Методические указания по выполнению лабораторных работ (1). Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине Управление техническими системами

• Название: Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине Управление техническими системами
• Дата: 23.11.2022
• Размер: 1.45 Mb.
• Имя файла: Методические указания по выполнению лабораторных работ (1).pdf
• Тип: Методические указания; #808057
• страница: 2 из 3

1
И
Д
МП

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
15
М
H
- момент нагрузки на валу ИД.
Числовые значения параметров: k
1
=0,5 B/c; k
2
=10; k
3
=20; k
4
=60 град/Bc; k
4
=20 град/Bc; k
5
=0,005; T
1
=0; T
2
=0,01 с; T
3
=0,05 с; T
4
=0,52 с; T
5
=0,01 c.
Таблица 1 k
2 0,1 0,3 0,5 0,7 1
3 6
10
L, дб
,  t
пп
, с
, %
Порядок выполнения работы
1. Составить в обозначениях Simulink структурную схему системы стабилизации на ПЭВМ.
2. Сформировать управляющее единичное ступенчатое воздействие g=1(t). Получить переходную (временную) характеристику системы по управляющему воздействию.
3. Сформировать возмущающее единичное ступенчатое воздействие
М
н
=1(t). Получить переходную (временную) характеристику системы по возмущающему воздействию.
4. Определить показатели качества переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям.
5. Для заданных численных значений параметров передаточных функций построить ЛАХ и ЛФХ для разомкнутой системы. Определить запасы устойчивости по амплитуде и по фазе.
6. Построить АФЧХ и по критерию Найквиста оценить устойчивость системы, определить численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе.
7. Провести исследование следящей системы, варьируя k
2,
как показано в табл.1. Построить графики функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, времени переходного процесса и статической точности от величины k
2
. L=f(k
2
), =f(k
2
), t пп
=f(k
2
), =f(k
2
).
Содержание отчета
1. Схема следящей системы.
2. Структурная схема следящей системы.
3. Структурная схема следящей системы в обозначениях Simulink.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
16 4. Переходные (временные) характеристики системы по управляющему воздействию g=1(t) и возмущающему воздействию М
м
=1(t). Численные значения показателей качества переходных процессов.
5. ЛАХ и ЛФХ разомкнутой следящей системы для заданных численных значений параметров передаточных функций.
6. Численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, полученных по ЛАХ и ЛФХ.
7. АФЧХ следящей системы стабилизации. Численные значения запасов устойчивости, полученных по АФЧХ.
8.
Графики функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, времени переходного процесса и статической точности от величины k
2
Контрольные вопросы
1. Объяснить работу следящей системы управления (рис. 1).
2. Дать формулировку следящей системы управления.
3. Что является в данной следящей системе управляющим и возмущающим воздействиями?
4. Как получить переходную (временную) характеристику системы?
5. Что такое передаточная функция звена?
6. Что такое разомкнутая система? При решении каких задач используется разомкнутая система?
7. Какие требования предъявляются к следящим системам управления?
8. Что такое ЛАХ, ЛФХ, АФЧХ? Как они строятся?
9. Дать анализ построенных функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, времени переходного процесса и статической точности от величины k
2

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
17
Лабораторная работа № 3
Исследование системы стабилизации угловой скорости
турбогенератора
Цель работы: изучить систему стабилизации угловой скорости турбогенератора.
Устройство системы
В систему (рис.1) входят следующие элементы: Т – турбина (объект управления); МП – механическая передача; ЦБМ – центробежный маятник
(выполняет функции датчика, определяющего действительную угловую скорость турбины, задатчика угловой скорости и элемента сравнения, вычисляющего ошибку регулирования); ГУ – гидроусилитель; ГСП – гидравлический сервопривод; ПВК – паровпускной клапан с регулятором расхода пара; Г – генератор, приводимый во вращение турбиной.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7. Рис.1. Схема системы стабилизации угловой скорости турбогенератора
Работа системы
Некоторой установившейся нагрузке генератора М
н соответствует определенная угловая скорость турбины 
зад
, положение грузов ЦБМ и поршня ГСП, а также величина открытия ПВК. Если нагрузка уменьшится, угловая скорость турбины  возрастет, грузы ЦМБ, а вместе с ними и муфта, переместятся вверх (z). Переместится и золотник ГУ (s
1
) и приоткроет доступ рабочей жидкости в верхнюю полость ГСП, поршень которого начнет перемещаться вниз и прикроет ПВК, который, в свою очередь, уменьшит подачу пара в турбину, вследствие чего угловая скорость турбины уменьшится. Одновременно, из-за наличия жесткой обратной связи между
ГСП
Пар

