Министерство образования Российской Федерации

Филиал Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

СЕВМАШВТУЗ

А.Н. Манойленко

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Северодвинск 2007

УДК 62 -50 (075.8)

Манойленко А.Н. Теория автоматического управления. Основы теории управления.

Методические указания по выполнению лабораторных работ.- Северодвинск: РИО Севмашвтуза, 2007. - 69 с.

Отв.редактор к.т.н. доцент С.Н. Едемский

Рецензенты: к.т.н., доцент А.И. Чурносов;

заслуженный машиностроитель Российской Федерации ФГУП ПО

«Севмаш» С.А.Дроздов

Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Теория автоматического управления» предназначены для студентов, обучающихся по специальности 180201 «Системы электроэнергетики и автоматизации судов». В указаниях приведены варианты заданий на курсовое проектирование и требования к содержанию и оформлению текстовой и графической документации.

Методические указания содержат основные теоретические положения, описание лабораторных установок, порядок выполнения лабораторных работ, требования к отчетам по лабораторным работам, контрольные вопросы и рекомендуемую литературу.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.

ISBN © Севмашвтуз, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа №1. Исследование частотных характеристик пассивных корректирующих звеньев.........4

Лабораторная работа №2. Изучение влияния обратных связей на характеристики электромашинного преобразователя..............................................................................................................................................................13

Лабораторная работа №3. Исследование переходных и частотных характеристик электронных моделей типовых динамических звеньев САУ...........................................................................................................................................17

Лабораторная работа №4. Исследование системы автоматической стабилизации напряжения генератора постоянного тока.............................................................................................................................................................29

Лабораторная работа №5. Исследование системы стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока с электромашинным усилителем мощности....................................................................................................................32

Лабораторная работа №6 Исследование системы стабилизации частоты вращения двигателя постоянного тока в системе генератор-двигатель с электромашинным возбудителем…………………………………………………..37

Лабораторная работа №7. Исследование импульсной системы стабилизации напряжения генератора постоянного тока………………………………………………………………………………………………………..43

Лабораторная работа №8. Исследование нелинейной системы автоматической стабилизации температуры…..51

Лабораторная работа №9 Исследование системы стабилизации частоты вращения ДТП с тиристорным усилителем мощности…………………………………………………………………………………………………64

Список литературы .........................................................................................................................................................69

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАССИВНЫХ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ

1. Цель работы

Цель выполняемой лабораторной работы состоит в экспериментальном определении частотных характеристик пассивных дифференцирующих и интегрирующих звеньев.

2. Основные теоретические положения

При разработке, проектировании и создании систем автоматического регулирования приходится решать задачи, которые связаны с улучшением качества процесса регулирования. Качество работы любой системы регулирования определяется величиной ошибки, равной разности между требуемым и действительным значениями регулируемой величины.

Для определения качественных показателей системы регулирования используются критерии качества. К критериям качества относятся критерии точности системы регулирования, критерии, определяющие величину запаса устойчивости систем, критерии, определяющие быстродействие систем регулирования и другие. Улучшение качества процесса регулирования связано с решением двух основных задач - изменение динамических свойств системы регулирования с целью получения необходимого запаса устойчивости и быстродействия, и повышение точности в типовых режимах. Удовлетворительное решение задачи достижения как требуемого запаса устойчивости, так и быстродействия и точности регулирования может быть достигнуто с помощью различных методов, одним из которых является изменение структуры системы. Для этой цели обычно используется введение в систему регулирования корректирующих устройств.

Основное назначение корректирующего устройства состоит в изменении динамических свойств системы в направлении желаемых характеристик, что проявляется в изменении усиления по отдельным гармоникам или только в той области частот, которая оказывается существенной для формирования той или иной динамической характеристики.

Влияние корректирующего устройства на динамические свойства системы проявляется также и в изменении её фазовой

характеристики. Корректирующие устройства могут вводиться в систему регулирования различными способами. По виду введения в систему регулирования корректирующие устройства подразделяются на следующие основные типы:

а) последовательные корректирующие устройства;

б) параллельные корректирующие устройства;

в) местные обратные связи.

Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется удобством технической реализации.

Звенья последовательного типа удобно применять в тех случаях, когда в системе регулирования используется электрический сигнал в виде напряжения постоянного тока, величина которого связана линейной зависимостью с сигналом ошибки.

