ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ. Заданием на курсовую работу предусматривается 2 варианта электромеханических САУ




 

Заданием на курсовую работу предусматривается 2 варианта электромеханических САУ, упрощенные схемы которых приводятся в методическом указании. В методическом указании также приводится необходимый список литературы, в которой содержатся примеры описания предложенных систем.

Для заданной системы необходимо провести исследования согласно следующим пунктам:

1) Дать краткое описание целей функционирования и принципов работы исследуемой САУ.

2) Составить функциональную схему исследуемой САУ с указанием внешних воздействий и переменных выхода. Указать характерные типы воздействия на систему.

3) В соответствии с указанием преподавателя получить математические модели отдельных звеньев системы. Провести линеаризацию этих моделей, указать и обосновать границы применимости линейных моделей. Математические модели остальных звеньев считать известными.

4) Составить структурную схему системы в целом.

5) Проверить полученную САУ на устойчивость. В случае если САУ устойчива, определить ее прямые показатели качества и сравнить их с заданными по варианту.

Для анализа САУ использовать ЭВМ и специализированные пакеты прикладных программ.

6) Исходя из заданных по варианту показателей качества, предъявленных к подсистеме следящего привода в рассматриваемых САУ, выбрать тип и структуру корректирующих устройств для этой подсистемы. Этот этап может быть проведен следующими методами:

- методом логарифмических частотных характеристик;

- методом анализа нулей и полюсов передаточной функции замкнутой системы;

- методом корневого годографа.

7) Провести анализ удовлетворения САУ заданным показателям. При необходимости итеративно повторить выполнение п. 6.

Для анализа САУ использовать ЭВМ и специализированные пакеты прикладных программ.

8) Исходя из условий физической реализуемости, простоты реализации и других технико-экономических условий, предложить упрощенную техническую реализацию корректирующего устройства в контуре следящего привода.

9) Исходя из требований устойчивости исследуемой САУ, провести D-разбиение по одному или двум параметрам передаточной функции указанного преподавателем элемента основного контура исследуемой САУ. Выделить область устойчивости. Для случая D-разбиения по одному параметру в области устойчивости определить подобласть требуемых запасов по амплитуде и фазе или показателя колебательности.

При выполнении данного этапа использовать ЭВМ и специализированные пакеты прикладных программ.

10) Провести анализ влияния нелинейности на динамические свойства САУ.

В соответствии с заданным вариантом включить в структурную схему следящей системы статический нелинейный элемент, учитывающий нелинейность характеристик устройств системы.

С помощью метода гармонической линеаризации и гармонического баланса установить, возможно ли возникновение автоколебаний в САУ, и если возможно, то определить их параметры.

Определить абсолютную устойчивость нелинейной САУ по критерию В.М.Попова.

При выполнении данного этапа использовать ЭВМ и специализированные пакеты прикладных программ.

 

5. ВАРИАНТЫЗАДАНИЙ

 

5.1. Система автоматической стабилизации углового положения летательного аппарата

 

Система автоматической стабилизации углового положения летательного аппарата в горизонтальной плоскости (автопилот) предназначена для автоматического поддержания заданного направления полета (курса). В состав системы входят: объект управления - летательный аппарат (ЛА), измерительно-преобразовательное устройство - свободный гироскоп (СГ), усилительное устройство - электронный усилитель (ЭУ), рулевой тракт - система управления приводом руля (РТ). Функциональная схема системы автоматической стабилизации летательного аппарата по курсу приведена на рисунке 5.1.

 

 
 

 


Рисунок 5.1 - Функциональная схема системы автоматической стабилизации летательного аппарата по курсу

 

На рисунке 5.1 приняты следующие обозначения:

yo(t) - заданное значение для курса (угол между заданным направлением полета и базовой линией начала отсчета);

y(t) - текущее значение углового положения продольной оси ЛА;

UП(t) - напряжение, снимаемое с измерительного потенциометра свободного гироскопа;

UЭУ1(t) - выходное напряжение электронного усилителя ЭУ1;

d(t) - текущее значение угла поворота руля летательного аппарата;

¦(t) - возмущение, действующее на летательный аппарат (ветер,

асимметрия планера и др.).

Рулевой тракт представляет собой силовой следящий привод руля и предназначен для отклонения пера руля на угол, зависящий от выходного сигнала электронного усилителя ЭУ1 (т.е. сигнала, пропорционального сигналу с гироскопа). В состав рулевого тракта входят:

- редуктор, выходной вал которого соединен с пером руля (Р);

- исполнительный двигатель - электрический двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ИД);

- усилитель напряжения - электронный усилитель (ЭУ2);

- усилитель мощности - электронный усилитель с короткозамкнутой обмоткой (ЭМУ);

- измерительный элемент - потенциометрический датчик углового положения пера руля (П).

