Сеткой R-2R.

Читайте также:

ЦАП предназначен для связи объектов, использующих

информацию в дискретной цифровой форме и преобразования ее в аналоговый

непрерывный сигнал.

Полагая, что при логической " 1" на выходе ТТЛ счетчика

имеется ивых=3.75В, заполнить таблицу состояний для ЦАП.

№ п\п	Двоичный код	U анал. выходе, В


2






И




					3,75

Аналого-ЦИФРОВОЙ преобразователь тала «напряжение-цифра»

Аналого-цифровые преобразователи осуществляют преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал.

Полагая, что максимальное входное напряжение АЦП равно 3 В, заполнить

таблицу состояний АЦП;

№ п\п.	U вых, В	Выходной код











	3,0

3.Порядок выполнения работы

1. Исследование основных логических элементов.

1.1. Установить плату П1 в разъём ОАВТ (питание стенда при выполнении этой операции

должно быть выключено).

Установить карту 1.1 на панель стенда. Исследовать логическую функцию И-НЕ

У=Х1*Х2. Составить таблицу истинности. Нарисовать схему, соответствующую этой

функции.

1.2.Установить карту 1.2 и исследовать логическую функцию И У=Х1*Х2. Составить

таблицу истинности и изобразить схему.

1.3.Установить карту 1.3 и исследовать логическую функцию ИЛИ-НЕ У=Х1+Х2.

Составить таблицу истинности и изобразить схему.

1.4.Установить карту 1.4 и исследовать функцию ИЛИ У=Х1+Х2. Составить таблицу

истинности и изобразить схему.

1.5.Установить карту 1,5 иисследовать функцию НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ У = X1Х2+Х1Х2

1.6.Установить карту 1.6 и исследовать функцию ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ У=Х1Х2+Х1Х2.

Составить таблицу истинности и изобразить схему.

2. Исследование регистра

2.1. Установить плату П-3 в разъем ОАВТ

Установить на панель ОАВТ карту 111-1. Исследовать последовательный четырех разрядный регистр. Для этого тумблер SA5 должен находиться в положении «О». Входная информация подается кнопкой SB2. Для перевода в режим кольцевого счетчика записывают в него число 0001, затем соединяют внешней перемычкой штырьки У и X (на плате ПЗ). После этого с подачей каждого следующего тактового импульса (SB1) единица будет последовательно сдвигаться по разрядам счетчика.

2.2. Установить на панель ОАВТ карту 111-2. Исследовать работу параллельного регистра. Подать на вход «1». Тумблер SA5 установить в положение «1».

3. Исследование дешифратора и преобразователя кодов.

3.1. Установить в разъём плату П4. Установить на панель карту 4-1.Исследовать работу дешифратора. Тумблеры SA1-SA3 задают адрес. Кнопка SB2 разрешает считывание информации по указанному адресу.

3.2.Установить на панель карту 4-2. Исследовать преобразователь двоичного кода в код
семисегментного индикатора. Тумблер SA5 в положении «1» - шестнадцатиричное
исчисление, если в положении «0» - десятичное исчисление......

4. Исследовать счетчик электрических импульсов.

4.1. Установить в разъём плату П5. Установить на панель карту 5-1. Исследовать суммирующий счетчик с переменным коэффициентом деления. SA5 в положении «1». Счетные импульсы формируются нажатием кнопки SB1. Коэффициент пересчета меняется перемычками между X и У.

4.2. Установить тумблер SA5 в положение «0». На плате организован вычитающий счетчик К=1б.

4.3. Установить карту 5-3. Исследовать универсальный реверсивный счетчик.

5. Исследование цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с резисторной сеткой R-2R.

5.1.Установить плату ГТ7. Установить карту 7-1 на панель стенда. Исследовать работу ЦАП. Записать показания приборов в таблицу. Построить график зависимости выходного напряжения от состояния счетчика. Определить максимальное отклонение.

5.2. Измерить и записать U вых. в состоянии О и 1 по каждому выходу счетчика D1 (ручной режим).

5.3. Измеряя выходное напряжение ЦАП (контакты К1 и KB), заполнить таблицу состояний (ручной режим).

5.4. Построить график зависимости выходного напряжения от состояния счетчика.

5.5. По графику определить максимальное отклонение от линейного закона преобразования.

5.6. По графику определить, не являются ли максимальные отклонения периодической функцией? Если да, то описать аналитическим выражением.

5.7. Переключив ЦАП в режим "Авт", зарисовать форму выходного напряжения.

6. Исследование аналого-ЦИФРОВОГО преобразователя типа «напряжение-цифра».

6.1. Установить карту 7-2 на панель стенда. Исследовать работу АЦП в «ручном» и «автоматическом» режимах. Заполнить таблицу состояния АЦП (Ubx. max=3,0B). Входное напряжение необходимо изменять плавно переменным резистором на плате. Построить график зависимости цифра=Г(ивх). Определить основные параметры АЦП: диапазон измеряемых напряжений, разрешающую способность, максимальную погрешность преобразования (абсолютную и относительную). 6.2. Плавно изменяя величину Ubx (при помощи переменного резистора), заполнить таблицу состояний АЦП. Продумать методику проведения этого эксперимента: последовательность действий, режим работы АЦП (Тучн". "Авт"). 6.3. Построить график зависимости 'Цифра"-=Г(ивх)

бАОпределить основные параметры АЦП: диапазон измеряемых напряжений, разрешающую способность, максимальную погрешность преобразования < абсолютную и относительную). 6.5. Продумать методику определения быстродействия АЦП. Провести измерение этого параметра. Найти зависимость между величиной ивх. и быстродействием АЦП. Построить соответствующий график.

4.Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Приборы и оборудование, которое использовано при проведении эксперимента.

3. Программа работы.

