Проектирование системы автоматического слежения

Проектирование системы автоматического слежения

24

Реферат

Объект исследования - система слежения.

Цель работы - проектирование системы слежения, которая удовлетворяет заданным техническим условиям.

Метод исследования - синтез, моделирование переходных процессов в САУ, расчет и исследование последовательного корректирующего звена.

Для расчета системы слежения необходимо: разработать функциональную систему слежения; выбрать элементы схемы, рассчитать передаточные функции; построить ЛФЧХ нескорректированной системы, желаемой системы и последовательного корректирующего звена; исследовать систему на устойчивость; определить показатели качества полученной системы.

СИСТЕМА СЛЕЖЕНИЯ, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, САУ, ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ, ПЕРЕРЕГУЛИРОВАНИЕ, РЕГУЛИРОВАНИЕ, ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ ПО ФАЗЕ, ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ ПО АМПЛИТУДЕ, ЛАЧХ, ЛФЧХ, КОРРЕКТИРУЮЩЕЕ ЗВЕНО.

Содержание

Введение

1. Порядок расчета системы слежения

1.1 Разработка функциональной схемы

1.2 Выбор исполнительного двигателя

1.3 Выбор усилителя мощности

2. Составление передаточных функций элементов системы слежения

2.1 Исполнительный двигатель

2.2 Электромашинный усилитель

2.3 Усилитель

2.4 Фазовый детектор

2.5 Измерительный прибор

2.6 Редуктор

В системе слежения, которое проектируется как исполнительное устройство, используется двигатель постоянного тока (Д) серии МИ, как усилитель мощности электромашинный усилитель с поперечным полем (ЭМУ). Для измерительного устройства (ИУ) рекомендуется использовать сельсильную пару: сельсин-первичный измерительный преобразователь и сельсин-трансформатор (приемник). Поскольку измерительное устройство работает на переменном токе, то после измерительного устройства должен использоваться фазовый детектор (ФД). Кроме указанных элементов в функциональную схему входят управляющее устройство, усилитель напряжения (У), редуктор (Р), при помощи которого исполнительный соединяется с объектом управления и ротором сельсина-трансформатора, и объект управления (ОУ).

Функциональная схема системы слежения представлена на рисунке 1.1.

24

Рисунок 1.1-Функциональная схема системы слежения

(-входной сигнал).

1.2 Выбор исполнительного двигателя

Выбор двигателя начинаем с расчёта необходимой мощности, которая должна быть достаточной для обеспечения заданных скоростей и ускорений объекта управления при заданной нагрузке.

Необходимая мощность , Вт(1.1):

,(1.1)

где - коэффициент полезного действия (КПД) редуктора =0,72

По каталогу [1, приложение А] выбираем двигатель большей мощности и вписываем его паспортные данные в таблицу 1.3.

Таблица 1.1 - Паспортные данные двигателя МИ-32

Последовательно определяем следующие величины:

1. н - номинальная угловая скорость двигателя(1.2):

, (1.2)

,

2. Мн - номинальный момент двигателя(1.3):

, (1.3)

,

3. р -оптимальное передаточное число редуктора(1.4):

, (1.4)

где Jp = 10-4[кгм2] - момент инерции редуктора.

4. Мнеобх - необходимый момент на валу двигателя(1.5):

, (1.5)

.

Выбранный двигатель проверяем, удовлетворяет ли он по моменту и скоростью в соответствии с условиями:

, , (1.6)

где - коэффициент допустимой перегрузки двигателя по моменту (для двигателя постоянного тока =10,0);

а - коэффициент допустимого краткочасного увеличения скорости двигателя сверх номинала, обычно а=1,20-1,50.

1.3 Выбор усилителя мощности

Как усилитель мощности используется ЭМУ с поперечным полем. При выборе усилителя необходимо придерживаться условий:

- номинальная мощность усилителя Рун должна удовлетворять неравенству:

, (1.7)

где д - КПД двигателя.

- номинальное напряжение усилителя должна быть не меньше, чем номинальное напряжение исполнительного двигателя;

- номинальный ток усилителя должен быть не меньше, чем номинальный ток двигателя.

Исходя из этих условий, выбираем тип ЭМУ[1, приложение В], данные заносим в таблицу 1.4.

Таблица 1.2 - Технические данные ЭМУ-12А3 с поперечным полем

2. Составление передаточных функций элементов системы слежения

2.1 Исполнительный двигатель

Передаточная функция исполнительного двигателя за углом поворота имеет вид(2.1) (если не учитывать индуктивности цепи якоря):

, (2.1)

где - коэффициент усиления двигателя, равный(2.2):

, (2.2)

,

-электромеханическая постоянная времени, равная(2.3):

, (2.3)

где =1,2- постоянный коэффициент;

; (2.4)

;

; (2.5)

;

Jс- суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, вычисляемый по формуле:

, (2.6)

.

Таким образом получим электромеханическую постоянную времени:

Передаточная функция имеет вид:

2.2 Электромашинный усилитель

ЭМУ с поперечным полем служит для усиления и преобразования сигнала рассогласования к величине, достаточной для управления исполнительным двигателем.

Передаточная функция ЭМУ(2.7):

, (2.7)

где Ту, Ткз- постоянные времени обмотки управления и короткозамкнутой обмотки якоря ЭМУ,

КЭМУ- коэффициент усиления ЭМУ по напряжению(2.8):

, (2.8)

UЭМУ- напряжение на выходе ЭМУ;

Uy- напряжение обмотки управления ЭМУ(2.9):

, (2.9)

где Py, Ry- соответственно мощность и сопротивление обмотки управления ЭМУ.