Функциональная схема рулевого тракта приведена на рисунке 5.2.

 

 


Рисунок 5.2. - Функциональная схема рулевого тракта летательного аппарата

 

На рисунке 5.2 приняты следующие обозначения:

dР(t) - текущее значение угла поворота пера руля;

Uп(t) -напряжение, снимаемое с потенциометрического датчика углового положения пера руля;

UЭУ1(t) -выходное напряжение электронного усилителя ЭУ1;

UЭУ2(t) -выходное напряжение электронного усилителя ЭУ2;

Ue(t) -сигнал рассогласования, поступающий на управляющую обмотку ЭМУ;

UЭМУ(t) - выходное напряжение ЭМУ;

dД(t) - текущее значение угла поворота вала двигателя ИД.

Синтез рулевого тракта летательного аппарата провести исходя из следующих требований: значения максимального времени переходного процесса (времени регулирования) tP, перерегулирования s, коэффициента скоростной ошибки С1 должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 5.1. При анализе нелинейности САУ следует учесть влияние ограничения угла поворота пера руля летательного аппарата. В таблице 5.1 приведены значения порога ограничения А нелинейности.

Показатель колебательности переходного процесса в исследуемой системе для всех вариантов не должен превышать 2.

В таблицах 5.1 и 5.2 приведены структура передаточных функций, значения заданных показателей функционирования и параметров системы управления

 

Таблица 5.1 - Значения заданных показателей функционирования и параметров системы управления

 

  № в а р.   Показатели качества Параметры передаточных функций элементов следящего привода Па-рам. нели- ней- но- сти
  КЭМУ WЭМУ= ------------ ТЭМУS+1   КД WД= ------------- S(ТДS+1)     WП= КП     WР= КР
s,% tP,c С1 ТЭМУ КЭМУ ТД KД KП KP А
    1,4 0,0175 0,04   0,17     1/125  
    0,46 0,0057 0,02   0,05     1/135  
    0,3 0,01 0,02 2,5 0,14     1/165  
  4-0 0,7 0,01 0,014   0,05     1/145  
    0,8 0,004 0,02   0,1     1/245  
    0,65 0,01 0,014   0,17     1/220  
    0,8 0,0175 0,02 1,5 0,17     1/250  
    1,5 0,0057 0,035   0,125     1/420  
    0,75 0,008 0,015   0,14     1/125  
    1,1 0,0057 0,025   0,17     1/135  
    1,2 0,017 0,03   0,15     1/220  
    0,55 0,006 0,025   0,165     1/165  
    0,6 0,008 0,035   0,12 4,5   1/245  
    1,15 0,004 0,012 1,5 0,08 5,5   1/125  
    0,85 0,003 0,032   0,06 3,5   1/320  
    0,07 0,015 0,01   0,1 2,5   1/165  
    0,9 0,02 0,015   0,09 4,2   1/350  
    1,0 0,007 0,02 2,5 0,075 3,2   1/125  
    1,3 0,017 0,04 3,5 0,08 2,2   1/135  
    0,45 0,08 0,018   0,14 4,3   1/165  
    0,85 0,01 0,01 1,2 0,12 3,3   1/220  
    0,4 0,0175 0,03 2,3 0,16 5,3   1/245  
    1,3 0,006 0,04 3,3 0,07 2,3   1/250  
    1,6 0,007 0,032 2,3 0,055     1/145  
    0,95 0,009 0,014 2,1 0,035     1/135  

 

 

В таблице 5.1 приняты следующие обозначения: ТЭМУ - постоянная времени короткозамкнутой обмотки ЭМУ, КЭМУ - коэффициент усиления ЭМУ, ТД - постоянная времени двигате­ля постоянного тока, KД - коэффициент передачи двигателя, KП - ко­эффициент передачи потенциометрического датчика, KP – передаточное чис­ло редуктора.

