Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "элементы и устройства автоматических систем" (стр. 1 из 7)
Министерство общего и профессионального образования РФ
_______________
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет (ЛЭТИ)
________________________________________________________
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания
к лабораторным работам по дисциплине
"ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ"
Санкт-Петербург
1999
УДК 681. 58'1'4
Исследование элементов систем управления: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Элементы и устройства автоматических систем" / Сост.: С.Н. Гайдучок, Н.В. Соловьев; СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1999. 32 с.
Рассмотрены принципы построения систем управления, статические и динамические характеристики элементов, их составляющих, и проблемы обеспечения качественных показателей функционирования систем.
Предназначены для студентов специальности 210100.
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
ã СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999
Настоящий цикл лабораторных работ знакомит студентов с основными функциональными элементами систем автоматического управления. Исследование элементов систем управления базируется на получении их статических и динамических характеристик. Особенность и достоинство данного цикла работ состоит в том, что используемые в нем лабораторные стенды одновременно являются таковыми и для курса "Электромеханические системы". Это означает, что полученные в ходе выполнения этого цикла результаты в виде математического описания изучаемых элементов используются для решения задач анализа и синтеза замкнутых систем управления.
Лабораторные стенды имеют в своем составе не только необходимые измерительные и регистрирующие приборы, но и большинство из них включают персональные ЭВМ и устройства связи, используемые для автоматизации исследования и реализации законов управления.
Методические указания предназначены для студентов дневной и вечерней форм обучения специальности 210100, изучающих курс "Элементы и устройства автоматических систем". Кроме того, они могут быть использованы студентами при изучении ряда разделов курса "Теория управления", "Локальные системы" или "Автоматизированное управление", в том числе и студентами других специальностей.
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Целью работы являются:
1. Изучение статических и динамических характеристик коллекторного электродвигателя постоянного тока малой мощности с независимой обмоткой возбуждения.
2. Определение числовых значений параметров передаточной функции электродвигателя по результатам проведенных экспериментов.
Схема включения двигателя представлена на лицевой панели лабораторного макета. Двигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую якорной обмоткой и обмоткой возбуждения, в механическую. Процессы, происходящие в двигателе, описываются уравнениями равновесия напряжений и моментов:
, (1.1)
, (1.2)где U - напряжение питания якорной цепи; IЯ - ток якорной цепи; RЯ+RД1 - активное сопротивление якорной цепи; LЯ - индуктивность якорной цепи; с'е - коэффициент пропорциональности (конструктивная постоянная) между значением противоЭДС и скоростью вращения вала двигателя ω; ФВ - поток возбуждения двигателя; ω- скорость вращения вала двигателя; J - суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя; МС - момент сопротивления нагрузки; с'м - коэффициент пропорциональности (конструктивная постоянная) между развиваемым двигателем моментом МД и током якорной цепи IЯ.
В установившемся режиме из уравнения (1.1) получаем статическую характеристику электродвигателя
, (1.3)где
- скорость идеального холостого хода двигателя.Выражение (1.3) представляет собой электромеханическую характеристику электродвигателя. При U=UН, ФВ=ФВН и отсутствии добавочного сопротивления (RД1=0) в якорной цепи имеем естественную характеристику двигателя. Из выражения (1.3) видно, что искусственные характеристики двигателя, соответствующие различным способам регулирования скорости вращения его вала, могут быть получены тремя путями:
а) изменением напряжения питания якорной цепи двигателя, т.е. U=var при ФВ=ФВН=const, RД1=0;
б) изменением сопротивления якорной цепи, т.е. RД1=var при U=UН=const, ФВ=ФВН=const;
в) изменением магнитного потока обмотки возбуждения двигателя, т.е. ФВ=var при U=UН=const, RД1=0.
В установившемся режиме момент МД, развиваемый двигателем, уравновешивается моментом сопротивления МС, т.е. МД=МС. Так как МД=с'мФВIЯ, то мерой измерения момента двигателя может служить величина тока якоря IЯ. Таким образом, широко используемые механические характеристики ω=f(MД) заменяются аналогичными им электромеханическими характеристиками ω=f(IЯ). Совместное решение (1.1) и (1.2), записанное в форме преобразования по Лапласу, имеет вид
, (1.4)где
- электромеханическая постоянная времени двигателя, с; 
- электромагнитная постоянная времени якорной цепи, с; 
- коэффициент передачи двигателя, рад/(В·с); 
- изменение скорости вращения вала двигателя при воздействии момента сопротивления МС, т.е. естественный перепад скорости двигателя от влияния нагрузки; 
.Как видно из выражений для ТЭМ, ТЯ и ΔωС, значения этих величин зависят не только от параметров двигателя, но и от параметров якорной цепи (RД1, внутреннее сопротивление источника питания), а ТЭМ - еще от момента инерции нагрузки. В данной лабораторной установке ТЭМ>>ТЯ. С учетом этого, из уравнения (1.4) выразим передаточную функцию двигателя по управляющему воздействию
и по возмущающему воздействию
.На рис. 1.1 изображена переходная характеристика двигателя, представляющая собой изменение скорости вращения от времени ω(t) при ступенчатом изменении напряжения U(t)=ΔU·1(t) и МС=0.
.На рис. 1.2 и 1.3 представлены электромеханические характеристики двигателя при изменении U и RД1. На рис. 1.4 приведена регулировочная характеристика двигателя ω=f(U) при МС=const, RД1=0, ФВН=const. Величину перепада скорости ΔωС, полученную из экспериментально снятых электромеханических характеристик (рис. 1.2), можно рассчитать аналитически из выражения (1.4)
. (1.5) 
 |
Для снятия электромеханических характеристик исследуемого двигателя в лабораторной установке в качестве нагрузки (создание момента сопротивления МС) используется второй двигатель ДВ в режиме противовключения, кинематически связанный с испытуемым двигателем Д через редуктор и электромагнитную муфту ЭМ. Нагрузка подключается тумблером К2 "ВКЛЮЧЕНИЕ МУФТЫ", а ее величина регулируется потенциометром "МОМЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ".
Требуемое значение напряжения U на выходе усилителя постоянного тока, являющееся напряжением питания якорной цепи двигателя, следует устанавливать потенциометром "УПРАВЛЯЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ" при небольших величинах коэффициента усиления kУПТ=10…20. Для контроля этого напряжения необходимо подключить вольтметр U к выходным клеммам УПТ. В качестве датчика скорости вращения двигателя используется тахогенератор постоянного тока ТГ с коэффициентом передачи kТГ=0.06 B·c/рад. Напряжение тахогенератора следует измерять с помощью прибора UТГ, подключаемого к выходным клеммам ТГ, 
, откуда 
.