11756

Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Исследование автоматической измерительной системы потенциометра Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование автоматической измерительной системы потенциометра по дисциплине Теория автоматического управления для студентов о

Русский

2013-04-11

725.5 KB

43 чел.

«Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)»

Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.
В методических указаниях приведена теоретическая информация по изучаемому автоматическому потенциометру, описание устройства и принципа работы лабораторной установки, а также последовательность проведения эксперимента.
Стр. 20, рис. 6 , табл. 2, библ. 8, МАМИ, 2011г.
© Московский государственный технический университет «МАМИ»
         2011 г.


I
. ВВЕДЕНИЕ

Рассматриваемый автоматический потенциометр относится к измерительным системам, которые служат для получения визуальных показаний или регистрации значений различных величин в производственном процессе. Примерами подобных систем являются автоматические записывающие термометры, газоанализаторы, тензометры и т.д. Часто системы автоматического контроля сортируют продукт производственного процесса по значениям контролируемого параметра.

Автоматическая измерительная система может иметь самостоятельное значение при автоматизации производственных процессов или может являться составной частью системы автоматического управления.

Все автоматические измерительные системы можно разделить на две группы: небалансные (некомпенсационные, неуравновешенные) системы и балансные (компенсационные, уравновешенные) системы.

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Автоматический потенциометр КСП-4 относится к балансным системам, основанным на автоматическом уравновешивании (балансировании) снимаемого с датчика выходного напряжения и напряжения, подаваемого со специального устройства. Принцип работы потенциометра можно пояснить с помощью упрощённой функциональной схемы (рис. 1).

Измеряемое напряжение  уравновешивается с помощью напряжения , снимаемого с реохорда Р. Ток, протекающий через реохорд, поддерживается строго постоянным с помощью переменного резистора R. Равновесие  поддерживается путём автоматического перемещения движка по реохорду Р. При появлении напряжения разбаланса, обнаруживаемое нуль-органом (НО) (под НО понимается орган сравнения), сигнал рассогласования усиливается усилителем У и воздействует на балансирующий двигатель БД, который в зависимости от знака напряжения разбаланса вращается в ту или иную сторону и перемещает движок по реохорду до установления равновесия напряжений. Перемещение движка по реохорду пропорционально измеряемому напряжению , фиксируемому по шкале прибора.


К электронным усилителям, повышающим энергетический уровень сигнала разбаланса, предъявляются жёсткие требования, так как им приходится усиливать весьма малые значения термо-ЭДС, составляющие несколько десятков милливольт (мВ). Для обеспечения достаточной точности необходимо, чтобы усилитель реагировал на напряжение разбаланса, составляющее единицы микровольт (мкВ).

Усиление столь малого напряжения с помощью усилителя постоянного тока (УПТ), не обеспечивает нужной точности из-за «дрейфа нуля», имеющего тот же порядок, что и напряжение разбаланса. Поэтому напряжение разбаланса предварительно специальным преобразователем преобразуется в переменное напряжение, а затем усиливается усилителем переменного тока.

Более подробно работу потенциометра КСП-4 можно рассмотреть на принципиальной схеме рис. 2. Прибор состоит из измерительного моста ИМ, модулятора М, преобразующего напряжение разбаланса в сигнал переменного тока, входного трансформатора ТР, предварительного усилителя УП, оконечного усилителя УО и реверсивного двигателя типа РД-09, кинематически связанного с движком реохорда .

Источник измеряемого напряжения постоянного тока (термопара) подключается последовательно к полупроводниковым усилителям. ЭДС термопары  сравнивается с компенсирующим напряжением , образованным в измерительной схеме как падение напряжения на резисторах  и . При неравенстве  и  образуется напряжение разбаланса , которое поступает на модулятор, где преобразуется в переменное напряжение, и через входной трансформатор ТР подается на усилители предварительный УП и окончательный УО.



Усиленный по мощности сигнал поступает в управляющую обмотку реверсивного двигателя РД-09. Вращение вала двигателя с помощью механической передачи «шкив-трос» преобразуется в прямолинейное движение каретки, на которой закреплены контакты реохорда измерительного моста, указатель и записывающее устройство. Перемещение контактов по реохорду вызывает изменение компенсирующего напряжения  в указательной (наружной) диагонали моста. В момент наступления равенства  напряжение разбаланса окажется равным нулю, вал двигателя прекращает вращаться и каретка останавливается. При этом положение указателя на шкале определяет значение измеряемого параметра, которое записывается на движущейся диаграммной ленте.

III. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОТДЕЛЬНЫХ БЛОКОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА

  1.  Измерительный мост.

Измерительная схема прибора представляет собой потенциометрический мост (рис. 2) с автоматическим уравновешиванием. Верхняя ветвь моста состоит из реохорда  и резисторов  и , нижняя ветвь – из резисторов , , .

Во внутреннюю (генераторную) диагональ моста включен стабилизированный источник питания ±5 В, обеспечивающий постоянство рабочего тока в измерительной схеме. Установка рабочего тока, равного 5 мА, осуществляется резистором . При этом падение напряжения на резисторе  должно быть равно 1,0186 ± 0,0003 В.

Для устранения помех, возникающих в цепи измерительного напряжения, на вход прибора подключается фильтр, образованный резисторами , ,  и конденсаторами ,  и .

Плавная регулировка успокоения следящей системы  осуществляется демпфером, состоящим из конденсатора  и резистора .

  1.  Модулятор, входной трансформатор и усилитель предварительный.

Принципиальная электрическая схема блоков приведена на рис. 3.


Рис. 3.

Сигнал постоянного тока поступает с измерительной схемы прибора (контакты 1, 2) на вход модулятора Э1, преобразуется в переменное напряжение и поступает на первичную обмотку входного трансформатора Тр2.

Входной трансформатор гальванически разделяет цепь датчика прибора и общую точку схемы усилителя.

Со вторичной обмотки трансформатора Тр2 сигнал поступает на прямой вход (10) первого каскада усиления – Э2, выполненного на интегральной микросхеме.

Сигнал на выходе (5) Э2 находится в фазе с входным сигналом.

Инвертирующий вход (9) Э2 используется для введения с выхода сигнала отрицательной обратной связи. Глубина этой связи определяется требуемым усилением и стабильностью работы каскада. Глубина отрицательной обратной связи устанавливается соотношением величин резисторов , , .

Усиление каскада меняется за счёт изменения глубины обратной связи с помощью переменного резистора .

В данном случае кратность регулировки усиления не менее 3.


Для предотвращения возбуждения каскада на высоких частотах используется конденсатор  и цепь , .

Для подавления второй гармоники, возникающей во второй цепи блока, или к квадратурной составляющей усиливаемого сигнала служит прерыватель отрицательной обратной связи (прерыватель) Э3, включенный в цепь отрицательной обратной связи Э2.

Принцип действия прерывателя основан на том, что отрицательная обратная связь каскада, осуществляемая по цепи прерывателя, не влияет на степень усиления сигнала, имеющего такой же фазовый сдвиг, что и напряжение, управляющее цепью коммутации прерывателя.

Питание модулятора Э1 и прерывателя Э3 осуществляется от моделирующего трансформатора Тр1.

Для качественной работы модулятора и прерывателя управляющее напряжение должно иметь прямоугольную форму, что достигается с помощью цепи, состоящей из диодов  и  и ограничительного резистора .

С выхода первого каскада усиливаемый сигнал поступает через разделительный конденсатор  на вход второго каскада усиления Э5.

Во втором каскаде к цепи отрицательной обратной связи (ООС) (выводы 4 и 5 блока) подключён внешний резистор для дистанционного изменения усиления всего усилителя. В эту цепь может быть подано также управляющее напряжение.

Питание обоих каскадов усиления осуществляется от модуля выпрямителя Э4 с фильтрами и стабилизацией выпрямленного напряжения. Переменное напряжение подводится к выводам 2 и 4 выпрямителя. С вывода 1 снимается положительное, а с вывода 5 отрицательное, относительно общей точки (вывод 3), постоянное напряжение.

Модулятор (рис. 4) собран по мостовой схеме на четырёх полевых транзисторах . Управление транзисторами осуществляется от обмотки моделирующего трансформатора напряжением прямоугольной формы, равным 7 В.

