[Росдистант] Теория автоматического управления (ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 1,2) Росдистант ТГУ

Вашему вниманию представлены лабораторные работы № 1,2 по учебному курсу "Теория автоматического управления"

Работы выполнены и оценены на высокий балл.

Лабораторная работа 1 «Усилители автоматики»»

по курсу «Теория автоматического управления»

Цели и задачи работы: провести обучающий физический эксперимент по изучению усилителей автоматики.

1. Порядок запуска виртуальной лабораторной работы (ВЛР)

1. Получите доступ к виртуальному рабочему столу. Инструкция по доступу прилагается к заданию в курсе.

2. Откройте на виртуальном рабочем столе папку «Лабораторные работы», выберите папку «ЕМАКЕТ», в ней запустите двойным щелчком программу eLabsClient.

3. В правой части экрана вы можете ознакомиться с руководством пользователя по интерфейсу программы.

4. В левой части экрана в списке доступных продуктов нажмите на блок «Промышленная автоматика», чтобы развернуть список, и кликните по названию работы «Усилители автоматики» для запуска. В появившемся окне нажмите кнопку «Запустить».

5. Подведите курсор к правому верхнему углу экрана – появится пиктограмма листка бумаги; это методическое пособие к лабораторной работе. Щелкните по ней, чтобы развернуть и ознакомиться. 

 Второй щелчок по этой пиктограмме свернет методическое пособие.

2. Управление ВЛР

В виртуальной лаборатории используются стандартные средства управления:

  Клавиши клавиатуры:

«W» – Перемещение вперед;

«S» – Перемещение назад;

«A» – Перемещение влево;

«D» – Перемещение вправо.

  Правая клавиша мыши

Для изменения направления взгляда (поворота головы) используется перемещение манипулятора «мышь» с нажатой правой клавишей.

Левая клавиша мыши

Для нажатия на объект, его перемещения, поворота и т. д. используется нажатие левой клавиши.

Для перемещения или вращения объекта необходимо выполнить нажатие на объекте левой клавишей и произвести перемещение манипулятора, не отпуская клавишу.

3. Краткая теория

Выходные сигналы датчиков и других элементов, как правило, очень слабые и не могут использоваться непосредственно для приведения в действие элементов систем автоматики. Выходная мощность датчиков в большинстве случаев составляет сотые, тысячные доли ватта, тогда как мощность, необходимая для управляющего органа, может достигать десятков и даже сотен киловатт. Поэтому в современных автоматических системах управления широко применяют усилительные элементы (усилители), которые нередко наряду с основным назначением усиливать мощность сигнала выполняют и функцию его преобразования в вид, более удобный для работы системы. 

 Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания, при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу.  

Усилители различают по выходной мощности, виду подводимой вспомогательной энергии, коэффициенту усиления, принципу действия, по форме характеристики, выражающей зависимость между выходной и входной величинами, и по ряду иных признаков. 

Для достижения таких значений необходимо включить последовательно несколько усилителей автоматики. 

Единицы измерения входных и выходных сигналов усилителей одинаковые. Ими могут быть единицы мощности (Вт; кВт), напряжения (В), тока (А), скорости (м/с), давления (Па), силы (Н) и т. д. Соответственно единицам измерения величин коэффициент усиления может быть назван коэффициентом усиления по току, напряжению, давлению, но основным считают коэффициент усиления по мощности. 

Коэффициент усиления усилителей достигает тысяч, сотен тысяч и даже более раз. В электрических усилителях различают усиление по мощности, напряжению и току. 

Коэффициент усиления по мощности в зависимости от принципа действия и конструкции усилителя может составлять от 1 до 〖10〗^7. 

Усилению могут подвергаться не только электрические параметры, но и другие входные величины (перемещение, скорость, усиление, давление и т. п.). Усилительный элемент совместно с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы называют усилительным каскадом. Если усиления сигнала одним каскадом недостаточно, применяют соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Поэтому различают однокаскадные и многокаскадные усилители, при этом в многокаскадном усилителе первый каскад от входа называется входным, а последний выходным. 

Электронные усилители (ЭУ) широко применяются в системах автоматики для предварительного усиления сигналов, получаемых от датчиков. Предварительная выходная мощность усилителей на превышает 100 Вт (ватт). К ним относятся усилители постоянного и переменного тока: ламповые, полупроводниковые, операционные, электромашинные, электромеханические и магнитные. 

