Руководство к лабораторным работам в пакетах Electronics Workbench и VisSim Методические указания для проведения лабораторных работ по курсу Теория автоматического управления

Агентство по образованию Министерство сельского хозяйства

Российской Федерации ФГОУ ВПО

«Белгородский Государственный Аграрный Университет им. В.Я.Горина»

КАФЕДРА ИНФОРМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Методические указания для проведения лабораторных работ по курсу

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Руководство к лабораторным работам в пакетах

Electronics Workbench и VisSim

Белгород 2020

© ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ, 2020

Данное руководство — это твердая копия электронного документа tau.html (или tau.doc), который является связывающим звеном при выполнении всего комплекса лабораторных работ. Назначение электронной версии — быстрый и систематизированный доступ во время занятий, по гипертекстовым ссылкам к рабочим файлам моделей, к конспекту лекций.

2

Измерить и при необходимости компенсировать постоянную составляющую в сигнале. Использовать блок «plot» для осциллографирования.

3. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

3.1.Кратко описать принципы функционирования программных пакетов VisSim и Electronics Workbench.

3.2.Привести распечатки, подтверждающие выполнение всех пунктов экспериментальной части и текстовые пояснения к ним. Для модели «RLC»-цепи записать уравнение, подставить в него параметры элементов и начальные условия, а также полностью охарактеризовать переходный процесс.

3.3.Для измерения постоянной составляющей (см. пп. 2.5) следует составить блок-схему соответствующую магнитоэлектрическому измерительному механизму, который реагирует на среднее значение. Главный блок в модели измерительного преобразователя — интегратор.

3.4.Выводы.

4

Работа №2 ТИПОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ

Рабочие файлы: [zvenya.vsm] [k((1+tp)(1+tp))^-1.ca4] [k(1+2etp+(tp)^2)^-1.ca4] [k(p^-1).ca4] [kp.ca4]

1. Цель работы

Исследование взаимосвязей между параметрами типовых динамических звеньев и их характеристиками. Идентификация реальных технических устройств — схем на операционных усилителях с типовыми звеньями (т.е. с математическим описанием). Приобретение навыков использования типовых возмущающих воздействий и инструментов частотного анализа для исследования систем.

2. Предварительное домашнее задание

2.1.Составить уравнения и вывести передаточные функции W(p) для всех блоков файла zvenya.vsm (рис. 9). Структурные схемы блоков приведены на рис. 4, 5, 6, 7 и 8. Сравнить полученные передаточные функции с типовыми, идентифицировать блоки по названиям.

2.2.Кратко описать назначение и принцип действия электронных схем приведенных на рис. 10 д, е, ж.

3. Содержание работы

3.1.В программе VisSim ознакомиться с моделями единичной ступенчатой функции — 1(t) и дельта-функции — 1'(t) (файл zvenya.vsm). Выявить положенные допущения (неидеальности) в моделях.

3.2.В программе VisSim (файл zvenya.vsm) выполнить исследование типовых динамических звеньев (см. п. «Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета»). По ходу работы необходимо изменить постоянные времени, коэффициенты затухания и усиления по своему усмотрению. Убедится, что дифференцирование

5

переходной функции звена — h(t) дает его функцию веса — t); и наоборот, интегрирование функции веса звена — t)

дает его переходную функцию — h(t).

3.3.Выполнить измерения виртуальными приборами (анализатор, осциллограф) в схемах на операционных усилителях (файлы *.ca4 для программы Electronics Workbench) с целью идентификации моделей с типовыми динамическими звеньями. Настроить схемы по совпадению вида ЛАЧХ & ЛФЧХ, а так же реакций подобных переходной функции и функции веса. Допустимо несовпадение только коэффициентов усиления.

3.4.Подавая на вход типовых динамических звеньев синусоидальный сигнал, убедиться, что изменение коэффициента усиления вне полосы пропускания за одну декаду составляет либо 20 дб (10 раз), либо 40 дб (100 раз).

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Привести названия и графики использованных типовых возмущающих воздействий. Описать изменения в реакции типовых звеньев на варьирование параметров воздействий.

4.2. Для каждого звена привести: а) название звена; б) структурную схему (подписав входную величину, выходную, сигнал ошибки и обратной связи); в) вывод передаточной функции (подставить коэффициенты усиления и постоянные времени; проверить соответствие с линеаризованной передаточной функцией, которую рассчитывает программа VisSim (Analyze, Transfer Function Info); записать координаты корней и полюсов функции); г) список параметров с описанием характера влияния (на ЛАЧХ & ЛФЧХ, переходные процессы, ); д) переходную функцию; е) функцию веса; ж) ЛАЧХ & ЛФЧХ (определить достигает ли фаза значения –180 градусов в диапазоне частот

6

и если да, то имеет ли звено на данной частоте коэффициент усиления больший единицы); з) диаграмму Найквиста (определить охватывает ли АФХ точку (–1, j0); отметить траектории для положительных и отрицательных частот; точки, в которых частота стремится к нулю и к бесконечности); и) корневой годограф (определить имеются ли нулевой, положительные, или чисто мнимые корни; если есть парные корни с мнимой частью, то по мнимой части определить собственную частоту колебаний звена и сравнить с колебаниями переходной функции или функции веса, сделать вывод об устойчивости звеньев).

