Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Кафедра301 Рациональное управление объектами теория и приложения

.pdf
Скачиваний:
132
Добавлен:
27.12.2018
Размер:
9.5 Mб
Скачать

В УМ реализована широтно-импульсная модуляция сигнала u(t). Элемент сравнения формирует разностный сигнал u(t), который поступает на УМ.

7.1.1 Принцип действия сервопривода

В сервоприводе реализован принцип управления по отклонению, позволяющий преобразовать задающее воздействие uз(t) в соответствующий

угол поворота выходного вала ϕ (t). Таким образом, сервопривод представляет собой позиционную систему управления. Сравнивающее устройство формирует сигнал отклонения между задающим воздействием и сигналом с выхода потенциометрического датчика, используемого в цепи обратной связи. Полученный сигнал рассогласования поступает на УМ, где усиливается по мощности, и далее на якорную обмотку электродвигателя постоянного тока. Вращающийся якорь ЭД через редуктор изменяет положение выходного вала. Таким образом, в ЭД происходит преобразование электрического сигнала в механический момент вращения и угловую скорость вращения вала двигателя, а редуктор преобразует угловую скорость в угловое перемещение. В обмотке возбуждения ЭД протекает постоянный по величине ток.

Сервопривод работает следующим образом. После подачи задатчиком входного воздействия сравнивающее устройство формирует сигнал рассогласования между задающим сигналом и сигналом обратной связи, полученное напряжение поступает на усилитель мощности, в котором происходит усиление сигнала. Поскольку электродвигатель независимого возбуждения, то управляющий сигнал поступает на обмотку якоря, что, в свою очередь, приводит во вращение ротор электродвигателя с определенной угловой скоростью. Так как сервопривод – это позиционный привод, то угловая скорость вращения через зубчатые передачи редуктора преобразуется в угловое перемещение требуемой нагрузки в рулевой поверхности. В цепи обратной связи расположен двухпозиционный потенциометрический датчик угла, измеряющий угол отклонения рулевой поверхности и подающий на сравнивающее устройство напряжение, пропорциональное текущему измеренному углу. При этом система управления стремится минимизировать сигнал рассогласования между требуемым и текущим значениями угла до нуля.

7.2 Получение экспериментальных характеристик сервопривода

Цель исследования – анализ статических и динамических характеристик сервопривода в штатном и нештатном режимах. В результате проведения

250

экспериментов получены статические и динамические характеристики исследуемого сервопривода. В дальнейшем эти данные будут использованы при построении математической модели функциональных элементов привода и системы в целом [2].

На рисунке 7.5 показан внешний вид панели управления лабораторной установкой [1].

Рисунок 7.5 – Внешний вид панели управления лабораторной установкой

7.2.1 Получение статических характеристик привода

Статическая характеристика объекта исследования – это зависимость значения выходного сигнала объекта от значения входного сигнала в установившемся режиме функционирования.

Для получения статических характеристик необходимо предварительно настроить стенд. Для этого на пульте управления нужно установить переключатели в следующее положение: П1, П2, П3, П4, П5 – в положение 2, включить тумблеры ВК1, ВК2, ВК3. Далее включают компьютер и запускают программу Turbo Pasсal, затем нажатием клавиш F3 и TAB запускают файл с именем «ident.pas». Программа получения статической характеристики начинает свою работу и на экране появляются данные с измеренными параметрами привода, а выходной вал сервопривода отклоняется на определенные углы.

251

На рисунках 7.67.11 показаны статические характеристики функциональных элементов и сервопривода.

 

 

15

Uум, В

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Uс, В

-10

-5

-1 0

1

5

10

15

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

-5

 

 

 

-10 -12

-15

Рисунок 7.6 – Статическая

Рисунок 7.7 – Статическая

характеристика электродвигателя

характеристика усилителя мощности

 

 

и редуктора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Uд, В

 

 

 

 

Uс, В

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ, град

 

1

 

 

Uз, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-180 -150 -120

-90

-60

-30 0

 

30

60

90

120 150 180

-6 -5 -4 -3 -2

-1 0 -1

1 2

3

4 5 6 7

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

-4

 

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-8

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-12

 

 

 

 

 

 

-4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.8 – Статическая

Рисунок 7.9 – Статическая

 

 

характеристика

 

