Разработка электромеханической позиционной следящей системы - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Разработка электромеханической позиционной следящей системы - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа




































Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Разработка электромеханической позиционной следящей системы

Принцип действия и функциональная схема электромеханической позиционной следящей системы. Выбор основных элементов, определение их математических моделей. Расчет параметров схемной реализации корректирующего устройства. Определение коэффициента усиления.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
При разработке следящих систем, как и других систем автоматического управления, проектировщику необходимо учитывать ряд требований, которым должна удовлетворять проектируемая система. В зависимости от назначения системы и выполняемых функций, а также от условий эксплуатации одни требования могут быть доминирующими, в то время как другие не накладывают жестких ограничений. Весь комплекс требований, предъявляемых к автоматическим системам, может быть разделен на несколько основных групп.
К первой группе следует отнести требования к точности и динамическим свойствам системы (устойчивость, характер и качество переходного процесса). Требования этой группы должны удовлетворяться во всех системах независимо от их назначения и выполняемых функций.
Ко второй группе относятся требования к надежности и чувствительности системы к влиянию внешних воздействий. Данные требования характеризуются вероятностью безотказной работы, диапазоном рабочих температур, виброустойчивостью, прочностью, ресурсом работы и т.д.
К третьей группе относятся требования к весу и габаритам системы, потребляемой мощности и коэффициенту полезного действия.
К четвертой группе относятся требования, определяемые условиями эксплуатации (обслуживание, регулирование и настройка в процессе эксплуатации, возможность ремонта и восстановления и т.д.).
Целью данного курсового проектирования является разработка электромеханической позиционной следящей системы, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям, а именно: требованиям к точности и динамическим свойствам, надежности и чувствительности системы к влиянию внешних воздействий, габаритам и весу системы.
1 . Принцип действия и функциональная схема системы
Система работает по принципу управления по отклонению управляемой величины от требуемого значения. Задающее устройство выдает заданное положение , которое с помощью сумматора сравнивается с фактическим положением нагрузки . Значение рассогласования (разности) умножается на коэффициент преобразования датчика перемещения , а полученное в результате этого напряжение поступает на вход модулятора и модулируется опорным напряжением . Перечисленные выше функции выполняет угловой датчик перемещения (ДП).
Промодулированный сигнал поступает на вход усилителя, который предназначен для установки требуемого коэффициента усиления системы (для обеспечения требуемой точности). Демодулятор представляет собой фазочувствительный выпрямитель. Фильтр низких частот используется для сглаживания пульсаций на выходе демодулятора. Усилитель, демодулятор и фильтр низких частот можно отнести к группе усилительно-преобразовательных устройств (УПУ).
Выпрямленное напряжение подается на вход усилителя мощности, где преобразуется в напряжение, необходимое для работы электродвигателя. Редуктор необходим для понижения скорости вращения датчика перемещения и через него двигатель управляет нагрузкой.
Функциональная схема системы приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - функциональная схема система
Параметры нагрузки и системы для вращательного движения приведены в таблице 1.
2 . Выбор основных функциональных элементов
2.1 Исполнительный двигатель с редуктором
По сравнению с гидравлическими и пневматическими, электрические исполнительные устройства имеют ряд существенных достоинств, вследствие чего они получили наиболее широкое распространение. Такие устройства характеризуются неограниченным расстоянием передачи энергии, простотой формирования сигналов управления, высокой точностью поддержания скорости, большой номенклатурой и широким диапазоном мощностей. Однако необходимость механической передачи (редуктора) из-за большой скорости вращения, сложность исполнения являются недостатками таких устройств.
