Курсовая работа: Разработка системы автоматического управления положением объекта

Курсовая работа: Разработка системы автоматического управления положением объекта

КУРСОВАЯ РАБОТА

"Разработка системы автоматического управления положением объекта"

Пенза, 2010

Введение

Автоматическое управление различными техническими объектами является одним из самых прогрессивных направлений в развитии техники. При автоматическом регулировании задача поддержания постоянства регулируемой величины или изменения её по какому-либо закону должна выполняться без непосредственного участия человека. Устройство, освобождающее человека от выполнения функций регулирования, называемое регулятором в совокупности с объектом управления называется системой автоматического управления (САУ). Все САУ по принципу действия можно разделить на 3 группы: разомкнутые системы (регулирующее воздействие определяется лишь информацией о цели управления, которая заключена в задающем воздействии), САУ, действующие по принципу регулирования по отклонению (регулирующее воздействие определяется не только информацией о цели управления, заключенной в задающем воздействии, но и на основе информации о результатах регулирования), системы, сочетающие принцип регулирования по отклонению и по возмущению (регулирующее воздействие определяется информацией о цели управления, заключенной в задающем воздействии, действительным значением регулируемой величины и информацией о возмущающем воздействии).

САУ, действующие по принципу регулирования по отклонению, являются в настоящее время самым распространённым классом автоматических систем. Такие системы находят широкое применение для автоматического регулирования различных физических величин в объектах, относящихся к различным отраслям техники (регулирование напряжения и частоты источников питания, давления и температуры в герметичной камере, курса и высоты полёта самолёта). В данной работе разрабатывается следящая система, которая также действует по принципу регулирования по отклонению, что существенно повышает точность ее регулирования.

Разработка системы будет проходит в несколько этапов:

– первая часть курсового проекта будет посвящена выбору и расчету основных элементов нестабилизированной системы,

– вторая часть анализу устойчивости системы и синтезу корректирующего устройства, обеспечивающего требуемые качественные показатели,

– последняя часть разработке и описанию схемы электрической принципиальной.

нестабилизированный система управление корректирующий

1. Статический расчет системы

1.1 Составление функциональной схемы системы

Из данных технического задания видно, что объект управления вращается с угловой скоростью  и угловым ускорением , следовательно, для приведения его во вращение необходим исполнительный элемент, который будет передавать вращающий момент к объекту управления. В качестве исполнительных элементов в системах автоматического управления, как правило, применяются электродвигатели постоянного и переменного тока.

Электродвигатель будет передавать вращающий момент к объекту управления через редуктор. Для определения сигнала рассогласования необходимо включить в схему элемент сравнения, а для усиления сигнала рассогласования до величины, обеспечивающей нормальную работу электродвигателя, необходимо включить в схему усилительно-преобразовательный элемент. Таким образом, предварительная функциональная схема следящей системы может быть представлена, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1

ЭС – элемент сравнения;

УПЭ – усилительно-преобразовательный элемент;

ЭД – электродвигатель;

РЕД – понижающий редуктор;

ОУ – объект управления;

X – задающее (управляющее) воздействие;

XОС – сигнал обратной связи;

XС – сигнал рассогласования;

XР – регулирующее воздействие;

Область, обведенная пунктиром на рисунке 1 – является управляющей частью системы (регулятором);

Y – регулируемая величина.

1.2 Выбор основных элементов системы

1.2.1 Выбор исполнительного электродвигателя

В большинстве автоматических систем управление потоками сырья и энергии осуществляется с помощью регулирующих органов, приводимых в движение электродвигателями постоянного и переменного тока. Выбор электродвигателя определяется мощностью, необходимой для перемещения регулирующего органа или объекта управления, а также перечнем разрешенных источников питания.

В общем случае механическая нагрузка на оси регулирующего органа (оси нагрузки) характеризуется моментом трения , моментом инерции , частотой вращения , угловым ускорением . Обычно вал двигателя соединяется с нагрузкой через понижающий редуктор с передаточным числом , тогда требуемая мощность электродвигателя для перемещения объекта управления рассчитаем:

      (1)

где  – КПД редуктора из диапазона (0,7.. 0,9).