Корректирующие звенья последовательного типа наиболее просто могут быть выполнены на электрических R-, С- и L-элементах. Последовательные звенья из R-, С- и L-элементов называют пассивными последовательными корректирующими устройствами, так как они не содержат источников электродвижущих сил. Существует большое количество пассивных последовательных звеньев. Следует рассмотреть наиболее типовые из них и их некоторые свойства.

На рис.1а представлено пассивное дифференцирующее форсирующее звено состоящее из R -, С-элементов. Передаточная функция этого звена определяется следующим выражением:

Параметры и частотные характеристики дифференцирующего звена определяются следующими выражениями:

; L₀ =20 lgk;

в)

Рис. 1

На рис.16 представлена амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) дифференцирующего звена в виде полуокружности, расположенной в 1-м квадранте комплексной плоскости.

На рис.1 в приведены логарифмическая амплитудно-частотная - характеристика (ЛАЧХ) и логарифмическая фазочастотная характеристика (ЛФЧХ), соответствующие рассматриваемому корректирующему звену. ЛАЧХ представлена ломаной, у которой асимптота в диапазоне частот имеет наклон +20 дб/дек.

Фазочастотная характеристика располагается в области положительного значения аргумента. Это свидетельствует о том, что дифференцирующее звено даёт опережение по фазе. Особенностью пассивной дифференцирующей цепи является уменьшение усиления на низких частотах и повышение чувствительности к помехам на высоких частотах. Вследствие этого дифференцирующие звенья подвержены влиянию помех, что является их недостатком. Коррекция, осуществляемая путём включения дифференцирующих звеньев последовательно в прямую цепь системы регулирования, позволяет без уменьшения запаса устойчивости увеличить частоту среза, а, следовательно, полосу пропускания и быстродействие системы. Одновременно увеличение коэффициента усиления приводит к уменьшению ошибки в установившемся режиме.

На рис.2а изображено пассивное интегрирующее звено, состоящее из R С-элементов. Передаточная функция этого звена определяется выражением:

Параметры и частотные характеристики интегрирующего звена определяются следующими выражениями:

б)

На рис.26 представлена АФХ интегрирующего звена в виде полуокружности, расположенной в 4-м квадранте комплексной плоскости. ЛАЧХ и ЛФЧХ данного звена изображены на рис.2в. ЛАЧХ представлена ломаной, у которой асимптота в диапазоне частот имеет наклон -20 дб/дек. ЛФЧХ располагается в области отрицательного значения аргумента. Интегрирующая цепь в диапазоне частот вносит только отставание по фазе. Особенностью пассивных интегрирующих звеньев является уменьшение усиления на высоких частотах.

Для компенсации этого ослабления в системе регулирования обеспечивается увеличение коэффициента усиления на низких частотах. Увеличение коэффициента усиления на низких частотах уменьшает ошибки в установившемся режиме и тем самым повышается статическая точность системы регулирования.

На рис.За представлено пассивное интегро-дифференцирующее звено, состоящее из КС-элементов. Передаточная функция такого корректирующего звена определяется выражением:

Параметры и частотные характеристики этого звена определяются следующими выражениями:

;

На рис.36 представлена АФХ интегро-дифференцирующего звена, изображённая в виде окружности, расположенной в 1-м и 4-м квадрантах комплексной плоскости. ЛАЧХ и ЛФЧХ представлены на рис.Зв. Из этих характеристик видно, что при изменении частоты в диапазоне данное звено вносит отставание по фазе.

При дальнейшем увеличении частоты от до ∞ в системе возникает дифференцирующий эффект и происходит опережение по фазе. Коррекцию с помощью интегро-дифференцирующих звеньев применяют в тех случаях, когда необходимо, не уменьшая запаса устойчивости, увеличить частоту среза и полосу пропускания системы за счёт введения опережения по фазе и увеличения коэффициента усиления на высоких частотах, а также уменьшить ошибки в установившемся режиме и увеличить быстродействие системы, увеличивая коэффициент усиления на низких частотах. Таким образом, для правильного применения и использования последовательных пассивных корректирующих звеньев необходимо знать их частотные характеристики, которые отражают основные особенности этих звеньев.