Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο

Transcript

1 4.6. ΣΕΡΒΟΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ MS150 Σχήμα 96: Modular Servo Instructional Servo System MS150 Το μορφωματικό σερβοσύστημα MS150 είναι ένας μοναδικός εξοπλισμός που σχεδιάζεται για να μελετήσει τη θεωρία και την πρακτική των συστημάτων αυτόματου ελέγχου. Έχει σχεδιαστεί για τη διδασκαλία της θεωρίας των ανοικτών και κλειστών βρόχων, την ταχύτητα και τα συστήματα ελέγχου θέσης που χρησιμοποιούν αρθρωτές μονάδες, τόσο μηχανικές και ηλεκτρονικές, που μπορούν να διαμορφωθούν για να αποδείξει τις διάφορες μεθόδους των τεχνικών ελέγχου. Το MS150 αποτελείται από μια επίπεδη βάση και είκοσι μονάδες (βλέπε σελίδες 207 έως 209) που μπορούν να παρέχονται ως: ένα πλήρες σύστημα MS150-3 ένα DC σύστημα μόνο MS150 ένα σύστημα AC μόνο MS150A ως ένα ψηφιακό σύστημα σε ένα περιβάλλον MATLAB ή σύνολα μετατροπής για να καταστεί δυνατή η αλλαγή από το ένα σύστημα στο άλλο Κάθε μονάδα είναι εφοδιασμένη με μαγνητική βάση, η οποία κρατά τη μονάδα στην ατσάλινη πλάκα με πλαστική επίστρωση, ανεξαρτήτως της γωνίας τοποθέτησης της βάσης. Οι μεμονωμένες μονάδες μπορούν να τακτοποιηθούν έτσι για να δημιουργήσουν τα σχηματικά συστήματα λειτουργίας φραγμών και οι διασυνδέσεις μεταξύ των μονάδων γίνονται από τους μολύβδους αλτών που ολοκληρώνονται στα stackable βουλώματα 4mm. Η αρθρωτή έννοια του συστήματος MS150 επιτρέπει τη μελέτη μεμονωμένων μονάδων και επίσης, με συνδυασμό, την έρευνα και τις επιδόσεις των ολοκληρωμένων συστημάτων. Μια σειρά από MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 1

2 εκπαιδευτικά εγχειρίδια παρέχεται για την παροχή ολοκληρωμένης κάλυψης της θεωρίας του συστήματος σέρβο και αναθέσεις για ένα ευρύ φάσμα των ικανοτήτων των φοιτητών. Βοηθητικός εξοπλισμός για την κάλυψη του πλήρους φάσματος των διαδηλώσεων και των πειραματικών εργασιών μια γεννήτρια λειτουργία και ένα μέσο για την απεικόνιση των δυναμικών απαντήσεων είναι απαραίτητες. Η λειτουργία ανάδρασης γεννήτρια FG601 είναι κατάλληλη. Καθώς και η γεννήτρια FG602 μεταβλητής φάσης. Συνιστούμε ο Παλμογράφος να διαθέτει d. c σε συνδυασμό με κανάλια X και Y και μια απλή εγκατάσταση αποθήκευσης. Οι σβενηχανισμοί που θα μελετήσουμε στο εργαστήριο είναι ο Σερβομηχανισμός ελέγχου ταχύτητας σχήμα 97 και ελέγχου θέσης σχήμα 98. Σχήμα 97:Σερβομηχανισμός ελέγχου ταχύτητας Σχήμα 97:Σερβομηχανισμός ελέγχου θέσης (Feedback Instruments, 2013) MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 2

