Lab#1 TAU_ред вер 052_met79 (Лабораторная работа №1), страница 2

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).

Рис. 5

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; i – ток якоря;

L_я и R_я – 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

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

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):

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