Управляющее напряжение приложено к цепи «исток-затвор» транзисторов таким образом, что в то время, как транзисторы  и  находятся в открытом состоянии, транзисторы  и  закрыты. При смене полярности управляющего напряжения состояние транзисторов меняется на противоположное. В первом случае входной сигнал постоянного тока проходит от цепи исток-сток транзистора , первичной обмотки входного трансформатора и цепи исток-сток транзистора  в одном направлении; во втором случае этот сигнал протекает по цепи исток-сток транзистора , той же обмотке входного трансформатора и цепи исток-сток транзистора  , в противоположном направлении.

Изменение направления тока, протекающего по первичной обмотке входного трансформатора, создает во вторичной его обмотке переменное напряжение.

Рис. 4

Применение мостовой схемы модулятора позволяет упростить конструкцию трансформатора, даёт получить достаточно высокий (не менее 0,8) коэффициент передачи напряжения и просто осуществить взаимную компенсацию паразитных связей полевых транзисторов и их температурных изменений.


Рис. 5


Схема управления транзисторами состоит из делителей ,  и , , образующих общую точку управляющей цепи, и диодов . Через диоды ,  производится поочередное подключение общей точки управляющей цепи к обмотке моделирующего трансформатора. Диоды  и  предотвращают падение в цепь затворов транзисторов обратного напряжения.

  1.  Усилитель оконечный.

Принципиальная схема усилителя дана на рис. 5. Оконечный усилитель включает в себя предоконечный усилитель мощности.

Предоконечный усилитель выполнен на транзисторах , , . Первый его каскад – усилитель на , включённый по схеме с общим эмиттером. Второй – повторитель, выполненный на транзисторах различной полярности.

Усилитель мощности выполнен на транзисторах ,  по схеме последовательного питания. Элементы цепи смещения ,  обеспечивают работу каскада в режиме АВ и его температурную стабильность. Конденсатор  - переходной, ,  - для предотвращения паразитной высокочастотной генерации.

Согласование предоконечного усилителя с усилителем мощности, а также инвертирование фазы для двухтактной схемы усилителя мощности осуществляется трансформатором Тр.

Входной сигнал подаётся на выводах 2 и 6, выходной сигнал подаётся на управляющую обмотку двигателя через контакты 3 и 4.

Отрицательная обратная связь, осуществляемая через резистор , помимо стабилизации, уменьшает выходное сопротивление усилителя. Это способствует улучшению механических характеристик двигателя и снижению добротности замкнутой системы, следствием чего является улучшение ее устойчивости.

IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ И АНАЛИЗ ЕЕ ДВИЖЕНИЯ

Автоматический потенциометр представляет собой замкнутую систему с регулированием по рассогласованию. Основным инерционным звеном системы является реверсивный двигатель с передаточной функцией . Ввиду бесконечной малости длительности общего переходного процесса будем считать все элементы схемы безинерционными с коэффициентами передач:


- термопары;

- модулятора (преобразователя постоянного тока в переменный);

- трансформатора;

- усилителя электронного;

- механической передачи (редуктор-шкив - трос);

- измерительного моста.

Структурная схема системы представлена на рис. 6. На схеме введены следующие обозначения:

Т ºС – температура исследуемого объекта (входная координата);

- ЭДС термопары;

- компенсирующее напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста;

- напряжение разбаланса моста;

- напряжение на выходе модулятора;

- напряжение на выходе трансформатора;

- напряжение на выходе усилителя (или в управляющей обмотке регулируемого двигателя);

θ – угол поворота вала регулируемого двигателя;

у – выходная координата – перемещение указателя вдоль шкалы прибора (или перемещение контактов по реохорду).

Математическое описание двигателя, как основного инерционного звена, состоит из уравнения моментов на валу двигателя:

,        (1)

и уравнения напряжения в цепи якоря двигателя:

,       (2)

где: J – момент инерции ротора;

       - скорость вращения ротора;

        - момент нагрузки;  iток якоря;

        Lя и Rя – индуктивность и сопротивление якорной цепи;

         и  - постоянные коэффициенты.

Найдем зависимость выходной координаты двигателя Ω от входной -  при  (из-за малости нагрузки). Для этого исключим из (1) и (2) величину i:

    (3)

Введём обозначения: ,  ,   и перейдем к операторной форме записи, выполнив преобразование Лапласа:

   (4)

Здесь  - оператор дифференцирования; ,  - электромеханическая и электромагнитная постоянные времени.

Учитывая, что , из выражения (4) найдем передаточную функцию  регулируемого двигателя:

   (5)

На основании структурной схемы (рис. 6) запишем уравнение, связывающее выходную координату – у с входной – Т.

