Глазырин А.С. Элементы системы автоматики. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Декан (директор)

И.О. Фам лия и

« » 2010 г.

А.С.Глазырин

Элементы системы автоматики

Практикум

Методические указания к выполнению индивидуального задания

по курсу «Элементы системы автоматики» для студентов 4 курса, обучающихся по

специальности 140600 «Электромеханика, » направления 140600 «Электротехника,

электромеханика и электротехнологии»

Издательство

Томского политехнического университета

2010

УДК 62-83-52.001.5(075.8)

ББК 31.291я73

Г52

Глазырин А.С.

Г52 Элементы системы автоматики. Практикум: методические указания к

выполнению решения задач

по курсу «Элементы системы автоматики» для

студентов 4 курса

, обучающихся по специальности 140611 «Электропривод и

электрооборудование» направления 140600 «Электротехника, электромеханика

и электротехнологии» / А.С.Глазырин; Национальный исследовательский

Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского

политехнического университета, 2010. – 29 с.

УДК 62-83-52.001.5(075.8)

ББК 31.291я73

Методические указания рассмотрены и рекомендованы

к изданию методическим семинаром кафедры

электропривода и электрооборудования ЭНИН

» 2010 г.

Зав. кафедрой ЭПЭО

кандидат технических наук __________Ю.Н.Дементьев

Председатель учебно-методической

комиссии __________А.В. Петров

Рецензент

Заместитель генерального директора ОАО «НИКИ» г. Томска

С.А. Окунев

Томский политехнический университет», 2010

политехнического университета, 2010

Задача 1. Пусть имеется функциональный усилитель (ФУ) с

уменьшающимся коэффициентом усиления k при увеличении входного

напряжения U

вх

. ФУ в пределах 0 < U

вх

≤ 3 В имеет коэффициент

усиления k

= 2, в пределах 3 < U

вх

≤ 6 В – коэффициент k

= 1, в

пределах 6 < U

вх

≤ 10 В – коэффициент k

= 0,5. Рассчитать и выбрать

из стандартного ряда R-элементы усилителя. Обеспечить погрешность

не более 5%.

Составим схему функционального усилителя:

Uвх

Rос

VD1

VD2

Uвых

DA1

Рисунок 1 Силовая схема функционального усилителя

Решение:

На первом интервале

(

)

вх

U≤≤

вых ос

пер

вх

==−

⇒

ос

пер

=− =−

Из стандартного ряда выбираем Rос =2кОм;

тогда R1=1кОм;

Для того чтобы обеспечить Uвх(примем Uсм=10В), определим R3:

вх см

=⋅ =

тогда

110

10 0,33 10 3,3

см

вх

U кОм

⋅

=⋅= ⋅= ⋅=

Принимаем из стандартного ряда R3=3.3кОм.

На втором интервале

(

)

вх

U≤≤

ос

пер

=− =−

Из стандартного ряда выбираем Rос =2кОм;

тогда

=2кОм;

Для того чтобы обеспечить Uвх(примем Uсм=10В), определим R2:

вх см

=⋅=

тогда

210

10 0,33 10 3,3

см

вх

U кОм

⋅

=⋅= ⋅= ⋅=

Принимаем из стандартного ряда R2=3.3кОм.

На третьем интервале

(

)

вх

U≤≤0

0.5

ос

пер

=− =−

Из стандартного ряда выбираем Rос =2кОм;

тогда

кОм=

Задание на самостоятельную работу:

Пусть имеется функциональный усилитель (ФУ) с увеличивающимся

коэффициентом усиления k при уменьшение входного напряжения U

вх

ФУ в пределах 1 < U

вх

≤ 5 В имеет коэффициент усиления k

= 1,5, в

пределах 5 < U

вх

≤ 10 В – коэффициент k

= 0,5. Рассчитать и выбрать

из стандартного ряда R-элементы усилителя. Обеспечить погрешность

не более 5%.

Задача 2. В микроконтроллер серии «Motor Control», выполненный на

базе цифрового сигнального процессора, встроено 12-разрядное АЦП

последовательного приближения. Опорное напряжение АЦП составляет

3 В. Определить:

- максимальное и минимальное входные напряжения АЦП при

отсутствии насыщения в аналоговом канале;

- максимальный диапазон входного аналогового напряжения;

- положение в вольтах аналоговой и код цифровой нейтралей,

необходимых для измерения гармонических входных сигналов.

Решение:

Составим структурную схему

Рисунок 2 Структурная схема

Максимальное число уровней входного напряжения

max

2 4096N ==

Определим минимальное напряжение, которое может почувствовать

АЦП:

0000.0000.0000 – код, который был на выходе АЦП

0000.0000.0001 – код, который стал на выходе АЦП

.min

max

7.324 10 .

4096

оп

вх

−

===⋅

Определим максимальное напряжение на входе АЦП при отсутствии

насыщения

1111.1111.1111 – АЦП в насыщении.

1111.1111.1110 – максимальный код АЦП при отсутствии насыщения.

Максимальное входное напряжение при отсутствии насыщения:

.max

max

3 2.999 .