Двигатель должен иметь требуемые скорость и мощность, передаточную функцию и статические характеристики, отвечать требованиям по нагреву и перегрузкам, расходовать минимум энергии. Двигатель вместе с зависимым от него усилителем мощности составляет главную часть конструкции системы в отношении размеров и массы. Необходимо выбрать электродвигатель и передаточное число редуктора так, чтобы при минимальном вращательном моменте, развиваемом электродвигателем, обеспечить необходимые скорость и ускорение нагрузки.
Таким образом, при известных максимальных значениях , , , двигатель выберем из условия максимальной мощности нагрузки, которую определим по формуле:
Номинальная мощность двигателя должна удовлетворять условию:
Последнее неравенство нестрогое, т.к. требуемая максимальная мощность завышена.
По справочнику выберем подходящий двигатель постоянного тока обыкновенного исполнения СЛ-369, технические данные которого приведены в таблице 2
следовательно, на данном этапе двигатель выбран верно.
Зная параметры двигателя, определим оптимально допустимое передаточное число редуктора по формуле:
Для обеспечения запаса по скорости выбираем на 10 процентов меньше, следовательно, передаточное число редуктора примем равным
Приняв , определим оптимальное передаточное число редуктора исходя из условия обеспечения минимального момента на валу двигателя:
Максимальное по быстродействию передаточное число определяется по формуле:
При таком значении для номинального момента двигатель разовьет максимальное ускорение, в итоге будем иметь минимальное время переходного процесса.
Так как и не удовлетворяют условию (2.3), следовательно, передаточное число редуктора в дальнейших расчетах полагаем .
Для проверки перегрузочной способности двигателя по моменту необходимо определить требуемый максимальный момент на валу двигателя и сравнить его с параметрами двигателя.
При этом первое неравенство носит рекомендательный характер и обусловлено тем, что в противном случае двигатель в самых нагруженных режимах не достигал бы номинального значения момента , т.е был бы слишком мощным для нашей системы, а следствие - низкий КПД. Выполнение же второго условия имеет обязательный характер, так как в противном случае двигатель выйдет из строя.
Требуемый максимальный момент на валу двигателя рассчитываем по формуле:
Статический момент определяется по формуле:
Динамический момент определяется по формуле:
Проверка условия (2.6) показывает, что двигатель выбран верно :
В нашем случае получили < , следовательно, следует проверить двигатель на нагрев.
Для того, чтобы двигатель не перегревался, необходимо выполнение условия:
Где - общие потери двигателя, определяемые потерями в обмотке возбуждения, потерями при трении, а также потерями, обусловленными нагрузкой.
- допустимые потери, определяемые номинальными параметрами.
Так как двигатель работает при постоянном потоке возбуждения, то момент, развиваемый двигателем, будет пропорционален току якоря, квадрат которого в свою очередь будет пропорционален потерям двигателя.
Следовательно, для проверки двигателя на нагрев можно воспользоваться методом эквивалентного момента.
Эквивалентный момент определим по формуле:
0.17 < 0.245 - условие (2.12) выполняется, следовательно, двигатель не перегревается.
Степень использования двигателя определяется по формуле:
Для питания двигателя постоянного тока применяют силовой преобразователь, работающий в ключевом режиме. Причем для двигателя мощностью до 0,5 кВт применяют транзисторный широтно-импульсный преобразователь.
Таким образом, необходима транзисторная схема усилителя мощности, работающая в ключевом режиме, должна удовлетворять следующим требованиям:
- Входное напряжение, при котором на выходе будет развиваться =110 В, как правило = 10 В;
- Обеспечение рекуперации (передача энергии от двигателя в сеть при переходе в генераторный режим работы);
- Гальваническое разделение cиловой цепи с цепью управления;
- Неразрывность якорной цепи двигателя во всех режимах работы при переключении силовых ключей;
- Реверс двигателя при изменении полярности сигнала управления;
- Простота обслуживания, минимальные габариты, высокая работоспособность и надёжность.
В качестве метода модуляции будем использовать однополярную Широтно-Импульсную Модуляцию (ШИМ).