4. Схема базового элемента.

5. Законы алгебры логики.

6. Всё, что указано в порядке выполнения работы.

5.Контрольные вопросы

1. Поясните, как работает базовый элемент.

2. Перечислите серии интегральных логических элементов.

3. Каково назначение логических элементов.

4. В чем преимущества схем автоматики, выполненных на логических бесконтактных элементах?

5. Расскажите об основных логических функциях.

6. Поясните, что такое логический «О» и логическая «1»?

7. Что понимают под «положительной» логикой и «отрицательной» логикой?

8. Назовите недостатки релейных схем автоматики.

9. Расскажите принцип работы регистра, счетчика, дешифратора, ЦАП. АЦП.

10. В чем заключается преимущество представления чисел в двоичном

11. Что такое регистр и каково его назначение?

12. Как работает счетчик импульсов?

13. От чего зависит количество триггеров в счетчике или регистре?

14. Для чего триггер каждого разряда счетчика имеет два выхода?

15. Где и как могут быть использованы кольцевые счетчики?

16. В чем заключаются преимущества и недостатки параллельного или последовательного способа передачи цифровой информации?

17. Как определить местоположение старших и младших разрядов счетчика или регистра?

18. Чем обеспечивается в работе счетчика переход из режима сложения в режим вычитания?

19. Каким образом вводится в счетчик или регистр заданное число.параллельным или последовательным кодом?

20. Что такое дешифратор и как он работает?

1. Объяснить принцип действия ЦАП типа R-2R и его преимущества по сравнению с другими типа линейных ЦАП.

2. Объяснить причины отклонения 11вых. от линейного закона преобразования. Найти разряд ЦАП, вносящий наибольшие погрешности.

4. Привести примеры возможного применения «ЦАП в автоматическом режиме» в измерительных приборах и бытовой радиоаппаратуре. В качестве какого устройства будет использоваться в схемах ЦАП?

1. Назвать основные причины появления систематических ошибок (погрешности измерений) в изученной схеме АЦП.

2. Объяснить, как работает компаратор напряжения. В частности, как
изменится уровень напряжения в точке К4, когда напряжение в точке К2
возрастает и становится больше напряжения в точке К1?

3. Пояснить, как можно повысить быстродействие АЦП. До какой величины
можно повысить быстродействие изученного Вами устройства? Какой
элемент схемы является самым " медленным"?,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Богданов В. М. Контакторное управление электроприводами про катных станов. М.: Металлургиздат, 1958, 228 с.

2.Типовые узлы на полупроводниковых логических и функцио нальных элементах серии ЭТ/В. В. Гиршберг, С. М. Доманицкий, Н. П. Кутлер и др. М.: Энергия, 1966. 144 с.

З.Минскер Э. И. Электрическое управление автоматическими ли ниями Б машиностроении М.: Энергия, 1964. 88 с.

4.Киблицкий В. А. Анализ эффективности систем управления с бесконтактными логическими элементами, — В сб.: Инструктивные указания ГПИ Тяжпромэлектропроект. М.: Энергия, 1969, №3, с, 16—23,

5.Киблицкий В. А. Системы управления с бесконтактными логиче скими элементами. М.: Энергия, J976. 126 с.

б.Архипцев Ю. Ф. Бесконтактные элементы промышленной авто матики. М.: Энергия, 1972. 88 с.

7.Марголин Ш. М. Датчики для автоматизации позиционных ме
таллургических механизмов. Экспресс-информация ин-та «Черметинфор-
мация», 1978, серия 15, вып. 2. 20 с...

8.3усман В. Г., Мейстель А. М., Херсонский Ю. И. Автоматизация позиционных электроприводов. М,: Энергия, 1970. 119 с.

9.Гарпов В. К., Рабинович В. Б., Вишневецкий Л. М. Унифициро
ванные системы автоуправления электроприводом в металлургии. М.:
Металлургия, 1977. 192 с.

Ю.Слежановский О. В., Бирюков А. В., Хуторецкий В. М. Устрой
ства унифицированной блочной системы регулирования дискретного
типа (УБСР-Д).М.: Энергия, 1975.256 с........................................ _;

П.Зверев А. Е., Максимов В. П., Мясников В. А. Преобразова тели угловых перемещений в цифровой код. М.: Энергия, 1974. 171с,

12.Марголин Ш. М. Точная остановка электроприводов. М.: Энер гия, 1965. 89 с.

13.Унификация и агрегатирование электрооборудования станков и линий / Ю. Н. Ивенский, И. К. Новик, В. С. Поплавский, А. А. Фу-ремс. М.: Изд-во стандартов, 1973. 296 с.

14.Стендовая проверка и макетирование бесконтактных логических схем / В. А. Киблицкий, Г. Р. Грейнер, В. П. Мат и др. М.: Энергия, 1978.80 с.

15.Марголин Ш. М., Карлик В. А. Электрооборудование и авто матизация установок непрерывной разливки стали. М.: Металлургия, 1969.269 с.

16.Марголин Ш. М, Электрооборудование конверторных цехов. М.: Металлургия, 1977. 248 с.

17.Управление вентильными электроприводами постоянного тока/ Е. Д. Лебедев, В. Е. Неймарк, М. Я- Пистрак, О. В. Слежаиовский. М.: Энергия, 1970. 199 с.

18.Марголин Ш. М. Автоматизация механизмов термических пе чей. Механизация и автоматизация производства, 1970, № 5, с. 6—9.

19.Тананакин В. П., Доронин В. С. Система автоматического центрирования слябов по оси платформенных весов. — В кн.: Автоматизация металлургического производства. Тематический сборник № 2. М.: Металлургия, 1974, с. 96—99.

20.Марголин Ш. М. Автоматизированные позиционные электро приводы - металлургических механизмов. М.: Черметинформация, 1978, серия 15, вып. 1.31с.

