График 1 «Характеристика управления тахогенератора»

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

Институт энергетики и

автоматических систем

Кафедра «Автоматизированного

Электропривода и мехатроники»

Электропривод и автоматизация

промышленных установок

Отчет по лабораторным работам

по курсу «Элементы систем автоматики»

Выполнил: Ахряпин С.Н.

№ ст. билета 10.10.256

Проверил: Шохин В.В.

Магнитогорск

2014

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является экспериментальное изучение статических и динамических характеристик регуляторов, реализованных на интегральном операционном усилителе. Объектом исследования в лабораторной работе является интегральный операционный усилитель с различными комбинациями сопротивлений во входной цепи и цепи обратной связи усилителя.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии. Наибольшее применение получили ОУ интегрального исполнения, которые характеризуются следующими основными показателями:

- дифференциальный коэффициент

усиления в разомкнутом состоянии Куо=10³-10⁵;

- напряжение питания Uп = 6,3 - 15 В;

- сопротивление нагрузки Rн = 2 - 5 кОм;

- входное сопротивление Rвх > 1 кОм;

- выходное сопротивление Rвых = 0,2 - 1 кОм;

- полоса пропускания f = 1 МГц.

ОУ представляет собой сложный электронный прибор (функциональная схема представлена на рис.1,а), в котором можно выделить входной дифференциальный усилитель ДУ с инверсным (U1) и прямым (U2) входами, усилитель напряжения УН, реализующий высокий коэффициент усиления, и усилитель мощности УМ, который обеспечивает необходимую нагрузочную способность ОУ. К выделенным точкам К1, К2, К3 по мере необходимости подключают корректирующие цепочки, улучшающие работу ОУ. Условное графическое обозначение ОУ представлено на рис. 1,б,в. Входной дифференциальный каскад имеет инвертирующий вход, который обозначается знаком (-) или кружком, и не инвертирующий вход, который обозначается (+) или без кружка. При подаче входного напряжения на инвертирующий вход на выходе ОУ появляется напряжение противоположной полярности (инверсное) по отношению к полярности входного напряжения, при подаче напряжения на прямой вход изменения полярности выходного напряжения не происходит. Использование обоих входов ОУ расширяет возможности ОУ.

Формирование передаточных функций ОУ имеет свои особенности. На рис. 1.г приведена в общем виде схема включения ОУ. При выводе передаточной функции ОУ используют два правила:

1. Напряжения между входами близки к нулю, т. е. U1 = U2 =0.

2. Входные токи ОУ близки к нулю, т. е. Iвх1 = Iвх2 = 0.

Для инвертирующего входа ОУ можно записать следующие уравнения:

; ;

или

Из последнего уравнения можно получить зависимость потенциала инверсного входа:

(1)

Для прямого входа можно записать равенство:

(2)

где – полное сопротивление соответствующего участка цепи;

- ток, протекающий по ;

– напряжения на инвертирующем и прямом входах ОУ;

– входные напряжения ОУ по инверсному и прямому входам.

Из условия равенства получаем основное уравнение, связывающее выходное напряжение ОУ с входными:

(3)

Если в ОУ используется только инвертирующий вход, то из уравнения (3) вытекает, что

( 4 ),

где знак минус говорит об инверсии входного напряжения.

Тогда передаточная функция ОУ по инвертирующему входу будет иметь вид:

( 5 )

т.е. она зависит от соотношения сопротивлений в цепи обратной связи и входного.

Например, если в цепи обратной связи включен конденсатор C, т.е. , а во входной цепи ОУ – активное сопротивление R, т.е. , то согласно (5) получаем передаточную функцию

где – постоянная времени интегрирования, с.

Рассмотрим особенности передаточной функции по прямому входу ОУ. Пусть Z1 равно бесконечно большой величине и входное напряжение подается на прямой вход ОУ. Тогда из (3) получим

( 6 )

и передаточная функция по прямому входу Wп(p) примет вид:

(7)

Тогда при включении в цепь обратной связи ОУ конденсатора С ( ), а во входных цепях – резисторов передаточная функция ОУ согласно (7) примет вид:

где – постоянная дифференцирования, с;

– постоянная интегрирования, с;

– коэффициент усиления ОУ.

Т.е. в этом случае получаем не интегральный регулятор, как при управлении по инвертирующему входу, а пропорционально-интегральный.

Отметим, что для снижения дрейфа нуля ОУ желательно, чтобы эквивалентные проводимости для входов были бы равными, т.е.

