Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя. Курсовая работа (т). Другое.
🛑 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
Системы автоматического регулирования применяются во многих областях
современной техники: в авиационной и космической промышленности, для работы в
подводных и морских средах, в наземной технике.
Синтез системы автоматического регулирования состоит в выборе структуры и
параметров систем регулирования объектами, которые в соответствии с заданными
техническими условиями обеспечивают наиболее рациональные характеристики по
запасам устойчивости, показателям качества и точности. Сложности решения данной
проблемы заключается в том, что при проектировании систем необходимо учитывать
множество дополнительных факторов: надёжность функционирования, массу и
габаритные размеры, стоимость, возможность работы при вибрации, в агрессивных
средах, при значительных перепадах температуры и влажности.
Проектирование представляет собой процесс создания технической
документации, опытных образцов и моделей объекта.
Существуют особенности САУ как объектов проектирования. В отличие от
других объектов машиностроения и приборостроения, являющимися обычно отдельными
устройствами, САУ представляет собой систему из устройств, работающих в режиме
управления заданным объектом: объект управления (регулирования), регулятор, или
управляющая часть, поддерживает требуемый режим работы объекта управления либо
изменяет этот режим в соответствии с заданным законом или программой
управления.
При этом большой вес приобретают такие проектные процедуры, как анализ
устойчивости, качества и точности САУ, синтез регулятора, построение
математических моделей объектов регулирования. При проектировании САУ
существенное значение приобретает физическая разнородность и возмущающих
воздействий.
Цели и критерии проектирования имеют исключительно важное значение, так
как они определяют и направляют весь процесс проектирования. Срок
проектирования устанавливается с учетом наискорейшего достижения цели создания
САУ на мировом уровне.
В
ходе выполнения курсового проекта нужно спроектировать систему автоматического
регулирования угла поворота вала электродвигателя (ЭД). Объектом управления
такой системы является вращающийся вал, нагруженный моментом . Цель управления состоит в обеспечении угла поворота вала ЭД, близкого к заданной величине , которая может изменяться во времени. Для достижения
этой цели необходимо спроектировать систему с обратной связью.
Оценки качества и точности проектируемой системы должны удовлетворять
техническому заданию.
Первый этап проектирования состоит в выборе элементов этой системы и
формировании функциональной схемы.
В курсовом проекте угол поворота вала ЭД должен измеряться с помощью
датчика (Д) одного из следующих типов:
2) индукционные (сельсины, вращающиеся
трансформаторы, следящие трансформаторы магнесины);
Назначение
этих датчиков состоит в преобразовании угла поворота вала в электрическое
напряжение U. Усилитель напряжения (УН) суммирует этот сигнал с заданным и формирует ошибку регулирования . Она усиливается по мощности с помощью усилителя УМ и
подается на исполнительный двигатель. Соответствующая функциональная схема
приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Функциональная схема
электродвигателя
Электродвигатель
как четырехполюсник характеризуется двумя входными параметрами: - напряжение в цепи якоря и - ток якоря и двумя выходными: М - момент вращения, W- угловая скорость вала. Эти характеристики связывают два уравнения
четырехполюсника
где
частные передаточные функции имеют вид
Уравнения (1.1), (1.2) следуют из дифференциальных уравнений двигателя
где - индуктивность и сопротивление якорной цепи, - ток якоря,
J - момент инерции якоря и всех жестко соединенных с ним частей,
-
электромагнитный вращающий момент двигателя,- момент сопротивления нагрузки,
приведенной к валу двигателя.
Из приведенных уравнений следует структурная схема системы стабилизации,
изображенная на рисунке 1.2, где обозначено
j - угол поворота вала.(s) - передаточная функция регулятора;e - высокочастотные шумы,
(s) -
передаточная функция двигателя по управлению от напряжения U до угловой
скорости вращения якоря ,
(s)-
передаточная функция двигателя по возмущению от момента сопротивления на валу
двигателя до угловой скорости вращения якоря .
Рисунок
1.2 - Структурная схема системы стабилизации
Параметры
этих передаточных функций могут быть определены по характеристикам пускового
момента скорости холостого хода - :
Характеристики
и приводятся
в справочной литературе [1] или в технической документации.
Для
обеспечения заданных максимальных значений скорости и ускорения движения нагрузки двигатель на валу должен развивать скорость и момент , определяемые
выражениями [2], [3], [4]
где
и -
моменты инерции двигателя и редуктора;
-максимальный
момент сопротивления нагрузки;
-
передаточное число редуктора; -
коэффициент полезного действия редуктора.
Выбор исполнительного устройства будем осуществлять на основе минимизации
требуемого момента инерции на валу двигателя и оптимизации ускорения движения
нагрузки по передаточному числу редуктора.
