Praktikum Signalverarbeitung F. Schulz WS 2010/2011 Versuch Regelschaltungen

Transkript

1 Praktikum Signalverarbeitung F. Schulz WS 2010/2011 Versuch Regelschaltungen I. Ziel des Versuches Verständnis von Regelsystemen. Einstellung eines P-Reglers. II. Vorkenntnisse Operationsverstärker, Grundlegende Begriffe aus der Regelungstechnik wie Regelabweichung, Störgröße, Stellgröße, Sollwert, Istwert, Regelstrecke sowie P-Übertragungsglieder. III. Grundlagen Technische Systeme sollen häufig so beeinflusst werden, dass bestimmte zeitveränderliche Systemgrößen ein vorgeschriebenes Verhalten aufweisen sollen. Zum Beispiel soll eine Größe konstant gehalten werden auch wenn gewisse Störeinflüsse auf das System einwirken. Diese Aufgabe können Regelschaltungen übernehmen. Weitere Erläuterungen werden während des Praktikums gegeben. IV. Versuchsaufbau Das zu regelnde System besteht aus einem Kühlkörper, einem Lastwiderstand (2.2 Ω, 10 W) einem Lüfter und einem NTC-Temperatursensor (NTC: Negative Temperature Coefficient Thermistors). Ein zusätzlicher Thermometer mit Digitalanzeige dient zur Überprüfung der Temperatur und zur Eichung des NTC. Die Aufgabe des Reglers ist es die Temperatur des Kühlkörpers auf einen einstellbaren Wert (Sollwert) zu halten, auch wenn die Heizleistung (Störgröße) verändert wird. Lüfter Kühlkörper Temperatursensor Heizwiderstand Das Foto zeigt die Elemente der Regelstrecke bestehend aus Lüfter, Heizwiderstand und Kühlkörper. Der Temperatursensor ist thermisch gut leitend mit dem Kühlkörper verbunden. 1. Kalibrierung des Temperatursensors a. Nehmen sie zunächst die Temperaturkurve des NTCs auf. Dazu wird der Widerstandswert des NTCs bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Stecken sie das externe Thermometer in den Kühlkörper. Hierfür ist an einer Stelle ein passendes Loch gebohrt. Verbinden sie die Anschlüsse des NTCs mit dem Multimeter, um den Widerstand zu messen. Der NTC hat bei Raumtemperatur einen Widerstand von etwa 1,1 kω. Verbinden sie die Anschlüsse des Heizwiderstands mit Kanal 1 (30V, 3A) des Labornetzgerätes. Betreiben sie es als Stromquelle mit einem maximalen Strom von 1,3A. Beachten sie bei der Wahl des Heizstroms, dass das Thermometer eine Zeitverzögerung aufweisen wird. b. Schalten sie das Netzgerät ein, sodass sich der Kühlkörper langsam erwärmt. Lesen sie die Temperatur und den zugehörigen NTC-Widerstandswert beim Hochheizen ab und tragen sie die Werte in nachfolgende Tabelle ein. Die Temperatur sollte 60 nicht übersteigen.

2 R NTC [Ω] T [ C] c. Stellen sie den Widerstand als Funktion der Temperatur graphisch dar und beschreiben sie den Verlauf der Kurve. Verlauf der Kurve: 2. Zweiwegregler Die einfachste Form der Regelung benutzt einen sogenannten Zweiwegregler, der nur zwei Ausgangszustände kennt. In dem vorliegenden Fall wird die Temperatur gemessen (Istwert) und mit dem Sollwert verglichen, falls eine Abweichung besteht, wird der Lüfter ein oder ausgeschaltet. Der Vorteil dieses Reglertyps ist der einfache Aufbau - der Nachteil das schlechte Regelverhalten. a. Bauen sie die dargestellte Schaltung auf. Der Lüfter muss mit richtiger Polarität angeschlossen werden (roter Stecker an Plus und schwarz Stecker an Minus). Der Operationsverstärker wird hier ohne Rückkopplung betrieben und wirkt als Komparator. Falls die Spannung am invertierenden (negativen) Eingang größer als die Spannung am nichtinvertierenden (positiven) Eingang wird (hier 0 V), springt die Ausgangsspannung des OPs auf den maximalen negativen

