Лаб. раб. Аналоговые вычислительные машины АВК-31

КАФЕДРА АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Лабораторные работы Часть 1.
Аналоговые вычислительные машины
Методические указания

АНАЛОГОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА АВК-31
НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

АВК-31 предназначена для машинного моделирования динамических объектов и систем, а также для решения задач, описываемых линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями до 6-го порядка. Применяется как в автономном режиме работы, так и в составе соответствующих аналого-цифровых вычислительных систем с использованием дополнительных устройств сопряжения. Машина АВК-31 относится к классу АВМ малой мощности. Она позволяет осуществлять одновременно: до шести операций интегрирования суммы; до шести операций суммирования и инвертирования; задание до 34-х коэффициентов вручную; до двух операций перемножения двух переменных, или возведения в квадрат, или деления, или извлечения квадратного корня; до двух операций воспроизведения нелинейных функций от одной переменной.
Для выполнения логических и вспомогательных операций в АВМ имеется 45 логических и специальных элементов, среди которых 16 логических (2 триггера, 2 элемента НЕ, 4 элемента И-НЕ, 4 реле, 2 компаратора, 2 элемента индикации). Возможно воспроизведение типовых нелинейностей (один элемент для воспроизведения зоны нечувствительности и диодные элементы для воспроизведения 8-и операций типа двустороннего ограничения). Погрешности выполнения основных линейных операций составляют от 0,03 до 0,1 % , нелинейных- до 0,5 %.

КОНСТРУКЦИЯ И СОСТАВ МАШИНЫ

Машина АВК-31 имеет настольную конструкцию. Все составные части размещены в едином каркасе.
В состав машины входит выпрямитель, три стабилизатора ,блок управления БУ-31, панель управления и семь операционных блоков.
Для выполнения всех линейных математических операций (суммирование, интегрирование, инвертирование) используются линейные блоки БИС-31. Для обеспечения высокого быстродействия задание режимов осуществляется с помощью ключевых элементов, выполненных на полевых транзисторах КП304А. Уменьшение погрешностей интегрирования из-за технологического разброса элементов достигается за счет введения в схему режима \»Нормализация\».
Для выполнения операций умножения, деления двух переменных, возведение в квадрат и извлечение квадратного корня используется блок перемножения БП-31. Схемы перемножения построены с использованием двух термокомпенсированных квадратичных преобразователей и двух операционных усилителей.
Для воспроизведения нелинейной функции от одной переменной используется универсальный нелинейный блок БНФ-31 с фиксировано произвольным разбиением аргумента. Количество фиксированных отрезков равно девяти (разбиение через один вольт), а произвольных — двум.
Для реализации типовых нелинейностей и логических операций используются блок логических элементов БЛЭ-31 и блок набираемого оператора БНО-31. Блок БЛЭ-31 содержит схему зоны нечувствительности, диодные элементы и потенциометры для реализации операций типа ограничения, компараторы, логические инверторы. Блок БНО-31 содержит плату для установки необходимых пользователю дополнительных элементов, элементы для выполнения логических операций: триггеры, схемы И, ИЛИ, элементы индикации и усилители типа 14ОУД6В.
Для установки необходимого коэффициента передачи используют потенциометры. Конструктивно каждый потенциометр состоит из двух потенциометров, управляемых одной ручкой (грубо-точный потенциометр). При начальном движении ручки перемещается движок \»точного\» потенциометра (происходит малое изменение коэффициента передачи). Дальнейшее движение ручки приводит движок \»точного\» потенциометра в крайнее положение (на упор), после чего происходит перемещение движка \»грубого\» потенциометра. Если изменить направление вращения, то в начале будет перемещаться движок \»точного\» потенциометра , а после того, как он придет в свое крайнее положение, начинается перемещение движка \»грубого\» потенциометра.
В машине имеется семь посадочных мест, обозначенных цифрами от 1 до 7, для размещения в них операционных блоков.
При необходимости состав операционных блоков может меняться.
Для этого либо используются блоки из других экземпляров машин АВК-31, либо приобретаются дополнительные блоки на заводе-изготовителе.
Ограничений по количеству размещенных в машине блоков каждого типа нет (в пределах семи посадочных мест).
Наборное поле машины образуется совокупностью лицевых панелей операционных блоков и блока управления БУ-31. Лицевые панели блоков имеют цветные блоки для шнуровой коммутации. Красным цветом обозначены выходы всех элементов, зеленым — входы. Желтым цветом обозначены суммирующие точки операционных усилителей, общий провод — \»ОПЕРАЦИОННАЯ ЗЕМЛЯ\» — черным. Каждое гнездо наборного поля имеет свой адрес. Он образуется из номера посадочного места, в которое установлен блок (от 1-го до 7-го), номера вертикального ряда, выгравированного на его передней панели (для операционных блоков — это буквы а и б, а для блока управления -а, б, в, г), и номера гнезд в вертикальном ряду (от 1-го до 34-го), выгравированного на корпусе машины. Так, адрес 2б15 означает пятнадцатое гнездо сверху ряда б в блоке, размещенном во втором посадочном месте.
Для удобства коммутации при наборе задачи на лицевые панели блоков крепятся прозрачные накладки с нанесенными на них мнемоническими схемами. Коммутация происходит с помощью монтопригодных шнуров. Каждый контактный штекер шнура имеет гнездо , являющееся размножителем .В состав машины входят как неэкранированные, так и экранированные коммутационные шнуры.
Совместная работа нескольких машин (не более трех) обеспечивается через разъемы Ш13 и Ш14, расположенные на задней стенке машины. На эти разъемы выведены шестнадцать внешних цепей, по которым можно передавать любые сигналы . Эти цепи выведены на гнезда блока управления БУ-31, имеющие гравировку \»ВНЕШНИЕ ЦЕПИ\» . На разъемы Ш13 и Ш14 выведены также цепи управления, необходимые для организации параллельной работы нескольких машин, и земляные цепи.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В машине АВК-31 используются полупроводниковые операционные усилители, выполненные на базе интегральных микросхем КР140УД6. Усилители высокой точности УВТ-21-75 применяются в операционных блоках интегрирования и в измерительном усилителе УИ. Другие операционные блоки построены на усилителях средней точности УСТ-46-75.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ МАШИНЫ

