Федосов Борис Трофимович
Рудненский индустриальный институт,
Рудный, Казахстан
Об авторе

УДК 681.51.01
Ф338

Анализ САР
Исследование качества САР

         Приведены фрагменты задания и методических указаний к лабораторной работе № 5 по курсам "ТАУ", системотехника и теория линейных и нелинейных систем. Полная версия пособия содержится в прилагаемом файле, ссылка для загрузки которого дана в низу страницы.
         Пособие выполнено в виде электронной книги формата chm, которую можно просматривать на любом компьютере стандартными средствами операционной системы Windows. Для повышения эффективности работы студента в книгу включены в виде архивированных файлов заготовки виртуальных лабораторных стендов, документы Маткада и рисунки, на которых отмечаются результаты измерений.

1. Цель и задачи работы

Цель работы: - изучение методов анализа качества САР, экспериментальное определение показателей качества переходного и установившегося режимов работы САР и исследование связи параметров САР с ее показателями качества.

В результате выполнения работы следует сделать выводы о том, как влияют параметры элементов САР на ее качество.

Задачи работы:

2. Качество САР. Краткие сведения

2.1. Назначение и классификация САР

2.1.1. Задачи, решаемые САР

Системы автоматического регулирования (САР) предназначены для решения задач слежения и стабилизации.

Слежение состоит в том, что САР поддерживает с заданной точностью на протяжении большего времени своей работы выходную (управляемую) величину объекта управления пропорциональной отслеживаемой, задающей величине.

Пропорциональность состоит в том, что управляемая величина в некоторое число раз больше задающей и если задающая величина изменяется, то во столько же раз изменяется и управляемая величина. Не следует забывать, что зачастую физические размерности отслеживаемой и управляемой величин разные.

Стабилизация состоит в том, что САР в значительной мере или полностью компенсирует влияние возмущений на управляемую величину. Это значит, что если возмущение, поступающее на объект, изменяет управляемую величину, то правильно работающая САР через сравнительно короткое время возвращает управляемую величину к исходному значению.

2.1.2. Виды САР

Разомкнутые САР

Разомкнутые САР сравнительно просты, они могут иметь значительные ошибки и в чистом виде применяются в не очень ответственных местах, и там, где, например, требуется с помощью слабого сигнала дистанционно управлять мощным оборудованием. Такая САР лучше, чем никакой и во многих случаях применение разомкнутых САР оправданно.

Разомкнутая САР с жестким управлением позволяет решать только задачу слежения:

gif-file, 20KB

Рис. 2.1. Разомкнутая САР с жестким управлением. Регулятор воспринимает задание, но не имеет информации ни о состоянии объекта управления, т.е. о его выходной управляемой величине, ни о возмущениях, поступающих на объект. Поэтому САР отслеживает задание, но не может компенсировать влияние возмущения на управляемую величину. Выходной сигнал САР при относительно медленно изменяющемся задании просто пропорционален ему (отслеживаемой величине). При резких изменениях задания выходная величина не сразу становится пропорциональной входной из-за инерционности объекта и регулятора, некоторое время продолжается переходный процесс

Разомкнутая САР с жестким управлением может быть применена либо если на объект управления не действуют возмущения, либо, если их можно заранее предвычислить и учесть в задании с обратным знаком.

Ошибки разомкнутой САР с жестким управлением определяются нестабильностью коэффициента усиления САР и неточным исключением или учетом возмущений, действующих на объект управления.

Разомкнутая САР с управлением по возмущению (реализующая принцип Чиколева - Понселе) способна решать как задачу слежения, так и задачу стабилизации:

gif-file, 20KB

Рис. 2.2. Разомкнутая САР с управлением по возмущению и ее квазистатическая модель. Возмущение подается на регулятор, который с некоторой точностью учитывает его, изменяя управляющую величину, подаваемую на объект управления в противоположном направлении. Это позволяет в существенной мере компенсировать влияние возмущений на управляемую величину (сравни с рис. 2.1), а значит осуществить стабилизацию, увеличить точность слежения

Ошибки САР с управлением по возмущению связаны с неточным определением влияния воздействия на управляемую величину, что сказывается на неточном задании коэффициента усиления kвозм.

Достоинство разомкнутых САР, по сравнению с САР с управлением по отклонению, состоит в большем быстродействии, а недостаток – в меньшей точности.

Замкнутые САР

Замкнутая САР с управлением по отклонению реализует принцип управления Ползунова – Уатта.