21.А. с. 506572 (СССР), Регулятор скорости двигателя постоянного тока /Марголин Ш. М. Опубл. в Б. И., 1976, № 10.

22.А. с. 409780 (СССР). Устройство для управления электроприво дом кристаллизатора установки непрерывной разливки металла/Map голин Ш. М. Опубл. в Б. И., 1974, № 1.

23.Марголин Ш. М., Гуров А. С. Автоматическое слежение за дви жением изделий. Механизация и автоматизация производства, 1981, №4, с. 10—12.

24.Фрейцис И. Д. Устройства управления конвейеров с автомати ческим адресованием. Л.: ЛДНТП, 1972. 25 с.

25.3архин М. М., Кваша Н. В., Кваша Л. Н. Сигнализатор враще ния вала. — Приборы и системы управления, 1975, № 1, с. 54—55.

26.Техника проектирования систем автоматизации. / Под ред. Л. И. Шипетина. М.: Машиностроение, 1966. 703 с.

27.Высокопомехоустойчивые интегральные схемы серии К511 для систем промышленной автоматики / В. П. Болдырев, А. Б. Беланович, Ю. И. Савотин и др. — В сб.: Инструктивные указания по проектиро

ванию электротехнических промышленных установок. М: Энергия, 1978, №4, с. 5—15.

28. ОС116К0.340. Микросхемы интегральные полупроводниковые. Серия К511. Руководство по применению.

29. Марголин Ш. М., Гуров А. С. Бесконтактные схемы авто

Приложение

2. Сравнительная характеристика и области применения контактной и бесконтактной аппаратуры.

К электрическим аппаратам, применяемым в схемах автоматического
управления современными технологическими линиями, предъявляются
высокие требования по надежности, быстродействию, четкости

срабатывания, долговечности.

Так, долговечность реле должна составлять не менее 5-10 циклов срабатываний с частотой до (2—3)*Ю включений в час. Путевые выключатели и переключатели должны иметь износостойкость не менее 3*10⁶ срабатываний с частотой 2*10³ включений в час. Только при этих условиях можно обеспечить надежную работу сложной автоматической линии, в которой лишь на одну технологическую позицию приходится 20 - 40 различных электрических аппаратов [3].

Большинство промежуточных реле, выпускаемых элект-

ропромышленностью в настоящее время, обладают износостойкостью (1 -2)* 10⁶ срабатываний и частотой включения не выше 1200 включений в час.

У герконовых реле серии (РПГ-10) эти показатели составляют соответственно 10 срабатываний и 3600 включений в час. -К Сравнительно низкие долговечность и частота включения ряда контактных аппаратов, необходимость защиты от вредных воздействий окружающей среды являются основными причинами их замены бесконтактными логическими элементами и датчиками.

Логические элементы являются наиболее совершенными аппаратами для построения схем автоматического управления механизмами. Их основные достоинства: отсутствие подвижных, быстроизнашивающихся частей, высокое быстродействие, не ограничиваемое механическими параметрами,

независимость выходных параметров от механических воздействий, нечувствительность к вредным влияниям окружающей среды (влага, пыль, химически активные газы), длительный срок службы, минимальные эксплуатационные затраты.

Применение бесконтактных логических элементов особенно оправдано в

схемах со сложной логикой, когда количество входных сигналов в системе

управления в несколько раз превышает количество выходных сигналов, при

большом числе контактов и реле в контактном варианте. Использование

логических элементов в ряде случаев позволяет уменьшить размеры систем

управления.

Однако бесконтактные системы управления содержат, как правило,

больше элементов, чем контактные, и требуют специальных источников
питания. Поэтому стоимость бесконтактных систем выше, чем контактных.
Большая сложность бесконтактных систем и невозможность
визуального контроля за работой логических элементов создают

затруднения в наладке и эксплуатации систем и требуют установки

специального контрольно-испытательного оборудования.

\ Поэтому в процессе проектирования необходимо прежде всего произвести

обоснованный выбор типа элементов (контактных или бесконтактных) для

конкретной системы управления с тем, чтобы обеспечить максимальную

эффективность системы.

Методика определения границы применения логических элементов приведена в [4]. В качестве критерия экономической эффективности принимаются приведенные годовые затраты.

Приведенные затраты для контактных систем возрастают с ростом частоты срабатываний f, измеряемой в циклах в час, а для бесконтактных систем от частоты не зависят. Это отражает одно из основных преимуществ бесконтактных элементов по сравнению с реле. Отсюда следует, что с

ростом частоты срабатывания эффективность бесконтактных систем управления возрастает по сравнению с контактными.

Приведенные затраты как для контактных, так и для бесконтактных систем управления зависят от стоимости убытков от отказов системы С_у [ руб./ч], причем эта зависимость для контактных систем сильнее. Это приводит к тому, что в системах с более высокой стоимостью убытков от отказов бесконтактные элементы оказываются более эффективными, чем контактные.

На рис. 1 в координатах С_у, f для различных значений коэффициента S_c, характеризующего отношение входных согласующих элементов к общему числу логических элементов в схеме, построены кривые, указывающие границы эффективного применения релейной аппаратуры (область под кривой) и транзисторных логических элементов (область над кривой).

В выполненном анализе в качестве элемента релейной системы принято реле МКУ-48 со средним числом контактов у одного реле 4 шт. Релейная система принята в щитовом исполнении с временем восстановления 0,5 ч, а бесконтактная — в блочном с резервированием и временем восстановления 0,15 ч.

Управление сложными системами, имеющими большое число логических связей и требующими перестройки в процессе эксплуатации, целесообразно осуществлять с помощью программируемых контроллеров типа УЛП, выполненных на интегральных микросхемах серии К155 средней степени интеграции, либо программируемых контроллеров нового типа, разработанных на основе микропроцессоров.

