3dok_toa / Лабораторні роботи / Методичка 1 семестр 2011

1

ПРАВИЛА ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

УЛАБОРАТОРІЇ "ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ АВТОМАТИКИ"

1.Лабораторні роботи починаються й кінчаються у встановлений розкладом час. Вхід у лабораторію після початку занять не дозволяється.

2.При виконанні лабораторних робіт студентам забороняється відволікатися від виконання своєї основної роботи, безцільно ходити по лабораторії, самостійно брати, переносити й включати прилади, що не належать до виконання лабораторної роботи, захаращувати й засмічувати робочі місця.

3.Входити в лабораторію й виходити з її дозволяється тільки під час перерв і після закінчення занять. Якщо при знятті характеристик не можна робити перерву, виходити з лабораторії можна тільки з дозволу викладача.

4.Не можна залишати без спостереження включені установки.

5.Забороняється перебувати в лабораторії й виконувати лабораторні роботи в теплому верхньому одязі й головних уборах.

6.Забороняється захаращувати лабораторні столи сторонніми предметами, особисті речі - сумки, книги та інше - повинні бути складені на вільних столах або стільцях.

7.Викладач завчасно повідомляє студентам теми робіт на найближчі лабораторні заняття. До приходу в лабораторію кожний студент повинен виконати індивідуальне завдання й підготуватися до лабораторної роботи.

8.Лабораторні роботи виконуються бригадами по 2-3 чоловіка. Запис і обробка результатів дослідів повинні провадитися кожним студентом індивідуально.

9.Результати експериментів заносяться в заздалегідь складені таблиці. Після закінчення роботи (або частини її) таблиці й графіки представляються викладачеві для перевірки.

10.Після закінчення роботи студенти виключають установки, упорядковують робоче місце й здають його викладачеві або лаборантові.

11.Категорично забороняється без дозволу викладача або лаборанта виносити

злабораторії устаткування, прилади, методичні вказівки й інше лабораторне майно.

12.Оформлення виконаних лабораторних робіт повинне провадитися строго відповідно до методичних вказівок на стандартних машинописних аркушах або в зошиті. Схеми й графіки можна креслити олівцем, але обов'язково із застосуванням лінійки, циркуля, лекал, а не від руки. Всі умовні позначки повинні відповідати ДОСТу і виконуватися за правилами ЕСКД. Особлива увага повинна бути приділена виводам по роботі. Тут повинні бути узагальнені дані експериментів, даний критичний аналіз отриманих результатів, наведені особисті міркування за методикою проведення експериментів, по обґрунтуванню отриманих результатів, по оцінці погрішностей виміру та інше.

13.Кожний студент до наступного заняття повинен представити викладачеві окремий звіт по виконаній роботі. Студент, що не оформив звіти і не захистив їх по 3 роботам без поважної причини, до наступних робіт не допускається.

14.За псування лабораторного майна студент несе матеріальну відповідаль-

ність.

2

ПРАВИЛА ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ ПРИ ВИКОНАННІ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

При виконанні лабораторних робіт студенти зобов'язані пам'ятати про можливості поразки електричним струмом і необхідності дотримання правил техніки безпеки. Невиконання правил техніки безпеки, необережне поводження з апаратурою, неуважність і, як наслідок, випадковий дотик до струмоведучих частин схеми, можуть повести за собою нещасні випадки. Тому при роботі в лабораторії необхідно дотримувати особливої обережності й строго виконувати правила техніки безпеки.

1.Перед початком лабораторних робіт прослухати інструктаж викладача про правила техніки безпеки на робочому місці й розписатися в спеціальному журналі.

2.Лабораторні роботи в лабораторії "Теоретичні основи автоматики" виготовлені у вигляді окремих настільних приладів.

3.Приєднання установок до мережі напругою 380 В (220 В) виконується спеціалізованими вилками. Кожний стенд має світлову сигналізацію й на кожному стенді встановлений індивідуальний плавкий запобіжник.

4.Перед включенням установки зовнішнім оглядом переконатися в цілісності установки, сполучних проводів, приладів. Всі тумблери повинні перебувати в положенні "Виключене".

5.Включити вилку в розетку, якщо вона не була включена заздалегідь. Включити тумблер "Мережа" на передній панелі установки.

6.Щоб уникнути нещасних випадків категорично забороняється: знімати кришку й розбирати автоматичний вимикач, трифазну й однофазну розетки; приєднувати прилади, установки та інше до мережі за допомогою тимчасових з'єднань або оголених проводів; застосовувати дроти з ушкодженою ізоляцією; підключати прилади до мережі без зняття напруги; працювати на несправних установках; залишати без спостереження включені установки; розташовувати зошити при записі показань на вимірювальних приладах і установках; захаращувати робочі столи сторонніми предметами; торкатися руками або якими-небудь предметами обертових частин електричних машин або робити їхнє гальмування.

