Сапожников А.И., Нечаев М.А., Образцов К.В. Элементы систем автоматики: лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Лабораторный практикум

Составители

А.И. Сапожников, М.А. Нечаев, К.В. Образцов

Издательство

Томского политехнического университета

2009

УДК 681.586.7 (076.5)

ББК 32.96-04 Я73

Э 456

Э 456 Элементы систем автоматики: лабораторный практикум / сост.:

А.И. Сапожников, М.А. Нечаев, К.В. Образцов. – Томск: Изд-во Том-

ского политехнического университета, 2009. – 88 с.

Практикум содержит краткое описание физических процессов в исследуемых

элементах систем автоматики, широко применяемых в современных системах

управления, порядок проведения экспериментов при исследовании этих элементов,

требования к оформлению отчетов по лабораторным работам. Кроме того, для под-

готовки к лабораторным работам приводятся контрольные вопросы, а также список

рекомендованных источников литературы.

Лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по обра-

зовательной программе «Электротехника» («Electrical Engineering»), объединяющей

направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и

140200 «Электроэнергетика».

УДК 681.586.7 (076.5)

ББК 32.96-04 Я73

Рецензенты

Кандидат технических наук, зав. кафедрой ЭПА Северского госу-

дарственного технологического института

С.Н. Кладиев

Доктор технических наук, профессор ТУСУРа

В.А. Бейнарович

К.В., составление, 2009

политехнического университета, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………….. 4

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ ……………...

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЬСИНОВ …………………………………..

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ …………...

Лабораторная работа №6

ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ………………

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОДАТЧИКА ………………………………

Приложение 1

Пример оформления титульного листа отчета по лабораторной

работе ……………………………………………………………………

Приложение 2

Правила выполнения лабораторных работ ………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Современные техника и технологии немыслимы без автоматиче-

ских систем контроля, регулирования и управления в любой сфере дея-

тельности человека: различных видах производств, подвижных объек-

тов, социальной сфере, бытовой технике и др. В учебном плане подго-

товки студентов по направлению 140600 «Электротехника, электроме-

ханика и электротехнологии» очной и заочной формы обучения

дисци-

плина «Элементы систем автоматики» является обязательной. Наряду с

лекциями для закрепления теоретических знаний, предусмотрены лабо-

раторные занятия.

Данный лабораторный практикум включает в себя изучение основ-

ных элементов систем автоматики. В лабораторных работах представ-

лены конкретные датчики и регуляторы, широко применяемые на прак-

тике в промышленных системах автоматики. В начале каждой

лабора-

торной работы студенту необходимо внимательно изучить теоретиче-

скую часть, понять принцип построения и работу исследуемого элемен-

та. Исследования проводятся на лабораторном стенде бригадой из трёх-

четырёх человек.

По каждой лабораторной работе бригада студентов должна пред-

ставить оформленный отчет и защитить его. Требования к оформлению

отчета по лабораторной работе приведены

в Приложениях 1, 2, а также

в конце описания каждой работы. Как правило, отчет должен включать

в себя следующие элементы:

• цель работы;

• основные теоретические сведения;

• название раздела программы работы, результаты его выпол-

нения (формулы, таблицы, графики, их обработка) и выво-

ды;

• ответы на контрольные вопросы.

Содержание данного лабораторного практикума

«Элементы систем

автоматики» предусматривает дальнейшее использование полученных

знаний во всех специальных технических дисциплинах при последую-

щем обучении, включая курсовое проектирование, а также при выпол-

нении выпускных квалификационных работ.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение принципа действия, схем включения

потенциометрического датчика (задающего устройства), исследование

влияния нагрузки на характеристики устройства.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Потенциометрический датчик (измерительный преобразователь)

представляет собой переменное электрическое сопротивление, величина

выходного напряжения которого зависит от положения токосъемного

контакта.