Система управления и контроля машины обеспечивает : — сигнализацию и неисправность источников питания и усилителей; — настройку нуля любого усилителя; — разрыв схемы задачи и задание тестового напряжения в любую точку разрыва без рекоммутации задачи; — измерение напряжений на выходе любого усилителя стрелочным прибором прямым или компенсационным способом и измерение малых напряжений с помощью измерительного усилителя с К=100;
— пуск, останов и возврат в исходное состояние одновременно двух групп интеграторов по общей программе как от клавиатуры панели управления , так и от счетчика времени , и выдачу сигналов \»пуск\», \»останов\» и \»исходное положение\» на внешние цепи;
— пуск , останов и возврат в исходное положение двух групп интеграторов от счетчика времени по двум автономным программам;
— задание двух тестовых напряжений с помощью датчиков тестовых напряжений ДТН с погрешностью не более 0,02% ;
— возможность совместной параллельной работы до трех машин. Набор задачи осуществляется коммутацией гнезд на лицевых панелях блоков с помощью коммутационных шнуров.

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ МАШИНЫ

Система контроля машины содержит два датчика для задания тестовых напряжений, измерительную схему (стрелочный вольтметр), гнезда выходов операционных усилителей, схему задания тестового напряжения по адресу и схему сигнализации.
Клавиатура датчиков тестовых напряжений(ДТН-1 и ДТН-2) расположена на панели управления машиной. Задание значений напряжений осуществляется в двоично-десятичном коде. Каждый датчик имеет пять десятичных разрядов. Диапазон задания напряжений с помощью датчиков от 0.001 до 10 В.
Клавиатура датчиков тестовых напряжений (ДТН-1 и ДТН-2) расположена на панели управления машиной .Задание значений напряжений осуществляется в двоично-десятичном коде. Каждый датчик имеет пять десятичных разрядов. Диапазон задания напряжений с помощью датчиков от 0,001 до 10 В.
Усилитель датчика ДТН-2 может использоваться в качестве измерительного усилителя УИ с коэффициентом усиления 100.
В качестве измерительной схемы применен стрелочный вольтметр, имеющий несколько шкал. Выбор шкалы осуществляется клавишным переключателем, расположенным под стрелочным прибором. На панель машины выведены оба входа вольтметра. Вольтметр может быть пользован для измерения как прямым , так и компенсационным методом.
При прямом способе один вход вольтметра заземляется , а на другой подключается выход проверяемого усилителя. При измерении малых напряжений между источником малого напряжения и вольтметром может быть включен измерительный усилитель.
Для измерения компенсационным методом напряжение с выхода усилителя подается на один вход вольтметра, а другой вход вольтметра соединяется с выходом ДТН-2. Напряжение с выхода усилителя компенсируется напряжением с выхода ДТН-2 до тех пор , пока на приборе не установится нуль на шкале 0,1 В. Компенсационный метод обеспечивает погрешность измерения , не превышающую 0,02%.
В систему контроля входит также система сигнализации, которая сообщает о включении сетевого напряжения и о неисправностях какого-либо источника питания или усилителя.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МАШИНЫ АВК-31