Замкнутая САР с управлением по отклонению имеет т.н. контур управления, в котором по цепи обратной связи в регулятор поступает значение выходной (управляемой) величины. Это позволяет вычислить отклонение реального значения управляемой величины от требуемого, задаваемого входной величиной САР, и сформировать и подать на вход объекта управления такой сигнал управления, который сведет к нулю или допустимому минимуму это отклонение (ошибку регулирования).

Худо-бедно задачи слежения и стабилизации решают и разомкнутые САР, но лучше, с меньшими ошибками с этим справляются САР с управлением по отклонению, имеющие контур обратной связи. Еще лучше – комбинированные САР с управлением, как по отклонению, так и по возмущению.

gif-file, 20KB

Рис. 2.3. Замкнутая САР с управлением по отклонению осуществляет слежение и стабилизацию. САР работает в установившемся режиме при сравнительно плавно изменяющихся воздействиях и в переходном режиме при относительно резких изменениях воздействий. Установившийся режим: ошибка слежения меньше допустимой и САР выполняет свою задачу. Переходный режим: ошибка велика и САР не справляется некоторое, сравнительно небольшое, время со своей задачей. Переходный режим может возникать как при резком изменении задания (отслеживаемой величины), так и при резком изменении возмущения

Установившийся режим хорошей, качественной САР характеризуется малыми ошибками регулирования. Другими словами это означает, что управляемая величина приближенно, с нужной точностью пропорциональна задающей величине. Это и есть слежение.

В переходных режимах ошибка регулирования может быть велика, пропорциональность управляемой величины и задающей на время переходного процесса теряется, т.е. САР в это время не выполняет своей задачи или выполняет не достаточно точно. Переходные режимы работы САР вызываются резким изменением задающей (отслеживаемой) величины или возмущения, а также их младших производных по времени.

В комбинированной САР с управлением по отклонению и возмущению, в отличие от схемы рис. 2.3, возмущение посредством специального датчика подается, так же как и в схеме рис. 2.2 на регулятор. Это повышает быстродействие САР, особенно имеющих звено запаздывания в объекте управления, а также существенно снижает требования, предъявляемые к контуру управления.

* * *

3. Задания к работе.

3.1. Исследование качества линейной САР

Определить показатели качества переходного и установившегося режима для САР 1 и САР 2.

Установить степень астатизма этих САР.

Предложить модели регуляторов и объектов управления этих САР.

Запустить Vissim. Установить кириллицу: View (Вид) - Fonts (Шрифты) - выбрать шрифт MS Sans Serif, кириллица, размер 8). Выбрать красивое оформление блоков и линий связи: View (Вид) - Presentation Mode (Режим презентации).

3.1.1. Создание лабораторного стенда

Загрузить из файла (см. Приложение п. 3 , файл Task_1_C0_C1_C2.vsm) основу модели виртуального стенда (см. рис.3.1).

Дополнить надписи.

gif-file, 20KB

Рис.3.1. Основа виртуального лабораторного стенда для исследования качества переходного режима САР 1 и определения ее коэффициентов ошибок. Внутренняя структура регулятора и объекта управления не известна (защищена паролем)

Задать параметры моделирования в соответствии со значениями, указанными на панели, помещенной ниже виртуального стенда на рис. 3.1. В свойствах осциллографа на вкладке Axis (Оси) в разделе Axis Divisions (Деления осей) отметить флажком Fixed Tick Count (Фиксированное число делений) и установить значение числа делений по оси X (X Divisions) равным 11.

Собрать схему для определения параметров качества переходного режима и определения коэффициента ошибки по положению с0 в соответствии со схемой рис. 2.16 и 2.19. Подключить на вход САР 1 генератор ступенчатого единичного сигнала, выход САР 1 подключить к осциллографу.

Примечание. Верхний осциллограф схемы рис. 2.16 может быть также использован и для индикации переходной функции САР.

Скорректировать надписи, в том числе в заголовках осциллографов.

Примечание. Выполнив все предыдущие лабораторные работы и освоив теорию, студент должен без особых затруднений собрать лабораторный стенд и провести требуемые исследования. Если при построении стенда возникают трудности, это свидетельствует о недостаточном освоении материала, в чем и должен дать себе отчет студент. В помощь таким студентам, а также тем, кто сомневается в правильности построенного стенда, в Приложении 1 приведены снимки экранов лабораторных стендов. Следует иметь в виду, что нужно не просто повторить изображенные там стенды, но, прежде всего, понять принцип их построения, с тем, чтобы легко решать подобные задачи.