характеристика сумматора по входу

потенциометрического датчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uс, В

 

 

 

 

Uд, В

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Uд, В

 

 

 

4 5 6 7 Uз, В

-4

-3

-2

 

1

2

3

 

 

 

 

-1 0

-1

4

-6 -5 -4 -3 -2

-1 0

1 2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

-4

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

-8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-3

 

 

 

 

 

 

 

-12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.10 – Статическая

Рисунок 7.11 – Статическая

характеристика сумматора

характеристика сервопривода

 

по обратной связи

 

 

 

 

 

 

Приведенные статические характеристики отражают нелинейные преобразовательные свойства сервопривода. Они обусловлены физическими явлениями и ограничениями. Так, зона нечувствительности (см. рисунки 7.6, 7.11) вызвана наличием трения в электродвигателе и редукторе. Насыщение характеристик (см. рисунки 7.7, 7.9, 7.10) связано с физическими возможностями функциональных элементов.

252

7.2.2 Получение переходных характеристик сервопривода

Переходная характеристика объекта исследования – это реакция объекта на ступенчатое входное воздействие.

Для экспериментального определения переходной характеристики необходимо определить по статическим характеристикам рабочую точку и диапазон линейного участка статической характеристики.

Для построения переходных характеристик нужно включить стенд, открыть среду Turbo Pasсal и выбрать файл «grafic1.pas». После запуска указанного файла в появившемся окне активировать исследуемые сигналы и подать входной сигнал на исследуемый сервопривод, задавая при этом вид входного сигнала в окне программы. Повторить эксперимент для различных значений входных воздействий и зафиксировать полученный результат.

В таблице 7.1 приведены экспериментальные данные для построения переходной характеристики по управляющему воздействию.

Таблица 7.1 – Экспериментальные данные

N

t, В

φ, град

п/п

1 квадрант

3 квадрант

1

0,5

17

-18

2

1

32

-34

3

1,5

38

-42

4

2

44

-45

5

2,5

45

-48

6

3

45,2

-49

7

3,5

45,2

-50

На рисунках 7.12 и 7.13 показаны графики переходных процессов исследуемой системы, построенные по экспериментальным данным.

Рисунок 7.12 – График переходного

Рисунок 7.13 – График переходного

процесса в первом квадранте

процесса в четвёртом квадранте

253

7.3Формализация преобразовательных свойств сервопривода

7.3.1Линеаризация статических характеристик сервопривода

На рисунке 7.14 показана линеаризованная статическая характеристика электродвигателя и редуктора.

Рисунок 7.14 – Линеаризованная статическая характеристика электродвигателя и редуктора

Атрибуты линеаризации статической характеристики электродвигателя и

редуктора:

 

1)

координаты рабочей точки – [0; 0];

 

2)

диапазон линеаризации входного сигнала –

uум (t) = [-12,3;12,3];

3)

диапазон линеаризации выходного сигнала –

ϕ(t) =[-180;180];

4)

коэффициент передачи:

 

при u

 

[-12,3; 2]:

к =

ϕ(t)

 

= 1800

= 4,38;

 

uум(t)

 

ум

 

1

 

 

12,32

 

при uум [1;12,3]:к2 =

 

ϕ(t)

=

1800 =3,97;

 

uум(t)

 

 

 

 

 

 

 

12,31

 

5)максимальная погрешность линеаризации − δ = 20град;

6)уравнение линеаризованной характеристики

4,38

u

ум

(t);

 

 

 

 

Δϕ(t) = к uум(t) =

 

uум(t);

3,97

 

 

 

 

 

7)величина зоны нечувствительности Знеч = [2;1];

8)величина зоны насыщения – Знас = [−∞;180] [180;].

254

Получить статические характеристики электродвигателя и редуктора по отдельности не представляется возможным. Таким образом, на основании полученной совместной статической характеристики двигателя и редуктора, результатов линеаризации статической характеристики, а также информации о характеристиках реального редуктора, используемого в подобном сервоприводе, были выбраны параметры редуктора и электродвигателя.

На рисунке 7.15 показана статическая характеристика редуктора, а на рисунке 7.16 – линеаризованная статическая характеристика усилителя мощности.

