Badanie właściwości dynamicznych obiektów I rzędu i korekcja dynamiczna

Transkrypt

1 Ćwiczenie 20 Badanie właściwości dynamicznych obiektów I rzędu i korekcja dynamiczna Program ćwiczenia: 1. Wyznaczenie stałej czasowej oraz wzmocnienia statycznego obiektu inercyjnego I rzędu 2. orekcja dynamiczna obiektu inercyjnego I rzędu 3. Obserwacja odpowiedzi na wymuszenie skokiem jednostkowym samego korektora 4. Czujnik temperatury jako przykład obiektu dynamicznego Wykaz przyrządów: Multimetr RIGOL DM 3051 Generator RIGOL DG 1022 Oscyloskop RIGOL DS 1052E Zasilacz/Generator uniwersalny Obiekt dynamiczny I rzędu czwórnik RC (R= 1.5 kω, C= 1 μf) orektor dynamiczny (R1=38.3 kω, R2=9.5 kω, C dołączane) ondensator dekadowy C (yp CD 4b, kl. 0.5) Czujnik temperatury Literatura: [1] Zatorski A., Rozkrut A. Miernictwo elektryczne. Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych. Wyd. AGH, Skrypty nr S 1190, 1334, 1403, 1585, raków, 1990, 1992, 1994, 1999 [2] Hagel R., Zakrzewski J.: Miernictwo dynamiczne. Warszawa, WN 1984 [3] Hagel R.: Miernictwo dynamiczne. Warszawa, WN 1975 [4] Pląskowski A.: Eksperymentalne wyznaczanie własności dynamicznych obiektów regulacji. Warszawa, WN 1965 Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych: [5] Instrukcja obsługi: RIGOL, Oscyloskopy cyfrowe serii DS1000 [6] Instrukcja obsługi: RIGOL, Generatory cyfrowe serii DG > dydaktyka > Materiały dla studentów Strony www: > echnical Support Zakres wymaganych wiadomości do kolokwium wstępnego: Pojęcie transmitancji operatorowej i widmowej obiektu inercyjnego pierwszego rzędu, pojęcie błędu dynamicznego Wyznaczanie stałej czasowej na podstawie odpowiedzi na skok jednostkowy Zasada korekcji właściwości dynamicznych za pomocą korektorów szeregowych transmitancja operatorowa i widmowa korektora dobór parametrów korektora Charakterystyki amplitudowo i fazowo częstotliwościowe obiektów (zależności teoretyczne, metody pomiaru). Zasada pomiaru przesunięcia fazowego za pomocą oscyloskopu jedno i dwukanałowego. 1

2 2

3 1. Wyznaczenie stałej czasowej oraz wzmocnienia statycznego obiektu inercyjnego I rzędu Badanym obiektem dynamicznym I rzędu jest czwórnik zawierający rezystor R i kondensator C, którego właściwości dynamiczne opisuje stała czasowa = RC. Połączyć, układ pomiarowy według schematu jak na rysunku 1 Rysunek 1. Schemat elektryczny układu pomiarowego Wykonanie pomiarów: 1) Załączyć generator i oscyloskop 2) stawić na generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości około 40 Hz i amplitudzie we =5V 3) stawić w oscyloskopie wzmocnienie w obu kanałach na 1 V/dz, funkcję "Coupling"na DC a podstawę czasu na 5ms/dz 4) W razie potrzeby tak dobrać częstotliwość sygnału aby w każdym półokresie widoczne było uzyskiwanie na wyjściu obiektu stanu ustalonego odpowiedzi (rys. 1.a) 5) Wyłączyć kanał CH1 oscyloskopu z sygnałem wejściowym 6) Zmierzyć stałą czasową obiektu Rys. 1.a dobrać podstawę czasu oscyloskopu tak by uzyskać odpowiedź układu na jeden półokres wymuszenia za pomocą kursorów napięciowych zmierzyć wartość sygnału wyjściowego w stanie ustalonym S (na oscyloskopie ΔY) (rys. 1.b) Rys. 1.b wyliczyć wartość sygnału wyjściowego po czasie równym jednej stałej czasowej według zależności: = (t = ) = wy S i zaznaczyć tę wartość górnym kursorem (rys. 1.c) Rys. 1.c 3

4 zmierzyć kursorami czas po którym sygnał wyjściowy osiąga wartość (rys. 1.d) Rys.1.d w celu zwiększenia rozdzielczości pomiaru stałej czasowej zmienić wartość podstawy czasu by rozciągnąć interesujący fragment przebiegu na cały ekran (rys. 1.e, 1.f) Rys. 1.e 7) Wyniki zestawić w tabeli 1. Rys. 1.f Zapisać wynik pomiaru stałej czasowej: = [ ] Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia statycznego = S we Wyznaczyć wartość : = S Wyznaczyć wartość teoretyczną stałej czasowej ter : ter = R C 4

