Изучение схем и характеристик интегрирующего
Задатчика интенсивности
Цель работы: с использованием цифровых моделей изучить работу различных схем задатчиков интенсивности для систем автоматики и методику расчета параметров их элементов, необходимых для формирования заданных характеристик задатчиков.
Описание схем исследуемых задатчиков и варианты заданий
Задатчики интенсивности - это командные элементы устройств автоматики. Наиболее распространены интегрирующие задатчики интенсивности. В таких задатчиках в переходных режимах скорость изменения сигнала на выходе заранее задана и не зависит от скорости изменения сигнала на входе, а в установившемся режиме сигнал на выходе равен сигналу на входе. Графики изменений входных и выходных величин интегрирующего задатчика интенсивности, поясняющие принцип его работы, приведены на рис. 7.1. Задача интегрирующего задатчика интенсивности - формирование плавного изменения задающего сигнала при переходе от одного его уровня к другому, а именно создание линейно нарастающего и спадающего сигнала с требуемым темпом.
Схемные реализации таких задатчиков могут быть различными. Варианты схем задатчиков рассмотрены в /1, 7/.
В настоящее время наиболее распространены аналоговые задатчики интенсивности, выполненные на основе операционных усилителей. Структурная схема такого задатчика приведена на рис. 7.2.
Все операционные усилители включены по инвертирующей схеме. Усилитель А1 работает без обратной связи, поэтому его коэффициент усиления очень большой. Для ограничения максимального значения выходного напряжения усилителя u1 на уровне u1max предусмотрен блок ограничения БО.
В самом простом случае данный блок может представлять цепочку из двух встречно-последовательно включенных стабилитронов. В такой схеме включения усилитель имеет прямоугольные статическую характеристику u1=f(uвх1) и переходную характеристику u1(t)=h(t), где u1, - выходное напряжение усилителя; uвх1 - напряжение на входе усилителя; t-текущее время.
Статическая характеристика описывается соотношениями
u1 = -u1max при uвх1 > 0 и u1 = u1max при uвх1 < 0.
Усилитель А2 работает интегратором с постоянным темпом интегрирования
, (7.1)
где u2 - выходное напряжение усилителя; uвых - выходное напряжение задатчика интенсивности.
Темп интегрирования можно регулировать, изменяя произведение R3*C1, или изменяя напряжение u1max.
Усилитель А3 формирует напряжение отрицательной обратной связи
.
При подаче на вход задатчика задающего напряжения uвх выходное напряжение линейно растет в соответствии с выражением (7.1). Как только напряжение отрицательной обратной связи uос = Kос * uвых станет равным напряжению задания uвх, интегрирование прекращается. Соответственно прекращается и рост выходного напряжения. Если коэффициент обратной связи Кос = 1, то после прекращения интегрирования uвых= uвх и далее остается неизменным.
Принципиально статический коэффициент усиления задатчика интенсивности может быть любым, однако обычно его делают единичным. Это обеспечивается единичной обратной связью, реализуемой с помощью усилителя А3.
Значение напряжения u1max выбирается произвольным, лежащим в пределах (0,2 - 0,8)Uп, где Uп - напряжение питания операционных усилителей.
Если задана скорость изменения выходного напряжения v=duвых/dt, то может быть найдено произведение
.
Задавшись значением одного из элементов (сопротивления или емкости), из последнего выражения можно определить значение другого элемента.
Значения других сопротивлений могут быть произвольными, но R1 должно быть равно R2, а R3 должно быть равно R4.
Варианты задания к лабораторной работе приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
| Номер варианта | v, В/с | Uп, В |
| 3,5 |
Программа работы
1. Изучить структурную схему и возможные принципиальные схемы интегрирующих задатчиков интенсивности.
2. Для заданного варианта рассчитать параметры элементов приведенной на рис. 7.2 структурной схемы задатчика интенсивности.
3. Рассчитать требуемые для моделирования задатчика параметры звеньев наборной схемы его структуры, приведенной на рис. 7.3.
4. На цифровой модели задатчика, определяемой наборной схемой, с использованием программ структурного моделирования динамических процессов SMOD или PSM получить графики изменений выходных напряжений усилителей при ступенчатых изменениях входного напряжения uвх. Изменения входного напряжения должны быть аналогичны изменениям входного сигнала на графике, приведенном на рис. 7.1.
5. Проанализировать, как влияют на выходное напряжение uвых изменения произведения R3*C1, изменения u1max и изменения коэффициента обратной связи по выходному напряжению.
6. Для различных значений амплитуд и частот синусоидального входного сигнала получить на модели графики выходных сигналов. Проанализировать амплитудные и фазовые искажения, вносимые задатчиком интенсивности в передаваемый входной сигнал, и их зависимость от частоты и амплитуды входного сигнала.
7. Действия, аналогичные выполненным по пунктам 4 и 6, проделать для интегрального звена с передаточной функцией
и пояснить различие между интегрирующим задатчиком интенсивности и интегральным звеном.
При моделировании шаг интегрирования брать примерно на порядок меньше, чем самая малая постоянная времени в наборной схеме. Зону нечувствительности δ, при отсутствии которой возможна неустойчивая работа модели, подбирают опытным путем. Она может быть примерно равна двум-трем шагам интегрирования.
Вопросы для самопроверки
1. Как повлияет на работу задатчика интенсивности исчезновение входного напряжения uвх в процессе нарастания выходного напряжения?
2. Как отразится на работе задатчика уменьшение сопротивления обратной связи R5?
3. На основе каких основных узлов может быть реализован однократно интегрирующий задатчик интенсивности?