7.При перегорянні запобіжника або спрацьовуванні автоматичного вимикача студенти за допомогою викладача усувають причину виникнення перевантаження або короткого замикання й знову включають установку під спостереженням викладача.

8.При нещасному випадку негайно надати першу допомогу потерпілому. Аптечки швидкої допомоги перебувають у лабораторії та на кафедрі (ауд. 1.312). Якщо буде потреба, викликати швидку допомогу по телефону 103.

9.У випадку пожежі негайно виключити автомат і рубильник. Вжити заходів до ліквідації загоряння, а якщо буде потреба викликати пожежну команду по телефоні 101.

10.Виклики швидкої допомоги й пожежної команди робити через чергового 1-го навчального корпусу корпуса або секретаря кафедри.

11.Після закінчення експерименту ручки керування й перемикачі поставити у вихідне положення, тумблером "мережа" виключити установку. Виключити автоматичний вимикач. Робоче місце повинне бути приведене в порядок.

3

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 01

ДОСЛІДЖЕННЯ ТИМЧАСОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛІНІЙНИХ ДИНАМІЧНИХ ЛАНОК

Мета роботи - вивчення тимчасових характеристик типових динамічних ланок і придбання практичних навичок визначення параметрів передатних функцій, цих ланок, по отриманих експериментальних перехідних характеристиках.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ДАННІ

Робота проводиться на комп'ютерах з використанням програми "SamSim" (Додаток В). Динамічні властивості систем автоматичного управління і їхніх ланок можуть бути однозначно визначені тимчасовими характеристиками: перехідною і імпульсною. Для одержання зазначених характеристик на вхід ланки подають визначеного виду вплив x(t) і досліджують реакцію ланки y(t) на цей вплив.

Динамічні властивості ланки аналізуються за допомогою вхідного стрибкоподібного сигналу (східчастий вплив). Реакцію аналізованої ланки системи, на одиничний східчастий вплив l(t), у математичній формі описує, так звана, перехідна функція або її графічне представлення - перехідна характеристика h(t). Реакцію об'єкта на цей вплив іноді називають кривою розгону, що відрізняється від перехідної кривої лише масштабом.

Для порівняння перехідних функцій використається стандартний вхідний сигнал - одиничний стрибок, що визначається як зміна вхідної величини в повному діапазоні зміни (для відносного відхилення - на одиницю l(t)).

До прикладеного цього впливу ланка або система перебуває в стані спокою. Передбачається, що одиниця має ту ж розмірність, що й фізична змінна на вході ланки, системи. У реальних умовах подібний вплив відповідає швидкому включенню сигналу, що задає. Основою класифікації елементарних ланок є їхні динамічні характеристики. Функціональні блоки різної фізичної природи можуть бути представлені у вигляді однакових динамічних ланок, якщо їхні динамічні властивості описуються однаковими диференціальними рівняннями (не вище другого порядку).

Залежно від властивостей, усі ланки можна розбити на три групи: статичні (пропорційні), ланки що диференціюють і інтегрують.

У таблиці (Додаток А) наведені відповідні диференціальні рівняння, передатні функції й перехідні характеристики елементарних ланок.

Безінерційна ланка передає сигнал без перекручування й зрушення в часі, але змінений у К раз. Необхідно відзначити, що реальні ланки можуть бути віднесені до даного типу умовно, тому що мають інерційність. Однак, перехідний процес у деяких елементах протікає за час зневажливо мале в порівнянні із часом перехідного процесу системи в цілому, а тому не роблять на нього впливу. Динамічний параметр К називають коефіцієнтом підсилення. Перехідна характеристика повторює східчастий вплив l(t) збільшене в К раз (при К > 1).

4

Ланка, що інтегрує. Часто рівняння інтегруючої ланки записують у вигляді dy/dx = Kx, тобто швидкість зміни вихідної величини пропорційна вхідний. У результаті рішення цього рівняння при одиничному сигналі на вході y = Ktl(t), що графічно зображується у вигляді похилої лінії, що переходить через початок координат. Коефіцієнт передачі цієї ланки:

Аперіодична (інерційна) ланка. Динамічні властивості визначаються значеннями двох величин К і Т. К- коефіцієнт передачі (посилення) ланки; Т - постійна часу. Вихідна величина ланки в перехідному режимі з деякою кінцевою швидкістю обумовленою величиною Т випливає за зміною вхідної величини. Тому їх називають інерційними. Сигнал на вході ланки наростає по експоненті, тому ланку називають аперіодичною. При t сигнал досягає стале значення hСТ. Приблизно величина постійної часу Т може бути визначена по перехідній характеристиці як час, за яке вихідний сигнал досягає значення 0,63hСТ, тому що при t = T

де К = hСТ при одиночної дії.