4096

оп

вх оп

=− =− =

Положение аналоговой нейтрали:

max min

2.999 0.000732

1.5 .

вх вх

вх N

U В

== =

Положение цифровой нейтрали:

1000.0000.0000 2048

ср

N =→

Задание на самостоятельную работу:

Микроконтроллер, выполненный на базе цифрового сигнального

процессора, встроено 8-разрядное АЦП параллельного приближения.

Опорное напряжение АЦП составляет 2,5 В. Определить:

- максимальное и минимальное входные напряжения АЦП при

отсутствии насыщения в аналоговом канале;

- максимальный диапазон входного аналогового напряжения;

- положение в вольтах аналоговой и код цифровой нейтралей,

необходимых для измерения гармонических входных сигналов.

Задача 3. Уровень h закачиваемой в резервуар с помощью насоса

жидкой среды изменяется от 0 до 0,5 м. Скользящий токосъёмный

контакт потенциометрического датчика, имеющего сопротивление R

250 Ом, соединён через штангу с поплавком в резервуаре. Коэффициент

α деления сопротивления потенциометра изменяется при этом в

пределах от 0 до 1.

К подвижному токосъёмному контакту потенциометра

относительно неподвижной клеммы подключено сопротивление

нагрузки R

Произвести расчёт в следующем порядке:

- вывести зависимость выходного напряжения датчика U

вых

как

функцию от двух координат: h и R

;

- заполнить таблицу 3×3 из 9 значений U

вых

при h = 0,125 м, 0,25

м, 0,375 м и R

= 100 Ом, 500 Ом, 1,5 кОм;

- построить по таблице семейства характеристик U

вых

(h) при R

const и U

вых

) при h = const;

- при h = 0,25 м по данным таблицы рассчитать наибольшую и

наименьшую погрешности измерения уровня жидкости в резервуаре.

Решение:

Составим силовую схему потенциометрического датчика:

Рисунок 3 Силовая схема

Схема включения потенциометрического датчика

Рисунок 4 Расчетная схема

Определим сопротивление:

111

RR H P

RRR

=+ =

⋅



⋅

Ток, потребляемый от источника:

(1 )

ПИТ ПИТ

PRR

⋅⋅

−⋅+

+⋅

Выходное напряжение датчика:

()

(, ) .

(1 )

ПИТ HP

ВЫХ HRR

HP P

UR R

URIR

RR R

αα

⋅

⋅⋅

=⋅ =

⎡

⎤

⋅⋅

+⋅ ⋅−⋅+

⎢

⎥

+⋅

⎣

⎦

где -

max

max max

max

(, ) .

(1 )

ПИТ HP

ВЫХ H

HP P

UR R

UhR

hhh

RR R

⋅⋅ ⋅

⎡

⎤

⋅⋅

⎢

⎥

⎛⎞

+⋅⋅− ⋅+

⎢

⎥

⎜⎟

⎢

⎥

⎝⎠

+⋅

⎢

⎥

⎣

⎦

Задаемся напряжением источника питания U

ПИТ

=10 В и рассчитываем

зависимости при разных h и R

(, )

ВЫХ H

UhR

Таблица 1

(, )

ВЫХ H

UhR

=100 Ом R

=500 Ом R

=1500 Ом

h=0,125 м 1,702 2,286 2,424

h=0,25 м 3,077 4,444 4,8

h=0,375 м 5,106 6,857 7,273

Рисунок 5 График зависимости

()

ВЫХ

Рисунок 6 График зависимости

()

ВЫХ H

Рассчитаем наибольшую и наименьшую погрешности измерения при

h=0,25 м.

max

0, 25

(, ) 10 5 .

ВЫХ H ПИТ ПИТ

UhR U U

=∞

=⋅ = ⋅ = ⋅ =

max

(, ) (, )

53,077

( , ) 100% 100% 38,46%.

(, ) 5

HHHMIN

ВЫХ H ВЫХ H

RRR

ВЫХ H

UhR UhR

UhR

=∞ =

=∞

−

=⋅=⋅=

min

(, ) (, )

54,8

( , ) 100% 100% 4%.

(, ) 5

HHHMAX

ВЫХ H ВЫХ H

RRR

ВЫХ H

UhR UhR

UhR

=∞ =

=∞

−

=⋅=⋅=

Задание на самостоятельную работу:

Расстояние h датчика положения изменяется в пределах от 0 до 1,5 м.

Скользящий токосъёмный контакт потенциометрического датчика,

имеющего сопротивление R

= 100 Ом. Коэффициент α деления

сопротивления потенциометра изменяется при этом в пределах от 0

до 1.

К подвижному токосъёмному контакту потенциометра

относительно неподвижной клеммы подключено сопротивление

нагрузки R

Произвести расчёт в следующем порядке:

- вывести зависимость выходного напряжения датчика U

вых

как

функцию от двух координат: h и R

;

- заполнить таблицу 3×3 из 9 значений U

вых

при h = 0,2 м, 0,5 м,

1 м и R

= 150 Ом, 650 Ом, 1,2 кОм;

- построить по таблице семейства характеристик U

вых

(h) при R

const и U

вых

) при h = const;