   (6)

Подставив (5) в уравнение (6), получим:

,   (7)

где К – произведение коэффициентов прямой связи:

      (8)

Анализируя передаточную функцию (5), можно констатировать, что в цепь прямой связи (цепь преобразования напряжения разбаланса – управляющее воздействие) последовательно включены два звена:

- динамическое звено второго порядка   (9)

- интегрирующее звено       (10)

Включение в прямую цепь интегрирующего звена делает связь «гибкой» и система становится астатической по управляющему входу.

Для анализа решения системы используем алгебраический критерий устойчивости. В частности, при исследовании системы третьего порядка (см. выражение 7) достаточно воспользоваться критерием Вышнеградского, в соответствии с которым для устойчивости системы необходимо, чтобы произведение двух крайних коэффициентов левой части уравнения (7) было меньше или равно произведению двух средних, т.е.:

       (11)

В противном случае система окажется неустойчивой.

Несомненный интерес представляет случай, когда система находится на границе устойчивости. Тогда (11) превращается в равенство и с учетом (8) может быть записано относительно коэффициента передачи усилителя , так как орган для его варьирования вынесен на панель управления:

     (12)

Значение коэффициента передачи усилителя, вычисленное по выражению (12), является критическим, при котором ещё сохраняется устойчивость. При уменьшении  увеличивается устойчивость и, следовательно, стабильность системы. Однако, при значительном уменьшении может снизиться точность работы системы.

V. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

А. Измерить ЭДС термопары.

Б. Построить зависимость выходного напряжения системы от уровня входного сигналя.

В. Определить критический коэффициент системы.

Г. Провести наблюдение за формой электрического сигнала и изменением его уровня при различных коэффициентах передачи системы.

VI. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

А. Измерить ЭДС термопары.

1. За 15 минут до начала измерений тумблером  включить нагрев термопары.

2. Включить прибор (тумблеры  и  поставить в верхнее положение).

3. Ручку «Регулировка чувствительности» поставить в среднее положение.

4. Установить с помощью ручки «Регулировка ЭДС термопары» различные уровни сигнала, снимаемого с датчика (), записать в табл. 1 показания по шкале прибора () и определить погрешность () измерений.

Таблица 1

, мВ

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

, мВ

, мВ

Б. Построить зависимость выходного напряжения системы от уровня входного сигнала.

  1.  Переключатель шкал милливольтметра В3-38 поставить в положение 300 В.
  2.  Включить милливольтметр В3-38.
  3.  Выход прибора (гнездо «выход» на выносной панели прибора) соединить с входом милливольтметра В3-38.
  4.  Ручку «регулировка чувствительности» поставить в среднее положение.
  5.  Установить ручкой «Регулировка ЭДС термопары» по шкале прибора 0,05 мВ.
  6.  Тумблер  поставить в нижнее положение, при нажатом состоянии кнопки «контроль» измерить с помощью милливольтметра выходное напряжение  электронного усилителя и результат записать в табл. 2.
  7.  Поставить тумблер  в верхнее положение, установить ручкой «Регулировка ЭДС термопары» по шкале прибора 0,1 мВ и далее выполнить пункт 6.
  8.  Операции пунктов 7 и 6 повторить для входных сигналов 0,15 мВ, 0,2 мВ и т.д.
  9.  По табл. 2 построить график зависимости  и для линейного участка характеристики определить коэффициент усиления системы .

Таблица 2

, мВ

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

, В

В. Определить  критический  коэффициент  передачи системы .

  1.  Поставить тумблер  в верхнее положение. Установить ручкой «регулировка ЭДС термопары» по шкале прибора 0,1 мВ и, вращая по часовой стрелке ручку «регулировка чувствительности», найти момент, когда указатель прибора начнет совершать автоколебания.
  2.  Поставить тумблер в нижнее положение и при нажатом положении кнопки «контроль» измерить с помощью милливольтметра выходное напряжение системы .
  3.  Определить коэффициент , при котором система вошла в автоколебание: .
  4.  Определить  теоретически (12) и сравнить между собой теоретический и экспериментальный значения критического коэффициента передачи усилителя. Исходные данные для расчёта  по формуле (8):

сек

Г. Провести наблюдение за формой электрического сигнала и изменением его уровня при различных коэффициентах передачи системы.