В лабораторной работе исследуется датчик

, токосъемник которого

может совершать угловое перемещение. При перемещении движка по-

тенциометра выходное напряжение

ЫХ

изменяется пропорционально

входному углу поворота

. Здесь осуществляется преобразование уг-

лового перемещения в электрическое напряжение. Для режима холосто-

го хода (

∞=

, рис. 1) статическая регулировочная характеристика

датчика линейна, так как справедливо соотношение:

ЫХ X

⋅ ,

где

U – напряжение питания датчика (потенциометра);

– сопротивление потенциометра;

R – сопротивление части обмотки потенциометра, соответст-

вующее углу перемещения

(рис. 1).

Рис. 1

Учитывая, что

, где

– полный угол поворота датчика

потенциометра, получим:

ЫХ XX

U К

⋅=⋅

, (1)

где

– коэффициент преобразования потенциометра на холостом

ходу (х.х.).

В относительных единицах выражение (1) принимает вид:

, (2)

где

ЫХ

= – относительное значение напряжения на выходе;

– относительное значение угла поворота датчика потен-

циометра;

а с учетом нагрузки

≠

∞ получим, что

X Н

ВЫХ

Н XX

RR RR R

⋅

=⋅

⋅+⋅−

или в относительных единицах

(1 ) (1 )

XXX

βϕ

βϕ ϕ

⋅

+− + −

, (3)

где

= – относительное значение сопротивления обмотки по-

тенциометра, соответствующее углу поворота

;

= – коэффициент нагрузки.

Относительная ошибка, вызываемая нагрузкой, определится выра-

жением:

(1 )

(1 ) (1 )

XXX

rrr

eer

rr rr

ββ

⋅−

=−=− =

+− +−

(4)

или

(1 )

(1 ) (1 )

XXX

βϕ ϕ ϕ

δϕ

ϕϕβϕϕ

⋅−

=−=− =

+− +−

. (5)

Если в выражении (3) принять постоянным коэффициент нагрузки

const

= , то, изменяя

получим статическую регулировочную харак-

теристику

()

при

const

Изменяя

при постоянном значении

получим статическую

внешнюю характеристику

()

efR

при

const

Из приведенных на рис. 2 зависимостей

()

и ()

следует, что с увеличением величины сопротивления нагрузки, т.е. с

увеличением значения коэффициента нагрузки

, искажение зависимо-

сти

e и величина ошибки

уменьшаются.

Приведенная статическая регулировочная характеристика (рис. 2,

а) позволяет заключить, что рассмотренный потенциометрический дат-

чик не реагирует на знак входного сигнала, т.е. он относится к классу

однотактных элементов.

Рис. 2

Однако на основе однотактных схем можно построить двухтакт-

ные

, т.е. реагирующие на знак входного сигнала. Существует несколько

схем включения потенциометров, образующих двухтактный потенцио-

метрический датчик. На рис. 3 приведена одна из них.

Рис. 3

Для данной реверсивной схемы (рис. 3) напряжение на нагрузке

2(10,5)2 (10,5)

XXX

βϕ

βϕ ϕ

⋅⋅

+− + −

, (6)

где

0,5 0,5

Знак величины

e определяется местоположением токосъемника

относительно средней точки (т.е. больше (меньше), выше (ниже) какого-

то фиксированного значения).

Кроме того, существуют другие схемы

специальных двухтактных

потенциометрических датчиков,

две из которых показаны на рис. 4.

Схема, показанная на рис. 4, а обладает несимметричной регулировоч-

ной характеристикой, так как нагрузка подключается к делителю на-

пряжения 1:10. Схема на рис. 4, б подключается между токосъёмниками

двух потенциометров, которые располагаются на одной оси вращения.

а) б)

Рис. 4

2. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. Переменный резистор

типа ППБ-50Г, размещенный на ла-

бораторном стенде.

2.2. Микромультиметр цифровой ММЦ-01 – 2 шт.

2.3. Нагрузочные сопротивления.

2.4. Соединительные провода.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

3.1. Известным Вам способом определить величину сопротивления

резистора R

, размещенного на лабораторном стенде.

3.2. Определить полный угол поворота движка в делениях.

3.3. Найти на стенде такие три сопротивления нагрузки

1Н

2Н

3Н

, для которых

123

0,5 0,9; 1 9; 10 20

ββ

≤≤ ≤≤ ≤≤.

