Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя
Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя
38 Министерство образования и науки Украины Севастопольский Национальный Технический Университет Кафедра Технической кибернетики КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по курсу «Проектирование систем автоматического управления» «Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя» Выполнила: ст. гр. А - 61з Брусинов С. Э. Проверил: Дубовик С.А. Оценка ________________ Дата «____»___________ Подпись _______________ Севастополь 2009 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1 Настоящее техническое задание распространяется на разработку и испытание подсистемы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя. 2 Основанием для разработки является рабочий план курса «Проектирование систем автоматического управления». 3 Технические требования 3.1 Состав системы и требования к конструктивному устройству 3.1.1 Основные части и их назначение: Датчики (2 шт.) - преобразование угла поворота в электрическое напряжение; Усилитель напряжения (1 шт.) - формирование ошибки регулирования; Усилитель мощности (1 шт.) - усиление мощности сигнала, поступающего на двигатель; Электродвигатель (1 шт.) - исполнительное устройство. 3.1.2 Габариты не должны превосходить размеров 300х200х400 (мм). 3.1.3 Масса не должна превосходить 20 (кг). 3.2 Требуемые показатели качества и точности Ошибка воспроизведения полиномиального сигнала |(t)| 0.06; Ошибка воспроизведения гармонического сигнала |S| 0.06; Ошибка от помехи |N| 0.5; Минимальная частота помехи = 310 (рад/c); Время регулирования tР 2 (с); Перерегулирование системы 15%. 3.3 Номинальный режим работы Момент инерции нагрузки = 0.5 (кгм2); Максимальная скорость вращения (рад/с); Максимальное значения ускорения движения нагрузки (рад/с2); Максимальный статический момент сопротивления нагрузки (Нм); Требования к надежности Средний срок безотказной работы 10000 часов. Возможность устранения неполадок, заменой основных частей и их элементов. Условия эксплуатации 3.5.1 допускаемые кратковременные воздействия климатических факторов Рабочий диапазон температур 00 С < t < 400 C; Максимальное атмосферное давление 900 (мм рт. ст.); Относительная влажность - 80% при температуре окружающей среды 200 C; Механические воздействия Постоянная перегрузка не более 10g; Переменные перегрузки не более 5g; Частота вибрации 2 Гц. Затраты на проектирование неограниченны. Источники финансирования не определены. Порядок испытаний и ввода в действие 5.1 Провести проверку и контроль параметров Осуществить контроль сопротивлений и электрической прочности изоляции токоведущих цепей и обмоток электродвигателя; Осуществить контроль нагрева обмоток или других частей электродвигателя; Осуществить оценку возникающих при работе машин шумов и вибраций, а также радиопомех. Осуществить проверку точности отработки заданного угла поворота Провести ряд испытаний с измерением угла поворота ; Убедиться в соответствии угла поворота и заданного угла ЗАД. Министерство образования и науки Украины Севастопольский Национальный Технический Университет Кафедра Технической кибернетики ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по курсу «Проектирование систем автоматического управления» «Проектирование системы автоматического регулирования угла поворота вала электродвигателя» Выполнила: ст. гр. А - 61з Брусинов С. Э. Проверил: Дубовик С.А. Оценка ________________ Дата «____»___________ Подпись _______________ Севастополь 2009 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ СИСТЕМЫ 2 ВЫБОР И РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА 2.1 Выбор двигателя 2.2 Расчет параметров передаточной функции двигателя 3 РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА 4 РАСЧЕТ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ЗВЕНА 4.1 Получение характеристик желаемой ЛАЧХ 4.2 Построение амплитудно-частотных характеристик 4.3 Нахождение передаточной функции регулятора 4.4 Проверка устойчивости и качеств переходного процесса 5 РЕАЛИЗАЦИЯ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ЗАКЛЮЧЕНИЕ Список используемых источников ВВЕДЕНИЕ 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 курсовой работы 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. 