Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο

4.6.7. Γενική Περιγραφή Σεναρίου Γνωστικό αντικείμενο: Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου (ΣΑΕ)- Ερευνάται η χρήση του σερβοκινητήρα σε ένα αυτόματο σύστημα ελέγχου θέσης. 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 θέσης, συνεχούς ρεύματος DC κλειστού 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 ελέγχου θέσης. θα βγουν συμπεράσματα για την συμπεριφορά του κινητήρα σαν κλειστό σύστημα ελέγχου θέσης και θα βρεθεί η σχέση μεταξύ γωνίας εξόδου προς γωνίας εισόδου του σερβομηχανισμού θέσης. Διδακτικοί Στόχοι: Να διαπιστώσουν οι φοιτητές - σπουδαστές τη λειτουργία σερβομηχανισμού MS150 Να υπολογίζουν την της απόκρισης συστήματος (δηλαδή της εξόδου),τη σχέση μεταξύ, γωνιών εξόδου- εισόδου του σερβομηχανισμού. Μετά το τέλος του πειράματος θα πρέπει να: Έχετε δημιουργήσει τις χαρακτηριστικές του προενισχυτή. Παρατηρήσετε την λειτουργία ενός απλού κινητήρα (drive) σε ένα σύστημα ελέγχου θέσης κλειστού βρόγχου. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 1

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 VG602 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) 3. (ΓΑΥΡΟΣ, 2015) 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 2

4.6.8. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ θα χρησιμοποιηθούν οι ακόλουθες μονάδες του σερβοσυστήματος MS-150: ΠΙΝΑΚΑΣ 6 Ποσότητα 1 Χαρακτηρισμός OΑ150Α Περιγραφή (Operational Amplifier) 1 AU150B Τελεστικός Ενισχυτής (Attenuator Unit) 1 PA150C Μονάδα (Pre-Amp Unit) Μονάδα 1 SA150D Προενίσχυσης (Servo Amplifier) 1 PS150E Σερβοενισχυτής (Power Supply) Τροφοδοτικό 1 DCM150F (DC Motor) Κινητήρας 1 ΙΡ150Η (Input Potentiometer) 1 ΟΡ150Κ Ποτενσιόμετρο Εισόδου (Output Potentiometer) 1 GT150X Ποτενσιόμετρο Εξόδου (Reduction Gear Tacho Unit) Ταχογεννήτρια 1 MV143 (DC Voltmeter) Βολτόμετρο DC Για τις μονάδες του σερβομηχανισμού MS 150 που περιγράφονται στον πίνακα 6 έχουμε κάνει αναλυτική περιγραφή τους στην ενότητα 4.6.2, «θεωρητικό μέρος εργαστηριακής άσκησης 5» και στην ενότητα 4.6.5, «θεωρητικό μέρος εργαστηριακής άσκησης 6» 4.6.8.1. Το ποτενσιόμετρο εξόδου ΟΡ150Κ Είναι ίδιο με το ποτενσιόμετρο εισόδου. Σχήμα 103: ποτενσιόμετρα εισόδου IP150H - εξόδου OP150K MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 3

4.6.9. ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου-Εργαστήριο ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ: ΕΤΟΣ: ΑΡ. ΜΗΤΡΩΟΥ: ΟΜΑ Α: ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 ΒΑΘΜΟΣ 4.6.9.1. ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΟΥ 1 A. ΣΕΡΒΟΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΘΕΣΗΣ MS150 ΚΛΕΙΣΤΟΥ ΒΡΟΓΧΟΥ Απαιτούμενα Όργανα και Υλικά: Παλμογράφος διπλής δέσμης με μνήμη. (Βλέπε Παράρτημα Β) Μονάδα ποτενσιομέτρου AU-150B Μονάδα φόρτισης 150L Μονάδα κινητήρα- ταχυμέτρου ΜΤ-150F Τροφοδοτικό PS-150E Σερβοενισχυτής SA-150D Τελεστικός ενισχυτης OU-150A. ποτενσιόμετρα εισόδου IP150H - εξόδου OP150K Βολτόμετρο Πορεία Εργασίας 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του σχήματος 104 και ανοίξτε το τροφοδοτικό. Σχήμα 104: Σύστημα ελέγχου θέσης κλειστού βρόγχου. (Feedback Instruments, 2013) MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 4

