабилизации), направление и время прихода (в системах радиолокации и ра-
дионавигации) и другие.
Наиболее полно разработаны методы анализа линейных стационарных систем радиоавтоматики. Анализ таких систем при детерминированных воздей-
ствиях предполагает решение следующих задач [1,3].
1. Составление математической модели САУ в виде системы дифференциаль-
ных уравнений, системы линейных операторных уравнений или структурной
схемы.
2. Преобразование структурной схемы, состоящей из простейших типовых ди-
намических элементов, с целью получения эквивалентной передаточной
функции.
3. Анализ работы системы в частотной и временной области.
4. Анализ вопросов устойчивости (в том числе запасов устойчивости, под кото-
рым понимается степень удаленности системы от неустойчивого состояния).
5. Расчет качественных показателей, включая параметры переходного процесса
и величину ошибки регулирования в установившемся режиме.
Отработке методики решения этих задач посвящен цикл лабораторных работ по дисциплинам «Основы радиоавтоматики», «Основы управления техническими системами».
Лабораторный практикум поставлен с применением программы компью-
терного моделирования Micro Cap, которая свободно распространяется в сети
интернет.
Данный лабораторный практикум содержит вводную лабораторную рабо-
ту, позволяющую получение навыков работы с программой, а также работы,
посвященные особенностям описания и применения типовых математических
моделей систем радиоавтоматики.
5
Лабораторная работа №1
Особенности применения программы Micro Cap
для исследования автоматических систем
Цель работы: получение первичных навыков построения и моделирования электрических схем с применением программы схемотехнического моде-
лирования Micro Cap, а также изучение особенностей работы с программой,
включая ее установку.
1. Требования к программному обеспечению и особенности установки
программы
Лабораторные работы выполняются с применением программы компью-
терного моделирования Micro Cap [4]. Для физических пользователей програм-
ма версий с 10 по 12 устанавливается бесплатно. Для установки программы
необходимо зайти на сайт производителя Spectrum-soft.com (или задать в поисковой системе Яндекс – Spectrum Software). После запуска сайта в основном
меню выбрать «Download», после чего будет представлена таблица доступных
версий программы (рис.1).
Рисунок 1.1 – Доступные версии программы
Для установки можно выбрать любую версию (красная точка – японская
версия), например, Micro-Cap 12. Затем в столбце Full CD выбрать «CD (58M)»
6
(полная версия). Ниже представлена аналогичная русифицированная таблица с
рекомендациями по установке программы.
Рисунок 1.2 – Рекомендации по установке программы
Программа компьютерного моделирования Micro Cap является мощной
современной программой схемотехнического моделирования и может исполь-
зоваться, в том числе, для исследования моделей систем автоматического
управления.
Процесс моделирования состоит из нескольких этапов:
1. Выбор элементов и установка их на рабочем поле.
2. Выбор моделей и задание числовых параметров элементов.
3. Соединение элементов проводниками и обозначение узлов схемы.
4. Выбор метода анализа и задание пределов анализа.
5. Расчет характеристик в соответствие с выбранным методом анализа.
6. Анализ полученных результатов.
Для получения навыков работы с программой можно исследовать про-
стейшую схему в виде последовательного колебательного контура, изображен-
ного на рис. 1.3.
Рисунок 1.3 – Исследуемая схема
С1
L1
R1
20
10u
10n
V1
7
2. Порядок выполнения работы
2.1. Выбор элементов и установка их на рабочем поле
Все элементы сгруппированы в подгруппы и помещены на рабочее поле (в
левой колонке, как показано на рис.1.4а). Их также можно найти в основном
меню при выборе опции «Component» (рис.1.4б).
Рисунок 1.4 – Исследуемая схема
Группа аналоговых компонентов называемая «Analog Primitives», состоит
из нескольких подгрупп, например:
• Passive Components (пассивные компоненты: сопротивление, ем-
кость, индуктивность, диод и др.);
• Active Devices (транзисторы);
• Waveform Sources (независимые источники напряжений или токов
различной формы);
• Function Sources (зависимые источники напряжений или токов);
• Laplace Sources (зависимые источники, описываемые через преобра-
зование Лапласа) и др.