Запустить моделирование щелчком по кнопке с зеленым треугольником. Убедиться в работоспособности стенда.

Сохранить файл модели собранного стенда в подпапке TAU_Lab_5 личной папки с названием SAR_1_C0_tp_Sigma.vsm.

3.1.2. Определение параметров качества САР 1

3.1.2, а. Определение времени регулирования tp, перерегулирования σ
и коэффициента ошибки по положению с0

Запустить моделирование щелчком по кнопке с зеленым треугольником Пуск (Go).

Определить время регулирования tp, перерегулирование σ по переходной характеристике и коэффициент ошибки по положению с0 по соответствующей осциллограмме ошибки.

Для точного отсчета времени регулирования и перерегулирования использовать режим чтения координат (кнопка Read Coordinates) на вкладке Параметры (Options) свойств осциллографа, окно которых вызывается двойным щелчком по нему.

Отметим, что при определении показателей качества переходного режима время моделирования для удобства измерений и достижения достаточной точности целесообразно сделано равным 5 сек (Simulate (Моделирование) - Simulation Properties (Свойства моделирования) – End (Конец временного интервала моделирования)). Для определения коэффициента ошибки это время следует сделать достаточно большим, например, в данном случае 50 сек.

Проверить, что с увеличением времени регулирования коэффициент ошибки по положению с0 САР 1 становится все меньше и стремится к нулю. Занести результаты в отчет по лабораторной работе, сделать снимок экрана, сохранить его в формате .gif в подпапке TAU_Lab_5 личной папки.

Распечатать и приложить к отчету снимок экрана.

Что можно сказать о порядке астатизма САР1?

3.1.2, б. Определение коэффициента ошибки по скорости с1

Изменить схему стенда в соответствии с рис. 2.17, подключив на вход САР 1 вместо генератора ступеньки генератор линейно растущего сигнала. Значение коэффициента ошибки по положению с0 взять из предыдущего пункта.

Сохранить файл модели в подпапке TAU_Lab_5 личной папки, дав ему название SAR_1_C1.vsm.

Определить коэффициент ошибки по скорости с1, занести результат в отчет.

Для определения коэффициента ошибки по скорости время моделирования следует сделать достаточно большим, например 20 - 50 сек.

Сделать снимок экрана, сохранить его в формате .gif в подпапке TAU_Lab_5 личной папки.

Распечатать и приложить к отчету снимок экрана.

Каков порядок астатизма САР 1?

3.1.2, в. Определение коэффициента ошибки по ускорению с2

Из формулы (2.1) следует, что при параболическом воздействии вида x(t) = t210(t), имеющем производные при t > 0:

(3.1)

gif-file, 20KB

коэффициент ошибки по ускорению с2 равен:

(3.2)

gif-file, 20KB

Изменить схему стенда в соответствии с формулой (3.2), а также подключить на вход САР 1 генератор параболы. Значение коэффициентов ошибок по положению с0 и скорости с1 взять из предыдущего пункта.

Сохранить файл модели в подпапке TAU_Lab_5 личной папки, дав ему название SAR_1_C2.vsm.

Определить коэффициент ошибки по ускорению с2 , занести результат в отчет.

Для определения коэффициента ошибки по ускорению с2 время моделирования следует сделать достаточно большим, например 20 - 50 сек.

Сделать снимок экрана, сохранить его в формате .gif в подпапке TAU_Lab_5 личной папки. Распечатать и приложить к отчету снимок экрана.

Провести анализ результатов, сделать выводы и занести их в отчет по работе.

* * *



* * *

4. Отчет и защита работы

5. Домашнее задание

6. Контрольные задачи и вопросы

7. Литература и Интернет

8. Задание для УИРС

Приложения



Анализ САР
Исследование качества


Задания и методические указания
к выполнению лабораторной работы № 5
по курсам "ТАУ", "Системотехника" и
"Теория линейных и нелинейных систем"

Файл пособия: [TAU_Lab_5_2006_v_11_060522.zip 703 КБ, 22.05.2006]

gif-file, 20KB

Цель работы: - изучение методов анализа качества САР, экспериментальное определение показателей качества переходного и установившегося режимов работы САР и исследование связи параметров САР с ее показателями качества.

В результате выполнения работы следует сделать выводы о том, как влияют параметры элементов САР на ее качество.

Версия 1.1 содержит файлы моделей и документы Маткада с вычислениями, проводимыми в работе, и загружаемыми офф-лайн.

22.05.2006


К содержанию
<< 3.2. Лабораторные работы

<< К оглавлению
раздела Избранное