Полупроводниковые усилители характеризуются незначительной мощностью потребления, достаточной надежностью, высоким быстродействием, сравнительно большим коэффициентом усиления, малыми размерами и поэтому вытеснили ламповые усилители из многих сфер применения. Они могут работать на постоянном и переменном токе. По способу включения полупроводниковых триодов эти усилители делятся на три основных вида: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером. 

Тиристорный усилитель. В качестве его основного усиливающего элемента используется тиристор, который в зависимости от числа выводов и назначения называется динистором, тринистором и семистором.

Динистор – это тиристор с двумя выводами. Для его включения необходимо, чтобы напряжение на нем превысило так называемое напряжение включения. Отключение динисторов происходит при снятии напряжения питания или уменьшении тока нагрузки до уровня тока выключения.  

Тринистор – это тиристор с тремя выводами. Он включается при подаче напряжения включения или тока управления I_y на специальный управляющий электрод. Тринистор включается током управления I_y, сдвинутым по фазе относительно тока нагрузки I_H, с помощью специального фазосдвигающего устройства (ФСУ). 

Отключение тринистора происходит при изменении полярности его напряжения питания или уменьшении тока нагрузки I_H до значения тока выключения. При питании тринистора переменным током напряжение питания в течение каждого полупериода проходит через нуль, что создает естественные условия для отключения тиристора. 

Семистор – это тиристор с четырьмя выводами. В нем предусмотрена возможность управлять переключением цепи переменного тока в течение положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения. Магнитный усилитель представляет собой электромагнитный аппарат, принцип действия которого основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой переменного тока от подмагничивающего действия постоянного тока. 

Чем больше постоянный ток в обмотке управления, тем сильнее магнитный поток, создаваемый обмоткой управления, а следовательно, тем выше насыщение сердечника. При этом магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к снижению индуктивности рабочих обмоток, падению их реактивного сопротивления и увеличению тока нагрузки. Таким образом, незначительные изменения постоянного тока управления в подмагничивающей обмотке вызывают весьма существенные изменения переменного тока в рабочей обмотке. В этом и заключается эффект усиления магнитного усилителя. Характеристика магнитного усилителя – это зависимость тока нагрузки от подмагничивающего постоянного тока. 

Преимущества магнитных усилителей: простое устройство, высокие коэффициент усиления, КПД, надежность и большой срок службы, отсутствие подвижных частей, нечувствительность к температуре, ударам и вибрационным нагрузкам. 

К недостаткам усилителей относятся большие габаритные размеры, масса и инерционность. Из-за больших постоянных времени они применимы только для усиления низкочастотных сигналов. 

Гидравлические и пневматические усилители применяют в автоматических системах для усиления сигналов по мощности. Принципиальные схемы таких усилителей практически не отличаются одна от другой. Если в гидравлических усилителях перемещение исполнительного органа происходит под действием жидкости, поступающей от специального насоса, то в пневматической рабочей среде является воздух, нагнетаемый специальным компрессором. В сельском хозяйстве гидравлические усилители используют чаще, чем пневматические (например, в гидравлическом оборудовании автомобилей, тракторов, комбайнов, при управлении навесными машинами и др.). Различают два класса гидравлических усилителей: дроссельные и струйные.

4. Лабораторное оборудование

 Рис. 1. Лабораторное оборудование

1. Генератор сигнала.

2. Лабораторный блок питания.

3. Усилитель на NPN транзисторе.

4. Усилитель на полевом транзисторе.

5–6. Осциллограф.

5. Порядок выполнения работы

1. Изучите лабораторное оборудование и схему подключения. Генератор сигнала подключен к усилителю на NPN транзисторе (база) и к усилителю на полевом транзисторе. Лабораторный блок питания также подключен к двум усилителям (коллектор). Осциллографы подключены к выходам транзисторов (эмиттер).

2. Установите необходимое напряжение на лабораторном блоке питания (например, 10 В) при помощи поворота регулятора (C).

3. После автонастройки осциллографов зафиксируйте показания напряжения на экранах осциллографов.  

4. Установите напряжение выходного сигнала генератора при помощи переключателя (B).

5. После автонастройки осциллографов зафиксируйте показания напряжения на экранах осциллографов.

6. Установите необходимую частоту сигнала генератора при помощи переключателя (A).

7. После автонастройки осциллографов зафиксируйте показания напряжения на экранах осциллографов.

8. Повторите измерения для трех вариантов частоты сигнала генератора, напряжения блока питания и напряжения сигнала генератора.

9. Сформулируйте особенности работы NPN и полевого транзистора, найдите отличия.