),
Рисунок 1.5 – Типовые компоненты на панели основного меню.
Можно отметить, что в зарубежных программах схемотехнического проектирования есть некоторые отличия от изображения элементов по сравнению
с ГОСТ РФ.
Так, резистор в России обозначается в виде прямоугольника (
а в программе - в виде зигзага ( ).
При выборе компонента щелкнуть левой кнопкой мыши (ЛКМ) на компоненте, переместить курсор мыши на рабочее поле и снова щелкнуть ЛКМ. Выход из режима установки компонента – по нажатию кнопки «Esс» или выборе
опции на панели основного меню.
Для поворота элемента на 90º следует при установке (или последующем
выборе) элемента нажать ЛКМ и, не отпуская, нажать ПКМ.
2.2. Выбор моделей и задание числовых параметров элементов
Расположить на рабочее поле пассивные компоненты и задать их значения
в соответствие со схемой на рис.1.3.
После установки компонента автоматически открывается окно выбора параметров (или параметров модели) элемента. Для примера показано окно установки сопротивления идеального резистора (рис.1.6). При необходимости модель резистора может быть значительно усложнена.
Рисунок 1.6 – Окно установки параметров резистора.
8
9
Рисунок 1.6 – Окно установки параметров резистора.
При задании величин компонентов единица измерения не важна. Главное
правильно указать порядок величин. При установке порядка величин используются различные форматы, в том числе с использованием степенной формы (в
текстовом формате) и суффиксов. В таблице 1.1 указаны способы задания величин в различных форматах.
Таблица 1.1 - Способы задания величин
По определе-
нию
Название
Степенной
формат
Суффикс
10
-15
фемто
1Е-15
f
10
-12
пика
1Е-12
p
10
-9
нано
1Е-9
n
10
-6
микро
1Е-6
u
10-3
мили
1Е-3
m
103
кило
1Е3
k
106
мега
1Е6
meg
109
гига
1Е9
g
1012
тера
1Е12
t
Суффикс – неотъемлемая часть числа и пишется без пробела. Прописные и
строчные буквы программа не различает. Дробная часть отделяется от целой -
точкой, а не запятой! После суффикса по желанию можно дописать единицу
измерения, что не считается ошибкой. Например: 0.1u или 0.1uF.
2.2.1. Выбрать вид генератора входного сигнала, задать имя его модели и
параметры.
Для временного анализа на вход системы подается сигнал заданной формы. Например, при построении переходной характеристики используется импульсный сигнал.
Генератор импульсов можно установить, если в группе элементов «Analog
Primitives» выбрать подгруппу «Waveform Sources» - и далее выбрать элемент
«Pulse Source» (источник импульсного сигнала). После установки генератора на
рабочем поле открывается окно параметров генератора (рис.1.7).
На первом этапе установки параметров необходимо задать имя модели генератора в ячейке «value». Можно выбрать имя готовой модели в правом нижнем окне, как показано на рис.1.7. Пока имя модели не выбрано, параметры
сигнала будут недоступны.
В самом общем виде генератор формирует форму сигнала, показанную на
рис.1.8.
10
Рисунок 1.7 – Окно установки параметров импульсного генератора.
Рисунок 1.8 – Общий вид сигнала импульсного генератора.
Импульсный сигнал описывается двумя амплитудными и пятью временными параметрами:
UZERO – минимальный уровень (уровень нуля);
UONE – максимальный уровень (уровень единицы).
p1 – время задержки сигнала относительно 0;
p
2
– время изменения переднего фронта импульса;
p
3
– время окончания плоской части импульса;
p
4
– время изменения заднего фронта импульса;
Параметры
модели
Имя
модели
U
вых
UZERO
UONE
p
5
p1 p2 p3 p4 t
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]