專利名稱：調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法及實驗儀的制作方法
技術領域：
本實發(fā)明涉及的是一種用于高校“控制儀表及裝置”、“化工儀表及自動化”、“過程控制”等課程實驗教學的調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法及實驗儀器。屬于電子儀器技術領域。
調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀，其結構是差動輸入電路的輸出端接阻容濾波電路和1-5V三位半數(shù)字電壓表的輸入端，將調節(jié)器送來的4-20mA閥位信號轉換為1-5V的電壓給阻容濾波電路和1-5V三位半數(shù)字電壓表，阻容濾波電路時間常數(shù)約為100秒，阻容濾波電路的另一個輸入端接干擾發(fā)生電路的輸出端，阻容濾波電路的輸出端接阻抗變換及功率放大電路的輸入端，阻容濾波電路將差動輸入電路輸出及來自干擾發(fā)生電路的干擾通道的輸出信號相疊加后進行濾波處理，處理后給阻抗變換及功率放大電路，進行阻抗變換及功率放大后一方面輸送到1-5V三位半數(shù)字電壓表用于指示輸出信號的大小即調節(jié)器的測量值，另一方面輸送到調節(jié)器的測量端，作為調節(jié)器的測量信號；干擾發(fā)生電路可發(fā)生0-10％的干擾信號，輸入給阻容濾波電路，同時給0-10V三位半數(shù)字電壓表，用于指示干擾值的大??；4-20mA電流信號發(fā)生器作調節(jié)器的外給定電流，一方面接4-20mA三位半數(shù)字電流表，另一方面接調節(jié)器的外給定輸入端。
優(yōu)點，方法簡單易懂、操作方便，儀器結構合理、性能穩(wěn)定可靠，使調節(jié)器在閉環(huán)的狀態(tài)下做實驗(與實際應用場合相近)，通過改變調節(jié)器的給定值、正反作用、比例P、積分I、微分D等參數(shù)來觀察模擬調節(jié)對象的輸出跟蹤給定值的情況，了解調節(jié)器克服干擾的過程，掌握調節(jié)器的比例度、積分時間、微分時間等參數(shù)的整定方法，了解調節(jié)器的調節(jié)作用原理，從而使同學能在較短時間內熟練掌握調節(jié)器的使用方法、驗證調節(jié)器的原理，從而熟練使用調節(jié)器。
對照附圖
2，調節(jié)器輸出的4-20mA閥位信號在R1(250Ω)上轉換為1-5V的電壓，經(jīng)由運算放大器U1(LM741)和電阻R2～R5(各為200KΩ)組成的1∶1差動放大器進行差動放大，送入由電阻R6(1MΩ)和電容C2(100μf)組成的時間常數(shù)約為100秒的阻容電路(即模擬水槽)；圖中由電位器W1(4.7KΩ)、電阻R17(1KΩ)、電容C6(47μf)、C7(0.22μf)、運算放大器U4(LM741)、電阻R19、R20(47KΩ)組成干擾發(fā)生電路，可發(fā)生0-10％的干擾信號，用于觀察調節(jié)器的克服干擾能力，它所產生的電壓與運算放大器U11輸出的電壓疊加后加在電容C2上。
因電容C2上的電壓內阻較大，運算放大器U2(TL081)與電阻R7(2KΩ)、二極管D1(1N4007)、三極管Q1(9013)、電阻R9(510Ω)構成阻抗變換及功率放大電路，將電容C2上的電壓進行阻抗變換及功率放大后以1-5V的電壓輸出(送到調節(jié)器的“測量”端)。
由電位器W2(4.7KΩ)，電阻R10(4.7KΩ)、R11～R14(200KΩ)、R15(2KΩ)、R16(100Ω)、電容C4(0.22μf)、C5(0.1μf)、運算放大器U3(TL081)及晶體三極管Q2(9012)組成4-20mA恒流源電路，由電位器W2調整其值的大小，供調節(jié)器的外給定輸入用。
圖2中X1～X4(XC5135)是三位半數(shù)字電壓(電流)表，分別用于指示輸入、輸出、干擾信號及外給定電流的大小。
變壓器B1將220交流電源電壓降壓，分別得到9V、15V×2及27V交流電壓，二極管D2～D5(1N4007)、電容C8(4700μf)、C9～C10(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U7(LM7805CT)組成+5V電源電路，供三位半數(shù)字電壓表電路使用；二極管D6～D9(1N4007)、電容C11、C13(1000μf)、C12、C14～C16(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U5(LM7812CT)、U6(LM7912CT)組成±12V電源電路，供主電路使用；二極管D10～D13(1N4007)、電容C17(4700μf)、C18、C19(0.1μf)、三端集成穩(wěn)壓器U8(MC7824T)組成24V電源電路，供調節(jié)器使用。