При массовом производстве систем автоматики перспективным является выполнение схем автоматического управления и их отдельных узлов с использованием интегральных схем с большой степенью интеграции.

С развитием систем цифрового управления электроприводами, например, для точного поддержания заданной скорости и позиционирования механизмов прокатных станов началось применение элементов унифицированной блочной системы регулирования УБСР-ДИ дискретного типа, выполненной на интегральных микросхемах.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕРИИ ЛОГИЧЕСКИХ

ЭЛЕМЕНТОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В 1980 - 1990 гг. наиболее распространенной в промышленной автоматике является серия логических элементов «Логика Т» в которую входит большое число элементов (см. приложение 1). Логические элементы серии содержат диодно-транзисторные схемы из дискретных компонентов. Питание элементов осуществляется напряжением —12, —24, и +6 В. В эти же годы промышленность осваивает также производство элементов серии «Логика И», область применения которой аналогична «Логике Т».

Система элементов «Логика И» построена на интегральных микросхемах серии К511. Эта серия содержит транзисторно-транзисторные элементы с входом на базу транзисторов. За базовый элемент принята микросхема И— НЕ. Часть элементов серии выполнена на микросхемах средней степени интеграции.

Рассмотрим особенности применения элементов серии «Логика Т»,

Элементы этой серии имеют уровень входного сигнала «1» не менее 3,6 В и не более 12 В при сопротивлении входа элемента 1,3 кОм (вход элемента Т-101). Сигнал «0» должен быть не более 1 В. Рабочая частота 5 кГц.

При определении нагрузочной способности элементов целесообразно пользоваться таблицей увеличения допустимой последовательной нагрузки в зависимости от температуры окружающей среды и наличия стабилизаторов напряжения питания, которая приводится в заводской информации на элементы серии «Логика Т».

Схемы на элементах дайной серии монтируются на заводе-изготовителе в типовые комплектные устройства. В том же корпусе, что и элементы серии «Логика Т», выпускаются реле РПУ-2 и герконовые реле РПГ-0, которые устанавливаются в эти же комплектные устройства. В блоки комплектных

устройств вместе с логическими элементами могут встраиваться платы с навесными радиодеталями.

Элементы серии ««Логика Т» целесообразно компоновать в
функциональные блоки. Желательно, чтобы каждый блок был
самостоятельным участком схемы, а число связей между блоками было
минимальным. Для предотвращения прохождения ложных команд при
потере контакта в соединителе блоков целесообразно за разрешающий
сигнал между блоками принимать сигнал «1». При этом в качестве
входных элементов блока следует применять элементы ИЛИ — НЕ (Т-
101); использование для этой цели элементов И (Т-107) не
рекомендуется.

Блоки размещаются в кассете, обеспечивающей их крепление в
бесконтактной станции управления. На кассете размещены зажимы для
присоединения внешних цепей. В кассете устанавливают до 5 одинарных
блоков с 30 элементами «Логика Т» в каждом. Кассеты монтируют на
щите станций управления или в шкафах управления двухстороннего
обслуживания.

Для повышения помехоустойчивости схем не рекомендуется размещать в
устройствах с логическими элементами релейно-контактную аппаратуру. С
этой же целью должны быть выделены в отдельные жгуты входные цепи
согласующих элементов, выходные цепи усилителей и входные цепи
источников литания. Жгуты необходимо размещать на максимальном
удалении от цепей связи элементов.

Для питания элементов системы «Логика Т» выпускаются блоки питания
БЭА, унифицированные с блоками логических элементов. ^

Чтобы исключить наводки по цепям питания, целесообразно заземлять общую точку питания шкафа через конденсатор емкостью 10 мкФ.

Схемы реализации различных логических функций на элементах «Логика Т» и описание самих элементов приведены в инструкции завода-изготовителя и работах [5, 6], поэтому остановимся лишь на вопросах применения этих элементов в схемах управления, в частности, борьбе с помехами и методах согласования входных аппаратов с логическими элементами.

Основными источниками помех являются реле и контакторы. Помехи имеют вид серии импульсов. Длительность одного импульса не превышает 1 мс, а серии импульсов - 8-10 мс. При сложении нескольких помех длительность серии увеличивается до 15—20 мс, а длительность единичного импульса - до 4-5 мс. Эти помехи не проходят через входной согласующий элемент Т-201, но могут проявляться в виде наводок на межблочных соединениях и приводить к ложным срабатываниям схем памяти и счета.

Для отстройки от действия помех по времени может применяться способ, который заключается в установлении некоторого порога по длительности входных импульсов. Импульсы, длительность которых меньше порога, не воздействуют на узел памяти, который срабатывает только при поступлении импульса с длительностью больше пороговой. Реализация этого способа отстройки показана на рис. 2 на примере схемы памяти. В исходном состоянии на входе элемента D 1.1* —сигнал 0, на его выходе — сигнал 1, который поступает на входы элементов D1.2 и D2. На выходе элемента D2 в этом случае сигнал 0. Таким образом, на входах элемента D1.2 имеется комбинация сигналов 1 и 0, а на его выходе — сигнал 0. При поступлении на вход элемента D1.1 сигнала 1 на его выходе об-

* В условном обозначении логического элемента первая цифра указывает порядковый номер элемента; вторая — номер логической ячейки с самостоятельной схемой, являющейся составной частью данного логического элемента. Например, обозначения D1.1 и D1.2 на рис. 2 указывают, что в данной схеме использованы первая и вторая половины одного логического элемента D1 типа Т-101.

разуется сигнал 0, который поступает на входы элементов D1.2 и D2. Наличие сигнала 0 на входе элемента D2 вызывает появление на его выходе сигнала 1, который поступает на вход элемента D1.2, Таким образом, в первый момент после поступления на вход элемента D1.1 сигнала 1 на входах элемента D 1.2 имеется комбинация сигналов 0 и 1, а на его выходе сигнал 0.