Исходными данными для выбора двигателя являются:
1) момент инерции в нагрузке Jн=0.35 (кг∙м 2 )
скорость
вращения (максимальная) в нагрузке (рад/с);
Определяем максимальный моментМн и мощность Рн в нагрузке.
Требуемая мощность двигателя определяется по формуле
По полученной мощности Р н определяем К.П.Д. из условия
Так
как Рн 100 Вт, то =0.8 и требуемая мощность
Выбор двигателя производится по номинальной мощности двигателя, которая
должна быть больше Р тр .
Исходя из этого условия, выбираем двигатель СД-250А
Данный двигатель принадлежит к классу двигателей постоянного тока.
Данный двигатель имеет технические данные:
1) номинальная мощность, при исполнении
Р ном = 250 [Вт]
7) Радиус ротора двигателяR=0.05 [м]
В первом приближении момент инерции ротора двигателя Jр вычисляется по
формуле
Момент инерции двигателя с редуктором вычисляется по формуле
J дв =1.1*J р =0.0076[кг*м 2 ](2.6)
функциональный
инерция вал двигатель
Вычислим оптимальное передаточное число редуктора:
Определяем максимальный момент двигателя, с помощью формулы уравнения
баланса моментов через приведенный момент инерции:
Рассчитаем перегрузочную способность по моменту:
Определим перегрузочную способность по скорости:
На
основании того, что условия для м
и выполняются, делаем вывод о том, что двигатель CД-250А
может быть использован для проектирования системы автоматического регулирования
угла поворота вала электродвигателя.
2.2 Определение параметров передаточных функций двигателя
Необходимо получить передаточные функции двигателя в следующем виде:
где - передаточная функция двигателя по управлению от
напряжения U до угловой скорости ;
-
передаточная функция двигателя по возмущению.
Параметры
этих передаточных функций могут быть определены по характеристикам пускового
момента и скорости холостого хода - :
Таким образом, для двигателя СД-250А [1]:
) Индуктивность
обмотки якоря двигателя: L я =0.005
(Гн);
) Сопротивление обмотки якоря двигателя: R я = 2 (Ом).
Запишем
передаточные функции двигателя:
Передаточная
функция от управления до угла поворота имеет следующий вид:
Построим
переходный процесс замкнутой САУ:
Рисунок 2.1- Переходный процесс исследуемой САУ
Передаточная функция от возмущения до угла поворота имеет следующий вид:
Построим
переходный процесс замкнутой САУ:
Рисунок 2.2- Переходный процесс исследуемой САУ
Из
рисунка 2.1 видно, что переходный процесс в системе имеет колебательный
характер. Показатели качества не удовлетворяют требованиям задания ( ): перерегулирование - , а время
регулирования - . Для улучшения показателей качества в систему
необходимо ввести корректирующее звено.
Расчет
регулятора осуществляем с помощью метода построения ЛАЧХ путем расчета
передаточной функции корректирующего звена.
Исходными
требованиями здесь являются характеристики точности и показатели качества
переходного процесса. Требования по точности выводим из следующих величин:
предельная
относительная ошибка воспроизведения полученного сигнала:
максимальная
частота полезного сигнала:
Тогда
предельная относительная ошибка:
Передаточная
функция разомкнутой САУ имеет астатизм первого порядка. Ошибка по положению
будет равна нулю (С 0 =0,т.е. приводим систему в заданную точку).
Коэффициент скоростной ошибки определяется выражением:
где
k 0 - общий
коэффициент передачи контура.
Мы
должны так выбрать коэффициент усиления, чтобы обеспечить требования
технического задания относительно установившейся ошибки:
С 0 =0
, , где -
передаточная функция системы по ошибке, тогда:
Общий
коэффициент передачи контура определяется из выражения:
Тогда
коэффициент корректирующего звена:
Необходимо привести передаточную функцию разомкнутой САУ к виду:
Данные, необходимые для построения ЛАЧХ неизменяемой части системы:
) L 2 : ;T 1 = 1; ; w 1 = 1(наклон равен -20дБ/дек);
) L 3 : ;T 2 =4.05 ; w 2 =0.2463(наклон равен - 20дБ/дек);
)
L 4 : ;T 3 =0.0024 ; w 3 =399.9(наклон равен -20дБ/дек);
. Необходимо найти области ограничения. Они определяются следующим
образом:
и - эти точки откладываем по оси ординат;
и - эти точки откладываем по оси абсцисс
соответственно.
2. Находим частоту среза по формуле:
среднечастотная
(строится по частоте среза под наклоном -20дБ);
низкочастотная
(строится исходя из требований точности, а именно, путем сопряжения ЛАЧХ
добротности и низкочастотной части желаемой ЛАЧХ);
высокочастотная (строится
исходя из удобства выполнения графических операций).
