1.5 Результаты работы и содержание отчета
Оформить в соответствии с фирменным стандартом подробный отчет с вычерчиванием собранных схем, таблиц и графиков полученных СХ, с вы-полнением пунктов 1.3.5 и 1.3.6 рабочего задания и написанием выводов.
1.6 Контрольные вопросы
1. Отличие динамических нелинейностей от статических.
2. Привести примеры нелинейных элементов с гладкой нелинейной, кусочно-линейной и кусочно-постоянной статической характеристикой.
3. Понятие существенной и несущественной нелинейностей.
4. Виды нелинейных звеньев и их статические характеристики.
5. Понятие однозначной и неоднозначной нелинейных характеристик.
6. Статические характеристики типовых однозначных нелинейностей.
7. Статические характеристики типовых неоднозначных нелинейностей.
8. Статические нелинейности релейного типа без гистерезиса.
9. Статические нелинейности релейного типа с гистерезисом.
10. Особые нелинейности.
11. Статические характеристики петлевых нелинейностей.
12. Несколько примеров нелинейных звеньев с гистерезисной характерис-тикой и области их применения.
13. Привести несколько примеров СХ непрерывных и релейных нелиней-ных звеньев.
14. Примеры простейших нелинейных элементов и их СХ.
15. Обычная линеаризация нелинейных функций.
16. Принципиальные отличия нелинейных систем от линейных.
17. Наиболее широко используемые методы исследования нелинейных САУ и их краткая характеристика.
18. Универсальные и неуниверсальные, аналитические и неаналитические методы исследования нелинейных систем.
2 Лабораторная работа. Автоматизированное исследование нелинейных звеньев
Цель работы: приобретение навыков автоматизации эксперименталь-ного исследования статических характеристик нелинейных звеньев.
Оборудование (см. рисунки 8 и 9): установленные в настольном стенде «Многоконтурные САУ» регулируемый стабилизированный двухполярный источник (ИВ) напряжения UИВ с встроенным стрелочным вольтметром; вы-полненные на резисторах и интегральных операционных усилителях пере-страиваемые нелинейные элементы; четырехканальный АЦП и настольный ПК с программным обеспечением, позволяющие измерять и регистрировать одновременно четыре сигнала с построением графиков их функциональных зависимостей, а также функциональный генератор DEGEM SYSTEM-141В1 для выработки напряжения UС в виде треугольных и синусоидальных сигна-лов. Для повышения стабильности амплитуды выходного напряжения в наз-ванном генераторе применены сложные замкнутые системы автоматической стабилизации.
Рисунок 8 - Функционально-принципиальная схема лабораторной установки для автоматизированного исследования однозначных нелинейностей
Рисунок 9 - Функционально-принципиальная схема лабораторной установки для автоматизированного исследования неоднозначных нелинейностей
Более подробное описание оборудования приведено в подразделе 1.1, а общие сведения об операционных усилителях даны в приложении А.
2.1 Краткие теоретические сведения
2.1.1 Автоматизация измерений.
Проблема автоматизации измерений была актуальной на протяжении многих лет и остается таковой в настоящее время [13]. Наиболее активный этап развития автоматизации измерений, начавшийся в 1970-е годы, связан с успехами в микроэлектронике, интенсивным внедрением цифровых средств измерения и радиоэлектронной аппаратуры, микропроцессоров и микро-ЭВМ. По степени участия человека в процессе автоматизации принято раз-личать частичную и полную автоматизацию. При частичной автоматизации, т. е. в автоматизированных системах, только часть измерительных операций выполняется без участия оператора. При полной автоматизации, т. е. в авто-матических системах, весь процесс измерения осуществляется без участия человека.
Основные направления автоматизации измерений связаны с необходи-мостью за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать зна-чительное число параметров и перерабатывать большие потоки информации. Успешное решение этих задач во многом зависит от взаимосвязанного разви-тия таких научных направлений, как информатика, измерительная и вычисли-тельная техника, автоматизация производственных процессов, новых техно-логий и др.
Автоматизация методов и средств измерений, процессов управления, хранения и анализа данных привела к созданию магистрально-модульных из-мерительно-вычислительных систем на основе компьютера.
Одним из достижений измерительной техники является использование в приборах встроенных микропроцессоров для управления, вычислений по определенному алгоритму.
Аналоговые приборы вытесняются многофункциональными цифровы-ми приборами, выполненными по современной интегральной технологии. Кроме визуальной индикации измерительной информации, цифровые прибо-ры имеют выход на ПК и принтер, тем самым расширяется непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений и сиг-нализацией при выходе за пределы нормы.
Наличие микропроцессоров дает возможность полностью автоматизи-ровать работу цифровых приборов, что повышает эффективность экспери-ментального исследования многих процессов и одновременно облегчает про-цесс измерения.
Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной тех-ники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измери-тельных систем от простейших до сложных структур, где ПК используют не только для обработки информации, но и для управления. Развитие этих сис-тем позволяет получать измерительную, контролирующую, диагностическую информацию за ограниченное время и при минимальном участии человека.
Сегодня экономически выгодны и настольные системы, построенные на малогабаритных компьютерах. Пользователь ПК создает гибкие многофунк-циональные настольные системы с возможностью подключения к сети.
2.1.2 Генераторы сигналов специальной формы.
Данные генераторы вырабатывают одиночные и периодические сигна-лы разнообразной формы [14, 15]: меандра, треугольной, трапецеидальной, пилообразной, синус-квадратной, колоколообразной, синусоидальной и др. Их применяют для настройки, испытаний, исследований устройств автомати-ки, вычислительной, измерительной, вибрационной техники, геофизической, биофизической, медицинской аппаратуры и др.
Простые и дешевые генераторы сигналов специальной формы выполня-ют на основе интеграторов с нелинейной обратной связью через какой-либо пороговый элемент с гистерезисом. Постоянное напряжение в процессе инте-грирования формируется в линейно изменяющееся напряжение, которое пос-ле определенного значения меняет знак. На выходе генератора формируется симметричное треугольное напряжение, которое затем можно преобразовать в сигнал другой формы. Такие генераторы обеспечивают ограниченный на-бор формируемых сигналов, имеют невысокую точность и стабильность.
Для формирования сигналов произвольной формы применяют функци-ональные генераторы, работающие на основе кусочно-линейного синтеза не-посредственно самого сигнала. В основе таких устройств лежит генератор ли-нейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), длительность и амплитуду кото-рого можно изменять [16].
Сигнал любой произвольной формы можно получить из серии элемен-тарных линейно изменяющихся сигналов. Из заранее заданного набора диск-ретных значений в цифровое запоминающее устройство вводятся параметры (длительность и амплитуда) каждого элементарного сигнала, в конце цикла формируется специальный сигнал возврата к началу, что позволяет получить исходное значение сигнала. Работой генератора управляет микропроцессор.
Генераторы с программным управлением обеспечивают работу по пре-дварительно записанной в памяти программе, дистанционное управление вы-ходным напряжением и частотой, запуск приборов синхроимпульсом и др.