4.3.Указать на неидеальности, присущие свойствам, которыми обладают реальные дифференцирующие устройства и их компьютерные дискретные модели. Пояснить причину неидеальности в дискретных моделях.

4.4.Кроме осциллограмм, ЛАЧХ & ЛФЧХ подтверждающих результаты настройки схем по пп. 3.3 необходимо привести схемы проведения измерений (включая источники тест-сигналов) и дать пояснения к ним.

Работа №3 ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Рабочие файлы: [open.vsm] [closed.vsm] [pid.ca4]

1. Цель работы

Ознакомление с принципами разомкнутого и замкнутого регулирования. Исследование процессов преобразования сигналов в каналах типового ПИД-регулятора. Изучение свойств непрерывных законов регулирования: пропорционального (П), интегрального (И), изодромного (ПИ) и вариантов с дифференцирующим каналом (ПД, ПИД).

7

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Составить передаточные функции W(p) для всех блоков структурных схем рабочих файлов (рис. 2).

2.2. Кратко описать назначение и принцип действия электронных схем приведенных на рис. 10 а, б, в, г.

3. Содержание работы

3.1.Изучить параметры сигнала задания g(t) в файле open.vsm. (определить интервалы, где координата задания постоянна, меняется с постоянной скоростью или с постоянным ускорением).

3.2.Включая каналы типового ПИД-регулятора по очереди, изучить, как формируется сигнал воздействия на объект — u(t) из первичной информации — x(t) (файл open.vsm).

3.3.В файлах open.vsm и closed.vsm коэффициенты усиления регуляторов оптимально настроены для управления объектом в соответствии с принципами Понселе (без ОС) и Ползунова-Уатта (с ОС). По своему усмотрению изменить параметры объекта и вновь настроить регуляторы.

3.4.Оценить степень влияния изменений параметров объекта на ошибку регулирования для обоих вариантов управления. При анализе следует учесть, что статическую составляющую ошибки определяет нестабильность коэффициента усиления объекта, а динамическую — его постоянная времени.

3.5.Изучить реализацию ПИД-регулятора на ОУ (файл pid.ca4).

4. Методические указания к моделированию и рекомендации к содержанию отчета

4.1. Привести общее описание типового ПИД-регулятора (структурная схема, дифференциальное уравнение или передаточная функция, основные параметры).

8

4.2.Описать принципиальные отличия в формировании сигнала воздействия на объект u(t) каналами типового ПИДрегулятора (сравнительный анализ): а) при малых возмущениях в первичной информации x(t), и при больших; б) при постоянстве входной координаты, при движении её с постоянной скоростью и с постоянным ускорением. Привести поясняющие графические зависимости.

4.3.Привести переходные процессы: а) при оптимальных настройках регуляторов для разных принципов регулирования объектом; б) для тех же случаев, с теми же настройками, но при отклонениях параметров объекта. Дать пояснения.

4.4.Построить два семейства зависимостей приведенной статической погрешности от изменения коэффициента усиления объекта при разных коэффициентах передачи пропорционального канала регулятора. В первом случае — для управления с ОС, во втором — без ОС. Первое семейство погрешностей привести к сигналу задания 1(t), второе — к среднему значению коэффициента усиления для каждой вариации (семейство вырождается в один график). Пояснить результаты.

4.5.Определить для модели ПИД-регулятора на ОУ коэффициенты усиления каждого канала. Для интегрального

идифференциального каналов необходимо указать граничные (сопрягающие) частоты или соответствующие постоянные времени. Нанести значения параметров на ЛАЧХ & ЛФЧХ регулятора. Выявить соответствие между параметрами и элементами схемы. Описать, какие ограничения накладывает частотная характеристика типового ОУ на параметры ПИД-регулятора. Продемонстрировать изменения сдвига фаз сигналов на характерных участках частотных характеристик, используя сигнал синусоидальной

9

формы. При выполнении экспериментов следует учитывать, что данный ПИД-регулятор инвертирует сигнал.

Работа №4 АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИНЕЙНЫХ САР

Рабочие файлы: [mihaylo4.vsm] [d_4_k&t.vsm] [nyquist.vsm] [ou3.vsm] [ou2+1.ca4]

1. Цель работы

Приобретение навыков использования критериев устойчивости Михайлова и Найквиста. Исследование влияний параметров систем на их устойчивость. Изучение методики применения D-разбиения.

2. Предварительное домашнее задание

2.1.По передаточной функции разомкнутой системы (рис. 11, файл mihaylo4.vsm) записать ее характеристический полином D(p), определить его коэффициенты, выделить мнимую и вещественную составляющие.

2.2.Без применения программных инструментов построить асимптотические ЛАЧХ & ЛФЧХ для передаточных функций, отмеченных звездочкой на рис. 12.

2.3.Для передаточных функций W(p) (см. рис. 12, файл nyquist.vsm) вывести передаточные функции соответствующих замкнутых систем Ф(p).

2.4.Самостоятельно познакомиться с сутью итерационных алгоритмов.

3. Содержание работы

3.1. Исследовать границу устойчивости (типы границы устойчивости), используя возможность пакета VisSim задать передаточную функцию с помощью перечисления корней (нулей и полюсов её числителя и знаменателя). Убедиться,

10