ЦБМ
Т
МП z
S
1 m
ГУ
ПВК
М
н
S
2
S
Р

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
18
ГСП и ГУ (рычаг, связывающий ГСП, ГУ и ЦБМ), золотник ГУ переместится вниз и прикроет окна ГУ и движение поршня ГСП прекратится. Система вновь окажется в некотором установившемся режиме. Если ошибка регулирования () не равна нулю, то происходят перемещения: муфты ЦБМ
(z); золотника ГУ (s); поршня ГСП (m); штока ПВК, вследствие чего изменяется давление пара Р на входе в турбину. Знаки перемещений зависят от знака ошибки регулирования. В результате чего изменяется  - фактическая угловая скорость вращения вала турбины и ошибка регулирования стремится к нулю (0).
Структурная схема системы стабилизации изображена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема системы стабилизации угловой скорости турбогенератора
Передаточные функции отдельных звеньев:
 
 
 
;
1 2
2 2
1 1
1




p
T
p
T
k
p
p
Z
p
W

 
 
 
;
2 1
2
k
p
Z
p
S
p
W


 
 
 
;
3 3
p
k
p
S
p
m
p
W


 
 
;
1
)
(
3 4
4



p
T
k
p
m
p
P
p
W
 
 
 
;
1
'
'
4 5
5



p
T
k
p
P
p
p
W

 
 
 
;
1
"
"
4 5
5





p
T
k
p
M
p
p
W
н

);
(
"
)
(
'
)
(
p
p
p





 
 
 
;
6 2
6
k
p
m
p
S
p
W


ГУ

зад

z s
1
ЦБМ
W
1
(p)
W
2
(р) s
2 s
ГСП
Т
ОС

M
Н
W
3
(p)
W
4
(p)
W’
5
(p)
W
’’
5
(p)
W
6
(p)

m p



Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
19
 
 
 
;
р
р
p
зад





 
 
),
( p
p
p
S
зад




где  - ошибка регулирования; k i
- коэффициенты усиления, T
i
– постоянные времени; Z – перемещение муфты ЦБМ; s
1
– перемещение золотника ГУ от
ЦБМ; s
2
– перемещение золотника ГУ от ГСП; s – суммарное перемещение золотника ГУ; m - перемещение ПВК, пропорциональное перемещению поршня ГСП; Р – давление пара на входе в турбину;  – угловая скорость вращения вала турбины; 
зад
– заданная угловая скорость вращения вала турбины; М
н
– момент нагрузки на валу турбины; - угловая скорость вращения вала турбины по каналу возмущающего воздействия;  - угловая скорость вращения вала турбины по каналу управляющего воздействия
Числовые значения параметров: k
1
=10; k
2
=0,6; k
3
=2; k
4
=0,8; k
5
=1; k
’
5
=0,2; k
6
=0,4; T
2 1
=0,001 с
2
; T
2
=0,2 с; T
3
=5 с; T
4
=0,3 с.
При этом всегда должно выполняться условие: k
2
+k
6
=1.
Порядок выполнения работы
8. Составить в обозначениях Simulink структурную схему системы на
ПЭВМ.
9. Сформировать управляющее единичное ступенчатое воздействие