По справочным данным, помещенным в /1/, выбираем двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением СЛ-521 мощностью 77 Вт, технические данные которого приведены в таблице 1.

Таблица 1

Так как двигатель маломощный, то момент инерции двигателя совместно с редуктором возьмем равным

Пусковой ток якоря связан с его номинальным током соотношением

Приняв , определим сопротивление в цепи якоря

 Ом

Добавочное сопротивление в цепи якоря определяется следующим образом

 Ом

Передаточное число редуктора определим по формуле

Выберем число пар зацеплений редуктора. Так как , что больше 3, но меньше 10, то примем . Пользуясь номограммой (рисунок 2) для определения передаточного числа каждой пары, находим

Рисунок 2

Схема редуктора представлена на рисунке 3:

Рисунок 3

Подсчитаем коэффициенты  и ,

где  – конструктивная постоянная вращающего момента двигателя,

 – конструктивная постоянная противоэдс якоря.

Конструктивная постоянная  может быть вычислена по номинальным паспортным данным двигателя:

Коэффициент  в зависимости от выбора единицы измерения вращающего момента и частоты вращения, связан с коэффициентом . В частности в системе СИ они равны.

Номинальный момент двигателя

Пусковой момент двигателя

Для проверки двигателя по вращающему моменту определим

Так как , то условие выполняется.

Проверка двигателя по максимальной частоте вращения дает

 ,

где - максимальная частота вращения двигателя необходимая для заданной системы,

 – угловая скорость нагрузки, заданная в ТЗ.

 ,

где  – максимально возможная частота вращения двигателя

Так как , то условие выполняется.

Проверка двигателя на способность развивать ускорение дает

,

где  – максимальное угловое ускорение двигателя с редуктором

Так как , т.е. 11470, то условие выполняется.

Определим параметры двигателя, необходимые для составления его передаточной функции.

Коэффициент передачи:

Коэффициент внутреннего демпфирования:

Электромеханическая постоянная времени с учетом нагрузки:

Электромагнитная постоянная времени:

Передаточная функция двигателя будет иметь вид:

.

Для удобства построения логарифмических характеристик это выражение следует привести к виду:

,

где

, тогда

1.2.2 Выбор элемента сравнения

В следящих системах, предназначенных для отработки угла поворота, в качестве элементов сравнения часто применяются схемы на сельсинах и вращающихся трансформаторах. Элемент сравнения осуществляет сравнение заданного значения регулируемой величины с действительным значением. Помимо выделения сигнала рассогласования сравнивающий элемент выполняет функции преобразования входных сигналов к виду, удобному для дальнейшего применения в системе. Основным критерием при выборе элемента сравнения является его максимальная статическая погрешность. Общая погрешность элемента сравнения не должна превышать 0,3…0,5 от .

Т.к. заданная ошибка достаточно велика, то в качестве элементов сравнения были выбраны сельсины. Датчик рассогласования выполнен в виде одноканальной схемы на сельсинах, работающих в трансформаторном режиме. Схема элемента сравнения представлена на рисунке 4.

Рисунок 4

СД – сельсин-датчик,

СП – сельсин-приёмник.

Ошибка покоя  и , т.е.

Частота вращения вала:

По частоте вращения вала и по ошибке следования выбираем сельсины СС-405ТВ, технические данные которых приведены в таблице 2. Выбираем первый класс точности.

Таблица 2

Общая погрешность элемента сравнения . Таким образом, условие  выполняется, следовательно, сельсины были выбраны правильно.

При малых углах рассогласования коэффициент преобразования схемы на сельсинах приблизительно равен максимальному напряжению синхронизации:

1.2.3 Определение коэффициента передачи разомкнутой системы

При расчете следящей системы методом эквивалентного синусоидального режима коэффициент передачи разомкнутой системы определяется из условия обеспечения заданных среднеквадратичных значений погрешности следования и погрешности покоя. Коэффициент передачи разомкнутой системы связан с коэффициентами передачи отдельных устройств соотношением:

,

где  – коэффициент усиления усилительного устройства.

Погрешность  от люфта в зацеплениях редуктора:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6