 

Таблица 5.2- Значения заданных параметров системы управления

 

  № вар. Аэродинамические коэффициенты летательного аппарата с передаточной функцией S+ ab WЛА(s)= ------------------------------------------------------- S3 +(ab - by)S2+(- bb - ab by)S Коэффи-циент передачи гироско-па
ab ad bd bb by KГ
  0,3 0,3 8,2 -0,5 -1 0,8
  0,4 0,15 0,25 -0,7   -1,2 0,8
  0,6 0,2 0,1 -0,4 -1,5 0,8
  0,2 0,15 0,5 -0,8 -1 0,8
  0,35 0,4 0,4 -0,5 -1,6 0,8
  0,5 0,6 0,6 -0,1 -1,4 0,5
  0,25 0,3 0,45 -0,7 -1,1 0,5
  0,4 0,2 0,15 -0,35 -1,13 0,5
  0,4 0,15 0,55 -0,6 -1,4 0,5
  0,35 0,2 0,3 -0,6 -1,3 0,5
  0,3 0,3 0,5 -0,2 -1 0,7
  0,4 0,15 0,8 -0,25 -1,15 0,7
  0,45 0,25 0,6 -0,21   -1,2 0,7
  0,3 0,4 0,3 -0,4 -1 0,7
  0,24 0,2 0,5 -0,4 -1,2 0,7
  0,42 0,22 0,3 -0,5 -1,6 0,6
  0,55 0,15 0,18 -0,35 -1,1 0,6
  0,33 0,18 0,4 -0,25 -1,3 0,6
  0,2 0,21 0,42 -0,75 -1,2 0,6
  0,41 0,29 0,2 -0,3 -1,25 0,6
  0,25 0,33 0,52 -0,6 -1 0,4
  0,51 0,12 0,52 -0,52 -1,35 0,4
  0,4 0,29 0,3 -0,65 -1,21 0,4
  0,3 0,2 0,2 -0,6 -1,15 0,4
  0,28 0,35 0,19 -0,55 -1,4 0,4

 

 

5.2 Следящая система промышленного робота

 

В соответствии с требуемыми условиями производственного процесса кинематические звенья и захватное устройство про­мышленного робота (ПР) должны перемещаться в пространстве по заданным траекториям. Такое перемещение в автоматическом режиме осуществляется в современных роботах с помощью системы управления, которая представляет собой сложный взаимосвязанный комплекс следящих систем управления положением звеньев манипулятора - следящих приводов. Каждый привод управляет опре­деленной степенью подвижности манипулятора. В последние годы в ПР все более активно применяются электро­приводы на основе использования электрических двигателей по­стоянного тока, асинхронных, шаговых двигателей.

В общем случае, структура отдельной следящей системы промышленного робота (ССПР) может быть представлена функцио­нальной схемой, изображенной на рисунке 5.3.

 

 
 

 

 


Рисунок 5.3 - Функциональная схема электрической следящей системы промышленного робота

 

На схеме приняты обозначения: 3Э - задающий элемент, формирующий задающее воздействие по угловому положению; КЭ2, KЭ1 - корректирующие элементы; УПЭ1, УПЭ2 - усилительно-преобразующие элементы; ИД - исполнительный двигатель; МП -механическая передача; ДС - датчик скорости; ДП - датчик по­ложения; СЭ1, СЭ2 - сравнивающие элементы; О - объект управления (исполнительный орган манипулятора); Мвн(t) - момент внешних сил; q(t) – реальное угловое положение звена.

Задающий элемент 3Э формирует информацию о требуемых траекториях перемещения звеньев манипулятора и захватного устройства. Корректирующий элемент KЭ1 и усилительно-преобра­зующий УПЭ1 выполняет функцию регулятора положения, характе­ристика которого может перестраиваться с целью достижения требуемых динамических качеств. Усилительно-преобразующий элемент УПЭ2 является усилителем мощности, совместно УПЭ2 и корректирующий элемент КЭ2 выполняют функцию регулятора ско­рости, от их выбора существенно зависят динамические ха­рактеристики ССПР. Остальные элементы следящей системы: электродвигатель ИД, датчик скорости ДС, датчик положения ДП конструктивно входят в состав исполнительного органа манипулятора и являются неизменяемой частью системы, поскольку не могут быть изменены в процессе настройки ССПР.

Как видно из рисунка 5.3, функциональная схема содержит два контура регулирования: подчиненный контур регулирования скорости двигателя (сервопривод) и контур регулирования углового или линейного положения (следящий привод).

Следящие системы ПР определяют важнейшие технические характеристики робота, в частности, его точность и быстродействие. В комплексе работа всех следящих систем ПР должна обеспечивать минимальное значение погрешности позиционирования захватного устройства манипулятора при максимально возможном быстродействии. При этом также необходимо обеспечить апериодичность процессов управления, так как перерегулирования в следящих системах, приводящие к "перебегу" заданных траекторий, могут привести к аварийным ситуациям.