Постійна часу Т визначається по перехідної характеристиці як величина проекції на вісь часу t відрізка, що відтинає на горизонтальній прямій, проведеної на рівні hСТ вертикально, що проходить через довільно обрану крапку експоненти й дотичній, відновленої в цій крапці. Для експериментально отриманої перехідної характеристики провівши дотичну в крапці 0, можна визначити постійну часу ланки. Ця дотична на рівні hСТ = К відітне відрізок рівний Т. За час t = T вихідна величина досягне значення 0,63 hСТ. Прийнято вважати, перехідний процес закінчується, якщо вихідна величина досягає сталого значення з погрішністю 5%. Це відповідає тривалості перехідного процесу tПР = 3Т. Такі ланки в САУ зустрічаються дуже часто, зокрема, більшість об'єктів регулювання.

Коливальна ланка ставиться до ланок другого порядку. Параметр називають коефіцієнтом коливальності (ступенем загасання) ланки. Динамічні властивості ланки другого порядку залежать від корнів характеристичного рівняння:

Ланка буде аперіодичною другого порядку, якщо корінь речові; коливальною, якщо корні комплексні. Корні характеристичного рівняння визначаються:

звідки видно, що комплексні корні можуть бути отримані при виконанні умови 0 < < 1. Наявність сполучених комплексних корінь є обов'язковою умовою коливального режиму, що видний з перехідної характеристики, тобто перехідний процес являє собою загасаючі коливання щодо сталого значення hСТ. Для коливальної ланки коефіцієнт передачі визначається за сталим значенням перехідної характеристики К = hСТ. Постійна часу й коефіцієнт демпфірування , знаходяться із рівнянь:

5

де Тк - період коливань; h1 і h2 - амплітуди двох сусідніх полу коливань одного знаку відносно сталого значення (табл. 1).

Якщо визначено перерегулювання

то коефіцієнт демпфірування може бути розраховано за виразом:

або визначено за графіком залежності ^ %, який показано на рис. 1.

Ланка, яка диференціює. В ідеальній ланці, що диференціює, вихідна величина пропорційна похідній від вхідної:

Рисунок 1 – Графічний метод визначення коефіцієнт демпфірування

Передатна функція ланки

Коефіцієнт Кд має розмірність часу Тд (постійна диференціювання). Ідеальною ланкою, що диференціює може бути звичайний тахогенератор постійного струму (ЕПС тахогенератору пропорційна кутовій швидкості обертання валу), операційний підсилювач в режимі диференціювання. В реальних ланках, що диференціюють є інерційність. Перехідна характеристика є експоненціальною кривою, яка має в мо-

мент часу t = 0 значення . Постійна часу Т визначається за правилами визначення

постійної часу аперіодичної ланки, а також визначається постійна диференціювання

КД.

Аперіодична нестійка ланка описується рівнянням:

6

Перехідна характеристика в цій ланці має розбіжний характер:

Ланка, яка затримує. Передатна функція ланки:

де Т - час чистого запізнювання.

Ця ланка передає сигнал без перекручення, але зрушеним в часі на величину Т. Перехідна характеристика ланки:

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.Запустити на комп'ютері програму SamSim.

2.Скласти з типових блоків, які представлені у бібліотеці елементів програми, досліджувану модель (відповідно завдання), у вигляді структури (рис. 2, а). Як джерело сигналу обрати генератор східчастого сигналу. Провести досліди з пропорційною ланкою, ланкою, що інтегрує,аперіодичною ланкою 1 порядку, коливальною ланкою.

б) схема досліду з елементарною ланкою, що інтегрує для зміни К та Т; в) схема досліду АЧХ ланки

3. Задати чисельні значення параметрів досліджуваних ланок К, Т і d згідно завдання (таблиця 2).

Таблиця 2 – Варіанти завдань

4. Одержати перехідну характеристику ланки при заданих параметрах ланки за

7

варіантом і генератора одиничного східчастого впливу (ГОСВ) (для отримання характеристик потрібно встановити контрольні точки на виходах елементів).

5.Для заданої елементарної ланки (за вибором викладача) проаналізувати вплив параметрів К і Т на перехідну характеристику змінюючи Т у 2 або 4 рази при постійному значенні К і змінюючи К у 10 разів при постійному значенні Т. Результати аналізу у вигляді графіків і таблиці показати у звіті (для наочності можна зібрати схему , яка представлена на рисунку 2, б).

6.Побудувати АЧХ заданої ланки (аперіодична 2 – го порядку або коливальна) згідно рисунку 2, в. В вікні властивостей ГКЧ встановити максимальну частоту 100 Гц, обрати напівлогарифмічний масштаб та обрати АЧХ.

ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт повинний мати:

1.Тему і мету лабораторної роботи.

2.Стислі теоретичні дані по даній темі.

3.Схеми дослідів.

4. Представити передатні функції елементарних ланок, графіки й таблиці перехідних характеристик. На графіках показати динамічні параметри ланок К і Т.

5. Представити розрахунок перехідної характеристики аперіодичної ланки. 6. Представити АЧХ та ФЧХ ланок, що досліджуються.

7. Висновки по лабораторній роботі.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Назвіть способи опису динамічних властивостей елементарних ланок САК.

2.Назвіть основні тимчасові характеристики елементарних ланок САК.

3.Поясните зміст терміна "крива розгону", "постійна часу", "передатна функція".

4.Які сигнали подаються на елементарні ланки автоматики? Надати їх характеристики.

5.Назвіть основні групи типових ланок САК і характерні риси передатних фун-

кцій.

6.Як по перехідній характеристиці елементарної ланки визначити її властивості?

7.У чому особливість ланок, що диференціюють?

8.Назвіть типові ланки, що диференціюють.

9.Навести приклади елементарних ланок систем автоматики.

10.Що таке АЧХ, ФЧХ та АФЧХ? Яким чином будується?

11.Особливості роботи в програмі SamSim.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Бородин И.Ф. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов / И.Ф. Бородин, Н.И. Кирилин. - М.: Колос, 1977. – 328 с.

2.Мартыненко И.И. и др. Автоматика и автоматизация производственных процессов. /Под ред. И.И. Мартыненко. М.: Агропромиздат, 1986. – 335 с.

8

3.Конспект лекцій "ТОА частина 1".

4.Програма SamSim [Електронний ресурс] /К.Н. Самуйлов http://www.samsim2002.narod.ru (http://www.samsim2002.chat.ru)

9

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 02

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЛІНІЙНИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ ТА ЗУСИЛЬ

Мета роботи: Вивчити конструкцію і принцип дії первинних перетворювачів лінійних переміщень та зусіль, як елементів систем автоматичного керування (САК).

ПРОГРАМА РОБОТИ

1.Вивчити принцип роботи первинного перетворювача лінійних переміщень на основі паливоміру БЕ-4М і ознайомитися з його основними технічними характеристиками.

2.Вивчити принцип роботи первинного перетворювача зусіль на основі тензодатчику планарного типу РВ і ознайомитися з його основними технічними характеристиками.

3.Вивчити принцип роботи первинного перетворювача лінійних переміщень на основі безконтактного малогабаритного шляхового вимикача ВБК-08 і ознайомитися з його основними технічними характеристиками.

4.Зняти і дослідити статичні характеристики. Визначити передатні коефіцієнти

дослідних первинних перетворювачів. 5. Зробити аналіз отриманих даних.

6. УНДРС. Дослідити динамічні властивості первинних перетворювачів.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

В даній лабораторній роботі розглядаються такі первинні перетворювачі положення – потенціометричні (на прикладі датчика БЕ-4М), безконтактні шляхові вимикачі (на прикладі датчика ВКБ-08), тензодатчик

Потенціометричні первинні перетворювачі. У потенціометричних датчиках контрольоване переміщення передається первинному перетворювачу і перетворюється за рахунок зміни власного електричного опору первинного перетворювача в змінну або постійну напругу. Резистор цих датчиків (рис. 1, а) включається за схемою потенціометра, завдяки чому вони й одержали свою назву.

Рухливий контакт потенціометру пов'язаний з контрольованим переміщенням, при зміні положення об'єкта змінюється напруга на вторинному приладі П, який градуйований в одиницях контрольованого параметра. Щоб виключити вплив відхилень напруги, рекомендується подавати живлення на датчик від стабілізатору напруги.

Характеристику потенціометричного датчика ІП = f(Rx) прагнуть зробити близької до прямолінійного (рис. 1, б і г), задаючи потенціометру відповідний режим роботи, застосовуючи той або інший спосіб намотування дротового реостату, а також узгоджуя опір вторинного приладу. Якщо необхідно, щоб вихідний струм і на-

10