  1.  Ручку «Вольт/деление» на панели осциллографа поставить в положение «10».
  2.  Нажать на панели осциллографа клавишу «сеть» (включить прибор).
  3.  Соединить выход прибора с входом осциллографа.
  4.  Установить на осциллографе период развертки 5 мs.
  5.  Тумблер   поставить в верхнее положение.
  6.  Установить по шкале прибора 0,1 мВ.
  7.  Поставить тумблер  в нижнее положение, нажать кнопку «контроль» и, вращая при этом ручку «регулировка чувствительности», провести визуальное наблюдение за формой и уровнем выходного сигнала.

VII. КОНРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Устройство и принцип работы автоматического потенциометра.
  2.  Какой принцип регулирования заложен в основу работы автоматического потенциометра?
  3.  Каким образом устанавливается рабочий ток в измерительном мосте?
  4.  Устройство и работа отдельных звеньев системы: а) измерительного моста; б) модулятора; в) электронных усилителей (предварительного и оконечного).
  5.  Назначение отдельных элементов звеньев, указанных в п. 4.
  6.  Передаточная функция реверсивного двигателя, смысл коэффициентов уравнения двигателя.
  7.  Получение математического описания движения системы.
  8.  Каковы размерности коэффициентов передач отдельных звеньев системы?
  9.  Типы движения в системе.
  10.  Сущность алгебраических критериев устойчивости системы.
  11.  Физический смысл и последовательность определения критического коэффициента передачи системы.

VIII. ЛИТЕРАТУРА

  1.  Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматического регулирования», М, 2003, 750 с.
  2.  Соломенцев Ю.М. «Теория автоматического управления». М., издательство «Высшая школа», 2000 г.
  3.  Васильев Д.В., Гуич В.Г., «Системы автоматического управления». М., издательство «Высшая школа», 1967 г.
  4.  Бесекерский В.А., Герасимов А.Н. «Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления». М., издательство «Наука», 1972 г.
  5.  Харитонов В.И., Меша К.И., Драгунов С.С. Методические указания по выполнению курсовой работы по электронике для студентов, обучающихся по направлению 550200, 210100 и 210200. М., МГТУ «МАМИ», 2002 г.
  6.  Харитонов В.И., Сиротский А.А. Методические указания по выполнению дипломной работы для студентов, обучающихся по направлению 550200 «автоматизация и управление». Москва, МГТУ «МАМИ», 2000, 29 с.
  7.  Д.И. Агейкин и др. «Датчики контроля и регулирования». Москва, 1965 г.
  8.  Гинзбург С.А., Лехтман И.Я., Малов В.С. «Основы автоматики и телемеханики». М., Госэнергоиздат, 1965 г.


IX. СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ          3

II. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ       3

III. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ОТДЕЛЬНЫХ

БЛОКОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА  6

IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ И

АНАЛИЗ ЕЕ ДВИЖЕНИЯ       11

V. ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ        15

VI. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ     15

VII. КОНРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ       18

VIII. ЛИТЕРАТУРА         18

IX. СОДЕРЖАНИЕ         19


Методические указания по выполнению лабораторной работы «Исследование автоматической измерительной системы (потенциометра)» по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальностям 22020165, 22030165, 19020165, 15020465, 15020165, 15010165 и направлениям 22020062 и 15090062.

Подписано     Заказ     Тираж

Усл.п.л     Уч-изд.л.

Бумага типографская   Формат 60×90/16

Типография МГТУ «МАМИ» 105839, Москва, ул. Б. Семёновская, д.38.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62503. Древнерусская культура (устный журнал) 23.44 KB
  Что такое культура высказывания детей Что мы на уроке должны узнать Что значит духовная культура Объясните что значит материальная культура Чем отличается духовная культура от материальной...
62510. Вернись в сказку 24.37 KB
  Задачи: В игровой форме повторить тему Сказки. Какие бывают сказки по содержанию волшебные бытовые про животных 2. Кто создает сказки 9. Сколько букв в слове сказка На каждую из букв подберите название литературной сказки.
62511. Основні географічні закономірності. Зміна часу 63.73 KB
  Аналіз карти часових поясів з метою виявлення основних географічних закономірностей. Обладнання: карта часових поясів зошит для практичних робіт з друкованими основами. Як ви вважаєте яким є призначення карти часових поясів...