3 Γενική Περιγραφή Σεναρίου Γνωστικό αντικείμενο: Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου (ΣΑΕ)- Σερβομηχανισμός MS150 - Κινητήρας συνεχούς ρεύματος» χωρίς ανατροφοδότηση Θεματική ταξινομία: Εξάμηνο: 8 Περιόδου: Εαρινού Εξαμήνου -Τμήμα Πληροφορικής με Εφαρμογές στην Βιοϊατρική Εκπαιδευτικό πρόβλημα: Το παρόν σενάριο αποτελεί μια επαφή των φοιτητών με τον σερβομηχανισμό MS150 και την μελέτη ελέγχου συνεχούς ρεύματος DC ανοιχτού βρόγχου. Οι ασκήσεις έχουν δημιουργηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να παροτρύνουν τους φοιτητές, να πειραματιστούν και μέσω της διερεύνησης, να ανακαλύψουν έννοιες και σχέσεις που δεν γνώριζαν μέχρι τη στιγμή αυτή ή έννοιες που έχουν αναφερθεί σε θεωρητικό επίπεδο στα ΣΑΕ. Δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην ανακάλυψη της γνώσης και όχι στην αβασάνιστη προσφορά της από τον εκπαιδευτικό. Οι μαθητές εμπλέκονται στην κατασκευή κυκλωμάτων, στην λήψη μετρήσεων και στη διεξαγωγή συμπερασμάτων. Γενική περιγραφή περιεχομένου: Το σενάριο είναι δομημένο για δυο ώρες εργαστηρίου. Αρχικά θα γίνει αναφορά στο σερβομηχανισμό ΜS150. θα βγουν συμπεράσματα για την συμπεριφορά του κινητήρα σαν ανοιχτό σύστημα και θα βρεθεί η σχέση μεταξύ στροφών του άξονα του κινητήρα και της τάσης της ταχογεννήτριας. Διδακτικοί Στόχοι: Να διαπιστώσουν οι φοιτητές - σπουδαστές τη λειτουργία σερβομηχανισμού MS150 Να υπολογίζουν την της απόκρισης συστήματος (δηλαδή της εξόδου),τη σχέση μεταξύ στροφών του άξονα του κινητήρα και της τάσης της ταχογεννήτριας, Να σχεδιάζουν το χονδρικό διάγραμμα του σερβομηχανισμού MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 3

4 Λέξεις κλειδιά που χαρακτηρίζουν τη θεματική του σεναρίου: Σερβομηχανισμός MS150 Μονάδα ποτενσιομέτρου(υποδιαίρεσης Τάσης) Σερβοκινητήρας Ταχογεννήτρια-Ταχύμετρο Σερβοενισχυτής Υλικοτεχνική υποδομή Ψηφιακό υλικό: Αίθουσα Εργαστηρίου Η/Υ ή ΣΑΕ εφόσον διαθέτει Η/Υ με σύνδεση στο διαδίκτυο για όλες τις ομάδες μαθητών Βιντεοπροβολέας και Η/Υ με σύνδεση στο διαδίκτυο για τον διδάσκοντα Σερβομηχανισμός MS150 Τροφοδοτικό ±15V DC Ψηφιακό Πολύμετρο Γεννήτρια συναρτήσεων VG601 Εκτιμώμενη Διάρκεια Ο εκτιμώμενος χρόνος που απαιτείται από τον φοιτητή σπουδαστή για την ολοκλήρωση της παρούσας εργαστηριακής άσκησης είναι 2 διδακτικές ώρες. Πνευματικά δικαιώματα ή άλλοι αντίστοιχοι περιορισμοί: 1. (Feedback Instruments, 2013) 2. (Μπούταλης, Πλάτσης, & Πάντσογλου, 2012) Εκτιμώμενο Επίπεδο Δυσκολίας: Υψηλή δυσκολία Τύπος διαδραστικότητας : Συνδυασμός παθητικής και ενεργητικής μάθησης Επίπεδο διαδραστικότητας : Υψηλό Προτεινόμενη ηλικιακή ομάδα του τελικού χρήστη: Άνω τον 18 Εκπαιδευτική βαθμίδα που απευθύνεται το σενάριο: Τριτοβάθμια Εκπαίδευση - Σχολές Θετικών Επιστημών & Τεχνολογίας Παράδοση Φύλλο έργου Το φύλλο έργου πρέπει να το ανεβάσετε στο free open e-class ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ, σύμφωνα με την ημερομηνία παράδοσης! MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 4