180

 

φ, град

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15 Uум, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

150

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

ωдв, В

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Uс, В

 

-45 -32 -24 -16 -8 0

 

-30 8 16 24

32 45

 

 

 

 

 

-10

 

-5 -1

0 -1

1

5

10

 

15

 

 

 

-60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5

 

 

 

 

 

 

 

 

-90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-10

 

 

 

 

 

 

 

 

-150

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-12

 

 

 

 

 

 

 

 

-180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.15 – Статическая

 

 

Рисунок 7.16 – Линеаризованная

 

 

 

характеристика редуктора

 

 

 

статическая характеристика УМ

 

 

 

Атрибуты линеаризации статической характеристики усилителя

мощности:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) координаты рабочей точки – [0; 0];

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) диапазон линеаризации входного сигнала –

uc(t) = [-10;10];

 

 

 

 

 

3) диапазон линеаризации выходного сигнала –

uум (t) = [-12,3;12,3];

 

 

 

4) коэффициент передачи –

к =

uум(t)

=

24,3

=1,23;

 

 

 

 

 

 

 

 

uс(t)

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5)максимальная погрешность линеаризации – δ =3В;

6)уравнение линеаризованной характеристики

uум(t) = к uс(t) =1,23 uс(t);

7)величина зоны нечувствительности – Знеч = [0,5;0,5];

8)величина зоны насыщения – Знас = [−∞;12,3] [12,3;].

На рисунке 7.17 показана линеаризованная статическая характеристика датчика.

255

4 Uд, В

3

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

φ, град

-180 -150 -120 -90

-60

-30 0

30

60

90

120

150

180

-1 -2 -3 -4

Рисунок 7.17 – Линеаризованная статическая характеристика датчика

Атрибуты линеаризации статической характеристики датчика: 1) координаты рабочей точки – [0; 0];

2)

диапазон линеаризации входного сигнала – ϕ(t) =[-180;180];

3)

диапазон линеаризации выходного сигнала –

uд(t) =[-3,6;3,6];

4)

коэффициент передачи – к =

ϕ(t)

= 3,6

+ 3,6

= 0,02;

uд(t)

+ 180

 

 

180

 

5)

максимальная погрешность линеаризации – δ =0,2В;

6)

уравнение линеаризованной характеристики

 

 

ϕ(t) = к

uд(t) = 0,02 uд(t);

7)

величина зоны нечувствительности – Знеч = [3,6;3,6].

На рисунке 7.18 показана линеаризованная статическая характеристика по входу.

Рисунок 7.18 – Линеаризованная статическая характеристика по входу

256

Атрибуты линеаризации статической характеристики по входу: 1) координаты рабочей точки – [0; 0];

2)

диапазон линеаризации входного сигнала –

uз(t) = [-4,3; 4,3];

3)

диапазон линеаризации выходного сигнала –

uc(t) = [-10;10];

 

коэффициент передачи – к =

uс(t)

10

 

4)

 

= 4,3 = 2,33;

uд(t)

5)максимальная погрешность линеаризации – δ =1 В;

6)уравнение линеаризованной характеристики

uc (t) = к uз(t) = 2,33 uз(t);

7) величина зоны насыщения – Знас = [10;10].

На рисунке 7.19 показана линеаризованная статическая характеристика по обратной связи.

Uс, В

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

Uд, В

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

-4 -8 -12

Рисунок 7.19 – Линеаризованная статическая характеристика по обратной связи

Атрибуты линеаризации статической характеристики по обратной связи: 1) координаты рабочей точки – [0; 0];

2)

диапазон линеаризации входного сигнала –

uд(t) =[-3,6;3,6];

3)

диапазон линеаризации выходного сигнала –

uc(t) = [-10;10];

 

коэффициент передачи – к =

uс(t)

10

 

4)

 

= 3,6 = 2,78;

uд(t)

5)максимальная погрешность линеаризации – δ =3В;

6)уравнение линеаризованной характеристики

uc(t) = к uд(t) = 2,78 uд(t); 7) величина зоны насыщения – Знас = [10;10].

257

7.3.2 Формирование передаточных функций элементов сервопривода

Линеаризация статических характеристик позволяет перейти к описанию преобразовательных свойств сервопривода с помощью структурной схемы (рисунок 7.20).