Сигнал 1 на выходе элемента D2 является временным, его длительность определяется емкостью С на входе элемента D2 и входным сопротивлением. Через выдержку времени сигнал 1 с выхода этого элемента снимается, на входах элемента D1.2 образуется комбинация сигналов 0 и О, а на его выходе появляется сигнал 1, который поступает на вход элемента DLL Узел памяти запоминает это состояние.

Если длительность входного сигнала меньше времени задержки, то узел памяти не запоминает этот импульс. Если длительность входного сигнала больше времени задержки, то узел памяти включается. Таким образом осуществляется защита узла памяти от импульсов помех. Практически в большинстве случаев достаточна задержка в 5 мс.

Схемы, собранные на логических элементах, необходимо согласовать с аппаратурой управления и датчиками. Управляющие воздействия редко можно непосредственно подать в схему без специального согласования. Контакты большинства электрических аппаратов, в частности мощных реле, кнопок и ключей управления, надежно коммутируют напряжение не ниже 60 В. Только отдельные аппараты: низковольтные кнопки, тумблеры,

реле РПУ, герконовые реле и т. п. допускают коммутацию цепей с напряжением 12 В.

На рис. 3 приведены примеры подачи входных сигналов на элементы серии «Логика Т» без потенциальной развязки.

При использовании входных аппаратов с напряжением 12 В сигнал управления х подают непосредственно на вход элемента (рис. 3, а, б), а при.использовании входного напряжения ПО В необходим делитель с резисторами R1 и R2 (рис. 3, в). На рис. 3,г показана схема подачи сигнала на вход счетных схем, предотвращающая помехи от «дребезга» контактов.

«Дребезг» размыкающих и замыкающих контактов одного аппарата происходит в разное время. Чтобы избежать влияния «дребезга» контактов на схему счета, приведенная на рис. 3, г ячейка памяти фиксирует последовательно размыкание размыкающего контакта и замыкание замыкающего контакта командного аппарата, например кнопки 5В. В результате на входе схемы счета после срабатывания командного аппарата, несмотря на «дребезг» контактов, происходит лишь одно переключение уровня сигнала.

Логические функции, определяющие для каждой схемы зависимость выходного сигнала от входного сигнала я, указаны на рис. 3, а — г.

Цифрами на входах и выходах логических элементов обозначена маркировка их выводов.

Для уменьшения воздействия помех на схемы логики и для разделения источников питания различных шкафов с логическими элементами применяется потенциальное разделение входных сигналов. На рис. 4 приведены схемы подачи входных сигналов с потенциальным разделением на функциональных элементах Т-201 и Т-210 с коммутацией на постоянном (12, ПО и 220 В) и переменном токе (220 В). Коммутация входного сигнала на постоянном токе позволяет уменьшить мощность резистора, включенного в цепь переменного тока элемента Т-201, а коммутация входного сигнала на переменном токе упростить схему включения элемента Т-201.

4. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ СЕРИИ «ЛОГИКА И»

Логические элементы серии «Логика И» предназначены для применения в системах промышленной автоматики, автоматизированного электропривода, телемеханики, устройствах сигнализации, измерения и защиты.

Элементы по назначению делятся на логические, функциональные, элементы времени и выходные усилители.

Максимально допустимая рабочая частота для элементов, не содержащих герконовых реле, составляет 500 кГц. Частота включения элементов с герконами лимитируется допустимой частотой работы герконовых реле соответствующего типа.

Напряжение питания равно +15 В. Сигналы: входной 1 не менее 8 В, выходной 1 не менее 12 В, входной 0 не более 6 В, выходной 0 не более 1,5 В.

Часть // состоит из транзистора VT5, резисторов Rf, R2 и диода VD1. Они образуют буферный усилитель.

Часть /// — пороговый диод с порогом напряжения 6 В. Благодаря этому диоду достигается высокая статистическая помехоустойчивость элементов.

Часть IV — выходной инвертор. Транзисторы VT6, VT7 и диод VD3 представляют собой активную выходную цепь. Когда транзистор VT7 открыт (на всех входах высокие уровни сигналов), нагрузочный ток втекает в схему через диод VD3. При этом выходное напряжение У^свыт = ^Ак8+^Лрв?. Когда транзистор VT7 закрыт (на одном из входов низкий уровень), выходное напряжение £/ вых = Е_п—У_нв^лД5, а транзистор VT6, работая в активной области, определяет ток, заряжающий нагрузочлую емкость, что обеспечивает малое дифференциальное выходное сопротивление в открытом и закрытом состояниях. Благодаря активному характеру выходного сопротивления такая схема характеризуется большим коэффициентом разветвления по выходу; кроме того, такая организация выходного каскада устраняет нежелательные всплески тока на выходе при переключении схемы, что снижает уровень внутренних помех и приводит к уменьшению потребления мощности в динамическом режиме.

В схемах с пассивным выходом транзистор VT6 заменяется резистором, подключаемым вне элемента. Пассивный выход снижает коэффициент разветвления по выходу элемента с 25 до 10, но позволяет реализовать схему монтажного ИЛИ-

Под единичной нагрузкой понимается один вход любой микросхемы данной серии. Входной ток логического 0 по одному входу не более 0,5 мА, а входной ток логической 1 не более 0,005 мА [28].

Правила включения элементов «Логика И» имеют некоторые особенности. Так как эти элементы выполнены со входом по базе транзистора, не имеющего смещения, нельзя оставлять вход элемента не подключенным к другому элементу, напряжению питания или нулевой точке схемы.