Для этого необходимо из желаемой ЛАЧХ вычесть ЛАЧХ неизменяемой части
системы, т.е. справедлива запись:
По
полученной ЛАЧХ корректирующего звена можно найти передаточную функцию
корректирующего звена W кз . Для
этого определим графически частоты для :
Получаем передаточную функцию корректирующего звена в следующем виде:
Построим переходный процесс системы с регулятором и проанализируем ее
качество, а также проанализируем абсолютную ошибку воспроизведения полезного
сигнала подавая различные входные воздействия. Для этого построим следующую
схему в Simulink:
Рисунок 3.1 - Структурная схема системы стабилизации
Рисунок 3.2 - Переходный процесс замкнутой САУ с регулятором
Как видно из рисунка 3.2, прямые показатели качества отвечают заданным
требованиям.
Рисунок 3.3 График входного воздействия U(t)=1(t), реакции системы на данное воздействие y(t) и ошибки
ε(t)
Рисунок 3.4 - График входного воздействия u(t)=1.5(t), реакции системы
y(t) на данное воздействие, и ошибки ε(t)
Рисунок
3.5 - График входного воздействия U(t)= , реакции
системы y(t) на данное воздействие, и ошибки ε(t)
Рисунок
3.6 - График входного воздействия U(t)= , реакции
системы на данное воздействие y(t) и ошибки ε(t)
Проанализировав
осциллограммы ошибок ε(t),
изображенные на рисунках 3.3-3.6, можно сделать вывод, что САУ с регулятором
обеспечивают заданные требования по точности: ошибка воспроизведения в
установившемся режиме <0.05 (по ТЗ).
Также, в ходе выполнения курсового проекта, была построена виртуальная
модель двигателя, которая изображена на рисунке 3.7. Однако в ходе
экспериментов было обнаружено, что результаты моделирования отличаются от
результатов, полученных в результате задачи синтеза. Данные расхождения можно
связать с коэффициента трения, который не учитывается при получении модели двигателя в виде передаточных функций.
Рисунок 3.7 - Функциональная (виртуальная) модель двигателя
Электрическая природа корректирующего звена
обеспечивает предъявление к нему следующих требований:
Простоту реализации, дешевизну, а главное высокую
надежность обеспечивает применение так называемых «пассивных схем», основанных
на применении резисторов и конденсаторов.
Корректирующее звено имеет сравнительно простую
передаточную функцию. Ее можно реализовать с помощью последовательно
соединённых пассивных дифференцирующего и интегрирующего звеньев [1]. Далее
рассмотрим это подробнее.
В
приложении А приведена ЛАЧХ корректирующего звена, которая может быть разбита
на 2 ЛАЧХ элементарных звеньев: пассивного дифференцирующего и пассивного
интегрирующего (L 1кз, L 2кз ) и ЛАЧХ коэффициента усиления . Последний можно реализовать на усилителе.
По полученному в разделе 3 корректирующему звену вида:
произведем
выбор корректирующего устройства на операционных усилителях.
Схема интегрирующего звена имеет вид:
Рисунок 4.1 - Электрическая схема интегрирующего звена
Передаточная функция интегрирующего звена имеет следующий вид:
Пусть С 11 =0.001(Ф), тогда R 11 =4(кОм), R 12 =10(МОм).
Схема дифференцирующего звена имеет вид:
Рисунок 4.2 - Электрическая схема дифференцирующего звена
Передаточная функция дифференцирующего звена имеет следующий вид:
Пусть С 21 =0.001(Ф), тогда R 21 =840(Ом), R 22 =281.5(кОм).
В качестве согласующего звена возьмём операционный усилитель, схема
которого имеет следующий вид:
Рисунок 4.3 - Электрическая схема усилительного звена
Сопротивления R1 и R2 в данном случае имеют
следующую взаимосвязь:
Выберем номинальные значения резисторов и конденсаторов из справочной
литературы [5,6]:
)Обратимся к таблице номинальных сопротивлений и выберем по исходным
данным тип резисторов, а именно:
-для
- резистор с подавленной реактивностью
(высококачественный) и металлодиэлектрический, для которого ;
для
- резистор постоянный проволочный прецизионный
особостабильный, для которого ;
для
- резистор с подавленной реактивностью
(высококачественный) и металлодиэлектрический, для которого
для
- резистор с подавленной реактивностью
(высококачественный) и металлодиэлектрический, для которого ;
для
- резистор постоянный проволочный прецизионный особо
стабильный, для которого ;
для
- резистор с подавленной реактивностью
(высококачественный) и металлодиэлектрический, для которого .
)Обратимся
к таблице номинальных емкостей и выберем по исходным данным тип конденсаторов,
а именно:
для
- конденсаторы широкого применения, конденсатор
бумажный герметизированный термостойкий, для которого .