6. Структура отчета по проделанной работе

Титульный лист (стандартный, прикреплен в курсе).

Цель и задачи работы.

Схема установки и используемое оборудование.

Таблица фиксируемых значений.

Частота сигнала генератора, Hz 

Напряжение сигнала генератора, Hz Напряжение блока питания, В Напряжение на выходе NPN транзистора, В Напряжение на выходе полевого транзистора, В Частоты на выходе NPN и полевого транзистора, Hz 

Коэффициент усиления для одного любого эксперимента из таблицы.

Особенности работы NPN и полевого транзистора, найденные отличия. 

Выводы по проделанной работе согласно цели и поставленным задачам.

Письменные ответы на контрольные вопросы:

Что такое гидравлические усилители?

Что такое пневматические усилители?

Что такое магнитный усилитель?

Что такое полупроводниковые усилители?

Что такое полевой транзистор?

Что такое NPN- и PNP-транзистор?

Что такое коэффициент усиления по мощности?

Лабораторная работа 2 «Элементы автоматических устройств»»

по курсу «Теория автоматического управления»

Цели и задачи работы: провести обучающий физический эксперимент по изучению элементов автоматических устройств.

1. Порядок запуска виртуальной лабораторной работы (ВЛР)

1. Получите доступ к виртуальному рабочему столу. Инструкция по доступу прилагается к заданию в курсе.

2. Откройте на виртуальном рабочем столе папку «Лабораторные работы», выберите папку «ЕМАКЕТ», в ней запустите двойным щелчком программу eLabsClient.

3. В правой части экрана вы можете ознакомиться с руководством пользователя по интерфейсу программы.

4. В левой части экрана в списке доступных продуктов нажмите на блок «Промышленная автоматика», чтобы развернуть список, и кликните по названию работы «Элементы автоматических устройств» для запуска. В появившемся окне нажмите кнопку «Запустить».

5. Подведите курсор к правому верхнему углу экрана – появится пиктограмма листка бумаги; это методическое пособие к лабораторной работе. Щелкните по ней, чтобы развернуть и ознакомиться. 

 Второй щелчок по этой пиктограмме свернет методическое пособие.

2. Управление ВЛР

В виртуальной лаборатории используются стандартные средства управления:

  Клавиши клавиатуры:

«W» – Перемещение вперед;

«S» – Перемещение назад;

«A» – Перемещение влево;

«D» – Перемещение вправо.

  Правая клавиша мыши

Для изменения направления взгляда (поворота головы) используется перемещение манипулятора «мышь» с нажатой правой клавишей.

Левая клавиша мыши

Для нажатия на объект, его перемещения, поворота и т. д. используется нажатие левой клавиши.

Для перемещения или вращения объекта необходимо выполнить нажатие на объекте левой клавишей и произвести перемещение манипулятора, не отпуская клавишу.

3. Краткая теория

Любая автоматическая система состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определенные функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами или средствами автоматики. С точки зрения функциональных задач, выполняемых элементами в системе, их можно разделить на воспринимающие, задающие, сравнивающие, преобразующие, исполнительные и корректирующие.

Воспринимающие элементы, или первичные преобразователи (датчики), измеряют управляемые величины технологических процессов и преобразовывают их из одной физической формы в другую (например, термоэлектрический термометр преобразует разность температур в термоЭДС). 

Задающие элементы автоматики (элементы настройки) служат для задания требуемого значения регулируемой величины Х_0. Именно этому значению должно соответствовать ее действительное значение. Примеры задающих устройств: механические задатчики, электрические задатчики, например, резисторы с переменным сопротивлением, переменные индуктивности и переключатели. 

Сравнивающие элементы автоматики сопоставляют заданное значение управляемой величины Х_0 с действительным значением X. Получаемый на выходе сравнивающего элемента сигнал рассогласования ΔХ =〖 Х〗_0-X передается либо через усилитель, либо непосредственно на исполнительный элемент.

Преобразующие элементы осуществляют необходимые преобразования сигнала и его усиление в магнитных, электронных, полупроводниковых и других усилителях, когда мощность сигналов недостаточна для дальнейшего использования.

Исполнительные элементы создают управляющие воздействия на объект управления. Они изменяют количество энергии или вещества, подводимой к объекту управления или отводимой от него, для того чтобы управляемая величина соответствовала заданному значению.

Корректирующие элементы служат для улучшения качества процесса управления. 

Кроме основных элементов в автоматических системах имеются и вспомогательные, к числу которых относятся переключающие устройства и элементы защиты, резисторы, конденсаторы и аппаратура сигнализации. 

Все элементы автоматики независимо от их назначения обладают определенной совокупностью характеристик и параметров, которые определяют их эксплуатационные и технологические особенности. 

Основной из главных характеристик является статическая характеристика элемента. Она представляет собой зависимость выходной величины Х_вых от входной Х_вх в установившемся режиме, т. е. Х_вых = f(Х_вх). В зависимости от влияния знака входной величины различают нереверсивные (когда знак выходной величины во всем диапазоне изменения остается постоянным) и реверсивные статические характеристики (когда изменение знака входной величины приводит к изменению знака выходной величины). 

Динамическая характеристика используется для оценки работы элемента в динамическом режиме, т. е. при быстрых изменениях входной величины. Ее задают переходной характеристикой, передаточной функцией, частотными характеристиками. Переходная характеристика представляет собой зависимость выходной величины Х_вых от времени t: Х_вых = f (t) – при скачкообразном изменении входного сигнала Х_вх. 

Коэффициент передачи можно определить по статической характеристике элемента. Различают три вида коэффициентов передачи: статический, динамический (дифференциальный) и относительный. 

Статический коэффициент передачи K_ст представляет собой отношение выходной величины Х_вых к входной Х_вх, т. е. K_ст = Х_вых/Х_вх. Коэффициент передачи иногда называют коэффициентом преобразования. Применительно к конкретным конструктивным элементам статический коэффициент передачи называют также коэффициентом усиления (в усилителях), коэффициентом редукции (в редукторах), коэффициентом трансформации (в трансформаторах) и т. д. 

Для элементов с нелинейной характеристикой используют динамический (дифференциальный) коэффициент передачи K_д, т. е. K_д = ΔХ_вых/ΔХвх. Относительный коэффициент передачи K_от равен отношению относительного изменения выходной величины элемента ΔХ_вых/Х_(вых.н) к относительному изменению входной величины ΔХ_вх/Х_(вх.н), K_от = (ΔХ_вых/Х_(вых.н))/ΔХ_вх/Х_(вх.н), где Х_(вых.н) и Х_(вх.н) – номинальные значения выходной и входной величин. Этот коэффициент является безразмерной величиной и удобен при сравнении элементов, различных по конструкции и принципу действия.  

 Порог чувствительности – наименьшее значение входной величины, при которой происходит заметное изменение выходной величины. Он вызывается наличием в конструкциях элементов трения без смазывающих материалов, зазоров и люфтов в соединениях. 

Особенностью автоматических замкнутых систем, в которых используется принцип управления по отклонению, является наличие обратной связи. Принцип действия обратной связи рассмотрим на примере системы управления температурой электрической нагревательной печи. Чтобы поддерживать температуру в заданных пределах, поступающее на объект управляющее воздействие, т. е. напряжение, подводимое к нагревательным элементам, формируется с учетом значения температуры. 

При помощи первичного преобразователя температуры выход системы соединяется с ее входом. Такое соединение, т. е. канал, информация по которому передается в обратном направлении по сравнению с управляющим воздействием, называют обратной связью. 

Обратная связь бывает положительной и отрицательной, жесткой и гибкой, главной и дополнительной. 

Положительной обратной связью называют связь, когда совпадают знаки воздействия обратной связи и задающего воздействия. В противном случае обратную связь называют отрицательной. 

Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т. е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном режиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величины по времени. У гибкой обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени. 

Главная обратная связь соединяет выход системы управления с ее входом, т. е. связывает управляемую величину с задающим устройством. Остальные обратные связи считают дополнительными, или местными. Дополнительные обратные связи передают сигнал воздействия с выхода какого-либо звена системы на вход любого предыдущего звена. Они используются для улучшения свойств и характеристик отдельных элементов. 

В качестве примера элемента автоматических устройств рассмотрим датчик GPS и протокол NMEA. NMEA – это формат передачи сообщений между корабельными приборами. Он включает в себя систему сообщений для обмена информацией между навигационными GPS-приемниками и потребителями навигационной информации. Все команды и сообщения передаются в текстовом ASCII виде, относящиеся к GPS-приемникам начинаются с $GP, в конце строки сообщения должны быть символы <CR><LF>. В последнем поле сообщения может быть указана контрольная сумма текущего сообщения, начинающаяся с разделителя *. Контрольная сумма 8-битная (исключающая ИЛИ) всех символов сообщения, включая пробелы, расположенные между разделителями $ и *, не включая последние. Шестнадцатеричный результат переводится в два ASCII символа (0-9, A-F).  