Передаточная функция ЭМУ примет вид:

2.3 Усилитель

Усилитель служит для согласования выходного сигнала с входным сопротивлением обмотки управления ЭМУ. Его можно считать безинерционным звеном с передаточной функцией(2.10):

,(2.10)

т. к. в расчетах принимаем Ку=1.

2.4 Фазовый детектор

Фазовый детектор (фазочувствительный выпрямитель) служит для преобразования сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока с учетом фазы.

Передаточная функция фазового детектора(2.11):

,(2.11)

где Кфд- коэффициент усиления фазового детектора.

В расчетах принимают Кфд=1.

2.5 Измерительный прибор

Измерительный прибор (сельсина пара) измеряет разницу (рассогласование) между значениями входной и выходной величины. Его задачей является генерация управляющего сигнала, пропорционально рассогласованию.

Передаточная функция измерительного прибора(2.12):

,(2.12)

где Квп- коэффициент усиления измерительного прибора.

В расчетах принимают Квп=1.

2.6 Редуктор

Передаточная функция редуктора(2.13):

,(2.13)

На рисунке 2.1 представлена структурная схема системы слежения для автоматического управления, которое мы рассматриваем.

24

Рисунок 2.1 - Структурная схема не скорректированной системы слежения.

(2.14)

.

Общая передаточная функция примет вид:

.(2.15)

, (3.4)

. (3.5)

После подстановки получим координаты запрещенной области: и .

От точки В вправо проводим линию с наклоном -40 дБ/дек. Из рисунка 3.2 видно, что запрещенная область лежит так, что на качество и устойчивость системы не влияет, т.к. ЛАЧХ не попадает в запрещенную область.

Запишем передаточную функцию непрерывной желаемой системы(3.6):

(3.6)

После построения ЛАЧХ, строим ЛФЧХ желаемой системы (рис.3.1) и определяем запас устойчивости по фазе и амплитуде:

Рисунок 3.2 - ЛФЧХ желаемой системы слежения

3.5 Расчет последовательного корректирующего звена

ЛАЧХ последовательного непрерывного корректирующего звена строится путем отнимания с ЛАЧХ желаемой ЛАЧХ заданной системы(рис.3.2).

Рисунок 3.3 - ЛАЧХ последовательного корректирующего звена(а-а-а… - ЛАЧХ заданной системы, б-б-б… - ЛАЧХ желаемой, с-с-с… - ЛАЧХ последовательного корректирующего звена)

В зависимости от вида ЛАЧХ записываем передаточную функцию корректирующего звена:

(3.7)

4. Моделирование системы слежения с непрерывным последовательным скорректированым звеном

4.1 Моделирование переходных процессов в скорректированной САУ

Для проверки соответствия показателей качества скорректированной системы заданным показателям качества проведем моделирование переходного процесса с помощью пакета прикладных программ SIAM.

g(t) x(t) y(t)

24

Рисунок 4.1 - Структурная схема скорректированной САУ.

Полученная переходная характеристика скорректированной системы представлена на рисунке 4.2.

По полученной переходной характеристике определим прямые показатели качества:

время регулирования, время в течении которого отклонение выходной величины от установившегося значения становится меньше заданной величины ?.

?=(0.05?0.1)h?=0.05•1=0.05; (4.1)

Следовательно время регулирования равно:

у - перерегулирование, максимальное отклонение выходной величины от установившегося значения по отношению к установившемуся значению:

 (4.2)

По полученным критериям видно, что они не превышают заданных значений, следовательно, коррекция системы выполнена правильно и показатели качества удовлетворяют заданным условиям.

Рисунок 4.2 - Переходная характеристика скорректированной системы

Выводы

В курсовой работе была спроектирована система слежения на сельсинах. Система обеспечивает синхронное и синфазное вращение двух осей, механически не связанных между собой. Такая система широко используется для дистанционного управления разными механизмами, а также при построении автоматических систем управления в разных областях промышленности.

В работе были рассчитаны необходимые величины для выбора исполнительного двигателя и ЭМУ. Выбранный двигатель М1-32 и усилитель ЭМУ12-А3 больше других подходят по техническим характеристикам.

Также были построены ЛАЧХ и ЛФЧХ нескорректированной, желаемой и скорректированной системы. При построении желаемая ЛАЧХ не попала в запретную область, следовательно, коэффициент усиления системы обеспечивает заданную точность слежения. Скорректированная система была проверена на устойчивость. Проверка показала, что замкнутая система устойчива. Также определили запасы устойчивости по амплитуде и фазе, они достаточны для работы системы в заданном режиме.

Следящая система автоматического управления, спроектированная в данном курсовом проекте, имеет необходимый запас устойчивости по фазе и по амплитуде. Время регулирования и перерегулирование, полученные при моделировании переходного процесса скорректированной САУ, находятся в заданных пределах, что даёт возможность говорить об устойчивости полученной системы.( ; ; )

Простота передаточной функции корректирующего звена объясняется тем, что заданная система находится на границе запрещённой области, и для её корректировки нет необходимости применять сложные звенья.

Список литературы

1. Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни ”Основи автоматики” для студентів спеціальностей 7.091001 “Виробництво електронних засобів”/ А.О.Андрусевіч та інщі.-Харків:ХНУРЕ.-2001.-24с.

2. Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Основи автоматики” для студентів спеціальностей 7.091001 “Виробництво електронних засобів”/ Упоряд.: С.В. Денисов, О.В.Нежевенко, І.О. Яшков.- Харків: ХТУРЕ.-2001.-48с.

3. Расчёт автоматических систем/ Под ред. А.В. Фатеева.- М.: Высш.шк., 1973.-336с.

4. Ерёменко И.Ф. Теория автоматического управления: Уч. пособие, часть 1.- Харьков: ХТУРЭ, 1998.-100 с.