電容C2電容器采用鉭電解電容。
用一個上述的RC阻容電路模擬一個具有一階慣性特性的水槽，所加給這個電路的電壓1-5V，相當于控制流入這個水槽的液體管道上調節(jié)閥的開度0-100％，也就是控制了入槽液體流量的0-100％；電容上電壓1-5V相當于水槽里液位的0-100％；電路時間常數(shù)的大小代表水槽容量的大??；隨著時間的推移，電容上的電壓成指數(shù)規(guī)律上升，經(jīng)過300-500秒近似達到與所加電壓。
權利要求
1.調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法，其特征是用一個設置在調節(jié)器的輸出端與調節(jié)器的測量輸入端間由電阻(R6)、電容(C2)組成的RC阻容電路，模擬一個具有一階慣性特性的底部設有出水口的水槽，調節(jié)器所加給RC阻容電路的電壓的大小，相當于控制流入這個水槽的液體管道上調節(jié)閥的開度的大小，也就是控制了入槽液體流量的大??；電容(C2)上電壓的高低相當于水槽里液位的高低；電容量的大小代表水槽容量的大??；電阻(R6)值的大小代表入槽管路阻力的大小；調節(jié)器根據(jù)電容(C2)上電壓與給定值之間的差值經(jīng)比較及比例(P)、積分(I)、微分(D)運算后輸出控制信號控制RC阻容電路的充電電壓的高低，使電容(C2)上的電壓接近調節(jié)器的給定值，并使其趨于平衡。
2.調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗儀，其特征是差動輸入電路(1’)的輸出端接阻容濾波電路(2’)和1-5V三位半數(shù)字電壓表(6’)的輸入端，將調節(jié)器送來的4-20mA閥位信號轉換為1-5V的電壓給阻容濾波電路(2’)和1-5V三位半數(shù)字電壓表(6’)，阻容濾波電路(2’)時間常數(shù)約為100秒，阻容濾波電路(2’)的另一個輸入端接干擾發(fā)生電路(3’)的輸出端，阻容濾波電路(2’)的輸出端接阻抗變換及功率放大電路(4’)的輸入端，阻容濾波電路(2’)將差動輸入電路(1’)輸出及來自干擾發(fā)生電路(3’)的干擾通道的輸出信號相疊加后進行濾波處理，處理后給阻抗變換及功率放大電路(4’)，進行阻抗變換及功率放大后一方面輸送到1-5V三位半數(shù)字電壓表(8’)用于指示輸出信號的大小即調節(jié)器的測量值，另一方面輸送到調節(jié)器的測量端，作為調節(jié)器的測量信號；干擾發(fā)生電路(3’)可發(fā)生0-10％的干擾信號，輸入給阻容濾波電路(2’)，同時給0-10V三位半數(shù)字電壓表(7’)，用于指示干擾值的大?。?-20mA電流信號發(fā)生器(5’)作調節(jié)器的外給定電流，一方面接4-20mA三位半數(shù)字電流表(9’)，另一方面接調節(jié)器的外給定輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法及實驗儀器。調節(jié)器模擬閉環(huán)實驗方法，用一個RC阻容電路模擬一個具有一階慣性特性的底部設有出水口的水槽，所加給這個電路的電壓的大小，相當于控制流入這個水槽的液體管道上調節(jié)閥的開度的大小，也就是控制了入槽液體流量的大??；電容上的電壓相當于水槽里的液位；調節(jié)器根據(jù)電容上電壓與給定值之間的差值經(jīng)比較及比例P、積分I、微分D運算后輸出控制信號控制RC阻容電路的充電電壓的高低，使電容上的電壓接近調節(jié)器的給定值，并使其趨于平衡電。優(yōu)點，方法簡單易懂操作方便，儀器結構合理、性能穩(wěn)定可靠，使用者可在較短時間內熟練掌握調節(jié)器的使用方法、驗證調節(jié)器的原理，熟練使用調節(jié)器。
文檔編號G09B23/06GK1431636SQ0311279
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權日2003年1月29日
發(fā)明者孫世榮 申請人:南京工業(yè)大學