Таким образом, изменяя схемы включения и комбинации сопротивлений входных и в цепях обратной связи, можно получить ОУ с заданной передаточной функцией.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Исследование пропорционального регулятора

3.1.1. На панели регуляторов собрать схему П-регулятора (рис. 2. а), величина емкости в цепи обратной связи ОУ должна быть равна нулю (Сос = 0).

3.1.2. Включить автоматы В1, В2, В3 и кнопки «цепи управления», «питание регуляторов».

3.1.3. Установить величину сопротивления в цепи обратной связи ОУ, равной 15 кОм (Rос = 15 кОм).

3.1.4. Изменяя напряжение на входе ОУ, зафиксировать величину выходного напряжения ОУ при различной полярности Uвх. Данные опыта занести в табл. 1.

3.1.5. Повторить опыт для Roc = 30 кОм и Roc = 7,5 кОм, при этом выходное напряжение ОУ не должно превышать 10 В. Построить на одном графике зависимости Uвых = f(Uвх) при Roc = 7.5 кОм, Roc = 15 кОм, Roc = 30 кОм, построить зависимость коэффициента усиления ОУ от величины Roc (K = f(Roc)).

Таблица 1. Характеристики П- регулятора

График №1 «Зависимость Uвых=f(Uвх) для П-регулятора»

3.1.6. Собрать схему П-регулятора с зоной нечувствительности (рис. 2.б). Повторить п. 3.1.4. Данные опыта занести в таблицу 2. Построить зависимость Uвых = f(Uвх).

3.1.7. Собрать схему П-регулятора с ограничением выходного напряжения (рис. 3.). Повторить п. 3.1.4. Данные опыта занести в таблицу 2. Построить зависимость Uвых = f(Uвх).

Таблица 2. Характеристики П – регулятора

График №2 «Зависимость Uвых=f(Uвх) для П-регулятора с зоной нечувствительности и с ограничением»

Вывод:П-регулятор: простой регулятор, используемый в САУ. Он усиливает входной сигнал в К-раз, К-коэффициент усиления, определяемый активным сопротивление в цепях обратной связи и сопротивлением на инверторном входе Rвх, К= Rос/Rвх. На выходе изменяется только амплитуда выходного сигнала ( на всем диапазоне частот), а фазовый сдвиг остается неизменным.

3.2. Исследование интегрального регулятора

3.2.1. Собрать схему И-регулятора согласно рис. 4. Выставить величину Roc = 0, Coc = 4 мкФ, Uвх = 1В. К выходу ОУ подключить осциллограф. Откалибровать осциллограф, определить масштабы по напряжению Мu и времени Мt. Тумблером скачком подать напряжение на вход ОУ (Uвх = 1 В). Заосциллографировать изменение во времени выходного напряжения ОУ Uвых = f(t). Данные опыта занести в табл. 4.

3.2.2. Повторить п. 3.2.1 для параметров Сос = 2 мкФ и Сос = 1 мкФ.

3.2.3. Обработать осциллограммы. Определить экспериментально постоянную времени интегрирования Ти, данные занести в табл. 4.

Таблица 4 Исследование И и ПИ – регуляторов

Mu	Mt	Roc	Rвх	Сос	Ти		К
В/см	с/см	кОм	кОм	мкФ	Расч	Экспер	Расч	Экспер
3	0,2	0	15	4	0,6	0,57	0	0
3	0,2	0	15	2	0,3	0,32	0	0
3	0,2	0	15	1	0,15	0,16	0	0
3	0,2	15	15	4	0,6	0,6	1	0,9
3	0,2	30	15	4	0,6	0,6	2	2,4
3	0,2	15	15	2	0,3	0,3	1	1,2
3	0,2	30	15	2	0,3	0,3	2	2,7

3.3 Исследование пропорционально-интегрального регулятора

3.3.1. Собрать схему ПИ-регулятора согласно рис. 4. Выставить величину Roc = 15 кОм, Coc = 4 мкФ, Uвх = 1В. Заосциллографировать изменение во времени выходного напряжения ОУ Uвых = f(t) при скачкообразном изменении Uвх. Данные опыта занести в табл. 4.

3.3.2. Повторить опыт п. 3.3.1 для:

Сос = 4 мкФ; Rос = 30 кОм;

Сос = 2 мкФ; Rос = 15 кОм;

Сос = 2 мкФ; Rос = 30 кОм.