5 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ θα χρησιμοποιηθούν οι ακόλουθες μονάδες του σερβοσυστήματος MS-150: 1. ΜΟΝΑ Α ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟΥ AU-150B 2. ΜΟΝΑ Α ΦΟΡΤΙΣΗΣ 150L 3. ΜΟΝΑ Α ΚΙΝΗΤΗΡΑ-ΤΑΧΥΜΕΤΡΟΥ ΜΤ-150F 4. ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟ PS-150E 5. ΣΕΡΒΟΕΝΙΣΧΥΤΗΣ SA-150D 6. ΧΡΟΝΟΜΕΤΡΟ 7. ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ Περιγραφή των διαφόρων μονάδων που θα χρησιμοποιηθούν: Σχήμα 96: Λειτουργικό διάγραμμα ανοιχτού βρόγχου ΜΟΝΑ Α ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΩΝ AU-150Β. Περιλαμβάνει δύο γραμμικά ποτενσιόμετρα άνθρακα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν διαιρέτες τάσεως και σαν μεταβλητές αντιστάσεις στον βρόγχο ανατροφοδότησης ενός τελεστικού ενισχυτή ώστε να μεταβάλλεται το κέρδος τάσης του ενισχυτή ΜΟΝΑ Α ΦΟΡΤΙΣΗΣ 150L. Το φορτίο αυτό αποτελείται από έναν μόνιμο μαγνήτη που είναι προσαρμοσμένος σε μια βάση από αλουμίνιο. Τοποθετείται έτσι ώστε το κενό που έχει ο μαγνήτης ανάμεσα στους οπλισμούς να μπορεί να δεχθεί μικρό ή μεγάλο μέρος της επιφάνειας του δίσκου που βρίσκεται προσαρμοσμένος στον άξονα του κινητήρα. Όταν ο δίσκος κινείται αναπτύσσονται επάνω του ρεύματα κλειστής διαδρομής (δεν παράγουν έργο) τα οποία δημιουργούν μαγνητικό πεδίο αντίθετο από αυτό MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 5

6 που τα προκάλεσε και η επίδραση των δύο μαγνητικών πεδίων έχει σαν αποτέλεσμα το φρενάρισμα του άξονα του κινητήρα ΜΟΝΑ Α ΚΙΝΗΤΗΡΑ-ΤΑΧΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΝT-150F. Όπως θα παρατηρήσετε η μονάδα αυτή αποτελείται από έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος και μία ταχογεννήτρια που συνδέεται απ ευθείας στον άξονα του κινητήρα. Τα καλώδια του κινητήρα συνδέονται στο τροφοδοτικό με την βοήθεια ειδικού βύσματος για να μην γίνεται λάθος στην σύνδεση. Αντιθέτως οι ακροδέκτες της ταχογεννήτριας που είναι συνεχούς ρεύματος είναι ελεύθεροι χωρίς τις ενδείξεις συν και πλην. Αυτό συμβαίνει διότι ο κινητήρας μπορεί να στραφεί είτε προς την μια είτε προς την άλλη φορά δηλαδή η ταχογεννήτρια θα εμφανίζει το συν είτε στον έναν είτε στον άλλο ακροδέκτη. Η μέγιστη τάση που μπορεί να παράγει η ταχογεννήτρια είναι 15 Volts. Είναι απαραίτητο να γίνεται ο υπολογισμός ή η μέτρηση της σταθεράς Κ του ταχυμέτρου. Η σταθερά αυτή είναι η σχέση που συνδέει τις στροφές του άξονα με την τάση που παράγει η ταχογεννήτρια και ειδικότερα η σταθερά Κ είναι η τάση του ταχυμέτρου όταν ο κινητήρας περιστρέφεται με 1000 στροφές το λεπτό. Η τιμή αυτή μπορεί να βγει από υπολογισμό ως εξής: για δύο διαφορετικές ταχύτητες που τις μετράμε με στροφόμετρο ή με χρονόμετρο μετράμε με βολτόμετρο ακριβείας τις αντίστοιχες τάσεις της ταχογεννήτριας. Τις τιμές αυτές τις βάζουμε σε σύστημα καρτεσιανών συντεταγμένων και ενώνουμε τις μετρήσεις με μια ευθεία που μας δίνει την προσεγγιστική σχέση στροφών/τάσης της ταχογεννήτριας. Από εδώ μπορούμε να υπολογίσουμε την τάση της ταχογεννήτριας στις 1000 στροφές ανά λεπτό ΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟ PS-150Ε. Η μονάδα του τροφοδοτικού μας δίνει συνεχές ρεύμα τάσεως συν και πλην 15 Volts για την τροφοδοσία των μονάδων που έχουν ενεργά στοιχεία όπως τρανζίστορ και ολοκληρωμένα ή για την παροχή σταθερής τάσεως που χρησιμοποιείται σαν αναφορά. Επίσης μας δίνει και εναλλασσόμενο ρεύμα 30 Volts AC για την τροφοδοσία των μονάδων που το χρησιμοποιούν. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 6

