Lab#3 TAU_ред вер 052_met81 (Лабораторная работа №3)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московский государственный технический университет

«МАМИ»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

В.С.Антипенко

М.И. Ефимов

Г.М. Платонов Одобрено методической

А.А. Сиротский комиссией факультета

В.В. Матросова «Автоматизация и управление»

Л.А. Кудинова

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторной работы

«Исследование авиационной приборной системы слежения за угловым положением вала»

по дисциплине

«Теория автоматического управления»

для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Под редакцией профессора В.И. Харитонова

Москва- 2006

В.С.Антипенко, к.т.н., профессор, М.И. Ефимов, к.т.н., доцент, Г.М. Платонов, доцент, А.А. Сиротский, ст. преп., В.В. Матросова, ст. преп., Л.А. Кудинова, ассистент.

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование авиационной приборной системы слежения за угловым положением вала» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Стр. 18, рис. 5, табл. 3, библ.8. МАМИ, 2006 г.

В методических указаниях приведена теоретическая информация по изучаемой следящей системе, описание устройства и принципа работы лабораторной установки, а также последовательность проведения эксперимента.

© Московский государственный технический университет «МАМИ»

2006 г.

I. ВВЕДЕНИЕ

Следящая система - это система автоматического регулирования, осуществляющая изменение выходной координаты в соответствии с заранее неизвестным законом изменения входной координаты.

Широкое распространение получили следящие системы, в которых воздействие определяется величиной угла поворота задающей оси, а регулируемой - угол поворота выходной оси. Такие системы снабжены датчиками, приёмниками, усилителями и исполнительными органами - двигателями (чаще всего электрическими). С помощью следящих систем можно обеспечить точное следование какого-либо механизма, требующего для своего вращения значительного момента, за задающей осью, для вращения которой достаточно небольшого момента. Таким образом, выходная ось как бы «следит» за положением задающей оси.

Широкое распространение получили следящие системы с гидравлическими и электрическими приводами, они нашли применение в копировально-фреэерных станках, в системах «автопилот», в автоматических системах раскроя сортового металла, в радиолокационных станциях обнаружения и последующего слежения за целью, в системах автоматического слежения за заданной траекторией движения автомобиля и т.д.

Принцип работы следящей системы можно пояснить с помощью упрощенной функциональной схемы (рис. 1).

Задающая ось (угловая координата α) связана с ротором сельсина-датчика СД, а исполнительная ось (координата β) приводится во вращение от исполнительного двигателя ИД и связана с ротором сельсина-приемника СП. Исполнительный двигатель имеет обмотку возбуждения ОВ и обмотку управления ОУ. Устройство снабжено усилителем У для повышения энергетического уровня управляющего сигнала.

Измерительное устройство ИУ состоит из двух сельсинов СД и СП, включённых в трансформаторном режиме. На однофазную обмотку ротора сельсина-датчика подается напряжение питания ~U и при наличии угла рассогласования θ (ошибки слежения ) в однофазной обмотке СП индуцируется напряжение , которое подается на усилитель У, а затем на управляющую обмотку исполнительного двигателя, заставляя его вращаться до тех пор, пока ошибка слежения θ не окажется равной нулю. B этом случае и напряжение в обмотке управления исчезнет, т.е. система «отследила» заданный сигнал α.

Следящие системы должны удовлетворять высоким требованиям в отношении устойчивости и точности работы. Устойчивость характеризуется тем, что через некоторое время после приложения возмущения, выходная координата (в нашем случае - угол β) принимает установившееся значение. Неустойчивое состояние проявляется в том, что при отсутствии возмущающих воздействий система совершает колебания с возрастающей амплитудой.

Устойчивость и точность работы определяются структурой и коэффициентами передач её звеньев. Причём, с ростом чувствительности системы (или коэффициентов передачи) точность повышается, однако при этом уменьшается запас устойчивости и система может оказаться нестабильной или при чрезмерном увеличении чувствительности вообще неустойчивой. Поэтому, для повышения стабильности работы системы часто вводят дополнительные обратные связи (ДОС) по производным, а также различные корректирующие цепи.

Если к исполнительной оси приложен большой момент сопротивления, то ставят более мощный исполнительный двигатель, а усилительная часть системы, кроме электронного усилителя, дополняется еще и электромагнитным усилителем, позволяющим в существенной мере повысить мощность управляющего сигнала.

