自动平衡式数字显示仪表的建模与仿真

　　自动平衡式显示仪表是一个带闭环控制的小功率随动系统,采用电压自动补偿的原理,可以自动测量和显示各种电参数;配以热电偶、热电阻或其他变送器,可以显示和记录生产过程中的温度、压力、流量、物位及成分等各种参数;随着计算机技术的不断发展和微处理器的应用,基于微处理器自动平衡式数字显示仪表可以进行电压信号比对求差,完成有关信号数据处理,同时起到校正网络的作用,集测量、求差、数据处理、显示、系统校正和控制于一体,从而逐渐替代模拟式显示仪表。对自动平衡式数字显示仪表的建模与仿真,详细分析了显示仪表各部分结构参数对系统动态性能的影响,利用软件来实现各种控制规律,为数字显示仪表的设计和动态性能分析提供有力的工具。

　　1　自动平衡式数字显示仪表的工作原理

　　自动平衡式数字显示仪表由微处理器、放大器、交流伺服电机、光电编码器、A/D和D/A等组成。其结构原理如图1所示。输入直流电压信号Vx经A/D转换后送入微处理器中,微处理器将采集来的输入直流电压信号和光电编码器反馈的数字信号进行比较,得出二者的差值。根据系统动态性能指标要求,对该电压差值进行相应的数据处理,计算出相应控制规律。电压差值按照该控制规律输出,并经D/A转换送至放大器进行功率放大,以便得到足够的功率驱动交流伺服电机。光电编码器将交流伺服电机的旋转角速度转换为数字电压信号反馈至微处理器。直到反馈电压和被测输入电压相等,整个系统达到平衡,电机停止转动。

　　2　自动平衡式数字显示仪表的数学模型建立

　　自动平衡式数字显示仪表中既有连续信号如输入电压、放大器的输入输出信号、电机的转速和角位移等;也有数字信号如A/D的输出和光电编码器的输出。由此可见,自动平衡式数字显示仪表其实是一种计算机控制的随动系统。微处理器的作用是比对求差、数字信号处理和数字校正。与编码器的运行速度和输入信号的变化速度相比,微处理器具有更快的运算速度,因此,可以不必考虑系统的时延,采用连续信号的模型就可以足够准确的描述自动平衡式数字显示仪表。图2是自动平衡式数字显示仪表的模型。

　　(1)放大器的建模

　　放大器的输入量是输入电压和反馈电压的差值ΔV,输出量是伺服电动机的控制电流I。交流伺服电机通常采用50 Hz工频电流激磁,所以输入差值电压ΔV(控制信号)必须调制成50 Hz工频交流信号。交流电压信号通过交流放大和功率放大,驱动交流伺服电机。由于放大器易受工频干扰的影响,使仪表的抗工频干扰性能变差,因此通常采用相敏功率放大,以提高其抗干扰能力。一般在相敏功率放大之后加一低通滤波电路,滤去输出信号的高次谐波。