Для проектируемой системы необходимо выбрать датчик, отслеживающий линейное перемещение.
Общие требования предъявляемые к датчикам:
- физическая природа измеряемой величины определяет тип датчика;
- диапазон измерения должен быть больше измерения физической величины;
- допустимая погрешность измерения;
Желательно обеспечить следующие требования:
- подходящие весогабаритные показатели;
- надежность и большой ресурс работы;
Максимальная погрешность измерения:
Ошибка датчика (погрешность следования) определяется исходя из условия:
Таким образом, в качестве датчика рассогласования будем использовать вращающийся трансформатор СКВТ-255-2. Его технические характеристики:
- выходное сопротивление холостого хода: 1330-5100 Ом.
- погрешность стобр. синусн. зависимости: ± 0,1 - 0,2 %.
- погрешность в ТДП: ± 5 - 10 угл. мин.
После выбора датчика определим величину инструментальной погрешности в системе.
где - ошибка преобразователя вращающегося трансформатора. .
- ошибка в системе за счет зон нечувствительности элементов и люфтов механических соединений. Примем
2.4 Усилительно-преобразовательное устройство
Для согласования сигнала от датчика с усилителем мощности необходимо усилительно-преобразовательное устройство, в состав которого входят:
Предварительный усилитель переменного тока;
Основной задачей предварительного усилителя является регулирование требуемого коэффициента усиления системы до уровня, удовлетворяющего заданным показателям точности. В автоматических системах, как правило, усиление осуществляется на переменном токе, чтобы избежать дрейфа нуля, свойственного усилителям постоянного тока.
Рисунок 5 - Усилительно-преобразовательное устройство
В качестве такого усилителя используем схему на операционном усилителе. Схема должна быть защищена по входу от максимального уровня сигнала с датчика рассогласования, иначе он сгорит.
Демодулятор необходим для преобразования усиленного разнополярного модулированного сигнала рассогласования в однополярный сигнал. В качестве демодулятора используем схему двухполупериодного фазочувствительного выпрямителя, входной сигнал для которого порядка 10В.
Для сглаживания пульсирующего однополярного сигнала поступающего с выхода демодулятора используем фильтр нижних частот. Таким образом фильтр нижних частот необходим для преобразования переменного уровня сигнала в постоянный с медленно меняющимся уровнем выходного напряжения. В качестве ФНЧ используем пассивную RC-цепочку.
Следует отметить, что для обеспечения необходимых динамических свойств системы используется коррекция, осуществляется на постоянном токе, так как на постоянном токе ее легче реализовать.
3 . Математические модели элементов системы
3.1 Математическая модель двигателя постоянного тока
Для позиционных систем математическая модель двигателя постоянного тока имеет вид, приведенный на рисунке 5
Рисунок 6 - Математическая модель двигателя постоянного тока
1) Передаточная функция по входному воздействию имеет следующий вид:
2) Передаточная функция по возмущению:
Для определения передаточных функций предварительно необходимо рассчитать следующие параметры:
- Сопротивление цепи якоря с учетом нагрева двигателя:
где - коэффициент учитывающий нагрев двигателя
-разница температуры (считаем, что в исходном состоянии температура двигателя 20°С, а во время работы он нагревается до 70°С)
- Коэффициент передачи двигателя по управляющему воздействию:
- Коэффициент двигателя по моменту:
- Коэффициент наклона механической характеристики двигателя:
- Общий момент инерции приведенный к валу двигателя:
- Электромеханическая постоянная двигателя:
, следовательно, математическая модель двигателя не является колебательным звеном.
Так как > 4, то постоянной времени якоря можно пренебречь.
Таким образом, передаточная функция двигателя по входному воздействию имеет вид:
3.2 Математическая модель усилителя мощности
Так как частота коммутации силовой цепи усилителя мощности , то постоянной времени усилителя можно пренебречь. Учитывая сказанное, математической моделью выбранного усилителя мощности можно считать безинерционное звено c передаточной функцией:
Где - коэффициент передачи усилителя мощности, численное значение которого рассчитывают для номинального режима работы по формуле:
Где - унифицированный сигнал управления, как правило равный 10В.
