CC BY
0
УДК 378.14
ТЕОРЕТИКО-ПРАКТИЧЕСКИЙ КУРС ПО МЕТОДАМ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
А. А. Дружинин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
Одним из ключевых навыков специалиста в области САУ является умение строить аналитически и на практике измерять Логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) объектов. В данной работе обозначена проблема недостаточного внимания к развитию практических навыков измерения ЛАФЧХ при подготовке специалистов в вузе и предложена структура методического пособия для организации обучение этому навыку.
Ключевые слова: методическое пособие, ЛАФЧХ, система автоматического управления, измерение, лабораторное оборудование.
THE THEORETICAL AND PRACTICAL COURSE ABOUT METHODS OF MEASURING FREQUENCY CHARACTERISTICS OF ELECTRONIC DEVICES AND SYSTEMS
A. A. Druzhinin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
One of the key skills of a specialist in the field of control design is the ability to find analytically and in practice to measure the Bode plot of objects. In this paper, the problem of insufficient attention to the development of practical skills in measuring Bode plot during the studying of specialists at the university is indicated. The structure of a teachingmaterialfor organizing studying in this skill is proposed.
Keywords: teachingmaterial, Bode plot, control system, measurement, laboratory equipment.
Введение. Образование специалистов в области систем автоматического управления, такое как реализует кафедра систем автоматического управления (САУ), осуществляющая подготовку специалистов для базовых предприятий АО «Красмаш» и АО «ИСС», предполагает освоение студентами значительного теоретического материала в области математики, физики, электроники, схемотехники и т.д. Кроме того студенты должны овладевать навыками практической деятельности в области изготовления печатных плат, монтажа электрорадиоизделий и метрологи (получение навыков работы с измерительным оборудованием и изучение методик измерения электрических параметров). Все это необходимо будущим специалистам для успешной работы на предприятиях оборонного и промышленного комплекса [1].
Одним из основных предметов у студентов, обучающихся на кафедре САУ, является «Теория автоматического управления» (ТАУ), на котором изучаются теоретические основы динамики физических объектов, математические способы описания динамических систем и
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 3
изучение их свойств, основы проектирования замкнутых систем автоматического управления. Фундаментальным понятием и наиболее распространенной среди научного и инженерного сообщества характеристикой, отображающей свойства динамических объектов и систем, является Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (ЛАФЧХ). ЛАФЧХ - представление реакции линейной (линеаризованной) системы на гармоническое воздействие в форме логарифмического отношения амплитуды выходного ко входному сигналу на различных частотах и фазового сдвига выходного сигнала от входного на различных частотах [2]. Умение аналитически выводить и строить ЛАФЧХ объектов управления, датчиков, регуляторов является важным навыком для специалиста в области САУ.
Однако не менее важной задачей для специалиста является на практике измерять ЛАФЧХ замкнутых систем управления, электронных элементов и устройств (датчики, операционные усилители) и объектов управления (электродвигатели, преобразователи энергии).Данные измерения позволяют разработчику:
• корректировать модели и описание объекта управления для более точного расчета регулятора;
• подтверждать, что характеристики спроектированного устройства соответствуют расчетным;
• прогнозировать устойчивость характеристик спроектированного устройства к временным деградациям.
Как показывает практика взаимодействия с молодыми специалистами, у них имеется хорошая теоретическая база по аналитическому выводу и постройке ЛАФЧХ, однако возникают существенные трудности при измерении таких характеристик реальных устройств и систем.
Для исправления данной ситуации предлагается внедрить методическое пособие по методам измерения частотных характеристик электронных устройств и систем.
Методическое пособие.Измерение ЛАФЧХ является нетривиальным и требует хорошей теоретической подготовки, с точки зрения понимания физических процессов в исследуемом объекте, а также навыков работы с множеством лабораторного оборудования.