MН

(s)

Wf

(s)

 

 

 

 

 

 

ЭД

 

 

 

 

 

 

ΩfЭД (s)

UЗ(s)

 

W (s)

UВХ (s)

 

 

U(s)

 

W

(s)

UУМ (s)

 

W (s)

ΩЭД (s)

 

 

 

ΩЭДР (s)

 

WР

(s)

ϕ(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВХ

 

 

 

 

 

 

УМ

 

 

 

 

ЭД

 

 

 

 

 

 

 

ЭД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UОС(s)

 

 

 

UД (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

(s)

 

W (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОС

 

 

 

 

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.20 – Структурная схема исследуемого сервопривода

На рисунке 7.20 введены такие обозначения:

Wвх (s) – передаточная функция по входному сигналу; Wум (s) – передаточная функция усилителя мощности;

Wдв(s) – передаточная функция электродвигателя по задающему воздействию;

Wдвf (s) – передаточная функция электродвигателя по возмущающему

воздействию;

Wр(s) – передаточная функция редуктора; Wд(s) – передаточная функция датчика;

Wос(s) – передаточная функция сумматора по обратной связи;

Uз(s) – изображение задающего сигнала;

Uс(s) – изображение сигнала на входе сумматора;

U(s) – изображение сигнала рассогласования;

Uум (s) – изображение сигнала на выходе усилителя мощности; Ω(s) – изображение угловой скорости вращения электродвигателя; Мн(s) – изображение момента нагрузки электродвигателя;

ϕ(s) – изображение выходного угла отклонения;

Uд(s) – изображение сигнала на выходе датчика;

Uос(s) – изображение сигнала обратной связи.

258

В результате обработки экспериментальных данных были получены передаточные функции элементов исследуемого сервопривода:

1. Передаточная функция электродвигателя по задающему воздействию

 

 

 

 

 

 

 

 

3,98

 

 

 

,если uум [1;12,3];

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2s+ 1

 

 

 

ωдв(s)

 

кдв

 

 

 

 

u

 

 

 

 

0,если uум [2;1];

 

Wдв

(s) =

 

=

 

 

=

 

(7.1)

ωум(s)

Ts+ 1

 

 

 

 

4,37

 

,если uум [12,3;1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2s+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Передаточная функция электродвигателя по возмущающему воздействию

 

Wf (s) =

ω(s)

 

=

 

 

кдв

 

 

=

 

0,11

.

(7.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дв

 

 

Mf (s)

 

 

Ts+ 1

 

0,2s+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Передаточная функция усилителя мощности

 

 

 

 

W

(s) =

Uум(s)

= к

ум

= 1,23.

 

(7.3)

 

 

 

 

 

 

 

ум

 

 

 

 

Uc(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Передаточная функция датчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (s) =

Uд(s)

= к

д

 

= 0,02 В/ град.

(7.4)

 

 

 

 

 

д

 

 

ϕ(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Передаточная функция редуктора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W (s) =

 

 

ϕ(s)

= к

 

 

= 4 град с / рад.

(7.5)

 

Ωр(s)

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Передаточная функция сумматора по входу

 

 

 

 

W

 

(s) =

Uс(s)

= к

 

 

= 2,33.

 

(7.6)

 

вх

 

 

 

Uз(s)

 

 

вх

 

 

 

 

7.

Передаточная функция сумматора по обратной связи

 

 

W (s)

=

 

Uс(s)

= к

 

= 2,78.

(7.7)

 

 

Uд(s)

 

 

 

 

 

ос

 

 

 

 

 

 

 

ос

 

 

 

Передаточная функция замкнутой системы позиционирования по управляющему воздействию имеет вид

Ф(s) =

 

ϕ(s)

=

 

 

Wвх(s)Wум(s)Wэд(s)Wр(s)

 

 

=

45,6

.

(7.8)

U

з

(s)

1+ W (s)W

(s)W (s)W (s)W

(s)

0,2s + s + 1,09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ум

эд

р

д

ос

 

 

 

 

 

 

Передаточная функция замкнутой системы позиционирования по

возмущающему воздействию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фf (s) =

 

 

ϕ(s)

=

 

 

Wдв (s)Wр (s)

 

 

 

 

=

 

Mf (s)

 

(s)Wр (s)Wд (s)Wос

(s)Wум (s)Wэд (s)

 

 

 

 

 

1+ Wдвf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

259