На рис. 102, а приведена схема подачи входного сигнала контактным элементом. При этом вход 3 может быть подключен к напряжению питания -J-15 В или соединен со входом 2. Выбор резистора определяется минимально допустимым током коммутации контакта К.

На рис. 102, б приведена схема включения реле через выходной усилитель И-405. Максимально допустимый ток катушки реле не должен превышать 100 мА, и параллельно ей необходимо включить диод для защиты от перенапряжения.

На рис. 102, в представлена схема включения коммутаторной лампы типа КМ-12-90 на выходе усилителя И-405. В качестве резистора используют МЛТ-0,5-1,5 кОм.

Способ увеличения числа входов И с использованием расширительного входа Е показан на рис. 102, г. В этом случае используют только один из выходов. Увеличение числа входов ИЛИ с использованием расширительного входа Е производится аналогично.

Часть // состоит из транзистора VT5, резисторов Rf, R2 и диода VD1. Они образуют буферный усилитель.

Часть IV — выходной инвертор. Транзисторы VT6, VT7 и диод VD3 представляют собой активную выходную цепь. Когда транзистор VT7 открыт (на всех входах высокие уровни сигналов), нагрузочный ток втекает в схему через диод VD3. При этом выходное напряжение и^свых = UK3+Uvd3. Когда транзистор VT7 закрыт (на одном из входов низкий уровень), выходное напряжение и'вых = Е_п—UioUrs, а транзистор VT6, работая в активной области, определяет ток, заряжающий нагрузочлую емкость, что обеспечивает малое дифференциальное выходное сопротивление в открытом и закрытом состояниях. Благодаря активному характеру выходного сопротивления такая схема характеризуется большим коэффициентом разветвления по выходу; кроме того, такая организация выходного каскада устраняет нежелательные всплески тока на выходе при переключении схемы, что снижает уровень внутренних помех и приводит к уменьшению потребления мощности в динамическом режиме.

На рис. 102, а приведена схема подачи входного сигнала контактным элементом. При этом вход 3 может быть подключен к напряжению питания

+15 В или соединен со входом 2. Выбор резистора определяется минимально допустимым током коммутации контакта К.

Выполнение схем с большим числом входов И или ИЛИ производится, как и на элементах серии «Логика Т», в несколько ступеней. На рис. 102, д приведен один из вариантов схемы из нескольких элементов И—НЕ, выходы которых объединяются, создавая таким образом монтажное ИЛИ.

Использование такой схемы допустимо только для элемента И-102 с открытым коллектором, т. е. для элемента, коллекторная нагрузка которого расположена вне элемента. При использовании элементов серии «Логика И» необходимо помнить о их высокой рабочей частоте и применять необходимые меры для снижения динамических помех. Максимально допустимая длина провода между элементами без скрутки 1,8 м. Линии связи длиной до 10 м могут выполняться несогласованными витыми парами. Допускается увеличение длины параллельно идущих проводников до 3 м при уменьшении числа одновременно переключаемых элементов до 3.

Линии связи длиной более 10 м, а также линии связи, выходящие за пределы устройства, рекомендуется выполнять согласованными витыми парами или коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 или 100 Ом.

Используя потенциальное разделение сигналов, можно применять для связи устройств обычные провода.

5. УЗЛЫ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ И ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ

На рис. 103, а приведена схема выдержки времени на включение, выполненная на элементе И-301, а на рис. 103, б — схема выдержки времени на отключение. Обе схемы рассчитаны на диапазон выдержек от 0,1 до 1 с. При необходимости получения меньших выдержек времени необходимо снять перемычку между выводами 8 и 12 и установить перемычку между выводами 8 и 75.

Для получения больших выдержек времени используют генератор из двух элементов выдержки времени и счетчик для фиксации необходимого числа импульсов (рис. 104).

Для борьбы с помехами часто бывает целесообразно иметь небольшую выдержку времени на появление входного сигнала. Два варианта получения таких выдержек времени приведены на рис. 105.

В схеме рис. 105, а используется включение конденсатора между «расширительным» входом и общей точкой. Ее целесообразно применять для выдержек времени в несколько микросекунд. Конденсатор 100 пФ дает выдержку времени 1 мкс. Для получения больших выдержек времени емкость конденсатора пропорционально увеличивается.

Схема рис. 105, б с дополнительным диодом типа КД521 позволяет получать с той же емкостью большие выдержки времени. Например, для получения выдержки времени 1 мкс требуется емкость 5 пФ.

Лабораторная работа № 112

Изучение динамических характеристик элементарных звеньев

Цель работы: Экспериментальное определение и изучение динамических характеристик элементарных звеньев, а именно:

1. Исследовать временные характеристики элементарных звеньев: колебательного

(К-звена), апериодического 1-ого порядка (А1-звена), интегрирующего (И-звена);

2. По экспериментально полученным временным характеристикам определить и изучить соответствующие частотные характеристики элементарных звеньев: амплитудные (АЧХ), фазовые (ФЧХ), амплитудно-фазовые (АФЧХ), последние называют еще комплексные (КЧХ);

3. Из практики автоматизации сельскохозяйственного производства привести примеры узлов, агрегатов или машин, динамические свойства которых близки к свойствам изученных элементарных звеньев.

1.Краткие теоретические сведения.

При изучении автоматических систем широко применяют классификацию элементов по динамическим свойствам. Это позволяет все многообразие физических устройств, из которых состоят автоматические системы, представить сравнительно небольшим числом типовых динамических звеньев. Под элементарным звеном понимают звено, описывающееся дифференциальным уравнением не выше второго порядка; выделяют следующие типовые устойчивые элементарные звенья: усилительное или безинерционное, дифференцирующее, интегрирующее, апериодическое 1-ого порядка или инерционное колебательное, апериодическое 2-ого порядка, консервативное, форсирующее, звено запаздывания.