3.3.3. Обработать осциллограммы, определить экспериментально К и Ти. Данные занести в табл. 4.

Вывод: интегральный регулятор, время Tu- определяется временем достижения выходного сигнала, значением изменения входного сигнала и отрезка T1/T2, T1= Rос * Сос, T2= Rвх * Coc. В зоне малых частот отношение амплитуды меняется от +∞ до 20 lgk, а фазный сдвиг равен -30 градусов. В зоне высоких частот отношение амплитуды не меняется и равно 20 lgk, а фазный сдвиг уменьшается до 0 градусов

3.4. Исследование апериодического регулятора

3.4.1. Собрать схему А-регулятора согласно рис. 5. Выставить величину Roc = 15 кОм, Coc = 4 мкФ, Uвх = 10 В. Заосциллографировать изменение во времени выходного напряжения ОУ Uвых = f(t) при скачкообразном изменении Uвх.

Данные опыта занести в табл. 5.

Таблица 5 Исследование А - регулятора

Mu	Mt	Roc	Rвх	Сос	Тф		К
В/см	с/см	кОм	кОм	мкФ	Расч	Экспер	Расч	Экспер
5	0,1	15	15	4	0,6	0,6	1	1
5	0,1	15	15	1	0,15	0,15	1	1
5	0,1	30	15	4	1,2	1,2	2	2
5	0,1	30	15	1	0,3	0,3	2	2

3.4.2. Повторить опыт п. 3.4.1 для Сос = 2 мкФ, Rос = 15 кОм.

3.4.3. Установить Uвх = 5 В и повторить опыт п. 3.4.1 для Сос = 4 мкФ, Rос = 30 кОм и Сос = 2 мкФ, Rос = 30 кОм.

3.4.4. Обработать осциллограммы, определить экспериментально коэффициент передачи К и постоянную фильтра Тф. Данные занести в табл. 5.

3.5. Исследование реального дифференцирующего регулятора

3.5.1. Собрать схему реального дифференцирующего регулятора согласно рис. 6.

3.5.2.Выставить величину Roc = 15 кОм, Coc = 0, Uвх=5В, Свх = 4 мкФ.

3.5.3.Заосциллографировать изменение во времени выходного напряжения ОУ Uвых = f(t) при скачкообразном изменении Uвх. Данные опыта занести в табл. 7.

3.5.4. Повторить опыт п. 3.5.3 для Rос = 30 кОм.

3.5.5. На вход дифференцирующего звена подключить задатчик интенсивности (ЗИ), выставить Uвх = 10 В, Rос = 15 кОм. Заосциллографировать изменение Uвых = f(t) для двух темпов изменения напряжения ЗИ (с перемычкой I и без перемычки I). Данные опыта занести в табл. 7.

Таблица 7. Исследование Д- регулятора

Мu	Мt	Roc	Свх	Rвх	Тд		Тф
в/см	с/см	кОм	мкФ	кОм	расч	экспер	Расч	Экспер
5	0,1	15	4	15	0,6	0,6	0,6	0,6
5	0,1	30	4	15	1,2	1,2	0,6	0,6
5	0,1	15	4	15	0,6	0,6	0,6	0,6
5	0,1	15	4	15	1,2	1,2	0,6	0,6

3.4.4. Обработать осциллограммы, определить экспериментально постоянную дифференцирования Тд и постоянную фильтра Тф. Данные опыта занести в табл. 7.

Вывод:реально дифференцирующий регулятор усиливает входной сигнал в момент подачи сигнала, а затем сбрасывает до 0 в момент сброса входного сигнала. В зоне низких частот отношение амплитуд меняется от -∞ до 20 lgk, после чего не меняется, а фазы меняются от 90 градусов (в зоне малых частот) до 0 градусов в зоне высоких частот.

Лабораторная работа №4

ДАТЧИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное исследование характеристик управления и изучение работы датчиков скорости, тока, напряжения и угла поворота.

УЧЕБНАЯ ЗАДАЧА

Выполнить экспериментальное снятие характеристик управления датчиков. Изучить их принцип работы. Определить передаточные коэффициенты.

ДАТЧИКИ

В системах автоматического управления электроприводами датчики применяют для преобразований контролируемой координаты в пропорциональный электрический сигнал (сигнал обратной связи в автоматизированном электроприводе). Обычно датчик носит название контролируемой координаты: датчик скорости, датчик угла поворота, датчик тока, датчик положения и т.д. По принципу действия датчики делятся на аналоговые, где измеряемая входная величина преобразуется и обрабатывается в аналоговой форме, и дискретные, где входная величина преобразуется в цифровую информацию.