Будем рассматривать следящую систему промышленного робота, в которой в качестве исполнительного двигателя используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

В качестве функциональных элементов ССПР используются следующие устройства: усилителем мощности является тиристорный преобразователь, измерителем скорости - тахогенератор постоянного тока, измеритель углового положения - потенциометрический датчик, корректирующие устройства регуляторов скорости и по­ложения выбираются в процессе расчета следящей системы.

Структура передаточных функций ССПР и значения их параметров приведены в таблице 5.3 для каждого варианта задания.

 

 

Таблица 5.3 – Параметры передаточных функций исследуемой следящей системы промышленного робота

 

  № в а р. Параметры передаточных функций
  W3= КП КЯ W4= ---------- ТЯS+1 КМ W5= ------ JS   W6= Кw 1 W7= ---- i S   W8= КТГ   W9= КОС
КП КЯ ТЯ КМ J Кw i КТГ КОС
      0,04 0,05 0,005 0,2   0,07  
      0,03 0,06 0,007 0,25   0,06  
      0,02 0,04 0,006 0,25   0,06  
  7,5   0,02 0,045 0,005 0,2   0,05  
      0,03 0,05 0,007 0,25   0,06  
      0,04 0,05 0,005 0,3   0,07  
    1,7 0,03 0,04 0,007 0,3   0,07  
  8,5 1,8 0,04 0,04 0,005 0,2   0,06  
    2,5 0,02 0,03 0,005 0,25   0,065  
    3,5 0,03 0,04 0,005 0,3   0,07  
      0,03 0,05 0,005 0,25   0,06  
  9,5 1,5 0,04 0,06 0,007 0,2   0,05  
  6,5 2,3 0,035 0,05 0,007 0,3   0,07  
      0,025 0,04 0,005 0,3   0,05  
  6,5   0,02 0,04 0,006 0,25   0,36  
  9,5 1,5 0,03 0,045 0,006 0,2   0,05  
    1,5 0,04 0,045 0,007 0,3   0,04  
  5,5   0,02 0,05 0,005 0,2   0,06  
  4,5   0,03 0,045 0,007 0,25   0,07  
      0,02 0,04 0,005 0,25   0,05  
      0,035 0,04 0,006 0,3   0,04  
    1,5 0,03 0,04 0,007 0,2   0,06  
    1,5 0,02 0,045 0,005 0,3   0,05  
    1,5 0,02 0,05 0,007 0,3   0,07  
    1,5 0,04 0,05 0,008 0,3   0,06  

 

В таблице 5.3 приняты обозначения: W3(s) - усилителя-преобразователя (блок УПЭ2 на рисунке 5.3); W4(s), W5(s), W6(s) - двигателя постоянного тока (блок ИД на рисунке 5.3); W7(s) – механической передачи (блок МП на рисунке 5.3); W8(s) - измерителя скорости(блок ДС на рисунке 5.3); W9(s) - датчика углового положения (блок ДП на рисунке 5.3).

Синтез контура регулирования скорости провести исходя из следующих требований: система регулирования скорости должна быть астатической, значения максимального времени переходного процесса (времени регулирования) tP, перерегулирования s, коэффициента скоростной ошибки С1 должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 5.4.

В этой же таблице приведены значения допустимого показателя колебательности m в следящей системе управления угловым положением.

При анализе нелинейности САУ в вариантах с 1 по 12 следует учесть влияние зоны нечувствительности двигателя. В вариантах с 13 по 24 учесть влияние эффекта насыщения в тиристорном преобразователе.

В таблице 5.4 приведены значения ширины зоны нечувствительности 2d и порога ограничения А.

 

Таблица 5.4 - Значения заданных показателей функционирования

системы управления

  № в а р. Показатели качества Параметры нелинейностей
s,% tP,c m С1 2d А
    0,4 1,5 0,04 0,5 -
    0,3   0,03 0,4 -
    0,35 1,5 0,02 0,3 -
    0,3   0,02 0,2 -
    0,45   0,025 0,2 -
    0,25 1,5 0,01 0,3 -
    0,3 2,5 0,02 0,4 -
    0,2   0,03 0,4 -
    0,25   0,04 0,3 -
    0,3 1,5 0,025 0,2 -
    0,2   0,035 0,5 -
    0,3   0,03 0,4 -
    0,35   0,02 -  
    0,45   0,015 -  
    0,4 1,5 0,01 - 0,5
    0,3   0,04 -  
    0,2   0,02 - 0,9
    0,25 1,5 0,035 - 0,8
    0,35 1,5 0,045 - 0,7
    0,4   0,03 - 0,6
    0,45   0,035 -  
    0,4 1,5 0,025 - 0,6
    0,3   0,03 - 0,8
    0,2   0,04 -  
    0,5   0,03 -  

 

 

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

 

Пункты 1, 2 и 3 раздела 4 настоящих методических указаний рекомендуется выполнить для системы «самолет+автопилот», используя материалы, представленные в [2, c.13-14], [3, c.46-244], [4, c.17-19], а для следящей системы промышленного робота - в [3, c.46-244], [6, c.108-134]. При составлении структурной схемы ССПР считать, что блоки КЭ1 и УПЭ1 на рисунке 5.3 совместно выполняют функцию регулятора положения.