Машина АВК обеспечивает следующие режимы работы:
исходное положение ( ИП );
работа ( ПУСК );
останов ( ОСТ );
разрыв связей ( РСВ );
нормализация; общее управление ( ОБЩ );
автономное управление двумя группами интеграторов ( АВТОН ).
Изменение режимов в полном объеме может производиться с клавиш, расположенных на панели управления . Режимы ИП, ПУСК , ОСТ могут также устанавливаться автоматически по командам от счетчика времени или от операционных блоков в процессе решения задачи.
Режим \»Исходное положение \»
В исходном положении входные цепи интеграторов отключены от входов операционных усилителей , а конденсаторы в цепях обратной связи заряжаются до напряжения , соответствующего начальным условиям.
Если режим \»ИП\» вызван нажатием клавиши ИП на панели управления машиной , то дополнительно прекращается счет времени, а счетчик времени сбрасывается в нуль .Если же режим \»ИП\» вызван подачей сигнала на гнезда ИП на лицевой панели блока управления БУ-31 , то работа счетчика времени продолжается.

Режим \» ПУСК \»
Это основной режим в котором непосредственно получается решение задачи. В режиме \» ПУСК \» от входов интеграторов отключаются цепи установки начальных условий и подключаются входные цепи , а также разрешается работа счетчика времени.

Режим \» ОСТАНОВ \»
В режиме \»ОСТАНОВ\» отключаются входные цепи интеграторов, в результате чего прекращается процесс интегрирования .Напряжения на выходах интеграторов в этом режиме остаются неизменными.
Режим \»ОСТАНОВ\» используется обычно для точного измерения напряжения на выходах операционных блоков в заданные моменты времени, для изменения структуры модели, а также для реализации операции запоминания мгновенных значений напряжения.

Режим \»ОБЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ\»
В режиме общего управления все интеграторы управляются параллельно от гнезд первой программы на лицевой панели блока управления БУ-31.

Режим \»АВТОНОМНОГО УПРАВЛЕНИЯ\»
В режиме автономного управления по первой программе работают интеграторы, установленные на первых четырех посадочных местах, а по второй программе — интеграторы, занимающие посадочные места 5,6,7.

Режим \»НОРМАЛИЗАЦИИ\»
В режиме нормализации в цепь обратной связи каждого интегратора включается сопротивление, благодаря чему интегратор переводится в режим инвертора. Этот режим предназначен для настройки нулей и установки постоянных коэффициентов на входах интеграторов.

Режим \»РАЗРЫВ СВЯЗЕЙ\»
Режим \»РАЗРЫВ СВЯЗЕЙ\» используется при настройке нулей операционных усилителей, при установке коэффициентов, при контроле работы операционных блоков и контроле набора задачи.
Выход каждого операционного усилителя подключен к трем гнездам.
Одно гнездо, постоянно подключенное к выходу усилителя, входит в группу из 28 гнезд с общим названием \»ВЫХОДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ\» на панели управления машиной и предназначено для связи с измерительной и регистрирующей аппаратурой.
Второе гнездо, также постоянно подключенное к выходу усилителя, размещено на лицевой панели операционного блока и предназначено для организации дополнительных обратных связей, например, для включения диодных ограничителей.
Третье гнездо, находящееся на лицевой панели операционного блока, соединено с выходом усилителя через нормально замкнутый контакт реле разрыва РР. Это гнездо предназначено для подключения входов других операционных блоков при наборе схемы задачи. В режиме \»РАЗРЫВ СВЯЗЕЙ\» это гнездо отключается от выхода усилителя и соединяется с соответствующим гнездом в группе \»ТЕСТ\», находящимся на панели управления машиной. Таким образом, можно имитировать работу любого операционного блока путем подачи испытательного напряжения на гнездо \»ТЕСТ\» и проверять или настраивать другие операционные блоки, подключенные к выходному гнезду имитируемого блок.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N1.
АНАЛОГОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА АВК-31 И МЕТОДЫ РАБОТЫ НА НЕЙ.
1.1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Ознакомление с аналоговой вычислительной машиной АВК-31, режимами ее работы, методами управления вычислительным процессом , методами измерения и наблюдения решения.
Практическое освоение методики разработки программ управления машиной. Приобретение навыков работы на машине АВК-31………

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ОПЕРАЦИЙ НА МАШИНЕ АВК-31
2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Приобретение практических навыков работы на машине AВK-31:
— набор коммутационных схем;
— установка коэффициентов моделей;
— установка начальных условий на интеграторах и внешних воздействий;
— наблюдение решения на электронно-лучевом осциллографе.
2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
БЛОК ИНТЕГРИРОВАНИЯ И СУММИРОВАНИЯ БИС-31
Блок БИС-31 предназначен для выполнения операций интегрирования, суммирования, запоминания мгновенных значений н инвертирования аналоговой величины.
Блок БИС-31 содержит четыре активных операционных блока: два интегро-сумматора, два сумматора-инвертора, а также шесть переменных резисторов для установки переменных коэффициентов.
ОПЕРАЦИОННЫЙ БЛОК ИНТЕГРИРОВАНИЯ
Операционный блок интегрирования (интегратор) построен ни базе операционного усилителя высокой точности УВТ-21-75. Эти усилители в БИС-31 имеют обозначения УЗ и У4.
Мнемоническая и упрощенная принципиальная схемы интегратора приведены на рис. 2.1. Числа у входных гнезд обозначают коэффициенты передачи по данным входам при конденсаторе в обратной связи 1 мкФ. При включении в обратную связь других конденсаторов коэффициенты передачи по всем входам увеличиваются в соответствии с коэффициентом кратности, выгравированным около гнезд, к которым присоединены конденсаторы.
Третий вход интегратора с обозначением 1/100 имеет коэффициент передачи 1 или 100 в зависимости от положения микротумблера (для изменения коэффициента передачи блок БИС-31 нужно извлечь из машины)……….

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТИПИЧНЫХ НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ
3.1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение схем аналогового моделирования типичных нелинейностей на диодно-резисторных элементах, компараторах и электромагнитных ре-ле.
Практическое освоение методики набора схем моделирования, на-стройки параметров моделей и экспериментальной проверки точности вос-произведения нелинейных зависимостей.
3.2.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Типовыми нелинейностями обычно называют звенья, статические характеристики которых допускают кусочно-линейную аппроксимацию с небольшим числом отрезков прямых. Такими характеристиками могут быть описаны разнообразные релейные элементы, детекторы, ограничите-ли. Типовые нелинейности широко используются для описания таких важ-ных свойств моделируемых элементов, как насыщение, сухое и вязкое тре-ние, люфт.
Моделирование типичных нелинейностей осуществляется схемами, содержащими операционные усилители, а также разнообразные линейные и нелинейные элементы: резисторы, конденсаторы, электромагнитные ре-ле, диоды, стабилитроны, нелинейные резисторы (варисторы) и т.д. Наибо-лее широко используются диоды (электронные и полупроводниковые) и электромагнитные реле (часто поляризованные).
ДИОДНО-РЕЗИСТОРНЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Пример схемы диодно-резисторного элемента и его характеристика показаны на рис. 3.1. Если R1 < R2, то при изменении входного напряже-ния от -10 до 10 В напряжение изменит знак в точке , в которой*
Одновременно со сменой знака изменится и наклон характеристики, так как потечет ток по сопротивлению R3 .
При диод VD будет открыт, следовательно, к R3 будет приложено напряжение, которое создаст выход-ной ток. Наклон характеристики зависит от величины сопротивления R3. Таким образом, диодно-резисторный элемент имеет кусочно-линейную ха-рактеристику, состоящую из двух прямых, одна на которых лежит на оси абсцисс, а другая наклонена к оси и лежит в первом квадранте. Точка пере-сечения и угол наклона зависят от параметров схемы…………

Скачать полную версию можно по ссылке…
СКАЧАТЬ работу