Интегрирующее звено описывается уравнениями:

(1)

или (2)

При подаче на вход И-звена ступенчатого воздействия («скачка»)

(3)

получаем графики (рис.1). Другими словами, при подстановке (3) в (1) имеем решение (1) в виде:

(4)

т.е. получаем тот же график прямой линии с углом наклона β (рис.1)

x(t) y(t)

t t

Рис.1

Изображение уравнения (1) оп Лапласу при нулевых начальных условиях дает операторное уравнение:

и передаточную функцию И-звена:

(5)

где Yp), X(p) – изображение по Лапласу функций y(t) и x(t),

p=α+jω - комплексная переменная

(буквой «р» обозначается также оператор дифференцирования,

- оператор интегрирования),

- постоянная времени интегрирующего звена.

Подставляя в (5) р=jω, получим частотные характеристики И-звена.

Амплитудно-фазо-частотная характеристика (АФЧХ)

(6)

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

(7)

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ).

(8)

Частотные характеристики И-звена изображены на рис.2

W(ω) φ(ω) jIm(ω)

Re(ω)

0 ω ω=∞

W(ωi) W_и(jω)

ω=0

ω_i ω

Рис.2

По экспериментально снятой временной характеристике (4) можно определить k_и=tgβ и вычислить , используя (6) – (8), построить частотные характеристики И-звена.

Апериодическое звено 1-ого порядка

Апериодическое звено 1-ого порядка описывается дифференциальным уравнением 1-ого порядка.

, (9)

где T и k –постоянная времени и коэффициент передачи А1-звена.

Решение уравнения (9) имеет вид:

(10)

Поэтому (10) имеет вид, показанный на рис.3.

y(t)

Рис.3.

При определении T учитывалось также, что весь переходный процесс А1-звена продолжается (4-5) T.

Применяя к (9) преобразования Лапласа при нулевых начальных условиях, имеем:

откуда имеем выражение для передаточной функции:

(11)

Подставляя в (11) p=jω получаем частотные характеристики А1-звена

-АФЧХ, (12)

-АЧХ (13)

,- ФЧХ (14)

Частотные характеристики представлены на рис.4

W(ω) φ(ω) jIm(ω)

ω k/2 Re(ω)

k/√2 0 ω=∞ 45˚ ω=0

π/2

0 ω=1/Т ω

Рис.4

По экспериментально снятой временной характеристике можно определить k и постоянную времени звена T, используя (12)-(14), построить частотные характеристики А1-звена.

Колебательное звено

Колебательное звено описывается дифференциальным уравнением второго порядка

, (15)

где 0<ξ<1- коэффициент затухания или демпфирования;

T -постоянная времени,

k - коэффициент передачи.

при ξ=0 уравнение (15) описывает апериодическое звено, имеющее незатухающие колебания;

при ξ≥1 уравнение (15) описывает апериодическое звено второго порядка, колебания на выходе которого отсутствуют.

Решение (15) при 0<ξ<1 имеет вид:

, (16)

где ω_* - мнимая часть корня характеристического уравнения, соответствующего (15); сами корни можно обозначить

- относительное демпфирование (см. рис.6)

- абсолютное демпфирование.

Величины ω_*, k, m могут быть определены экспериментально по полученной временной характеристике (рис.5)-фактически - это экспериментально полученное выражение (16).

y(t) jIm(p)

-α_*

A1 ω_*

A2 Re(p)

Рис.5

Из рисунка 5 непосредственно видно, что ,

и , (17)

(18)

Коэффициент k определяется по аналогии с А1- звеном. Из рис.6 можно увидеть, что при m=0 величина α_*=0 и корни p_I_,2 находятся на мнимой оси. При этом А1=А2 и временные характеристики не затухают (граница устойчивости).

Если m→∞, то ω_*→0 и корни p_1,2 становятся вещественными и равными, временная характеристика обращается в экспоненту, а К-звено – в апериодическое звено 2-ого порядка. Таким образом, устойчивому колебательному звену отвечают значения m в интервале 0<m<∞, причем, чем больше m, тем меньше колебательность звена.

Применяя к (15) преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях имеем:

Отсюда получаем:

(19)

Для того чтобы вычислить ξ и T по экспериментальной характеристике, найдем корни характеристического полинома К-звена, т.е. знаменателя W_k(p)

так как ранее эти корни были обозначены:

и ,

то , .

Тогда из последних равенств можно выразить величины Т, ξ через m, ω_*:

(20)

Подставляя в (19) p=jω, получим частные характеристики К-звена

- АФЧХ (21)

-АЧХ (22)

-ФЧХ (23)

Частотные характеристики К-звена представлены на рис.6.

W(ω) φ(ω) jIm(ω)

0 ω=1/T ω ω=∞ k ω=0

k Re(ω)

-π/2

-π

ω=1/T ω ω=1/T

Рис.6

Таким образом, по экспериментально снятой временной характеристике К-звена можно определить ω_*, k, m затем ξ и Т.

Используя формулы (21)-(23), построить частотные характеристики К-звена.

Содержание отчета

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Схемы моделирования звеньев.

4. Осциллограммы временных характеристик К-, А1-, И-звеньев с масштабами (аналогично рис.1, 3, 5.)

5. Графики АФЧХ, АЧХ, ФЧХ, ЛАЧХ, ЛФЧХ К-, А1-, И-звеньев с масштабами, для которых получены временные диаграммы (аналогично рис. 2, 4, 6), графики строить, используя крайние значения частоты(ω→0, ω→∞) и 2-3 промежуточных значения.

6. Расчеты частотных характеристик производить по формулам 6, 7, 8, 12, 13, 14, 20, 21, 22, 23.

7. Привести формулы дифференциальных уравнений, передаточных и частотных характеристик, изучаемых звеньев с указанием числовых значений всех k, Т, а также ξ для колебательного звена определить также ω*, α*, m.