3.4. Собрать схему, изображенную на рис. 1, для

0,5 0,9

≤≤ и на-

пряжения питания U = 20 В.

3.5.Снять характеристику однотактного потенциометрического

датчика.

3.5.1. К выходу датчика подключить цифровой прибор на пределе

измерения 20 В и нагрузочное сопротивление

1Н

3.5.2. Поворачивая рукоятку потенциометра

, через каждые 30

делений фиксировать по прибору выходное напряжение.

3.5.3. Результаты наблюдений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

X, дел 0 30 60 … 300 Примечания

ЫХ

U , В

= (

0,90,5

≤β≤

)

ЫХ

, В

= (

≤β≤

)

ЫХ

, В

= (

2010

≤β≤

)

ЫХ

, В

∞

3.5.4. Пункт 3.4 повторить для коэффициента нагрузки

234

19; 1020;

ββ

≤≤ ≤≤ =∞.

3.6. Снять характеристику двухтактного потенциометрическо-

го датчика.

3.6.1. Комбинированный прибор и сопротивление нагрузки под-

ключить между выходом датчика и средней точкой потенциометра (в

соответствии с рис. 3).

3.6.2. Поворачивая рукоятку потенциометра

на 30 делений,

фиксировать изменение выходного напряжения и наблюдать за поляр-

ностью этого напряжения. Считать при этом, что Х меняется в пределах

-150 дел. …+150 дел.

3.6.3. Результаты наблюдений занести в табл. 1.2.

Таблица 1.2

ИЗМ

, дел 0 30 60 … 300 Примечания

X, дел -150 -120 -90 … 150

ЫХ

U , В

= (

0,90,5

≤β≤

)

ЫХ

U , В

= (

≤β≤

)

ЫХ

U , В

= (

2010

≤β≤

)

ЫХ

U , В

∞

3.7. Снять характеристику специального двухтактного потен-

циометрического датчика

(по заданию преподавателя).

3.7.1. Для заданной схемы вывести выражение для

e аналогично

(3) и (6).

3.7.2. Комбинированный прибор и сопротивление нагрузки под-

ключить на выходе датчика (

ЫХ

U в соответствии с рис. 4, а или б).

3.7.3. Поворачивая рукоятку потенциометра

(или двух потен-

циометров для схемы рис. 4, б) на 30 делений, фиксировать изменение

выходного напряжения и наблюдать за полярностью этого напряжения.

3.7.4. Результаты наблюдений занести в табл. 1.3, аналогичную

табл. 1.1.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Зарисовать схемы включения потенциометрического датчика и

привести табл. 1.1, 1.2 и 1.3. для заданных значений

β.

Построить регулировочные характеристики для каждой схемы дат-

чика:

()

ЫХ const

4.2. Построить рассчитанные по выражениям (3), (6) и полученно-

му в п. 3.7.1 нагрузочные характеристики для каждой схемы датчика

()

ЫХ const

4.3. Определить чувствительность датчика для каждой схемы при

заданных преподавателем значениях

β и φ, сравнить их между собой и

объяснить разницу.

4.4. Построить зависимость ошибки от входного сигнала по экспе-

риментальным данным для разных значений

() ()

()

ЫХ x ВЫХ xconst

x const

ВЫХ x

ββ

δϕ

=∞ =

=∞

−

== .

4.5. Рассчитать зависимость ошибки от входного сигнала по фор-

мулам подобным (4) или (5) для тех же значений

β, что и эксперимент,

сравнить.

4.6. Ответить на контрольные вопросы.

4.7. Сделать выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.

В чем состоит назначение датчиков в системах автоматики?

5.2.

Что такое чувствительность датчика?

5.3.

Какие величины позволяют контролировать потенциометриче-

ские датчики?

5.4.

В чем особенность двухтактной схемы включения потенцио-

метрического датчика?

5.5.

Какие достоинства и недостатки можно выделить у потенцио-

метрических датчиков?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Подлесный Н.И., Рубанов В.Г. Элементы систем автоматического

управления и контроля: Учебник. – Киев, Высш. шк., 1991. – 461 с.

2. Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы сис-

тем автоматики. – М.: Высш. шк., 1991. – 304 с.: ил.