для - конденсаторы широкого применения, конденсатор
бумажный герметизированный термостойкий, для которого
В
соответствии с рассчитанными выше значениями производится выбор резисторов и
конденсаторов. Выбираются постоянные проволочные точные резисторы ПТМН - 2 шт. (тип
МВСГ) и металлодиэлектрические резисторы (тип С2-10) - 4 шт. и керамические
трубчатые повышенной надежности конденсаторы КТ-2Е - 2 шт.
Схема электрическая принципиальная корректирующего звена представлена в
приложении Б.
Определим интенсивность отказов и среднюю наработку для корректирующего
звена и всей САУ, а так же рассчитаем активный резерв на период 10000 часов
безотказной работы САУ. Ниже представлена таблица элементов корректирующего
звена и интенсивностей их отказа.
Таблица 5.1 - Интенсивности отказов элементов корректирующего
Керамические трубчатые повышенной надёжности
Вероятность безотказной работы устройства при наличии в нем N элементов, включенных без
резервирования, рассчитывается следующим образом:
где
- интенсивность отказа элемента.
Если
имеется n типов элементов и i-й тип содержит
N i равно-надежных элементов, то:
Рассчитаем надежность синтезированной системы управления.
. Определяем интенсивность отказа схемы корректирующего звена (КЗ)
и всей системы в целом:
. Вероятность безотказной работы схемы КЗ и системы с двигателем:
3. Активный резерв схемы КЗ и системы с двигателем на период 10000
часов с вероятностью 0.99:
Вводим резервные копии схемы числом k сх =1.Вероятность безотказной работы схемы с резервными копиями:
Вероятность безотказной работы системы с резервными копиями схем
корректирующего звена, не включающих двигатель, числом k сис =2:
4. Среднее время наработки на отказ для схемы КЗ и САУ в целом:
В ходе курсового проекта была разработана система автоматического
регулирования угла поворота вала двигателя, нагруженного некоторым моментом.
Спроектированная САР отвечает требованиям качества и точности, изложенным в
техническом задании.
В результате введения в систему корректирующего звена были получены
следующие характеристики:
· время регулирования t p = 1.24
(с);
Так же был произведен расчет надежности САУ, получены результаты:
· среднее время наработки всей САУ до первого отказа составляет
24366ч, схемы КЗ - 90580 ч;
· вероятность безотказной работы корректирующего устройства в
течение 10000 часов составляет 89.54%, САУ -66.32%;
· вероятность безотказной работы корректирующего устройства при
введении 1 резервной схемы в течение 10000 часов составляет 99.64%, САУ при
введении 2 резервных копий схемы без двигателя - 99.88%;
1. Копылова
И.П. Справочник по электрическим машинам том 2/И.П.Копылова, Б.К. Клокова. -М.:
Энергоатомиздат, 1988. -688c.
. Бесекерский
В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования/ В.А.
Бесекерский. -М: Наука, 1970.- 768c.
. Топчеев
Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования/ Ю.И.
Топчеев. -М: Машиностроение, 1989.- 752с.
. Ушакова
И.А. Надёжность технических систем/ И.А.Ушакова. - М: Радио
и связь, 1985.
. Резисторы:
Справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич-М.: Радио и связь,
1991.-528с.
.
Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем
на ПК/ C.Г. Герман-Галкин. - СПб.:
КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.
Похожие работы на - Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя Курсовая работа (т). Другое.
Реферат: Writing Tips Essay Research Paper Writing TipsStep
Реферат: Великие географические открытия. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Психологические особенности родителей юного возраста
Реферат: Autocad 3
Контрольная работа: Первые переписи населения в России
Контрольная Работа На Тему Защита Прав И Правовое Воспитание Ребёнка
Курсовая работа по теме Криминалистическое исследование следов
Курсовая Работа На Тему Організація Та Методика Проведення Уроку З Теми: "Робота З Дисками Та Каталогами В Norton Commander"
Реферат: Организация предприятия по производству паркета
Курсовая работа по теме Витрати основної діяльності залізничного транспорту
Реферат: Аудит (Контрольная)
Книга: Современный активный English
Хорошие Сочинения По Русскому Егэ
Реферат: Финансы, денежное обращение и кредит
Астафьев Музыка Сочинение
Реферат: Kiss Before Dying Essay Research Paper Book
Курсовая работа: Особенности нормирования организации и оплаты труда при различных типах производства. Скачать бесплатно и без регистрации
Ценная Вещь Сочинение
Разновидности Прыжков В Легкой Атлетике Реферат
Контрольная работа по теме Технико-технологическая карта на драгену
Реферат: Жизнь и творчество Хусаина Ахметова
Похожие работы на - Токарний верстат
Реферат: Философия и культура постмодерна