Содержание некоторых сообщений протокола NMEA версии 2.1. 

$GPGGA. Сообщение содержит GPS данные о местоположении, времени местоопределения, качестве данных, количестве использованных спутников, HDOP (фактор ухудшения точности плановых координат), информацию о дифференциальных поправках и их возраст.

$GPGLL. Сообщение содержит GPS-данные о географической широте, долготе и времени определения координат.

$GPGSA. В этом сообщении отображается режим работы GPS-приемника, параметры спутников, используемых при решении навигационной задачи, результаты которой отображены в сообщении $GPGGA, и значения факторов точности определения координат.

$GPGSV. В сообщении указывается количество видимых спутников, их номера, возвышение, азимут и значение отношения сигнал/шум для каждого из них.

$GPRMC. Сообщение RMC содержит данные о времени, местоположении, курсе и скорости, передаваемые навигационным GPS-приемником. Контрольная сумма обязательна для этого сообщения, интервалы передачи не должны превышать двух секунд. Все поля данных должны быть подготовлены, пока еще нет самих данных. Недействительные поля могут быть использованы, пока данные временно не готовы.

$GPVTG. Сообщение VTG передает текущее истинное направление курса (COG) и скорость относительно земли (SOG).

$GPZDA. Сообщение ZDA содержит информацию о времени по UTC, календарный день, месяц, год и локальный часовой пояс. 

Таблица 1

Параметры сообщения $GPGGA

GGA – GPS-данные о местоположении  

Пример сообщения:  

$GPGGA, 004241.47, 5532.8492, N, 03729.0987, E, 1, 04, 2.0, –0015, M,,,,*31

1 Гринвичское время на момент определения местоположения hhmmss.ss

2 Географическая широта местоположения 1111.11

3 Север/Юг a

4 Географическая долгота местоположения yyyyy.yy

5 Запад/Восток (E/W) a

6 Индикатор качества GPS сигнала. 0 = Определение местоположения не возможно; >1 – возможно определение местоположения x

7 Количество используемых спутников (00–12, может отличаться от числа видимых) xx

8 Фактор ухудшения точности плановых координат (HDOP) x.x

9 Высота антенны приемника над/ниже уровня моря xxx

10 Единица измерения высоты расположения антенны, метры M

11 Геоидальное различие – различие между земным эллипсоидом WGS-84 и уровнем моря (геоидом), ”–” = уровень моря ниже эллипсоида x.x

12 Единица измерения различия, метры M

13 Возраст дифференциальных данных GPS – время в секундах с момента последнего SC104 типа 1 или 9 обновления, заполнено нулями, если дифференциальный режим не используется 1111.11

14 Идентификатор станции, передающей дифференциальные поправки, ID, 0000-1023 1111.11

15 Контрольная сумма строки xxxx*hh

4. Лабораторное оборудование

 Рис. 1. Лабораторное оборудование

Автоматический пневмоклапан.

Соленоид – гидроклапан.

Управление сервоприводом.

4–6. Шаговый двигатель, контроллер шагового двигателя и типовой механизм применения шагового двигателя.

Сервопривод.

Линейный актуатор.

Датчик момента (Rotary Torque Sensor).

Датчик механической нагрузки (Tension link load cell).

Поворотный датчик Холла для определения угла (Hall Effect Rotary Sensor).

Инфракрасный датчик температуры (Pyroelectric Infrared Sensor).

Датчик силы тока (датчик Холла).

Датчик GPS;

Лог датчика GPS по протоколу NMEA.

Окно информации.

5. Порядок выполнения работы

1. Нажмите на нужное устройство и ознакомьтесь с его названием и назначением.

2. Изучите лог датчика GPS по протоколу NMEA и определите координаты датчика. 

3. Изучите лог датчика GPS по протоколу NMEA и определите количество используемых датчиком спутников.

6. Структура отчета по проделанной работе

Титульный лист (стандартный, прикреплен в курсе).

Цель и задачи работы.

Схема установки и используемое оборудование.

Координаты датчика GPS.

Количество используемых датчиком GPS спутников

Выводы по проделанной работе согласно цели и поставленным задачам.

Письменные ответы на контрольные вопросы:

Что такое автоматическая система?

Что такое воспринимающие элементы?

Что такое задающие элементы автоматики?

Что такое сравнивающие элементы?

Что такое коэффициент передачи?

Что такое статический коэффициент передачи?

Что такое коэффициент усиления по мощности?

Что такое обратная связь?

Что такое порог чувствительности?

Что такое положительная обратная связь?