Следовательно, передаточная функция усилителя мощности будет иметь вид:
3.3 Математическая модель датчика рассогласования
Математическая модель СКВТ - безынерционное звено. Напряжение на выходе СКВТ определяется выражением:
- угол рассогласования датчика и приемника.
Т.к. это значение мало, то можно представить . И тогда напряжение на выходе приемника будет равно:
Т.к. входным сигналом датчика рассогласования является угол рассогласования, а выходным - напряжение, то передаточная функция будет иметь следующий вид:
Т.к. максимальное значение синусоидального напряжения определяется действующим значением напряжения питания, умноженным на , то передаточная функция СКВТ будет равна:
3.4 Математическая модель фильтра низких частот (демодулятора)
Математической моделью фильтра низких частот является апериодическое звено первого порядка, которое представляет собой RC-цепь, представленная на рисунке 7
Передаточная функция будет иметь следующий вид:
ЛАХЧ фильтра представлен на рисунке 8
Так как в качестве демодулятора используем двухполупериодный фазчувствительный выпрямитель, то на вход фильтр низких частот поступает сигнал с частотой , равной удвоенной частоте питающей сети. И для дальнейших расчетов примем фильтр безынерционным звеном.
3.5 Математическая модель редуктора
Передаточная функция редуктора имеет вид:
3.6 Математическая модель предварительного усилителя
Предварительный усилитель представляет собой безинерционное звено с передаточной функцией:
Коэффициент усиления предварительного усилителя будет рассчитан позже, исходя из общего коэффициента системы
4. Структурная схема и статический расчет системы
Структурная схема системы представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 - Структурная схема системы
Передаточные функции элементов системы:
- Передаточная функция двигателя по задающему воздействию:
Передаточная функция усилителя мощности:
Передаточная функция предварительного усилителя:
Произведем статический расчет системы. Определим коэффициент усиления системы, который обеспечивал бы заданные показатели точности.
Определим коэффициент усиления при действии входного сигнала вида: , возмущающий сигнал вида: (режим качки).
Требуемый коэффициент усиления найдём из условия:
Следовательно, теперь можно рассчитать коэффициент предварительного усилителя:
Статический момент нагрузки, приведенный к исполнительному механизму
Этот момент нагрузки с помощью сумматора вычтем из системы на выходе редуктора. Величину М СН подадим компонентом Step.
Промоделируем исходную нескорректированную систему в Simulink, и определим переходную характеристику (рисунок 10).
А так же с помощью входного воздействия типа Ramp, найдем статическую ошибку нескорректированной системы (рисунок 11).
Рисунок 10 - переходная характеристика нескорретированной системы
Рисунок 11 - Статическая ошибка исходной системы (в рад.)
Время переходного процесса t пп = 1 с.
Статическая ошибка: e = 0.0022 рад. = 75 угл.мин.
Значит необходимо произвести коррекцию.
электромеханический позиционный следящий корректирующий
5 . Синтез корректирующих устройств
По структурной схеме, приведенной в предыдущем разделе запишем передаточную функцию разомкнутой системы по входному сигналу:
Подставляя выражения для передаточных функций элементов системы в (5.1) получим:
В Matlab посторим ЛАХ разомкнутой нескорретированной системы - рисунок 12.
Рисунок 12 - ЛАХ исходной разомкнутой системы
Коррекцию системы произведем способом построения желаемой ЛАХ.
Способ коррекции - последовательный.
Для синтеза следящих систем широко используется частотные методы и в частности метод ЛАХ, позволяющий наиболее просто определить параметры системы, обеспечивающее требуемое качество регулирования, и произвести расчет необходимых корректирующих устройств.