Полученные математические модели указанных преподавателем элементов САУ привести к виду передаточных функций представленных в таблицах 5.1, 5.2, 5.3.

Для выполнения пункта 6 раздела 4 методических указаний рекомендуется применять метод логарифмических частотных характеристик В.В.Солодовникова ([1, c.363-371], [3, c.352-357]). При этом для системы «самолет+автопилот» задача обеспечения заданной точности (заданных по варианту значений коэффициентов ошибок С0 и С1) решается путем выбора значения коэффициента передачи электронного усилителя ЭУ2 рулевого тракта (рисунок 5.2), а для следящей системы промышленного робота - введением в прямую цепь контура регулирования скорости (рисунок 5.3) интегрирующего звена К/S и выбора значения К.

При выполнении пункта 9 раздела 4 методических указаний D-разбиение по одному параметру осуществлять: для системы «самолет+автопилот» - по коэффициенту передачи электронного усилителя ЭУ1 контура стабилизации курса (рисунок 5.1), а для следящей системы промышленного робота – по параметру настройки регулятора положения КЭ1 (рисунок 5.3), приняв закон управления в контуре пропорциональным.

Для анализа влияния нелинейности характеристик элементов следящей системы на ее динамические свойства необходимо предварительно ввести в структурную схему системы нелинейные элементы, тип и параметры которых определены в разделе 5. Затем проанализировать возможность возникновения автоколебаний и абсолютную устойчивость. Для этого следящую систему необходимо предварительно преобразовать к виду, представленному на рисунке 5.4.

 

 
 

 


Рисунок 5.4 – Структурная схема нелинейной САУ

 

На рисунке 5.4 приняты следующие обозначения:

WЛЧ(S) – передаточная функция линейной части системы;

НЭ – статический нелинейный элемент.

 

 

7. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАЩИТА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

1. Результаты исследований, в соответствии с программой раздела 4 оформить в виде расчетно-пояснительной записки. Оформление выполнить в соответствии с требованиями ДСТУ.

2. Графики и схемы, выполненные вручную, оформить на миллиметровой бумаге формата пояснительной записки (А4).

З. В тексте пояснительной записки обязательно указать ссылки на используемые литературные источники.

4. Результаты расчетов на ЭВМ привести в виде распечаток.

К защите допускаются студенты, курсовые работы которых выполнены в полном соответствии с программой исследований, изложенной в разделе 4.

Предварительно перед защитой курсовая работа представля­ется руководителю, который решает вопрос о возможности допуска к защите.

Курсовая работа оценивается комплексной оценкой, учитывающей знания студента, проявленные при защите, качество выпол­нения пояснительной записки, степень самостоятельности выполнения работы, умение использовать современные вычислительные средства и программное обеспечение.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления/ А.А.Воронов. – М.: Энергия, 1965. - Кн.1. – 396с.

2. Бесекерский В.А., Теория систем автоматического регулирования/ В.А. Бесекерский, Е.П.Попов. – М.: Наука, 1972. – 768с.

3. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование/ Н.Н.Иващенко. - М.: Машиностро­ение, 1973.- 606с.

4. Кузовков Н.Т. Динамика систем автоматического управления/ Н.Т.Кузовков. - М.: Машиностроение,1966.- 483с.

5. Киященко Л.А. Анализ и синтез следящей системы промышленного робота: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория автоматического управления»/ Сост. Л.А.Киященко.- Севастополь: Изд-во СПИ, 1988.-21с.

6. Макаров И.М. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: Учеб. пособие для вузов/ И.М.Макаров, Ж.П.Ахромеев, Н.Д.Дмитриева; Под ред. И.М.Макарова. – М.: Высшая школа, 1986.- Кн.2.-175с.

7. Макаров И.М. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: Учеб. пособие для вузов/ И.М.Макаров, Ж.П.Ахромеев, Н.Д.Дмитриева; Под ред. И.М.Макарова. – М.: Высшая школа, 1986.- Кн.3.-184с.

 

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-05-16 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: