Министерство образования Российской Федерации
Кубанский государственный технологический университет
Кафедра автоматизации производственных процессов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе 2.8
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА
для студентов специальности 210100 - Управление
и информатика в технических системах
Краснодар
2003
Составитель канд. техн. наук доцент В.В.Осокин
Технологические измерения: Методические указания к лабораторной работе 2.8 - Моделирование термоэлектрического термометра- для студентов специальности 210100-Управление и информатика в технических системах дневной и заочной форм обучения /Кубан. гос. технол. ун-т; Сост. В.В. Осокин. - Краснодар, 2003.- 9 с.
Приведены цели лабораторной работы и общие сведения, содержащие основные теоретические положения, относящиеся к рассматриваемым вопросам; дано описание лабораторной установки; указаны требования техники безопасности; приведен порядок выполнения работы; сформулированы требования к оформлению отчета, контрольные вопросы; дан список рекомендуемой литературы.
Продолжительность лабораторной работы составляет 4 академических часа, в том числе: экспериментальная часть - 2 часа, расчетно-аналитическая часть - 2 часа.
Библиогр.: 3 назв.
Рецензент канд. техн. наук, доцент Шелишпанский Б.В.
Нормативные ссылки
В методических указаниях к лабораторной работе 2.8 - Моделирование термоэлектрического термометра - использованы ссылки на следующие нормативные документы:
ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.
ГОСТ 21.101-97 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации.
ГОСТ 6616-74 Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ 13384-81 Преобразователи измерительные для термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления ГСП. Общие технические условия.
ГОСТ Р 50431-92 (МЭК 584-1-77) Термопары. Часть 1. Номинальные статические характеристики преобразования.
1 Цели работы
Изучить методику моделирования термоэлектрического термометра с использованием пакета TUTSIM.
Изучить методику обработки экспериментальных данных и методику анализа результатов моделирования.
2 Общие сведения
2.1 Сведения о термоэлектрическом термометре
Термоэлектрический термометр, исследуемый в лабораторной работе, включает в себя: датчик – термоэлектрический преобразователь типа ТХК-0515 по ГОСТ 6616, нормирующий преобразователь типа ПТ-ТП-68 по ГОСТ 13384 и вторичный цифровой микропроцессорный прибор типа ТРМ1-PiC [ 1 ].
Термоэлектрический преобразователь ТХК-0515 имеет номинальную статическую характеристику преобразования ХК(L) по ГОСТ Р 50431.
Нормирующий преобразователь типа ПТ-ТП-68 имеет диапазон измерений: по температуре от 0 до 300 о
С, по термоЭДС - от 0 до 22,839 мВ.
Вторичный цифровой микропроцессорный прибор типа ТРМ1-PiC настроен на показания значений постоянного тока, изменяющиеся в диапазоне от 0 до 5 мА.
В лабораторной работе используется математическая модель динамики термометра, полученная при выполнении предшествующей лабораторной работы 5.4-Идентификация термоэлектрического термометра [ 2 ].
Математическая модель динамики представлена в виде дифференциального уравнения второго порядка
(1)
где T
2
2
- постоянная времени, с2
;
T
1
- постоянная времени, с;
К
- коэффициент передачи, мА/о
С;
DN
(
t
)
- временная функция изменения показаний вторичного прибора (выходной величины);
Dq
(
t
)
- временная функция изменения температуры (входной величины).
Коэффициент передачи К
и постоянные времени T
2
2
и T
1
- это параметры математической модели, значения которых были получены при выполнении лабораторной работы 5.4.
2.2 Сведения о процессе моделирования
2.2.1 Процедуры моделирования
Процесс моделирования с использованием пакета TUTSIM складывается из следующих процедур, выполняемых на компьютере в диалоговом режиме:
1) вход в систему моделирования;
2) выбор и установка структуры модели;
3) выбор и установка параметров модели;
4) выбор и установка выходных сигналов блоков и диапазонов изменений сигналов;
5) выбор и установка времени моделирования;
6) запуск эмуляции.
2.2.2 Вход в систему моделирования
Вход в систему предусматривает три возможных варианта начала диалога пользователя с компьютером:
- ввод новой модели с клавиатуры;
- ввод существующей модели с диска;
- продолжение работы с введенной ранее моделью.
В лабораторной работе вход в систему будет осуществляться путем вода существующей модели с диска.
2.2.3 Выбор и установка структуры модели
Выбор структуры модели производится с учетом структурной схемы термометра, моделирование которого предполагается осуществить.
В лабораторной работе предстоит моделирование термометра с передаточной функцией
(2)
Числовые значения параметров термометра:
K=0,014 мА/оС; T01=16,39 с; T02=3,37 с.
Структурная схема моделирующей системы (реализованная в символах TUTSIM), показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема моделирующей системы
В этой схеме используются следующие блоки:
а) TIM - блок "Источник линейно возрастающего времени", реализующий функцию
y(t) = t .
Блок 1 предназначен для создания непрерывного во времени входного воздействия для блока 3, реализующего при этом на своем выходе синусоидальные колебания с единичной амплитудой и частотой (в радианах в единицу времени).
б) GAI - блок "Пропорциональное звено", реализующий функцию
y(t) = К´Sх(t) .
где К – коэффициент усиления,
Sx - сумма входных сигналов.
Блок 2 предназначен для изменения скорости изменения во времени входного сигнала блока 3 и тем самым изменения частоты его выходных колебаний.
в) SIN – блок "Функция синуса", реализующий функцию
y(t) = sin(Sх) .
где Sх – сумма входных сигналов (величина задается в радианах).
Блок предназначен для создания синусоидальных колебаний на входе модели термометра при определении его частотных характеристик.
г) FIO - блок "Инерционное звено", реализующий функцию
где Y(p) - изображение Лапласа выходной величины блока;
Sх(p) - изображение Лапласа суммы входных величин блока;
K - коэффициент передачи блока;
T - постоянная времени бл
N - начальные условия.
Блоки 4 и 5 служат для получения передаточной функции инерционного звена второго порядка, имеющей две постоянные времени.
2.2.4 Выбор параметров блоков модели
Блоки 1, 2, 3 должны моделировать изменение внешнего синусоидального воздействия на входе термометра – с единичной амплитудой и настраиваемой частотой.
Блоки 4, 5 должны моделировать термометр с указанными выше значениями параметров.
2.2.5 Выбор выходных сигналов блоков и диапазонов изменений
сигналов
Предусматривается одновременное отображение на экране дисплея выходных сигналов блоков 3 и 5.
Диапазоны изменений моделируемых сигналов: на выходе блока 3 - от минус 1 до 1оС , на выходе блока 5 - от минус 0,025 до 0,025 мА.
Диапазон изменения времени моделирования на экране дисплея - от 0 до 100 с.
2.2.6 Выбор времени эмуляции
Время эмуляции выбирается равным полному диапазону изменения времени моделирования, отображаемому на экране дисплея. Дискретность изменения времени (дискретность отображения точек графиков изменений величин) принимается равной 1 с.
2.2.7 Запуск эмуляции
Эмуляция может осуществляться в двух режимах:
- с выводом на экран дисплея графиков изменений величин;
- с выводом на экран дисплея цифровых значений величин.
3 Описание лабораторной установки
Функции лабораторной установки выполняет компьютер с программным обеспечением, содержащим пакет TUTSIM.
4 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
Включение и выключение питания компьютера производит преподаватель.
Автоматический выключатель, с помощью которого подается напряжение питания к компьютеру, запрещается включать без разрешения преподавателя.
При проведении работы категорически запрещается прикасаться к токоведущим частям установки.
На лабораторном столе не должно быть лишних посторонних предметов (пакетов, сумок, одежды, пищевых продуктов).
Категорически запрещается выполнять какие-либо переключения в блоках компьютера без согласования с преподавателем.
5 Порядок выполнения работы
5.1 Проведите моделирование термометра, используя уже существующую модель, выполните для этого следующие операции:
- после включения питания компьютера и загрузки операционной системы выберите из каталога TUTSIM файл tutsim.exe и нажмите клавишу Enter.
На запрос системы INPUT FROM? (Откуда вводится модель?) введите после двоеточия заглавную латинскую букву F, что предусматривает последующий ввод модели с диска.
На экране появится сообщение
MODEL FILE INPUT FROM FLOPPY DISK
TYPE FILE NAME
- введите имя файла, указанное преподавателем;
- на запрос системы
GIVE COMMAND
введите команду вывода на дисплей описания модели
L
и запишите значения параметров эмуляции, параметров блоков и значения диапазонов изменения сигналов;
- нажмите клавишу Enter и на запрос системы
GIVE COMMAND
- введите команду изменения параметров модели - для установки полученных ранее значений параметров модели
CP
после нажатия Enter нужно ввести значения коэффициентов усиления и постоянных времени блоков 4 и 5;
- нажмите клавишу Enter и на запрос системы
GIVE COMMAND
- введите команду для построения на экране рамки (осей координат)
GD
после нажатия Enter появится пустая рамка - уберите ее с экрана, нажав клавишу Enter - появится приглашение
GIVE COMMAND
- введите команду для эмуляции модели с выводом на экран дисплея графиков изменений величин
SD
после нажатия Enter появится рамка и графики изменений сигналов в компьютерной модели.
После повторного нажатия Enter появится приглашение
GIVE COMMAND
- измените время эмуляции – с учетом моментов окончания периодов входных и выходных колебаний
СТ
:1,80
- выведите цифровые значения величин - командой
SN
- отображенные на экране амплитудные значения синусоидальных величин и сдвиг по времени между ними необходимо переписать в рабочую тетрадь;
- введите команду изменения параметров модели - для получения другого значения частоты равного 0,2 рад/с
CP
после нажатия Enter нужно ввести увеличенное значение коэффициента усиления блока 2
:2,0.2
- очистите экран командой
CL
- введите команду для построения на экране рамки (осей координат)
GD
- уберите рамку с экрана, нажав клавишу Enter;
- проведите процедуру эмуляции - введите команду
SD
и вывелите цифровые значения величин - командой
SN
- отображенные на экране амплитудные значения синусоидальных величин и сдвиг по времени между ними необходимо переписать в рабочую тетрадь.
- аналогичным образом последовательно изменяйте параметры моделирования и определяйте амплитудные значения синусоидальных величин и сдвиг по времени между ними для частот: 0,3; 0,4; 0,5 рад/с.
- сообщите преподавателю о завершении выполнения лабораторной работы;
- для выхода из среды TUTSIM в MS DOS введите команду
:A
5.2 Проведите расшифровку и анализ полученных результатов: для каждой из трех частот 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 рад/с определите значения отношения амплитуд выходных и входных колебаний, а также значения разности фаз этих колебаний. Постройте частотные характеристики термометра (АЧХ, ФЧХ, АФХ) для диапазона частот от 0 до 0,5 рад/с.
6 Содержание отчета
Отчет о лабораторной работе должен содержать название работы и следующие разделы: цели работы; перечень используемых средств компьютерной техники; инструкцию для оператора по выполнению работы; результаты работы: данные для построения частотных характеристик и частотные характеристики термометра – АЧХ, ФЧХ, АФХ.
Отчет должен быть оформлен на листах бумаги формата А4 по ГОСТ 2.301, снабженных рамкой и основной надписью по ГОСТ 21.101.
7 Контрольные вопросы
1) В каких видах может быть представлена динамическая характеристика термометра?
2) Что называется передаточной функцией термометра?
3) Что называется АФХ термометра;
4) Что называется АЧХ термометра?
5) Что называется ФЧХ термометра?
6) Как связаны между собой различные виды динамических характеристик термометра?
7) Как могут быть представлены различные динамические характеристики термометра в аналитической, табличной и графической формах?
8) Как аналитически решается дифференциальное уравнение второго порядка?
9) Как можно получить значение показателя тепловой инерции термоэлектрического преобразователя по кривой разгона термометра?
10) Как аналитически решается дифференциальное уравнение первого порядка?
Список литературы
1 Фарзане Н.Г. Технологические измерения и приборы/., Л.В.Илясов, А.Ю.Азим-Заде.-М.: Высш. школа, 1989.-456 с.
2 Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов.-М.: Энергия, 1972.-376 с.
3 Описание пакета TUTSIM.