При использовании метода ЛАХ синтез системы обычно начинают с построения желаемой ЛАХ, обеспечивающей получения заданных показателей качества.
Передаточная функция корректирующего звена:
Для построения желаемой ЛАХ воспользуемся методом Бесекерского, которым удобно пользоваться при расчете систем на наихудший случай - гармонический сигнал.
Расчет ведется обычно на заданный показатель колебательности
, однако исходными данными являются также заданное время переходного процесса . Но для расчетов воспользуемся M = 1.28
Так как система статическая, то в низкочастотной области наклон 0 дБ, до частоты качки, определяется общим коэффициентом усиления системы:
Частота качки определится из выражения:
Постоянная времени, соответствующая частоте качки определяется выражением:
Следовательно, базовая частота исходя из требований точности:
На основании связи между показателем колебательности и качеством регулирования рассчитаем базовую частоту из условия быстродействия:
Из (5.8) и (5.9) выбираем максимальное значение и в дальнейших расчетах принимаем его за базовую частоту:
В связи с этим необходимо изменить постоянную времени, не меняя :
Рассчитаем остальные сопрягающие частоты желаемой ЛАХ:
Подставляя рассчитанные постоянные времени в формулу (5.3) желаемая передаточная функция примет вид:
6 . Реализация корректирующих устройств
Для реализации корректирующего устройства, построим в Matlab ЛАХ передаточной функции (5.19).
Рисунок 13 - ЛАХ корректирующего звена
По виду ЛАХ и по виду передаточной функции корректирующего звена, выберем физически реализуемы звенья (рисунок 14). При этом, для реализации заданной передаточной функции воспользуемся двумя последовательными звеньями для упрощения расчета:
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 14 - типовые корректирующие звенья и их характеристики
Зададимся емкостью конденсатора С = 1 мкФ
Постоянные времени Т 2 = 0.27; T 1 = 1; T M =0.12; T 3 =0.033;
Подставив значения в 6.2 и 6.3, получим:
7 . А нализ скорректированной системы
Структурная схема скорректированной системы представлена на рисунке 15
Рисунок 15 - Структурная схема скорректированной системы
Проанализируем скорректированную систему с помощью пакета MATLAB. Частотные характеристики системы приведены на рисунке 15.
Рисунок 15 - Частотная характеристики скорректированной системы
Как видно из рисунка система обладает достаточным запасом устойчивости по фазе °
Подадим на вход системы задающее воздействие g(t)в виде ступеньки.
Переходная характеристика приведена на рисунке 16.
Рисунок 16 - Переходная характеристика скорректированной системы
Из рисунка видно, что перерегулирование в системе достигает 20 %, а время переходного процесса
Таким образом, требования к системе исходя из условий обеспечения заданных параметров качества удовлетворены.
Статическая ошибка системы на воздействие типа Ramp (0.75) приведено на рисунке 17.
Рисунок 17 - Статическая ошибка системы
Из рисунка 17 видно, что статическая ошибка приблизительно равна 0,015 рад (0,12 градусов), что так же удовлетворяет требования задания.
В процессе выполнения курсового проекта была разработана и исследована электромеханическая позиционная следящая система. Исходя из требований, предъявляемым к системе были выбраны необходимые функциональные элементы и определены их математические модели. После чего из условий обеспечения заданной точности чего был рассчитан необходимый коэффициент усиления.
Анализ динамики показал, что требования к заданным показателям качества регулирования не удовлетворены, поэтому было принято решение о введении в систему корректирующего устройства в виде обратной связи, передаточную функцию которого определили методом графических построений логарифмических амплитудных характеристик. Также были рассчитаны параметры схемной реализации корректирующего устройства.
На заключительном этапе путем моделирования системы в пакете Matlab определили показатели качества регулирования. Проанализировав полученные результаты, убедились, что система полностью удовлетворяет заданным требованиям.
1. А.Д. Горбачев, А.Я. Красовский и др. Проектирование и надежность систем автоматики и телемеханики. «Высш. школа», 1981 г.
2. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования.- М.: Машиностроение, 1985.
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., ”Наука”, 1972.
4. Синтез параметров автоматических систем из условий обеспечения заданных показателей качества: Лекция по дисциплине “Локальные системы автоматики ”/ А.Я. Красовский. - БГУИР, 2006.
Исследование электромеханической системы с наблюдателем. Реализация цифрового модального регулятора. Электромеханическая система управления руки робота. Структурная схема электромеханической следящей системы с свернутой структурной схемой двигателя. курсовая работа [2,1 M], добавлен 20.11.2013
Позиционная следящая система - автоматизированный привод подачи металлорежущего станка, ее устройство. Функциональная схема системы, выбор и обоснование ее передаточных функций. Устойчивость следящей системы, ее синтез с заданными характеристиками. курсовая работа [1,3 M], добавлен 26.05.2012
Основные свойства и функциональное назначение элементов электромеханической следящей системы. Дифференциальные уравнения и передаточные функции системы. Расчет потенциометрического измерительного устройства. Определение запасов устойчивости системы. курсовая работа [980,7 K], добавлен 15.11.2013
Системы автоматического регулирования положения, функциональная связь элементов САР. Структурная схема следящей системы, управление перемещением. Определение передаточных функций. Построение логарифмических амплитудной и фазовой частотных характеристик. контрольная работа [230,0 K], добавлен 22.01.2015
Анализ автоматической следящей системы, синтез корректирующего устройства и встречного корректирующего звена. Следящее устройство автоматического управления для воспроизведения параметра регулирования, изменяющегося по заранее неизвестному закону. курсовая работа [5,4 M], добавлен 26.11.2011
Синтез стационарной следящей системы на основе линейной теории детерминированных автоматических систем. Определение коэффициента усиления электронного усилителя. Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики (ЛАЧХ) системы. курсовая работа [47,7 K], добавлен 02.07.2013
Разработка следящей системы для воспроизведения траектории, которая заранее не задана. Составление функциональной и структурной схемы системы автоматического регулирования. Расчет параметров элементов САР. Исследование системы в переходных режимах. курсовая работа [877,3 K], добавлен 04.11.2010
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Разработка электромеханической позиционной следящей системы курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Реферат по теме Управление промышленной фирмой: социально-экономические аспекты (WinWord 6.0)
Реферат по теме Технология приготовления блюд (винегрет с сельдью, печень по-строгановски, яблоки в тесте жареные, трубочка заварная с заварным кремом)
Проблема Воспитания Эссе
Реферат по теме Городец на Волге, историческое описание
Реферат: Мозг и дух. Дух в природе. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат По Истории 7 Кл Строительства Царства
Реферат На Тему История Создания Крепости На Яике
Отчет по практике по теме Организационные формы оптовой торговли КСУП 'Комбинат 'Восток'
Дипломная работа: Производство кирпича
Реферат по теме Правовые средства избежания двойного налогообложения
Примеры Сочинений Огэ 9.2
Реферат: Mercy Killing Essay Research Paper To start
Курсовая работа по теме Основные принципы разработки графического пользовательского интерфейса
Реферат по теме Гены-маркеры предрасположенности к скоростно-силовым видам спорта
Курсовая работа: Свадебный обряд на Верхней и Средней Кокшеньге и на Уфтюге. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Устройство конденсатора
Лекция На Тему Социальный Проект Как Технология Социальной Работы
Реферат Про Нормандський Формат
Сочинение 5 Класса На Тему Герасим
Контрольная работа по теме Радиоактивные загрязнения оборудования АЭС и предпосылки дезактивации оборудования
Судьи – носители судебной власти - Государство и право реферат
Методика ведения раздельного учета НДС - Бухгалтерский учет и аудит курсовая работа
Понятие брака по семейному праву Украины - Государство и право курсовая работа


Report Page