Лабораторная работа №7 Исследование влияния коэффициента передачи обратной связи на точность сау

Цель работы: приобретение практических навыков расчета значения коэффициента передачи обратной связи для статических САУ.

Теоретическая часть. Исследуется система автоматической стабилизации скорости вращения нагрузки, функциональная схема которой представлена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Функциональная схема САУ

Для составления математической модели САУ необходимо установить передаточные функции входящих в нее звеньев. Усилитель-преобразователь (УП) описывается апериодическим звеном 1-го порядка:

, (7.1)

где δU, U_Д - соответственно напряжение погрешности и питания двигателя; k_У.П, Т_У.П - коэффициент передачи и постоянная времени усилителя-преобразователя.

Движение двигателя постоянного тока с учетом редуктора и полезной нагрузки с известной степенью идеализации может быть описано следующей системой дифференциальных уравнений:

, (7.2)

где ω_Д, ω_Н - угловые скорости двигателя и нагрузки; I_Д, I_Н - момент инерции двигателя нагрузки соответственно; k_Р - коэффициент передачи редуктора; β - коэффициент вязкого трения нагрузки (как правило, определяет полезное сопротивление выполняемой работы); М_Д - момент движения, развиваемый двигателем.

Учитывая, что в соответствии с электромеханической характеристикой двигателя постоянного тока М_Д = U_Д·k_Д, и приводя моменты инерции и полезного сопротивления нагрузки к валу двигателя, получим уравнение:

Отсюда, после приведения уравнения к стандартной форме записи, можно найти передаточную функцию двигателя вместе с нагрузкой и редуктором:

, (7.3)

где - постоянная времени; - коэффициент передачи.

Структурная схема САУ стабилизации скорости может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Структурная схема САУ

САУ является статической и будет иметь погрешность при установившейся скорости движения нагрузки, тогда как САУ с астатизмом 1-го порядка такой погрешности не имеет, т.е. обладает значительно большей точностью регулирования. Необходимо выполнить превращение САУ в астатическую 1-го порядка за счет коэффициента передачи обратной связи.

Коэффициент обратной связи, в данном случае коэффициент передачи тахогенератора, должен рассчитываться по формуле:

. (7.4)

В этом случае САУ становится астатической 1-го порядка, статическая погрешность будет равна 0.

Математическую модель такой системы можно получить, определив передаточную функцию W₁ преобразованной системы:

. (7.5)

Тогда передаточная функция всей преобразованной САУ будет иметь вид:

. (7.6)

Практическая часть. На рис. 7.3 представлен интерфейс прикладной программы «Неединичная ОС», с помощью которой выполняются экспериментальные исследования. Инструкции и пояснения для работы с программой содержатся в самой программе и появляются на экране монитора при нажатии кнопки Help.

Рис.7.3. Интерфейс прикладной программы

САУ состоит из двигателя постоянного тока 1, одноступенчатого редуктора, состоящего из двух зубчатых колес 2, вала нагрузки 3, на котором установлен тахогенератор 4. Тахогенератор связан со сравнивающим устройством 5, а двигатель - с усилителем-преобразователем 6. Программа функционирует согласно полученной в теоретической части математической модели (7.5).

После активизации прикладной программы «Неединичная ОС», на главном интерфейсе задаются исходные данные в соответствии с вариантом (см. табл. 7.2). По формуле (7.4) рассчитывается коэффициент передачи тахогенератора и устанавливается на интерфейсе программы. Проводятся эксперименты с разным значением заданной скорости вращения нагрузки (статическая погрешность при любом значении скорости отсутствует). На рис. 7.3 результаты такого эксперимента зафиксированы на осциллограмме, где линией 7 обозначен уровень заданной скорости, линией 8 - фактическая скорость вращения нагрузки.

Результатов экспериментов с целью установления зависимости погрешности регулирования от коэффициента обратной связи - коэффициента передачи редуктора заносятся в таблицу экспериментальных данных (табл. 7.1). Диапазон и шаг изменения коэффициента выбирается так, чтобы рассчитанное ранее значение находилось в центре таблицы.

Таблица 7.1

Экспериментальные данные

№	kО.С, В·с/рад	ω, рад/с	δω, рад/с	δω, %
1	1,05	128,83	-21,17	14,11
2	1,00	134,60	-15,40	10,27
3	0,95	140,94	-9,06	6,04
4	0,90	147,89	-2,11	1,41
5	0,8857	150,00	0	0
6	0,85	155,55	+5,55	3,70
7	0,80	164,06	+14,06	9,37
8	0,75	173,55	+23,55	15,70
9	0,70	184,20	+34,20	22,80

В качестве примера предлагаемый эксперимент был проведен для системы с исходными данными, представленными на интерфейсе (см. рис. 7.3). Заданный уровень угловой скорости нагрузки ω_З = 150 рад/с. Расчетное значение коэффициента передачи тахогенератора составляет 0,8857, а результаты экспериментов записаны в табл. 7.1. Относительное значение погрешности определяется по формуле δω (%) = δω · 100/ω_З без учета знака.

По результатам экспериментов построен график зависимости относительной погрешности от коэффициента передачи тахогенератора (рис. 7.4).

Рис. 7.4. График экспериментальной зависимости

Задание. В соответствии с вариантом (табл. 7.2) рассчитать коэффициент передачи тахогенератора для устранения статической погрешности САУ, провести экспериментальные исследования точности регулирования от коэффициента обратной связи.

Таблица 7.2

Исходные данные

Первая цифра	Усилитель-преобразователь				Двигатель
	kУ.П		ТУ.П, с		kД, рад/(с·В)	IД, кг·м2
1	12		0,005		П	0,025
2	14		0,008		0,9	0,030
3	16		0,009		0,8	0,035
4	8		0,003		0,7	0,040
5	6		0,010		1,2	0,045
6	18		0,012		1,4	0,020
7	20		0,007		1,0	0,050
8	22		0,004		0,6	0,055
9	24		0,006		0,5	0,060
0	26		0,011		0,4	0,065
Вторая цифра	Нагрузка			Число зубьев шестерни		Заданная скорость ωН, рад/с
	IН, кг·м2	β, Н·м·с/рад
1	2	3		4		5
1	0,15	1,40		42		80
Продолжение табл. 7.2
1	2	3		4		5
2	0,18	1,65		46		100
3	0,20	1,25		38		120
4	0,23	0,95		14		190
5	0,30	1,80		18		150
6	0,45	2,00		36		90
7	0,50	2,15		34		130
8	0,35	2,45		32		160
9	0,55	2,55		30		180
0	0,60	1,70		28		200

Содержание отчета. В отчете представить: структурную схему САУ; исходные данные (согласно варианту), расчет коэффициента передачи тахогенератора, который обеспечивает превращение САУ в астатическую 1 -го порядка; копию интерфейса для регулирования с расчетным значением коэффициента передачи тахогенератора; таблицу экспериментальных данных; график экспериментальной зависимости. Дать выводы.