Изучение и исследование характеристик аналоговых регуляторов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Лабораторная работа № 1

по дисциплине: «Элементы в автоматизированном электроприводе»

на тему: «Аналоговые регуляторы»

                                                          Исполнитель:    студент гр. ЭП-41                                                                                                            

                                                                                     Швецов Е.В.

                                                          Руководитель: преподаватель

                                                                           Брель В.В.

Гомель 2012

Цель работы: изучение и исследование характеристик аналоговых регуляторов.

Краткие теоретические сведения

Системы автоматизированного регулирования (САР), применяемые в промышленных установках, должны обеспечить значения самых различных величин с заданной точностью. Основным элементом, позволяющим выполнить указанную функцию, является регулятор. Его реализуют в соответствии с математическими операциями преобразования управляющего сигнала. К типовым видам преобразования относятся: пропорциональное – П; пропорционально-интегральное – ПИ; пропорционально-интегро-дифференциальное – ПИД и ряд других.

Основу аналогового регулятора составляет операционный усилитель (ОУ). Интегральные ОУ, применяемые в промышленной электронике, обладают следующими характеристиками:

- диф. коэф. усиления в разомкнутом состоянии              

- входное сопротивление                                                 кОм

- выходное сопротивление                                              кОм

- сопротивление нагрузки                                              кОм

- полоса пропускания                                                     МГц

- напряжение питания                       Un = ± 15  В (± 12,5 В).

Для построения регуляторов чаще используют схемы включения ОУ с инверсным входом, представленным на рис.1.1 и имеющие передаточные функции:

для схемы на рис.1.1а

                                 (1)

для схемы на рис.1.1б

              (2)

Используя комплексные активно-емкостные сопротивления в обратной связи (Zос) и в потенциометре (Z1, Z2), можно получить регуляторы с разными передаточными функциями.

В САР с постоянными параметрами и структурой П, ПИ и реже ПИД-регуляторы выполняются по схеме на рис.1.1а.

Для облегчения настройки регулятора в конкретной системе и для повышения помехозащищенности (для ПИД и ПД) используют схему на рис.1б. Следует иметь ввиду, что для уменьшения искажений передаточной функции (2) необходимо выполнение следующего условия в полосе пропускания

.

Если в процессе работы меняются параметры объекта регулирования САР, то применяют адаптивные (приспосабливающиеся) регуляторы с изменяемой структурой.

Один из вариантов такого регулятора представлен на рис.2. При отсутствии сигнала Uупр управляемый ключ S интегрального исполнения замкнут и передаточная функция соответствует П-регулятору. С подачей сигнала ключ размыкается, в цепь обратной связи ОУ вводится емкость и схема соответствует ПИ-регулятору.

Порядок выполнения работы.

1. Определим передаточную функцию данного регулятора (интегрирующий регулятор с форсированием):

R0 = 100 кОм C0 = 0,1 мкФ Rвх = 20 кОм

Рис. 1.3. Интегрирующий регулятор с форсированием

 (изодромное звено)

Передаточная функция регулятора:

где  Т₁ – постоянная времени:

       Т₂ – постоянная времени

2. Определим передаточные функции адаптивного регулятора, собранного схеме:

Rвх1 = 22 кОм Cвх = 0,047 мкФ Rос = 220 кОм Cос = 0,47 мкФ

Рис. 1.4. Адаптивный регулятор

а) ключ DA3.1 разомкнут:

где                    

б) ключ DA3.1 замкнут:

3. Соберем схему интегрирующий регулятор с форсированием (рис. 1.3) и проведем ее исследование:

  а) снимем и построим амплитудно – частотную характеристику

данные сведем в таблицу1.1:

Таблица 1.1

f, Гц	Uвх, В	Uвых, В	A = Uвх/Uвых	20∙lgА
0,1 0,25 0,5 1 2 5 10 50 100 200 500 1000	0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2	11 4,6 2,7 1,5 1,125 0,95 1 1,05 1 0,95 0,95 1	55 23 13,5 7,5 5,625 4,75 5 5,25 5 4,75 4,75 5	34,8 27,23 22,6 17,5 15 13,5 14 14,4 14 13,5 13,5 13,5

По данным эксперимента построим амлитудно – частотную характеристику (рис. 1.5):

Рис.1.5. Амлитудно – частотная характеристика интегрирующего регулятора с форсированием

Снимем переходную характеристику интегрирующего регулятора с форсированием (рис. 1.6):

Рис. 1.6. Переходная характеристика интегрирующего регулятора с форсированием

4. Соберем схему адаптивного регулятора, снимем и построим его амплитудно – частотные характеристики с замкнутым и разомкнутым ключом DA3.1.    Данные сведем в таблицу1.2:

Таблица 1.2

f, Гц	S1 включен		S1 выключен
	Uвх, В	Uвых, В	Uвх, В	Uвых, В
1	1	4,8	1	5
2	1	3	1	5,4
5	1	1,5	1	5,2
8	1	1	-	-
10	1	0,75	1	5,2
50	1	0,16	1	5,2
100	1	0,08	1	5,2
200	1	0,03	1	5,2
300	1	0,018	1	3,8
400	1	0,012	1	3,2
500	1	0,008	1	2,8
700	1	0,005	1	2,1
750	1	0,004	1	2
800	1	0,0035	1	2
100	1	0,0025	1	1,8
1450	-	-	1	1
2000	-	-	1	0,75
3000	-	-	1	0,5

Рассчитаем A = F(ω):

f, Гц	A, при S1 включен	A, при S1 выключен
1	4,8	5,2
2	3	5,2
5	1,5	5,2
8	1	-
10	0,75	5,2
50	0,16	5,2
100	0,08	5,2
200	0,03	5,2
300	0,018	3,8
400	0,012	3,2
500	0,008	2,8
700	0,005	2,1
750	0,004	2
800	0,0035	2
1000	0,0025	1,8
1450	-	1
2000	-	5
3000	-	5,4

По данным эксперимента построим амлитудно – частотные характеристики:

Рис.1.7. Амлитудно – частотная характеристика адаптивного регулятора (S1 включен).

Рис.1.8. Амлитудно – частотная характеристика адаптивного регулятора (S1 выключен).

Переходные характеристики:

Рис.1.9. Переходные характеристики адаптивного регулятора:  

 1 – S1 включен, 2 – S1 выключен

Вывод: В результате выполнения данной лабораторной работы изучил схемы интегрирующего регулятора с форсированием и адаптивного регулятора, а также исследовал их характеристики. При исследовании АЧХ (рис. 1.5) интегрирующего регулятора с форсированием, определил, что интегрирование входного сигнала происходит при малых частотах (в исследуемой схеме примерно от 0,1 до 3 Гц), далее выходной сигнал от частоты входного не зависит.