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторный стенд представляет собой маломощную следящую систему, воспроизводящую угловые перемещения исполнительной оси в соответствии c заранее неизвестным законом изменения угловых перемещений задающей оси.

Система (рис. 2) состоит из измерительного устройства ИУ (пары СКТ-Д СКТ-П), предварительного полупроводникового усилителя , фазочувствительного усилителя , исполнительного двигателя Д и генератора Г, выполненных в одном корпусе, а также электромагнитного тормоза ЭМ и редуктора Р.

Измерительное устройство включает два синусно-косинусных трансформатора (СКТ) - датчик (СКТ-Д) и приёмник (СКТ-П). В данной системе синусно-косинусные трансформаторы выполняют точно такие же функции, как и сельсины в следящей системе (рис. 1). СКТ-Д и СКТ-П образуют дистанционную передачу углов поворота ротора СКТ-Д. Причём на лицевую панель прибора из редуктора Р выведен промежуточный вал, угол β поворота которого больше угла поворота СКТ-П на величину передаточного числа редуктора . Таким образом, уравнением следящей системы при установившемся движении будет выражение:

(1)

При наличии угла рассогласования θ между углом α задающей оси и углом ( ) исполнительной оси ( ) формируемая ЭДС в однофазной роторной обмотке СКТ-приёмника через резистор , выведенный на панели прибора, подаётся на вход предварительного трехкаскадного усилителя . С выхода предварительного усилителя сигнал поступает на двухполупериодный фазочувствительный усилитель мощности и затем подается в управляющие обмотки двигателя Д. Вращение двигателя через редуктор Р передается на ротор СКТ-приёмника. При полной «отработке» входного сигнала, когда будет выполняться равенство (1), θ окажется равным нулю и двигатель Д прекратит вращение.

Для устранения колебаний следящей системы предусмотрено использование сигнала, пропорционального скорости вращения вала двигателя-генератора.

Этот сигнал суммируется в противофазе с основным управляющим сигналом СКТ-приёмника и подаётся на вход . Таким образом, формируется дополнительная отрицательная обратная свяаь (ДОС), обеспечивающая демпфирование при чрезмерных колебаниях выходной координаты.

Рис. 2.

В усилителе введена отрицательная обратная связь (ООС), с помощью которой резистором , выведенным на панель прибора, можно изменять коэффициент усиления усилителя и тем самым улучшать качество работы системы. Кроме того, коэффициент усиления системы можно варьировать с помощью делителя, образованного резистором .

Для мгновенной остановки или разгрузки исполнительной оси предусмотрен электромагнитный ЭМ тормоз, управление которым осуществляется кнопкой .

Питание усилителей и обмотки ЭМ осуществляется от стабилизированного источника питания ± 27 В. Обмотки возбуждения СКТ-Д, двигателя Д и генератора Г питаются напряжением 36 В с частотой тока 400 Гц.

III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ И АНАЛИЗ ЕЕ ДВИЖЕНИЯ

По структуре следящая система представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (рис. 3), состоящую из безинерционных звеньев с коэффициентами передачи:

- входного делителя (резистор );

- электронного усилителя;

- редуктора;

- обратной связи ( );

И инерционных звеньев с передаточными функциями:

- двигателя Д;

- генератора Г.

В структурной схеме (рис. 3) введены следующие координаты:

β - угол поворота исполнительной оси;

α - угол поворота задающей оси;

θ - ошибка слежения;

напряжение, снимаемое с СКТ-П и резистора ;

- напряжение на выходе генератора Г;

ΔU – напряжение на входе усилителя;

- напряжение на выходе усилителя;

- момент нагрузки;

- напряжение в обмотке возбуждения двигателя Д;

φ - угол поворота ротора двигателя Д.

Кроме отрицательной основной обратной связи (ООС) для стабилизации системы устройство содержит отрицательную дополнительную обратную связь (ДООС), в цепь которой включён генератор Г (рис. 3). Генератор работает практически в режиме холостого хода, когда ЭДС приблизительно равна напряжению нагрузки (е = ), поэтому его можно считать идеальным дифференцирующим звеном

(2)

Отсюда передаточная функция генератора привет вид:

(3)

Основным инерционным звеном системы является двигатель Д, описание движения которого может быть представлено из уравнения моментов на роторе двигателя: