Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Томский Политехнический Университет

Факультет Электрофизический

Направление Приборостроение

Кафедра ТПС

Пояснительная записка

к курсовой работе

Система управления телескопом

Выполнил студент

гр. 1Б03____________________________________ Баландин А.С.

Проверил преподаватель

Доцент кафедры ТПС_________________________ Нестеренко Т.Г.

Томск 2003

Содержание

Введение

1. Выбор исполнительного двигателя

2. Выбор передаточного числа редуктора и проверка правильности выбора двигателя

3. Выбор измерителя рассогласования

4. Определение передаточной функции системы

5. Синтез системы исходя из требуемой точности и запаса устойчивости

6. Синтез системы исходя из требуемой точности и устойчивости

7. Определение структуры и параметров корректирующего устройства

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Современные системы автоматического регулирования нашли самое широкое применение в различных областях науки и техники. Это связано не только с необходимостью автоматизации различных технологических процессов и производственных операций, но и с появлением принципиально новых автоматизированных машин, предназначенных для работы в экстремальных условиях: в космосе, под водой, в зонах с ядерным излучением, в шахтах и т.д. Непрерывно расширяется класс систем автоматического регулирования, отличающихся как особенностями самого объекта регулирования, так и динамическими свойствами систем в целом.

Следящие системы (СС) можно классифицировать по способу формирования управляющего воздействия, характеру сигнала рассогласования, способу математического описания СС и характеру контролируемых измерений, проходящих в СС.

Выходной вал СС с определенной степенью точности воспроизводит в виде механического перемещения входной управляющий сигнал. При этом исполнительный двигатель должен преодолевать имеющиеся на выходном валу нагрузки (возмущающее воздействие) и развивать скорости и ускорения, обеспечивающие его слежение за входным управляющим воздействием, а система управления двигателем должна обеспечить необходимую точность слежения. Т.е. привод должен обладать определенными динамическими свойствами, которые надо четко сформулировать на начальной стадии проектирования. Динамические свойства СС и законы изменения управляющих и возмущающих воздействий во многом зависят от назначения объекта управления в целом и функций, выполняемых СС, а также от условий работы.

Структурная схема СС изображена на рис.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1

Входное устройство предназначено для вырабатывания сигнала, закон изменения которого должен воспроизводится объектом регулирования. Сравнивающее устройство имеет два входа, на один из которых подается входной сигнал, а на второй - сигнал обратной связи с выхода следящей системы.

Если положение объекта регулирования не соответствует заданному, то на выходе сравнивающего устройства возникает сигнал ошибки, пропорциональный разности входного сигнала и сигнала обратной связи.

Так как объект регулирования имеет большой тормозящий эффект то для управления его положением необходим исполнительный механизм, требующий для возбуждения гораздо большую мощность, чем мощность сигнала ошибки. Поэтому исполнительный механизм потребляет энергию от отдельного источника через усилитель мощности, который управляется сигналом ошибки. Сигнал ошибки определяет меру энергии, которую необходимо забрать от источника, чтобы объект регулирования перемещался в соответствии с законом изменения входного сигнала. Исполнительный механизм воздействует на объект регулирования до тех пор, пока на его входе будет существовать сигнал ошибки. Как только объект регулирования займет заданное положение, сигнал ошибки станет равным нулю и исполнительный механизм остановится.

Обычно скорость вращения телескопа намного меньше, чем номинальная скорость двигателя, по этому между двигателем и выходным валом ставится понижающий редуктор. Для исключения влияния момента инерции телескопа на систему передаточное число редуктора нужно выбирать как можно больше.

Модуляторы предназначены для преобразования постоянного напряжения в пропорциональное по величине переменное, фаза которого определяется полярностью постоянного напряжения.

Основные задачи проектирования состоят в выявлении требуемых динамических свойств привода, определении типа привода, выборе исполнительного двигателя, обладающего нужными предельными динамическими возможностями, определении метода управления и разработке схемы управления, которая при максимальной простоте и надежности и минимальных габаритах и весе обеспечивает необходимую динамику и точность.

1. Выбор исполнительного двигателя

Двигатель должен иметь требуемые скорости и мощность, передаточную функцию и статические характеристики, отвечает требованием по нагреву и перегрузкам, расходовать минимум энергии. Надо также учитывать, что двигатель вместе с зависимым от него усилителем может составлять главную часть конструкции системы в отношении размеров, массы и нередко стоимости

Двигатель обычно имеет усилительный элементы и вместе с усилителями охватывается скоростной обратной связью с помощью тахогенератора для стабилизации коэффициента преобразования силовой части телескопической системы. Поэтому эквивалентные параметры двигателя зависят не только от конструктивных параметров двигателя зависят не только от конструктивных параметров двигателя, но и от параметров усилителя и тахогенератора, то есть однозначной связи нет, и, варьируя параметрами усилителя и обратной связи, можно получать различные параметры силовой части телескопической системы при одних и тех же параметрах КД ,ТМ ,ТЭ двигателя.

Выбрать электрический двигатель и определить параметры его передаточной функции, если момент статической нагрузки МН =50 Нм; момент инерции нагрузки JН=50 кгм2; максимальная скорость вращения телескопа m=5о/с; максимальное ускорения вращения телескопа ем=200о/с2.

Примем ориентировочный коэффициент КПД редуктора з=0,9.

Требуемая мощность двигателя (кВт) определяется по формуле

.

Определим мощность двигателя, необходимую для перемещения нагрузки с требуемой скоростью и ускорением:

По полученной мощности выбираем двигатель из числа асинхронных типа AДП, при напряжении возбуждения uв = 36 В, напряжении управления uу.ном= 30 В и частоте сети 400 Гц. Наиболее подходящим является АДП-363А: РД.НОМ=46.6 Вт; nд.ном = 6000об/мин; Jд=120кгм2; ; Нм.

2. Выбор передаточного числа редуктора и проверка правильности выбора двигателя

1.Теперь необходимо решить задачу выбора передаточного числа редуктора, которая в частных случаях решается из условий обеспечения заданной максимальной скорости движения выходного вала; минимального момента инерции, приведенного к валу двигателя; минимальных габаритных размеров механической части привода.

Задача оптимизации передаточного числа редуктора часто сводится к обеспечению максимального ускорения разгона нагрузки, что важно для режима согласования, или к обеспечению минимального движущего момента.

Наиболее распространенным подходом при выборе передаточного числа редуктора является подход, связанный с обеспечением заданной максимальной величины скорости движения выходного вала. Определим оптимальное передаточное число редуктора по формуле:

,

где Мн=50 H*м, момент нагрузки;

Jн =50 кг*м2, момент инерции;

ем = 3,48 рад/с2, ускорение выходного вала;

JД=120*10-8 кг*м2, момент инерции двигателя.

Оптимальное передаточное число редуктора :

=7321,5=7320,

2. Проверим двигатель на выполнение требований по скорости:

.

Изменим передаточное число редуктора до i=7000 чтобы коэффициент усилителя был меньше.

Приведенная к оси двигателя скорость нагрузки:

.

Выбранный двигатель не обеспечивает необходимой угловой скорости, так как

.

3.Также важным этапом энергетического расчета СС является поверочный расчет выбранного двигателя с точки зрения обеспечения им необходимых моментов. При известных параметрах двигателя и редуктора определим величину максимального момента, который может развивать двигатель при заданных режимах работы по формуле:

МВР.ТРЕБ=

Чтобы, двигатель имел достаточный запас по ускорению, необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства:

,

Т.е. видим, что Мтреб меньше, чем Мном, тем самым мы обеспечили запас по ускорению.

Выбранный двигатель удовлетворяет обоим условиям по обеспечению требуемых скорости и ускорения выходного вала.

Определим параметры передаточной функции АДП, используя его технические данные.

Коэффициент момента:

.

Коэффициент демпфирования определяется по формуле:

Коэффициент преобразования двигателя по скорости:

.

Полный момент инерции, приведенный к валу двигателя:

.

4. Определим передаточную функцию двигателя.

Передаточная функция двигателя:

.

Постоянная времени двигателя (из справочника)

Рассчитаем постоянную времени с учетом нагрузки

, . .