зад
=1(t). Получить переходную (временную) характеристику замкнутой системы по управляющему воздействию.
10. Сформировать возмущающее единичное ступенчатое воздействие
М
н
=1(t). Получить переходную (временную) характеристику замкнутой системы по возмущающему воздействию.
11. Определить показатели качества переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям.
12. Для заданных численных значений параметров передаточных функций построить ЛАХ и ЛФХ для разомкнутой системы. Определить запасы устойчивости по амплитуде и по фазе.
13. Построить АФЧХ и по критерию Найквиста оценить устойчивость системы, определить численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе.
14. Провести исследование системы стабилизации, варьируя k
2
от 0,1 до
0,9 (с учетом условия k
2
+k
6
=1). Построить графики функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде L=f(k
2
) и по фазе =f(k
2
) от величины k
2
Содержание отчета
1. Схема системы стабилизации угловой скорости турбогенератора.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
20 2. Структурная схема системы стабилизации угловой скорости турбогенератора.
3. Структурная схема системы стабилизации в обозначениях Simulink.
4. Переходные (временные) характеристики системы по управляющему воздействию 
зад
=1(t) и возмущающему воздействию М
м
=1(t). Численные значения показателей качества переходных процессов.
5. ЛАХ и ЛФХ разомкнутой системы стабилизации для заданных численных значений параметров передаточных функций.
6. Численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, полученные по ЛАХ и ЛФХ.
7. АФЧХ системы стабилизации. Численные значения запасов устойчивости, полученные по АФЧХ.
8. Графики функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде и по фазе от величины k
2
Контрольные вопросы
1. Объяснить работу системы стабилизации угловой скорости турбогенератора (рис.1).
2. Объяснить принципы регулирования по отклонению.
3. Что такое жесткая обратная связь? Принцип ее работы на схемах
(рис.1,2).
4. Какими показателями (критериями) характеризуется качество переходного процесса?
5. Почему должно выполняться условие k
2
+k
6
=1?
6. Как влияет увеличение Р и М
н на ?
7. Что такое запасы устойчивости по амплитуде и по фазе?
Рекомендуемые их численные значения.
8. Показать на ЛАХ, ЛФХ, АФЧХ значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе.
9. Сформулировать критерий Найквиста.
10. Дать анализ построенных функциональных зависимостей значений запасов устойчивости по амплитуде и по фазе от величины k
2
Лабораторная работа № 4
Исследование системы автоматической стабилизации напряжения
синхронного генератора
Цель работы: изучить систему автоматической стабилизации напряжения синхронного генератора.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
21
Устройство системы
На рис. 1,а изображена схема системы автоматической стабилизации напряжения синхронного генератора с токовым компаудированием. Здесь
СГ- синхронный генератор, объект регулирования; ОВГ- обмотка возбуждения генератора; В- возбудитель, генератор постоянного тока; ОВВ- обмотка возбуждения возбудителя; ПВ – под возбудитель, ЭМУ с поперечным полем; ОУ1 и ОУ2 – обмотки управления ЭМУ; ЛЭ и НЭ - линейный и нелинейный измерительные элементы; ТТ - трансформатор тока;
ВП – выпрямитель; U
1
- напряжение на выходе под возбудителя; U
2
- напряжение на выходе возбудителя (ЭМУ).
Работа системы
Если напряжение генератора равно заданному, то магнитодвижущие силы (м.д.с.) обмоток управления ОУ1 (F
1
) и ОУ2 (F
2
), действующие в магнитной системе ЭМУ встречно, создают вполне определенную результирующую м.д.с. F
р
(рис. 1,б). Если напряжение по какой-либо причине увеличится или уменьшится, то результирующая м.д.с. F
р также изменит свое значение: с ростом u
Г
она уменьшится, а с падением увеличится. В первом случае это приведет к уменьшению напряжений u
2
на выходе ЭМУ, u
1
на выходе под возбудителя и, в конечном счете, уменьшению напряжения генератора u
Г
. Во втором случае картина будет обратной. Цель токового компаудирования с м.д.с. F
3
состоит в форсировании возбуждения при резких изменениях тока нагрузки I
Г
Структурная схема системы приведена на рис 2.
Рис. 1. Системы автоматической стабилизации напряжения синхронного генератора
В
U
2
ОВГ
ПВ
НЭ
ЛЭ
ОУ2
ОУ1
ВП
U
Г
СГ
TT
U
1
ОВВ а) б)
F
U
г
U
гн
F
р
F
2
F
1

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
22
Рис. 2. Структурная схема системы автоматической стабилизации напряжения синхронного генератора
Передаточные функции системы:
 
 
  


;
1 1
2 1
1 1
1




p
T
p
T
k
p
F
p
u
p
W
P
 
 
 