7 ΣΕΡΒΟΕΝΙΣΧΥΤΗΣ SA-150D. Η κατασκευή του σερβοενισχυτή είναι τέτοια ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και με κινητήρες συνεχούς ρεύματος αλλά και με κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος. Έχει διαφορική είσοδο για να είναι δυνατόν να αναστρέψει την πολικότητα της τάσης εξόδου προς τον κινητήρα συνεχούς ρεύματος και κατά τον τρόπο αυτό να αλλάξει φορά περιστροφής ο κινητήρας ΧΡΟΝΟΜΕΤΡΟ. Θα χρειασθεί για να μετρηθεί ο αριθμός των στροφών ανά λεπτό του κινητήρα δηλαδή χρειάζεται για τη σωστή εκτίμηση του χρόνου ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ( Volts). Το βολτόμετρο θα πρέπει να είναι αναλογικό για να μπορεί να διαβαστεί η τιμή της τάσης ακόμη και αν μεταβάλλεται μικρομετρικά. Για να μην επηρεάζει το κύκλωμα στο οποίο συνδέεται θα πρέπει να έχει πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου και να μπορεί να μετρά και θετικές και αρνητικές τάσεις ταυτόχρονα. Τα χαρακτηριστικά αυτά μπορούν να βρεθούν μόνο στα αναλογικά βολτόμετρα με κύκλωμα ενισχυτή. (Μπούταλης, Πλάτσης, & Πάντσογλου, 2012, pp. 6-8) MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 7

8 ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΕΤΟΣ: ΑΡ. ΜΗΤΡΩΟΥ: ΟΜΑ Α: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 ΒΑΘΜΟΣ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΟΥ 1 A. ΣΕΡΒΟΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ MS150 ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ Απαιτούμενα Όργανα και Υλικά: 1. Μονάδα ποτενσιομέτρου AU-150B 2. Μονάδα φόρτισης 150L 3. Μονάδα κινητήρα- ταχυμέτρου ΜΤ-150F 4. Τροφοδοτικό PS-150E 5. Σερβοενισχυτής SA-150D 6. Χρονόμετρο 7. Βολτόμετρο Πορεία Εργασίας 1. Επιλέξτε τις μονάδες που προαναφέρθηκαν στην εισαγωγή και αφαιρέστε τους οπλισμούς των μαγνητών που βρίσκονται στην βάση τους. 2. Τοποθετήστε τις μονάδες επάνω στην μεταλλική επιφάνεια έτσι ώστε να υπάρχει αρκετός χώρος ανάμεσά τους. 3. Κάνετε τις συνδέσεις μεταξύ των μονάδων όπως φαίνεται στο σχήμα 97. Με το ποτενσιόμετρο μπορείτε να ρυθμίζετε την σταθερή τάση από 0 έως 15 Volts. Όπως φαίνεται και από το λειτουργικό διάγραμμα του σχήματος 97 η τάση αυτή είναι η εντολή, δηλαδή η είσοδος του συστήματος. 4. Συνδέστε ένα βολτόμετρο που είναι δυνατόν να μετρήσει και θετικές και αρνητικές τιμές τάσεων (γαλβανόμετρο) στους ακροδέκτες της ταχογεννήτριας. Βεβαιωθείτε ότι έχετε επιλέξει την σωστή κλίμακα μέτρησης (DC Volts 0-15). MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 8

9 Σχήμα 97: Λειτουργία ανοιχτού 5. Συνδέστε ένα βολτόμετρο μεταξύ του δρομέα του ποτενσιόμετρου και της γείωσης. Προσοχή στην πολικότητα. 6. Περιστρέψτε τον δρομέα του ποτενσιόμετρου έως ότου μετρήσετε 1 Volt (δηλαδή η τάση εισόδου στο σύστημα ρυθμίζεται στο 1 Volt). 7. Γράψτε ένα πίνακα με τις εξής μεταβλητές: α) τάση ποτενσιόμετρου β)τάση ταχογεννήτριας γ)χρόνος σε sec δ) στροφές και ε) στροφές ανά λεπτό (υπολογιστικά από γ και δ). 8. Με την βοήθεια του χρονομέτρου μετρήστε τον χρόνο που χρειάζεται για να ολοκληρωθούν 20 στροφές από τον άξονα του κινητήρα. Για να διευκολυνθεί η μέτρηση αυτή τοποθετήστε μια μονάδα ST-150R στον άξονα χαμηλής ταχύτητας του κινητήρα (βρίσκεται στο πλάι στο μπροστινό μέρος του κινητήρα). Ο άξονας χαμηλής ταχύτητας συμπληρώνει μία στροφή για κάθε 30 στροφές του άξονα του κινητήρα. 9. Γράψτε αυτή τη μέτρηση στον πίνακα «I». ΠΙΝΑΚΑΣ Ι 10. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο ώστε η ταχογεννήτρια να παράγει 2 Volts. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 9