Постоянная времени с учетом нагрузки увеличилась по сравнению со справочной величиной постоянной времени, следовательно, полоса пропускания уменьшилась, что плохо сказывается на системе. Если охватить двигатель гибкой местной обратной связью можно уменьшить его постоянную времени, а динамические свойства части системы остаются прежними.

Так как Т'м большое , то мы охватываем двигатель отрицательной гибкой обратной связью: В гибкую местную обратную связь включим тахогенератор.

Тахогенератор-это индукционная машина переменного тока (в моем случае), предназначенная для преобразования скорости вращения вала в напряжение, пропорциональное этой скорости.

Выберем тахогенератор переменного тока АТ-5А ()

Крутизна тахогенератора:

Включим в обратную связь также усилитель: ,

.

Возьмем сопротивление прямой цепи R1=10 кОм. Тогда сопротивление обратной цепи будет R0= 453 Ом. Сопротивление выбираем из ряда Е192.

В результате расчета получим передаточную функцию двигателя АДП-363А: .

3. Выбор измерителя рассогласования

1. Измерители рассогласования (ИР), применяемые в СС, чрезвычайно разнообразны. К наиболее распространенным ИР можно отнести сельсины, вращающиеся трансформаторы, потенциометры, магнесины, емкостные датчики. Выбор типа ИР зависит от общих требований, предъявляемых к СС, и, прежде всего, от точности СС в статических режимах.

Измерители рассогласования предназначены для преобразования сигнала рассогласования в электрическую величину. К ним предъявляются следующие требования:

-высокая разрешающая способность и высокая крутизна характеристики;

- линейность и однозначность характеристики;

- помехозащищенность;

- малая инерционность перемещающихся элементов;

- надежность, малые габариты, низкая стоимость;

- малая мощность потребления электрической энергии.

Особо жесткие требования предъявляют к чувствительности и точности измерения. Основным показателем точности измерения является погрешность измерения, т.е. отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности измерения подразделяют по источнику возникновения на инструментальные (допущенные при изготовлении измерителей и определяются несовершенством элементов системы), моментные (зависят от возмущающего момента, действующего со стороны нагрузки) и динамические (определяются законом задающего воздействия).

По условию задания необходимо обеспечить, чтобы общая погрешность не превышала Х=40''. Разобьем эту общую погрешность на три составляющие: Хд, Хм, Хи, так чтобы Х=Хд+Хм+Хи. Пусть Хд=15'', Хм=15'', Хи=10''.

В качестве многополюсных преобразователей широко применяются многополюсные вращающиеся трансформаторы (ВТ), редуктосины, индуктосины. Многополюсные ВТ отличаются малым коэффициентом ослабления выходного сигнала, имеют погрешность не более 0,5…1', но требуют наличия контактов при неограниченном угле поворота ротора.

Так как погрешность измерителя рассогласования очень мала, выбрать я могу только многополюсный вращающийся трансформатор. Выбираем вращающийся трансформатор серии МВТ-2: 5МВТ-2-5. Его технические данные: ,

погрешность отображения синусной зависимости-0,2%;

диапазон рабочих частот напряжения возбуждения-380ч525 Гц;

масса-0,35 кг.

2. Определим передаточную функцию измерителя рассогласования:

(11)

где Uном - номинальное напряжение многополюсного ВТ;

g - сдвиг фаз между обмотками многополюсного ВТ.

4. Определение передаточной функции системы

Сначала найдем передаточные функции остальных элементов:

1.Определение передаточной функции редуктора.

Учтем влияние редуктора так как редуктор может оказывать существенное влияние на работу телескопической системы. Это влияние может сказываться при рассмотрении работы следящей системы, как в линейном, так и нелинейном планах.

Упругость редуктора. При исследовании телескопической системы с учетом явление скручивания редуктора вводится упругое эквивалентное соединение, которое может быть отнесено как к валу двигателя, так и к валу управляемого объекта.

На рис.1 изображена эквивалентная схема, учитывающая упругость редуктора.

При достаточно большой жесткости редуктора (106Н/рад), тогда передаточная функция двигателя совместно с редуктором может быть записана в виде:

,

Оценим влияние редуктора на работу следящей системы:

Выберем редуктор высокой жесткости С=1010г•см/рад =106 Н•м/рад

Найдем коэффициент демпфирования редуктора:

Найдем собственную частоту

lg g=lg1279=3,23

Результирующая передаточная функция редуктора имеет следующий вид:

2) Определим передаточную функцию усилителя

,

Сначала определим коэффициент передачи всей системы:

,

Однако в тоже время коэффициент передачи всей системы равен:

Из этого выражения можно определить коэффициент передачи усилителя:



Постоянная времени усилителя:

Результирующая передаточная функция усилителя равна:

.

Передаточная функция всей системы представляет собой произведение всех передаточных функций частей системы:

W(P)=Wдв(Р)*Wу(Р)*Wр(Р)*Wир(Р)

В конечном итоге она имеет вид:

5. Синтез системы исходя из требуемой точности и запаса устойчивости

Определим необходимые параметры для построения ЛАЧХ.

Тдв=0,01 c w1=17,6 c-1 lg(w1)=1,245

Tу=2.65*10-4 c w2=3773.6 c-1 lg(w2)=3.57

Тр=0,00058 с w3=1724 c-1 lg(w3)=3,25

20lgK=20*lg12,8=22

Для построения запретной зоны найдем некоторые величины:

Определим частоту среза:

, Lg(wср)=2,2

Строим запретную зону, а затем ЛАЧХ исходной характеристики системы по передаточной функции W(P) и определенным выше параметрам, которая представляет собой ломанную линию, имеющую точки излома в частотах, определяемых постоянными времени звеньев (см. приложение [исх1]). Однако видим, что характеристика системы заходит в запретную зону, поэтому поднимаем ее так, чтобы она была выше запретной зоны на 3 Дб (см. приложение [исх2]). Но при этом поменяется коэффициент передачи системы. Определим его:

,

отсюда получаем, что новый коэффициент

При этом поменяется также и коэффициент передачи усилителя:

Это практически невозможно реализовать.

Желаемая ЛАЧХ имеет три характерные части: низкочастотную, на которой она повторяет исходную ЛАЧХ; среднечастотную, на которой она приобретает вид одной из типовых характеристик; высокочастотную, в которой она имеет одинаковый наклон с исходной характеристикой.

В данном проекте в качестве типовой характеристики возьмем характеристику, имеющую вид:1-2-1-2-3

Рассчитаем постоянную времени Т', на которой будет излом желаемой ЛАЧХ:

м=1,3 - показатель колебательности.

Определим нижнюю и верхнюю границы:

20lg(м/(м+1))=-5

20lg(м/(м-1))=13

С помощью полученных данных строим желаемую характеристику, принимая во внимание правила ее построения.(см.приложение [жел]).

По полученным исходной и желаемой характеристикам определим вид характеристики корректирующего устройства(КУ) (см. приложение [ку]) .

Lку(Р)=Lж(Р)-Lи(Р):

-20-(-20)=0 -40-(-40)=0

-40-(-40)=0 -80-(-80)=0

-20-(-40)=+20 -100-(-100)=0

Определим передаточную функцию корректирующего:

Wку(Р)=Wж(Р)/Wи(Р)

Посмотрев на отношение ЛАЧХ и ЛФЧХ, видим, что данная система не обеспечивает требуемую точность и устойчивость системы. Следовательно, надо вводить корректирующее звено

6. Синтез системы исходя из требуемой точности и устойчивости

Определим скоростную погрешность

Следовательно, будем подбирать способы устранения погрешности:

Включение параллельно интегрирующего звена приводит к увеличению степени астатизма. А для астатической системы 2 порядка скоростная погрешность равна нулю. Но введение такого звена также ведет к уменьшению запаса устойчивости, что в моем случае недопустимо, так как система и так неустойчива, то есть при введении такого звена добиться устойчивости будет еще сложнее.

Комбинированное управление (следящая система с тахогенератором на входном валу).

При введении параллельного корректирующего звена в виде тахогенератора на входном валу, динамическая погрешность уменьшиться.

Остановимся на этом способе, выберем тахогенератор, определим его передаточную функцию.

Возьмем асинхронный однофазный тахогенератор с полым немагнитным ротором на входной вал ТГ-4 А (Uв=110В, f=400Гц). Крутизна выходного напряжения Ктг=8,3 мB/(об/мин) = 0,079В/(рад/с).

Исходя из того , что К1=1 запишем формулу связи всех коэффициентов и рассчитаем Ку''.

Приравняем динамическую погрешность к нулю и рассчитаем общий коэффициент передачи системы

Данное выражение равно нулю, если числитель равен нулю

Это значительно меньше, чем мы получали ранее (). И данное значение усиления легче реализовать на практике

Определим новый коэффициент передачи:

Cтроим исходную и желаемую ЛАЧХ с учетом тахогенератора:

20lg(K'')=20lg(241)=47,6

Рассчитаем постоянную Т'' на которой будет излом характеристики:

Где wo- частота, с-1,

м=1,3 - показатель колебательности.

,

Видим, что система и в среднечастотной области заходит в запретную зону, что не допустимо, перенесем ее параллельно вверх до . В этом случае видим, что система в низкочастотной области будет заходить в запретную зону, а среднечастотной области уже заходить в запретную зону не будет. Но при повышении К скоростная погрешность уже не будет равна нулю, поэтому введем еще в корректирующее звено, после тахогенератора активную.

В данном проекте в качестве типовой характеристики возьмем характеристику, имеющую вид:1-2-1-2-4-5.

По полученный характеристикам определяем вид корректирующего звена

,

Передаточная функция желаемой характеристики с учетом тахогенератора имеет вид:

Видим, что эта характеристика заходит в запретную зону, однако это можно позволить при наклоне -20Дб. Если характеристика заходит в запретную зону при наклоне -40Дб, то характеристику необходимо поднимать. Но в нашем случае характеристика попадает в запретную зону только при наклоне -20Дб.

7. Определение структуры и параметров корректирующего устройства

Передаточная функция корректирующего устройства имеет вид:

Передаточную функцию реализуем на двух операционных усилителях с передаточными функциями:

Заключение

В данной курсовой работе выбрали и рассчитали элементы системы управления телескопом. Получили следящую систему с параллельным и последовательным корректирующими звеньями и с гибкой обратной связью по двигателю, а также со скоростной обратной связью по цепи: двигатель-редуктор. Данная система обеспечивает заданную точность и имеет запас устойчивости по амплитуде 8,47 дБ и по фазе 45,7.

Система:

· по роду тока: переменного тока,

· по структуре: замкнутая и комбинированная,

· по типу передаточного устройства: редукторная (редуктор с достаточно большой жесткостью),

· по характеру изменения параметров: регулируемая, параметры которой изменяются только под действием управляющего устройства,

· по роду задачи регулирования: следящая.

Построили структурную и электрическую схемы.

Список литературы

1. “Проектирование следящих систем. Основы проектирования следящих систем. ” под ред. Н.А.Лакоты, М, Машиностроение, 1978г.

2. “Проектирование следящих систем” под ред. Л.В.Рабиновича, М, Машиностроение, 1969 г.

3. “Справочник по электрическим машинам.” Под ред. И.П.Копылова, Т2, М, Энергоатомиздат, 1989г.

4. В.И.Смирнова “Проектирование и расчет автоматизированных приводов”, учебник для средних специальных учебных заведений, М, Машиностроение, 1990г.

5. В.И.Смирнова “Проектирование и расчет автоматизированных приводов”, учебник для средних специальных учебных заведений, М, Машиностроение, 1983г.

6. В.А. Бессекерский. Динамический синтез систем автоматического регулирования, - М.;1970;

7. В.С. Вилков. Элементы синхронного следящего привода, - М.;1969;

8. Е.И. Баранчук. Теория и проектирование следящих систем переменного тока, - Л;1966;

9. В.А. Ганэ. Расчет следящих систем, - Мн.;1990.

управление телескоп редуктор

Приложение



Размещено на Allbest.ru