Άσκηση 2: Τελεστικός Ενισχυτής. Αντικείμενο. Απαιτούμενες Θεωρητικές Γνώσεις. 2.1 Συγκριτές

Transcript

1 Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Άσκηση Τελεστικός Ενισχυτής Άσκηση : Τελεστικός Ενισχυτής Αντικείμενο ) Άθροιση με τελεστικό ενισχυτή ) Έλεγχος κέρδους τελεστικού ενισχυτή Απαιτούμενες Θεωρητικές Γνώσεις. Συγκριτές Σε αυτή την άσκηση εξετάζουμε τη συμπεριφορά των συγκριτών και τη χρήση τους στα συστήματα ελέγχου. Ένα απλό σύστημα αυτομάτου ελέγχου είναι η θερμοστατικά ελεγχόμενη ηλεκτρική θερμάστρα που χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας ενός δωματίου. Σε ένα τέτοιο σύστημα έχουμε να κάνουμε με δύο θερμοκρασίες, την πραγματική και την επιθυμητή. Στο θερμοστάτη, αν η πραγματική θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από την επιθυμητή, το διμεταλλικό έλασμα θα λυγίσει κατάλληλα για να ανοίξει η ηλεκτρική επαφή και να πάψει να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Αν η πραγματική θερμοκρασία είναι μικρότερη από την επιθυμητή η ηλεκτρική επαφή θα παραμείνει κλειστή και θα εξακολουθήσει να διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα ώστε να ανέβει η θερμοκρασία του δωματίου. Ο θερμοστάτης (σχήμα.) μπορεί να θεωρηθεί ότι εκτελεί συνεχώς τον υπολογισμό: Αν x-y>0, η επαφή παραμένει ανοικτή Αν x-y 0, η επαφή παραμένει κλειστή όπου x η θέση της επαφής και y η θέση της επαφής στο διμεταλλικό έλασμα Σχήμα.. Θερμοστάτης Ένα τέτοιο σύστημα ελέγχου μπορεί να επανασχεδιαστεί όπως στο σχήμα., όπου, χρησιμοποιώντας το θερμοστάτη, μπορούμε να μετρήσουμε την πραγματική θερμοκρασία (sensor B) και να τη συγκρίνουμε με την επιθυμητή θερμοκρασία (sensor A). Το κλείσιμο των επαφών κάνει την ηλεκτρική τροφοδοσία να ενεργεί ως ο Ελεγκτής που θερμαίνει τον Ενεργοποιητή, έτσι ώστε η Διαδικασία, π.χ. η ατμόσφαιρα του δωματίου, να γίνεται θερμότερη. Ο θερμοστάτης συχνά ονομάζεται bang bang συσκευή επειδή είναι ή ανοικτός ή κλειστός. Σε πολλές εφαρμογές οι αισθητήρες Α και Β παράγουν τάσεις ανάλογες με τις επιθυμητές και πραγματικές καταστάσεις της διαδικασίας.

2 Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Άσκηση Τελεστικός Ενισχυτής. Τελεστικοί Ενισχυτές Σχήμα.. Μια ηλεκτρονική συσκευή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύγκριση αναλογικών τάσεων είναι ο Τελεστικός Ενισχυτής. Πρόκειται για έναν υψηλού κέρδους, μικρής ολίσθησης DC ενισχυτή που είναι σχεδιασμένος να είναι ανεξάρτητος από τις μεταβολές της τάσης τροφοδοσίας. Το πλεονέκτημα ενός ενισχυτή με πολύ υψηλό κέρδος, της τάξης του 0 6, είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα απλό κύκλωμα που μπορεί να εκτελεί μαθηματικές πράξεις με μεγάλο βαθμό ακριβείας. Στο σχήμα.3, η V ο έχει ένα εύρος ±0V, που καθορίζεται από τη διαθέσιμη τάση τροφοδοσίας ±5V. Έτσι η V a είναι πάντα πολύ μικρή και μπορεί να θεωρείται μηδενική. Επίσης, εξαιτίας της υψηλής εμπέδησης εισόδου, μπορεί να θεωρηθεί ότι δεν εισέρχεται ρεύμα στις εισόδους του ενισχυτή. Σχήμα.3. Κάτω από αυτές τις συνθήκες: V Va i= i = Vi i Va Vo = V = o Αλλά i = i οπότε Vi Vo = ή Vo = Vi Σχήμα.4. Η V i μπορεί να αποτελείται από περισσότερες από μια τάσεις εισόδου V και V (σχήμα.4). Τότε η έξοδος θα είναι το άθροισμα των V και V επί το αντίστοιχο κέρδος.