8. Привести примеры изучаемых звеньев.

9. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какие элементарные динамические звенья вы знаете?

2. Чем отличаются интегрирующие и апериодические звенья?

3. Чем отличаются АЧХ колебательных и апериодических звеньев?

4. Как определяется колебательность К-звена?

5. Изобразите характер расположения корней характеристических уравнений элементарных звеньев: интегрирующего, апериодического, колебательного.

6. Почему интегрирующее звено называют нейтральным?

7. У какого элементарного звена АЧХ имеет резонансный пик?

8. Какому расположению корней характеристического уравнения отвечает резонансный пик АЧХ, элементарного звена?

9. Что называют коэффициентом передачи элементарного звена?

10. Динамические свойства каких с.-х. машин, агрегатов близки к свойствам элементарных звеньев?

11. Что понимают под коэффициентом демпфирования и каков его физический смысл?

12. Что понимают под абсолютным и относительным демпфированием?

13. Что понимают под постоянной времени апериодического звена первого порядка, каков ее физический смысл?

14. Какими методами можно определить постоянную времени апериодического звена первого порядка, колебательного звена?

15. Изобразите пассивный четырехполюсник, который может быть описан апериодическим звеном первого порядка.

16. Как объяснить физическую суть наличия незатухающих колебаний консервативного звена?

17. Какими способами можно перейти дифференциального уравнения элементарного звена к его передаточной функции, временной диаграмме, частотным характеристикам?

18. Каким способом строится ЛАЧХ и ЛФЧХ апериодического звена первого порядка, интегрирующего звена, колебательного звена?

19. Каким элементарным звеном можно описать животноводческое помещение по каналу «мощность теплового потока – температура внутри помещения» в первом приближении?

20. Приведете пример функционального элемента, являющимся реальным дифференцирующим звеном.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления.-СПб.: Политехника, 2002.-302 с.

2. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. - М.: Высш.шк., 1986.-351 с.

3. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования / Под ред. Б.А. Карташова.- М.: КолосС, 2004. – 184 с. (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

4. Шавров А.В., Коломиец А.П. Автоматика. М.: Колос,1999.-264 с.

5. Колесов Л.В. Основы автоматики. М.: Колос, 1984.-288 с.

6. Мартыненко И. И. и др. Автоматика и автоматизация производственных процессов / Под ред. И. И. Мартыненко. М.: Агропромиздат, 1985.-335 с.

7. Бородин И.Ф., Рысс А.А. Автоматизация технологических процессов. – М.: Колос, 1996.-351 с.

8. Коломиец А.П., Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р., Юран С.И. Электропривод и электрооборудование. Учебник для ВУЗов. М.: КолосС, 2006.-328 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 25

МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ САР

Цель работы:

• освоить и закрепить понятия и отдельные вопросы теории автоматического регулирования нелинейных САР (нелинейные элементы и системы, релейные статические характеристики, автоколебания в нелинейных системах);

• освоить методику моделирования процессов регулирования в

нелинейных САР с помощью ПК «МВТУ».

Рис. 3.5.2. Структурная схема САР без учета возмущений:

Θзад ~ заданная температура; U — напряжение на электродах; ΔΘ= Θзад - Θ — сигнал рассогласования; W (р) — передаточная функция водонагревателя; F(ΔΘ) — релейная характеристика терморегулятора

Рис. 3.5.3. Зависимости параметров Рис. 3.5.4. Релейная характеристика

передаточной функции W(p) терморегулятора: d = 2а — диффе- производительности водонагревателя q ренциал; а — зона нечувствительности

3.5.1. Значения параметров элементов САР и задающего воздействия 0_зад

Вариант	б_max, ⁰С	σ_min, ⁰C	U,В	K,⁰С/В	Т1Т2,с²	(Т1+Т2),с	Θзад, ⁰С
		0,3		0,1

Рис. 3.5.5. Принципиальная схема гидравлической следящей системы для стабилизации высоты среза растений навесной жаткой кукурузоуборочного комбайна: / — остов комбайна; 2 — цилиндрический шарнир; 3 — жатка рядного типа; 4 — гидроцилиндр; 5 — режущий аппарат; б — копирующее колесо (датчик рассогласования); 7 — радиальная подвеска копирующего колеса; 8— пружина; 9— регулируемая тяга; 10— гидрораспределитель следящей системы

Рис. 3.5.6. Структурная схема САР:

W_М (p), W_τ (p), W_Ц (p), W _ШТ(p), W_Ж (p), W_Д(p), W₀(p) — передаточные функции звеньев системы; НЭ — нелинейный элемент; Н₃ — заданная высота среза; δH— сигнал рассогласования; Х_м — выходной сигнал гидрораспределителя; Y_р — изменение ширины рабочих окон гидрораспределителя; Y_p(t — τ) — выходной сигнал звена чистого запаздывания; Х_и, Х_ц, Х”_и — перемещение, скорость и ускорение штоков гидроцилиндров; δHо — вертикальные колебания режущего аппарата жатки от колебаний остова комбайна; H_ж -= изменение высоты среза от регулирующего воздействия следящей системы; Н_л — действительная высота среза

Передаточные функции элементов и звеньев системы:

- воспринимающего органа;

— звена чистого запаздывания;

— исполнительного органа;

-- дифференцирующего звена;

-- интегрирующего звена;

-- жатки;

- остова комбайна

где k_a, k_u, k_x, k₀ — коэффициенты передачи звеньев САР; Т_И, Т₁ Т₂ - постоянные времени звеньев САР; τ — время запаздывания.

Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 91 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая страница	\|	следующая страница ==>
Логические элементы автоматики	\|	Параметры звеньев САР

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.162 сек.)