Σ αυτό το πείραμα θα χρησιμοποιήσουμε τον προενισχυτή (Pre-Amplifier) PA150C ο οποίος έχει τρεις εισόδους και δύο εξόδους. Αν οδηγήσουμε θετική τάση σε μία από τις εισόδους του τότε μια από τις εξόδους του γίνεται θετική, ενώ αν οδηγήσουμε αρνητική τάση στην είσοδό του τότε γίνεται θετική η άλλη έξοδος του. Πριν χρησιμοποιήσουμε τον προενισχυτή για να ελέγξουμε τον κινητήρα θα κάνουμε ένα πείραμα για να βρούμε τις χαρακτηριστικές του. Πρακτικό μέρος 1 του πειράματος: Χαρακτηριστικές του προενισχυτή 2. Περιστρέψτε το δρομέα του πάνω ποτενσιόμετρο της μονάδας ποτενσιομέτρων AU150B και μετρήστε την τάση, χρησιμοποιώντας το βολτόμετρο (μεταξύ του 2 και τον 0V), η οποία θα πρέπει να είναι +1V. 3. Για να πάρουμε όσο πιο ακριβής μετρήσεις θα χρησιμοποιήσουμε το κάτω ποτενσιόμετρο της μονάδας ποτενσιομέτρων AU150B το οποίο θα μας δώσει τις υποδιαιρέσεις του ενός volt που έχουμε επιλέξει. Συνδέστε την επαφή 6 του κάτω ποτενσιομέτρου με την επαφή 2 του πάνω ποτενσιομέτρου. Αυτό σημαίνει ότι η κλίμακα που παρουσιάζει ο δρομέας από το 1 μέχρι το 10 θα μας δώσει τιμές στις είσοδο δέκατα του ενός volt. Τώρα είμαστε σε θέση να μετρήσουμε τις τιμές της εξόδου του προενισχυτή PA150C για τις διάφορες τιμές της εισόδου και να δούμε την συμπεριφορά του. 4. Πάρτε μετρήσεις για κάθε θέση του δρομέα του κάτω ποτενσιομέτρου τοποθετώντας το βολτόμετρο στις εξόδους του προενισχυτή και τα 0V και συμπληρώστε τον πίνακα 5. Επαναλάβετε τις μετρήσεις τοποθετώντας το βολτόμετρο στις εξόδους του προενισχυτή. Πίνακας Ι: Έξοδος προενισχυτή MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 5

6. Τοποθετήστε τώρα την επαφή 3 του πάνω ποτενσιομέτρου στα -15V του τροφοδοτικού και επαναλάβετε τις μετρήσεις. Πίνακας ΙΙ: Έξοδος προενισχυτή 7. Κάντε τις γραφικές παραστάσεις των εξόδων του προενισχυτή σε σχέση με την τάση εισόδου όπως στα σχήματα 105 και 106. Οι καμπύλες βασίζονται στη σύνδεση του βολτομέτρου στον προενισχυτή. Σχήμα 105: Γραφική παράσταση των εξόδων του προενισχυτή σε σχέση με την τάση εισόδου. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 6

Σχήμα 106: Γραφική παράσταση των εξόδων του προενισχυτή σε σχέση με την τάση εισόδου. Ο λόγος της τάσης εξόδου V0 προς την τάση εισόδου Vi μας δίνει το κέρδος Κ. 8. Χρησιμοποιήστε το ευθύγραμμο μέρος της καμπύλης για να βρείτε το κέρδος του προενισχυτή. 9. Γιατί θα πρέπει να βρείτε το κέδρος από το ευθύγραμμο μέρος της καμπύλης; 10. Εξηγήστε την μη γραμμικότητα των τμημάτων στις καμπύλες. Ερώτηση 3η: Ορίστε την περιοχή των τιμών των σημάτων της εισόδου. 11. Ποια θα έπρεπε να είναι η τιμή της εισόδου για να πάρουμε μηδενική τάση στην έξοδο. Πρακτικό μέρος 2, 5ου πειράματος: Κλειστό σύστημα ελέγχου θέσης με έναν απλό κινητήρα (drive) Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις εξόδους του προενισχυτή PA150C για να ελέγξουμε την φορά περιστροφής του κινητήρα και να οδηγήσουμε στον προενισχυτή ένα σήμα σφάλματος που προέρχεται από τον τελεστικό ενισχυτή ΟΑ150Α. 1. Πραγματοποιήστε την συνδεσμολογία του σχήματος 107. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 7