10 11. Για χρόνο ενός λεπτού μετρήστε τον αριθμό των στροφών όπως και στο 8. Γράψτε αυτή τη μέτρηση στον πίνακα «I». 12. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο ώστε η ταχογεννήτρια να παράγει 4,5Volts. 13. Για χρόνο ενός λεπτού μετρήστε τον αριθμό των στροφών όπως και στο 8. Γράψτε αυτή τη μέτρηση στον πίνακα «I». 14. Από τις μετρήσεις που πήρατε σχεδιάστε την καμπύλη: Ταχύτητα κινητήρα (σε στροφές ανά λεπτό) σαν συνάρτηση της τάσεως εξόδου του ταχυμέτρου. Από την καμπύλη αυτή υπολογίστε την κλίση της σταθεράς Κ. rev/m 0 Vg 15. Ελαττώστε την τάση εισόδου από το ποτενσιόμετρο έως ότου ο κινητήρας μόλις που να περιστρέφεται. 16. Σημειώστε σαν πρώτη μέτρηση στον πίνακα «ΙΙ» την τάση του ποτενσιόμετρου και την τάση της ταχογεννήτριας. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 10

11 17. Για τρεις ακόμη τιμές της τάσης εισόδου μετρήστε την αντίστοιχη τάση της ταχογεννήτριας και γράψτε τις μετρήσεις στον πίνακα «ΙΙ». Επειδή το σύστημα είναι ανοικτό θα πρέπει να περιμένετε λίγο χρόνο έως ότου δεν επιταχύνεται άλλο ο κινητήρας πριν μετρήσετε την τάση της ταχογεννήτριας. Από τις μετρήσεις που πήρατε σχεδιάστε την καμπύλη μεταβολής της τάσεως εξόδου (ταχογεννήτρια) σαν συνάρτηση της τάσεως εισόδου. 18. Τοποθετήστε την μονάδα φρένου (φόρτισης) έτσι ώστε ο δίσκος του κινητήρα να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα μέσα στο διάκενο του μόνιμου μαγνήτη. 19. Με το φρένο στη θέση 10 (μέγιστη) περιστρέψτε το ποτενσιόμετρο ώστε ο κινητήρας μόλις που να περιστρέφεται. 20. Σημειώστε την τάση του ποτενσιόμετρου σαν πρώτη μέτρηση στον πίνακα «ΙΙΙ». ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ 21. Αυξήστε κατά μία θέση την τιμή του ποτενσιόμετρου προσέχοντας να μην ξεπεράσει την ένδειξη 2 Αμπέρ το όργανο που βρίσκεται στο τροφοδοτικό PS-150E διότι υπάρχει κίνδυνος καταστροφής των τυλιγμάτων του κινητήρα. 22. Σημειώστε στον πίνακα «ΙΙΙ» την θέση του φρένου και την τάση της ταχογεννήτριας. 23. Ελαττώνοντας κατά μια μονάδα την φορά την θέση του φρένου γράψτε την τάση της ταχογεννήτριας για κάθε θέση του φρένου 24. (από 10 έως 1) στον πίνακα «ΙΙΙ». 25. Με τις μετρήσεις αυτές σχεδιάστε μια καμπύλη που να δείχνει την μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα σε συνάρτηση με τη φόρτιση του άξονα. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 11

12 26. Τοποθετήστε το φρένο στη θέση 0, δηλαδή όταν κανένα τμήμα του μαγνητικού πεδίου του διάκενου δεν επιδρά στον δίσκο. 27. Βάλτε το διακόπτη του τροφοδοτικού στη θέση OFF. Παρατηρήσεις - Σχόλια (Μπούταλης, Πλάτσης, & Πάντσογλου, 2012, pp. 9-13) MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 12