3 Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Άσκηση Τελεστικός Ενισχυτής 3 V o = V V = ( V + V) Μια εναλλακτική υλοποίηση φαίνεται στο σχήμα.5 όπου α είναι το κλάσμα της τάσης κατά μήκος του ποτενσιόμετρου. Τότε το συνολικό κέρδος είναι περίπου /α αν =. Σχήμα.5. Να σημειωθεί ότι αν οι δύο είσοδοι είναι αντίθετης πολικότητας τότε ο ενισχυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αφαιρέτης. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο σε ένα σερβοσύστημα κλειστού βρόχου. Διαδικασία. Συνδέστε το τροφοδοτικό, τον εξασθενητή και τον τελεστικό ενισχυτή όπως δείχνει το σχήμα.6. Θέστε τον επιλογέα ανατροφοδότησης του ενισχυτή στα 00kΩ. Σχήμα.6.. Συνδέστε βολτόμετρα στις δύο εισόδους του ενισχυτή (σε σχέση με τη γείωση). Ρυθμίστε κατάλληλα τα δύο ποτενσιόμετρα ώστε τα βολτόμετρα να δείχνουν μηδέν..3 Συνδέστε βολτόμετρο στην έξοδο V ο του ενισχυτή (σε σχέση με τη γείωση). Ρυθμίστε το zero set του ενισχυτή ώστε το βολτόμετρο να δείχνει μηδέν.

4 Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Άσκηση Τελεστικός Ενισχυτής 4.4 Διατηρείστε την V στο μηδέν και ρυθμίστε μέσω του ποτενσιόμετρου την V στα +V. Μετρείστε την έξοδο V ο και σημειώστε τις τιμές στον πίνακα.. Εφαρμόστε διάφορες τάσεις τόσο θετικές όσο και αρνητικές στην V διατηρώντας πάντα την V μηδενική. Σημειώστε τις τιμές στον πίνακα.. Επαναλάβετε μεταβάλλοντας την V και διατηρώντας την V μηδενική. Τέλος μεταβάλλετε και την V και την V. V V V o V o (θεωρητικά) Πίνακας...5 Συμπληρώστε τον πίνακα. υπολογίζοντας και θεωρητικά την τάση V ο σε κάθε περίπτωση. Προσοχή στα πρόσημα των V και V..6 Συγκρίνετε τις πειραματικές με τις θεωρητικές τιμές. Για ποιους λόγους μπορεί να διαφέρουν;.7 Συνδέστε το τροφοδοτικό, τον εξασθενητή και τον τελεστικό ενισχυτή όπως δείχνει το σχήμα.7. Θέστε τον επιλογέα ανατροφοδότησης του ενισχυτή σε external feedback. Το πάνω ποτενσιόμετρο χρησιμοποιείται για την μεταβολή του αντιστάτη που θα μεταβάλει το κέρδος. Σχήμα.7..8 Εφαρμόστε είσοδο +V και μετρείστε την V ο για τις θέσεις 0 και 0 του πάνω ποτενσιόμετρου. Σημειώστε τις τιμές στον πίνακα.. V i Θέση της V o V o /V i V 0 V 0 Πίνακας..

5 Εργαστήριο Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Άσκηση Τελεστικός Ενισχυτής 5.9 Συμπληρώστε τον πίνακα. υπολογίζοντας το αντίστοιχο κέρδος σε κάθε περίπτωση. Μεταβάλλεται πολύ το κέρδος; Αιτιολογείστε την απάντησή σας..0 Τροποποιείστε το κύκλωμα όπως δείχνει το σχήμα.8. Διαφορά υπάρχει μόνο στο πάνω ποτενσιόμετρο. Ο επιλογέας ανατροφοδότησης του ενισχυτή παραμένει σε external feedback. Σχήμα.8.. Μετρείστε και σημειώστε τις τιμές της V ο για τις τιμές του πίνακα.3. Συμπληρώστε και το αντίστοιχο κέρδος. Θέση ποτενσιόμετρου V i V o V o /V i V V V V V V V V Πίνακας.3. V o /V i (θεωρητικά). Υπολογίστε και σημειώστε στον πίνακα.3 και τη θεωρητική τιμή του κέρδους. Όταν το ποτενσιόμετρο είναι στη θέση τότε η τιμή του α είναι περίπου /0. Τότε το συνολικό κέρδος είναι /α=-0..3 Συγκρίνετε τις πειραματικές με τις θεωρητικές τιμές του πίνακα.3. Συμφωνούν τα αποτελέσματα σε όλες τις περιπτώσεις ή στις περισσότερες; Αν σε κάποιες περιπτώσεις διαφέρουν πολύ, εξηγείστε το λόγο.