1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМЫ СИСТЕМЫ 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: потенциометрические; индукционные (сельсины, вращающиеся трансформаторы, следящие трансформаторы магнесины); емкостные; фотоэлектрические. 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, - угловая скорость вала. Эти характеристики связывают два уравнения четырехполюсника (1.1) где частные передаточные функции имеют вид (1.2) Уравнения (1.1), (1.2) следуют из дифференциальных уравнений двигателя (1.3) где - индуктивность и сопротивление якорной цепи, - ток якоря, J - момент инерции якоря и всех жестко соединенных с ним частей, - электромагнитный вращающий момент двигателя, M - момент сопротивления нагрузки, приведенной к валу двигателя. Из приведенных уравнений следует структурная схема системы стабилизации, изображенная на рисунке 1.2, где обозначено Д1, Д2 - датчики; Ку - коэффициент усиления; - угол поворота вала. Wp(s) - передаточная функция регулятора; N - 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 (1.4) Параметры этих передаточных функций могут быть определены по характеристикам пускового момента скорости холостого хода - : (1.5) 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] (1.6) , (1.7) где и - моменты инерции двигателя и редуктора; - момент инерции нагрузки; -максимальный момент сопротивления нагрузки; - передаточное число редуктора; - коэффициент полезного действия редуктора. 2 ВЫБОР И РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Выбор исполнительного устройства будем осуществлять на основе минимизации требуемого момента инерции на валу двигателя и оптимизации ускорения движения нагрузки по передаточному числу редуктора. 2.1 Выбор двигателя Исходными данными для выбора двигателя являются: момент инерции в нагрузке Jн=0.5 (кг•м2) 2) момент в нагрузке = 18 (Нм); скорость вращения (максимальная) в нагрузке (рад/с); 4) ускорение в нагрузке (рад/с2); Определяем максимальный момент Мн и мощность Рн в нагрузке. Мн=Jн +, [Нм] (2.1) Мн =0.5 2,1+18=19,05 [Нм] Рн=Мн, [Вт] (2.2) Рн=19,05 2,1=40,005 [Вт] Требуемая мощность двигателя определяется по формуле: Ртр=2 Рн/, [Вт] (2.3) По полученной мощности Рн определяем К.П.Д. из условия: Так как Рн<100 Вт, то ?=0.85 и требуемая мощность: Ртр= 240/0.85=94 [Вт] Выбор двигателя производится по номинальной мощности двигателя, которая должна быть больше Ртр. Исходя из этого условия, выбираем двигатель 4ПБ80А1. Данный двигатель принадлежит к классу двигателей постоянного тока. Двигатель класса 4ПБ представляет собой двигатель с естественным охлаждением. Применимые условия эксплуатации - нормальные, соответствующие значениям климатических факторов: высота над уровнем моря до 1000м, температура окружающей среды от 1 до 40 С, относительная влажность 80 % при t=20С. Показатели надежности: средний срок службы при наработке 30000 часов не менее 12 лет. Вероятность безотказной работы за период 10000 часов >0.8 при доверительной вероятности 0.7, наработке щеток 0.8, коэффициенте готовности 0.9. Габариты двигателя: длина - 385 мм, ширина - 125 мм, высота - 214 мм, масса - 16 кг. Данный двигатель имеет технические данные: номинальная мощность, при исполнении Рном = 370 [Вт] максимальная частота вращения fmax = 4000 [об/мин] номинальная частота вращения fном = 3000 [об/мин] 4) напряжение Uном = 220 [В] 5) номинальный вращающий момент Мном = 1.2 [Н•м] момент инерции Jдв = 1.710-2 [кг•м2] Определим ном : ном=2••fном/60 [рад/c] (2.4) ном= 23.143000/60=314.159 [рад/c] Определим хх : хх=2••fmax/60 [рад/c] (2.5) хх= 23.14 4000/60=418.879 [рад/c] Момент инерции вычисляется по формуле: Jд=Jдв+Jp, [кгм2] (2.6) где Jр - момент инерции редуктора: Jр=0.1•Jдв, [кгм2] Jд= 0.1•0.017+0.017=0.0187 [кг•м2] Вычислим оптимальное число редуктора: ip= (2.7) ip==23,88. Определим максимальный момент двигателя по первой форме уравнения баланса - с использованием приведенного момента инерции: Мдв•ан•ip + Мнс/ip•, [Н•м] (2.8) где - момент инерции, приведенный к валу двигателя Jд+, [кг•м2] 0.019 [кг•м2] Мдв=0.019•2,1•23,88+18/(23,88•0.85)= 1.8 [Н•м] Рассчитаем перегрузочную способность по моменту: ??м=Mдв/Мном (2.9)
Страницы: 1, 2
|