Σχήμα 107: Πρακτικό μέρος 2 του πειράματος: Κλειστό σύστημα ελέγχου θέσης με έναν απλό κινητήρα (drive). 2. Θα χρησιμοποιήσουμε το σήμα σφάλματος V0 που προέρχεται από τον τελεστικό ενισχυτή (ΟΑ150Α) σαν είσοδο, για να περιστραφεί το ποτενσιόμετρο εξόδου (ΟΡ150Κ) στην επιθυμητή θέση, μέσω του προενισχυτή και του κινητήρα. Το επάνω ποτενσιόμετρο της μονάδας ποτενιομέτρων AU150B μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ρυθμιστής κέρδους και θα πρέπει να βρίσκεται στην θέση μηδέν πριν ανοίξουμε το τροφοδοτικό. Ρυθμίστε τον προενισχυτή PA150C (zero set) έτσι ώστε ο κινητήρας να μην κινείτε. 3. Περιστρέψτε το ποτενσιόμετρο εισόδου ΙΡ150Η σε μια τυχαία γωνία (π.χ. 30ο) και στη συνέχεια αυξήστε το κέρδος μέσω του ποτενσιομέτρου (AU150B). Το ποτενσιόμετρο εξόδου ΟΡ150Κ θα πρέπει να περιστραφεί κατά μια γωνία ίδια με την γωνία του ποτενσιόμετρο εισόδου ΙΡ150Η. MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 8

4. Αν ο δρομέας του ποτενσιόμετρου εξόδου σταματήσει πριν φθάσει στην επιθυμητή θέση, βρισκόμαστε αντιμέτωπη με την περίπτωση που το σύστημα έχει μια ανοχή σφάλματος και ο κινητήρας δεν θα ανταποκριθεί αν αυτό δεν υπερβεί μια συγκεκριμένη τιμή. Στο επόμενο πείραμα θα μελετήσουμε αυτή την έννοια που είναι γνωστή σαν νεκρή ζώνη. Για την πραγματοποίηση του πειράματος αυξήστε το κέρδος για να υπερβούμε το όριο ανοχής σφάλματος και να πάρουμε σωστή ευθυγράμμιση. 5. Για διάφορες τιμές του ποτενσιομέτρου εισόδου σημειώστε τις μετρήσεις στον πίνακα 9. 6. Για διάφορες τιμές του ποτενσιομέτρου εισόδου σημειώστε τις μετρήσεις Πίνακας ΙΙΙ Πρακτικές απόψεις Συμπεράσματα Σε ένα σύστημα ελέγχου θέσης έχει ιδιαίτερη σημασία να φθάνει ο μηχανισμός ομαλά στην επιθυμητή θέση. Εάν υπάρχει υπερύψωση (απόκλιση πάνω από την επιθυμητή τιμή), θα πρέπει να ο μηχανισμός κινηθεί αντίθετα ώστε να ισορροπήσει στην επιθυμητή θέση. Εάν η κίνηση είναι γρήγορη, όταν το κέρδος είναι μεγάλο, γίνεται πολύ δύσκολη η ομαλή προσέγγιση στην επιθυμητή θέση. Βέβαια, η διορθωτική κίνηση προς την αντίθετη φορά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε υπερύψωση άρα θα χρειαζόταν πάλι διόρθωση με κίνηση προς την αντίθετη φορά και έτσι θα μπορούσε σε μια ακραία περίπτωση το σύστημα να κινείται γύρω από την επιθυμητή τιμή συνεχώς οδηγούμενο έτσι σε μια κατάσταση αστάθειας. (ΓΑΥΡΟΣ, 2015, σ. 76) MSC. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΚΑΒΑΛΙΕΡΟΣ 9