До недавнего времени повсеместно разрабатывались и внедрялись аналоговые системы автоматического регулирования, измерение ЛАФЧХ которых в профессиональной среде достаточно изучено[3]. Однако на сегодняшний день все более актуальным становится навык измерения частотных характеристик цифровых систем, содержащих цифровое управляющее устройство (ЦУУ). Данные измерения требуют дополнительных навыков от специалиста, в том числе программирование и работа с периферией ЦУУ. Современное образование также должно давать навыки такой работы.
В связи с вышеизложенным, предлагается внести в методическое пособие следующие ключевые разделы:
1. Основные термины, определения и теоретические основы частотных характеристик объектов. Здесь предлагается привести теоретические выкладки из ТАУ, поясняющие, что такое ЛАФЧХ, как они аналитически выводятся, и какие свойства системы отображают.
Изучив данный пункт, студент сможет самостоятельно аналитически выводитьЛАФЧХ элементарных электронных устройств, и получит представление о физических процессах в устройствах при испытаниях на измерение отклика на гармоническое воздействие.
2. Основы работы с лабораторным оборудованием. В данной части студенты будут знакомиться с лабораторным оборудованием, необходимым для измерения частотных характеристик, и приобретать навыки работы с ним.В числе изучаемого оборудования:
• цифровой осциллограф;
• генератор сигналов сложной формы;
• векторный анализатор цепей;
• анализатор частотного отклика.
Выполнив данный пункт, студент приобретет навык работы с базовым лабораторным оборудованием, которое применяется далеко не только для измерений ЛАФЧХ, но и в множестве других измерений и работ, связанных с разработкой и проверкой электронных устройств.
3. Изучение методик измерения ЛАФЧХна основе перечисленного в пункте 2 оборудования, и путем моделирования в пакете Ма^аЬ.
4. Практические занятия по определению ЛАФЧХ электронных устройств:КЬСфильтр, собственная динамика операционного усилителя и основных схем его включения.
4.1 Практические занятия по определению ЛАФЧХ элементов импульсного стабилизатора напряжения:собственная динамика силовой части, разомкнутый контур управления и его регулятор.
При выполнении данной части студентам будет предложено найти ЛАФЧХисследуемого объекта аналитически и произвести сравнение полученной ЛАФЧХс измеренной. При выполнении данного пункта обучающийсясможет применить на практике все полученные в предыдущих пунктах знания, от теоретического вывода частотной характеристики (изучено в пункте 1), до выполнения измерения ЛАФЧХ по методике, изученной в пункте 3, с использованием оборудования из пункта 2.
5. Измерение ЛАФЧХ цифрового фильтра.
В данном пункте студентам будут предложены методы программирования и работы с периферией цифровых управляющих устройств, позволяющих измеритьЛАФЧХ цифрового фильтра. Студентам будет предложено измерить ЛАФЧХ цифрового фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) и сравнить результат с измеренной ЛАФЧХ аналогичного фильтра в пакете МайаЬ.
Таким образом, последовательное выполнение всех пунктов такого методического пособия позволит обучить студента измерять частотные характеристики электронных устройств, как аналоговых, так и цифровых. Кроме того, пособие построено таким образом, чтобы при его выполнении студент закрепил навык вывода передаточной функции, построения ЛАФЧХ, научился работать с лабораторным оборудованием и программно-методической документацией.
Проведение практических занятий является важным этапом подготовки специалиста. Использование хорошо структурированных, комплексных методических пособий позволяет закрепить теоретический материал, и значительно повысить качество выпускаемых ВУЗами специалистов.
Библиографические ссылки
1. Приказ Минобрнауки России от 11.08.2016 N1032 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по специальности 24.05.06 Системы управления летательными аппаратами (уровень специалиста)» (Зарегистрировано в Минюсте России 26.08.2016 N 43440).[Электронный ресурс] / Режим доступа: http://hoster.bmstu.ru/~mo/3plus/24.05.06.pdf (Дата обращения1.04.2020)
2. Солодовников В. В. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1 Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. Издательство «Машиностроение», Москва, 1967, -769 с.
3. Адоменас П., Аронсон Я., Измерители АЧХ и их применение. М.: Связь, 1968 - 165с.
©.Дружинин А. А., 2020