5 2. orekcja dynamiczna obiektu inercyjnego I rzędu Jeśli stała czasowa przetwornika dynamicznego jest zbyt duża, to do wyjścia czwórnika można dołączyć korektor o takiej strukturze i parametrach, aby powstały w ten sposób układ przetwornik korektor posiadał lepsze właściwości dynamiczne niż sam czwórnik. W rozważanym przypadku sprowadza się to do uzyskania mniejszej niż poprzednia stałej czasowej, przy zachowaniu pierwotnego charakteru przetwornika (inercyjny, pierwszego rzędu). Połączyć, układ pomiarowy według schematu jak na rysunku 2. Rysunek 2. Schemat elektryczny układu pomiarowego Wykonanie pomiarów: 1) stawić na kondensatorze dekadowym wartość pojemności równą zero (C =0) 2) Załączyć generator i oscyloskop 3) stawić na generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości około 40 Hz i amplitudzie we =5V 4) stawić w oscyloskopie wzmocnienie w obu kanałach na 1 V/dz, funkcję "Coupling"na DC a podstawę czasu na 5ms/dz 5) Za pomocą pokrętła pozycjonowania pionowego przesunąć sygnał wyjściowy do pozycji jak na rys. 2.a Rys. 2.a 6) Dobrać podstawę czasu oscyloskopu (2 ms/dz) tak, by uzyskać odpowiedź układu na jeden półokres wymuszenia (rys. 2.b) przy tym samym wzmocnieniu w obu kanałach oscyloskopu (1 V/dz) zaobserwować poziom sygnału wyjściowego w stanie ustalonym w stosunku do poziomu sygnału wejściowego Rys. 2.b 5

6 7) stawić wartość wzmocnienia kanału drugiego oscyloskopu (sygnał wyjściowy) na 200mV/dz (rys. 2.c) 8) Dobrać poprawną wartość pojemności C korektora Rys. 2.c poczynając od najstarszej dekady dobrać pojemność C w korektorze tak, aby po skokowej zmianie napięcia wejściowego, napięcie na wyjściu korektora narastało wy jak najszybciej, ale bez przeregulowania (rys. 2.e) Rys 2.d zbyt duża pojemność C Rys. 2.d za pomocą kursorów napięciowych zmierzyć wartość sygnału wyjściowego w stanie ustalonym S (na oscyloskopie ΔY) (rys. 2.e) Rys. 2.e w celu zmniejszenia czasu trwania stanu ustalonego w sygnale wyjściowym, zwiększyć częstotliwość prostokątnego sygnału wejściowego do 300 Hz (rys. 2.f) 9) Zmierzyć stałą czasową Rys. 2.f wyliczyć wartość sygnału wyjściowego po czasie równym jednej stałej czasowej według zależności: = wy (t = ) = S i zaznaczyć tę wartość górnym kursorem (rys. 2.g) Rys.2.g zmierzyć kursorami czas, po którym sygnał wyjściowy osiąga wartość (rys. 2.h) Rys. 2.h 6

7 w celu zwiększenia rozdzielczości pomiaru stałej czasowej zmienić wartość podstawy czasu by rozciągnąć interesujący fragment przebiegu na cały ekran (rys. 2.i, 2.j) Rys. 2.h 10) Wyniki zestawić w tabeli 2. Rys. 2.h Zapisać wynik pomiaru stałej czasowej: = [ ] Wyznaczyć współczynnik wzmocnienia statycznego = S we Wyznaczyć wartość : = S Wyznaczyć wartość teoretyczną stałej czasowej ter : ter = R1 R2 R + R 1 2 C Wyznaczyć wartość przyspieszenia korektora a : a = 7

8 3. Obserwacja odpowiedzi na wymuszenie skokiem jednostkowym samego korektora Połączyć, układ pomiarowy według schematu jak na rysunku 3. Rysunek 3. Schemat elektryczny układu pomiarowego 1) stawić na kondensatorze dekadowym wartość pojemności z poprzedniego punktu 2) Załączyć generator i oscyloskop 3) stawić na generatorze przebieg prostokątny o częstotliwości około 200 Hz i amplitudzie we =5V 4) stawić w oscyloskopie wzmocnienie w kanale CH1 (wejściowy sygnał prostokątny) na 5 V/dz, w kanale CH2 (sygnał wyjściowy) na 1 V/dz, w obu kanałach funkcję "Coupling"na DC a podstawę czasu na 2 ms/dz (rys. 3.a) wzmocnienie w kanale CH1 (wejściowy sygnał prostokątny) na 1 V/dz, w kanale CH2 (sygnał wyjściowy) na 1 V/dz, w obu kanałach funkcję "Coupling"na DC a podstawę czasu na 500 μs/dz (rys. 3.b) Rys. 3.a Zaobserwować charakter przebiegu wyjściowego korektora oraz wartość jego poziomu sygnału w stanie ustalonym w stosunku do wartości sygnału wejściowego Rys. 3.b 5) Naszkicować na jednym wykresie przebieg odpowiedzi samego korektora na wymuszenie sygnałem prostokątnym. 8

9 4. Czujnik temperatury jako przykład obiektu dynamicznego Połączyć, układ pomiarowy według schematu jak na rysunku 4. osc CH1 CH2 Zasilacz 15 V BNC czujnik temperatury Rysunek 4. Schemat elektryczny układu pomiarowego 1) Załączyć zasilacz i ustawić napięcie 15 V 2) stawić w oscyloskopie wzmocnienie w kanale CH1 na 500 mv/dz, funkcję "Coupling"na DC a podstawę czasu na 100 ms/dz 3) stawić podstawę czasu oscyloskopu na 10 s/dz 4) Poczekać aż sygnał pojawi się na początku ekranu oscyloskopu 5) Zanurzyć czujnik w gorącej wodzie i obserwować przebieg napięcia na wyjściu czujnika. 6) Gdy sygnał dobiegnie do końca ekranu nacisnąć przycisk RN/SOP (rys 4.a) Rys. 4.a 7) Zmierzyć stałą czasową czujnika temperatury (postępując jak w punkcie 1. ćwiczenia) 8) Wyniki zestawić w tabeli 3. Zapisać wynik pomiaru stałej czasowej: = [ ] Wyznaczyć wartość : = S 9