В качестве датчиков скорости широко применяют тахогенераторы постоянного тока - электрические машины с независимым возбуждением или с постоянными магнитами. Входной координатой тахогенератора (ТГ) является угловая скорость вращения, выходной - напряжение U_вых, выделяемое на сопротивлении нагрузки. Величина U_вых пропорциональна скорости вращения вала ТГ, а полярность U_вых зависит от направления вращения вала. Существенным недостатком этих датчиков является наличие оборотных, коллекторных и зубцовых пульсаций в выходном напряжении ТГ, которые вносят искажения в сигнал обратной связи по скорости. Поэтому в ответственных электроприводах используют ТГ специального исполнения, например, серии ПТ. или переходят к цифровым датчикам скорости.

В датчиках угла поворота и положения часто используют сельсины - микромашины переменного тока, имеющие две обмотки: однофазную обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации. По конструктивному признаку сельсины разделяют на два основных типа: контактные и бесконтактные. Входной координатой датчика угла является угол поворота ротора сельсина (α), а выходные координаты - амплитуда U_вых или фаза φ выходного напряжения по отношению к переменному опорному напряжению. Различают амплитудный режим работы сельсина, когда φ =const, a U_вых = f(α), и режим фазовращателя, когда U_вых = const, α =f(φ ). Кроме сельсинов в качестве датчиков угла используют вращающиеся трансформаторы и индуктосины.

Типовыми датчиками электрических величин является датчики напряжения (ДН) и датчики тока (ДТ), которые кроме преобразования входной координаты в пропорциональное выходное напряжение выполняют гальваническое разделение силовых цепей от цепей управления. ДН и ДТ выполняет обычно по принципу "модуляция-демодуляция" с полосой пропускания до 2 кГц, с гальванической развязкой на напряжение до 1 кВ и точностью преобразования до 1%.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Собрать схему для экспериментального снятия характеристик управления датчиков в соответствии с рис.1.

Рис.1. Сема для исследования датчиков тока, напряжения, скорости

Рис.2. Исследование датчика угла и ФВУ

4.2. На вход тиристорного преобразователя ТП1 подать напряжение управления U_у положительной полярности от регулируемого потенциометра U_рег. Установить величина U_y = 0 ( ручку потенциоиетра вывести до отказа влево ). На вход логического переключающего устройства U_лпу ТП1 подать напряжение +15 В. Переключатель РИТ-РИН поставить в положение РИН (регулируемый источник напряжения). Выходное напряжение тахогенератора ТГ1 (U_тг1) подключить к вольтметру V8. Выходное напряжение датчика напряжения (U_дн) подключить к вольтметру V7.

4.3. Включить автоматы B1, B2, ВЗ. Включить кнопки «ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ» и «ПИТАНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ».

4.4. Изменяя напряжение управления на входе ТП1, снять характеристики управления тахогенератора и датчика напряжения. Выходное напряжение тахогенератора U_тг и датчика напряжения U_дн не должны превышать 10 В. Данные опыта занести в табл.1.

Таблица 1. Характеристики управления ТГ и ДН

n	об/мин	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1300	1500
ω	1/с	10,5	20,9	31,4	41,9	52,3	62,8	73,3	83,7	94,2	104,7	115,1	136,1	157
Uтг	В	0,8	1	1,8	2,5	3	4	5	5,2	6	6,5	7	8,5	10
Ud	В	5	10	20	30	40	50	60	70	80	85	90	100	120
Uдн	В	0,2	0,25	0,8	1	1,2	1,5	1,8	2	2,2	2,6	3	3,5	4

График 1 «Характеристика управления тахогенератора»

4.5. Установить величину U_у =0. После остановки двигателя переключить полярность U_у и напряжения на входе ЛПУ. Повторить опыт п.4.4 для другого направления вращения двигателя M1.

Таблица 2. Характеристики управления ТГ и ДН

n	об/мин	-200	-400	-800	-1000	-1300	-1500
ω	1/с	-20,9	-41,9	-83,7	-104,7	-136	-157
Uтг	В	-1,8	-3	-5,6	-7	-9	-10
Ud	В	-20	-40	-70	-90	-110	-120
Uдн	В	0,8	1,2	2,1	2,8	3,6	4

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 304; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!