;
1 3
2 1
2 2



p
T
k
p
u
p
u
p
W
 
 
 
;
1 4
3 2
3



p
T
k
p
u
p
u
p
W
Г
 
 
 


1 1
4
'
4
'
3 4





p
T
p
T
k
p
I
p
u
p
W
Г
Г
Уравнения измерительных элементов: F
1
=k
4
u г
; F
2
=k
5
u г
; F
3
=k
6
I
Г
; k
4
=const; k
5
=var.
Результирующая м.д.с: F
p
=F
1
-F
2
-F
3
=(k
4
-k
5
)u г
-k
6
I
Г
-k
45
u г
-k
6
I
Г
, где -k
45
=k
4
-k
5
(k
5
>k
4
, при u г
=u г.н
).
Передаточные функции измерительного элемента по току и по напряжению соответственно:
 
;
6 5
k
p
W

 
,
45 6
k
p
W

где k i
- коэффициенты усиления, T
i
- постоянные времени; u
1
-входной сигнал
ЭМУ.
 
 
 
,
''
'
p
u
p
u
p
u
Г
Г
Г


где числовые значения параметров: k
1
=10; k
2
=0,8; k
3
=5; k
3
=0,1; k
45
=0,05; k
6
=0,9; T1=0,02 c; T
2
=0,05 c; T
3
=0,1 c; T
4
=0,2 c; T
4
=0,02 c.
2 С
Г
ИЭ
Т
I
Г
W
1
(p)
W
6
(p)
W
3
(p)
W
2
(p)
W
4
(p)
W
5
(p) u
зад
ПВ
F
Р
ИЭ
н
3 С
Г
В u
2
u
1
4 U
г
-U
Н
-U
Т
U
г
-Uг

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
23
Таблица 2 k
6 0,85 0,88 0,9 0,93 0,95 u
г.уст u
г.уст
U
г.уст

ст
Порядок выполнения работы
1. Составить в обозначениях Simulink структурную схему системы на
ПЭВМ.
2. Сформировать управляющее единичное ступенчатое воздействие u
зад
=1(t). Получить переходную (временную) характеристику системы по управляющему воздействию.
3. Сформировать возмущающее единичное ступенчатое воздействие
I
Г
=1(t). Получить переходную (временную) характеристику системы по возмущающему воздействию.
4. Определить показатели качества переходных процессов по управляющему и возмущающему воздействиям (максимальное значение u
г.мах
, установившееся значение u г.уст
, перерегулирование  %,  - основное понятие теории автоматического регулирования, будет получена из переходного процесса).
Определить статическую ошибку 
ст
= u г.уст
- u зад
, где u г.уст
= u
г.уст
+ u
г.уст
5. Для заданных численных значений параметров передаточных функций построить ЛАХ и ЛФХ для разомкнутой системы. Определить запасы устойчивости по амплитуде и по фазе.
6. Построить АФЧХ и по критерию Найквиста оценить устойчивость системы, определить численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе.
7. Провести исследование следящей системы, варьируя k
6
, как показано в табл.1. Построить график функциональной зависимости значений статической ошибки 
ст от величины k
6
. 
ст
=f(k
6
).
Содержание отчета
1. Схема системы автоматической стабилизации напряжения синхронного генератора.
2. Структурная схема системы автоматической стабилизации напряжения.
3. Структурная схема системы автоматической стабилизации напряжения в обозначениях Simulink.

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Управление техническими системами»
24 4. Переходные (временные) характеристики системы по управляющему воздействию u зад
=1(t) и возмущающему воздействию I
Г
=1(t). Численные значения показателей качества переходных процессов.
5. ЛАХ и ЛФХ разомкнутой системы автоматической стабилизации напряжения для заданных численных значений параметров передаточных функций.
6. Численные значения запасов устойчивости по амплитуде и по фазе, полученные по ЛАХ и ЛФХ.
7. АФЧХ системы автоматической стабилизации напряжения. Численные значения запасов устойчивости, полученные по АФЧХ.
8. График функциональной зависимости значений статической ошибки

ст от величины k
6
. 
ст
=f(k
6
). Рациональное значение k
6