3 Wert (-15V) bzw. auf den maximalen positiven Wert (+15V) im umgekehrten Fall. Der nachgeschaltete Leistungstransistor dient als Stromverstärker. Die Leuchtdiode signalisiert zusätzlich die Spannung am Emitter des Transistors, beachten sie auch die Polarität der Diode. Kontrollieren sie die Spannungen mit dem Multimeter. b. Aus der zuvor gemessenen Kurve ist die Temperaturabhängigkeit des NTCs bekannt. Stellen sie den Wert des Potentiometers (1kΩ) so ein, dass für eine Temperatur von 50 C am invertierenden (negativen) Eingang des OPs die Spannung 0 V anliegt. Hinweis: Das Potentiometer bildet mit den in Reihe geschalteten Wiederständen einen Spannungsteiler, für 50 C sollte er symmetrisch sein. Notieren sie den Wert des Potentiometers: c. Heizen sie den Kühlkörper auf 50 C auf, bevor sie den Regelkreis einschalten. Sie können die Spannung am Testpunkt T1 mit dem Multimeter kontrollieren. Notieren sie den von ihnen gewählten Heizstrom und dokumentieren sie eventuelle Änderungen. Heizstrom: d. Nehmen sie eine vollständige Regelschwingung mit dem Oszilloskop auf, indem sie die Spannungen an allen Testpunkten gleichzeitig messen. Verbinden sie dazu immer Testpunkt 1 mit Kanal 1 und verfahren mit den übrigen Kombinationen analog. Am besten betreiben sie das Oszilloskop im sogenannten Rollmodus (Menu/Zoom > Zeitbasis > Roll). Wählen sie eine sehr große Zeitbasis, um die gesamte Regelschwingung zu erfassen. Passen sie für alle Kanäle zu Beginn jeder Messung den Messbereich so an, dass das Signal zu jeder Zeit möglichst gut zu erkennen ist. Im Rollmodus führen nachträgliche Änderungen zum Verlust der bisherigen Anzeige, ändern sie den Messbereich also nicht erst kurz bevor sie das Bild speichern möchten. - Bild einfügen- e. Bestimmen sie die maximale Regelabweichung (in C und Volt jeweils für die Über- und Unterschreitung des Sollwertes) sowie die Zeitdauer einer Regelschwingung. Regelabweichung: Zeitdauer der Regelschwingung: f. Notieren sie auch die Regelabweichung am Umschaltpunkt, einmal sowohl beim Aufheizen wie auch beim Abkühlen. Wie kommt sie zustande und was bedeutet sie für ihre bisherigen Ergebnisse? Regelabweichung: 3. Zweiwegregler mit Hysterese Manchmal ist es technisch nicht sinnvoll oder möglich, das regelnde Element (hier: den Lüfter) schnell hintereinander ein- und auszuschalten. Dann kann man durch Einfügen einer

4 sogenannten Hysterese den Ein- und Ausschaltpunkt zu etwas verschiedenen Temperaturen verschieben. Mit einem Operationsverstärker erreicht man dies, indem das Ausgangssignal zu einem Teil auf den nichtinvertierten Eingang zurückgekoppelt wird (Positive Rückkopplung oder Mitkopplung). a. Modifizieren sie die Schaltung gemäß dem dargestellten Schaltplan. b. Nehmen sie eine vollständige Regelschwingung auf. c. Warum bewirkt die positive Rückkopplung eine Veränderung der Umschaltpunkte? d. Wie groß ist die Hysterese (in C und Volt), sprich die Differenz der Regelgröße an den zwei Umschaltpunkten? Beachten sie ihre Ergebnisse über die Regelabweichung aus Aufgabe 2. e. Modifizieren sie das Verhältnis der Widerstände R5 und R6 und nehmen sie eine weitere Regelschwingung auf. Welche Veränderung wird dadurch bewirkt, welche Auswirkung hat dies auf die Regelschwingung? R5: R6:

5 4. Proportionalregler (P-Regler) Der Zweipunktregler hat immer den Nachteil, dass der Istwert nicht konstant gehalten wird sondern immer zwischen dem Sollwert hin und her schwankt. Eine Verbesserung lässt sich durch einen Proportionalregler (P-Regler) erreichen, der bewirkt, dass die Drehzahl des Lüfters kontinuierlich geregelt wird. Dazu wird ein Teil des Ausgangssignals des OPs auf den invertierenden Eingang zurückgekoppelt (Negeative Rückkopplung oder Gegenkopplung). Der OP wirkt dann als Verstärker, der die Differenz zwischen Soll- und Istwert mit einem einstellbaren Faktor k verstärkt. a. Modifizieren sie die Schaltung gemäß dem dargestellten Schaltplan. Wählen sie zunächst die Werte Ri=1kΩ und Rf= 100kΩ. Schätzen sie die Ausgangsspannung des OPs bei einer Regelabweichung von T = +1 C ab. Hinweis: Berechnen sie zunächst die Verstärkung des rückgekoppelten OPs. Bestimmen sie darauf die Eingangsspannung, in den Spannungsteiler geht der von ihnen gewählte Wert für das Potentiometer sowie des Heizwiderstandes bei 51 C ein. b. Heizen sie den Kühlkörper auf 50 C auf bevor sie den Regelkreis einschalten. Nehmen sie den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den Testpunkten mit dem Oszillographen auf. c. Wie groß ist die verbleibende Regelabweichung? Regelabweichung: d. Verändern sie das Widerstandsverhältnis Ri/Rf, d.h. verändern Sie k. Wie ändert sich dadurch die Regelabweichung?

6 Ri: Rf: e. Verändern Sie die Heizleistung und beobachten Sie wie das Regelsystem darauf reagiert. Welche Änderung können sie feststellen, wie wird sie bewirkt? Alter Heizstrom: Neuer Heizstrom: