Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Курсовая работа - Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли - файл Курсовик Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли.doc


Курсовая работа - Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли
скачать (392.9 kb.)

Доступные файлы (1):

Курсовик Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли.doc865kb.17.05.2006 02:53скачать

содержание
Загрузка...

Курсовик Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра электротехники и

автоматизированных промышленных установок


КУРСОВАЯ РАБОТА
по предмету
Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли
«Проектирование системы управления следящим электроприводом»

Выполнил:
Студент 5 курса ЭМ факультета

гр. 523

Специальность 2102

Шифр 0-201022

Алексеев С.А

Проверил:
Преподаватель

Иванилов Ю.Л.

г. Омск 2006

ЗАДАНИЕ
Провести расчет локального следящего электропривода со следующими исходными данными:

Запас устойчивости по фазе…………………………………...

Скорость равномерного движения………………………........

Кинетическая ошибка………………………………………….

Перерегулирование…………………………………………….

Время регулирования………………………………………….

Амплитуда колебания нагрузки………………………………

Частота колебаний нагрузки…………………………………..

Момент инерции нагрузки…………………………………….

γ=32º

Ωравн=0.47 рад/с

Θкин=0.21º

σзад=40 %

tр=0.9 с

А=0.22 рад

ω=2,9 с-1

Jн=20 кг·м2


Колебания нагрузки описывается уравнением:

;

;

.

ВВЕДЕНИЕ
Следящий электропривод является наиболее типичным среди замкнутых систем автоматического управления и регулирования. Следящей называют систему, предназначенную для восприятия с высокой степенью точности величины, меняющейся в широких пределах по произвольному, заранее неизвестному закону. Их применение обусловлено растущими масштабами производства, введения новых технологий с использованием промышленной автоматики и робототехники. Эти системы используются и в устройствах, спецификой которых является работа в экстремальных условиях, при которых нахождение оператора невозможно или затруднено.

Наиболее широко распространены электромеханические позиционные следящие системы, воспроизводящие выходную величину в виде механического перемещения. Расчет именно такой системы и производится в курсовой работе.

Проектирование следящего электропривода охватывает широкий круг вопросов – от математической постановки задачи до отдельных узлов.

В работе рассматривается два наиболее сложных этапа проектирования: энергетический расчет силового привода и структурно-параметрический синтез систем.
^ 1.1 Классификация следящих электроприводов

Следящий электропривод (см. рисунок 1.1) состоит из датчика вход­ного сигнала 1 и датчика 5 выходной координаты, измерителя рас­согласования 2, системы управления 3 и электродвигателя с меха­нической передачей 4, которая приводит в движение исполнитель­ный орган 6 рабочей машины.




Рисунок 1.1 – Структурная схема следящего электропривода

Датчики входной и выходной величин преобразуют механичес­кие величины (скорость или угол поворота вала) в электрические — входной сигнал Uвх и сигнал обратной связи Uос. Измеритель рас­согласования 2, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабаты­вает сигнал рассогласования U, поступающий в систему управле­ния 3. Следящий электропривод по своей структуре представляет собой замкнутую систему, действующую по принципу отклонения.

Система управления ^ 3 состоит из регулятора (усилителя) и си­лового преобразователя, которые обеспечивают необходимое пре­образование сигнала рассогласования U в напряжение U, посту­пающее на двигатель. За счет выбора схем регулятора и преобра­зователя, или введения корректирующих устройств, обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения во времени U(t) при отработке входного воздействия .

Электродвигатель и механическая передача 4 в соответствии с законом изменения ИО обеспечивают перемещение исполнитель­ного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей назы­вают исполнительным механизмом (сервомеханизмом).

Классификация следящего электропривода может быть выпол­нена по нескольким признакам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизведения с заданной точностью скоро­сти движения исполнительного органа, он называется скорост­ным, а если положения — то позиционным.

Различают следящие электроприводы с непрерывным и прерывным управлением; последние, в свою очередь, делятся на ре­лейные и импульсные.

В следящих электроприводах непрерывного действия напряжение, пропорциональное сигналу рассогласования, постоянно по­дается на двигатель.

Следящий электропривод релейного действия характеризуется тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае, когда сигнал рассогласования достигает определенного значения. Поэтому работа релейного следящего электропривода характери­зуется определенной зоной нечувствительности по отношению к входному сигналу.

^ Импульсный следящий электропривод отличается тем, что управ­ляющее воздействие на двигатель подается в виде импульсов на­пряжения, амплитуда, частота или заполнение которых изменя­ется в зависимости от сигнала рассогласования. В этих случаях говорят соответственно об амплитудно-, частотно- и широтно-импульсной модуляции сигнала управления.

В следящем электроприводе используются двигатели перемен­ного и постоянного тока, различные виды усилителей (электро­машинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, гидравлические), датчики скорости и положения и другие анало­говые и цифровые устройства управления.



Рисунок 1.2 - Схема следящего электропривода с двигателем постоянного тока релейного действия
Следящий электропривод постоянного тока релейного действия. В этой схеме электропривода (см. рисунок 1.2) используется двигатель по­стоянного тока последовательного возбуждения М, имеющий две обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2. Управление двигателем осуществляется с помощью силовых транзисторов VT1 и VT2. Каждый из транзисторов работает при определенной полярности сигнала со­гласования U, обеспечивая одно из направлений вращения двига­теля. Если открыт транзистор VT1, ток проходит по ОВ2 и двига­тель вращается в одном направлении, если же открыт транзистор VT2, ток проходит по 0В 1 и он вращается в другом направлении. Направление тока якоря в обоих случаях остается неизменным.

Разрядные диоды VD3 и VD4 служат для снятия перенапряже­ний, возникающих при отключении обладающих значительной индуктивностью обмоток возбуждения и якоря.

В рассматриваемом следящем электроприводе в качестве дат­чиков входной и выходной величин используются кольцевые по­тенциометры П1 и П2, которые образуют так называемый потенциометрический измеритель рассогласования.

Движок потенциометра ^ П1 (датчика входной величины) свя­зан с выходным валом задающего устройства ЗУ, который пред­ставляет собой в данном случае редуктор с ручным приводом. Движок потенциометра П2 (датчика выходной величины) связан с валом редуктора Р, расположенного на валу двигателя и рабо­чей машины РМ. Редукторы ЗУ и Р имеют одинаковое передаточ­ное число. Питание потенциометров П1 и П2 осуществляется на­пряжением постоянного тока Uп.

Сигнал рассогласования U' снимается с движков потенциомет­ров П1 и П2. При их одинаковом угловом положении, что соот­ветствует нулевому углу рассогласования U=0. При этом равен нулю и сигнал U на выходе усилителя У, оба транзистора закрыты и двигатель неподвижен.

При возникновении рассогласования между угловыми положени­ями движков потенциометров П1 и П2, вызванного поворотом ру­коятки ЗУ, сигналы <7д и U становятся отличными от нуля. В зави­симости от полярности сигнала U', которая определяется знаком угла рассогласования (ошибки) А<р, сигнал U подается на транзистор VT1 (по цепи диод VD10 — стабилитрон VD5 — резистор R3 — диод VD7) или VT2 (по цепи диод VD9 — стабилитрон VD6 — резистор R4 — диод VD8). Если этот сигнал превышает порог срабатывания стабилитро­нов VD5 или VD6, то соответствующий транзистор откроется, подключая двигатель к источнику питания с напряжением U. Дви­гатель начнет вращаться, поворачивая вал рабочей машины РМ и ось движка потенциометра П2 в направлении, при котором возникшее рассогласование в системе будет уменьшаться и стремиться к нулю. Когда сигнал U станет меньше напряжения открывания стабили­тронов VD5 и VD6, работающий транзистор (VT1 или VT2) закро­ется и отключит двигатель от источника питания.

Таким образом, электропривод в данной схеме отрабатывает заданное перемещение (но с некоторой погрешностью, обусловлен­ной нечувствительностью системы из-за порога срабатывания ста­билитронов VD5, VD6). Зону нечувствительности системы стара­ются делать возможно меньшей в пределах 2...30 угла рас­согласования. Однако снижение зоны нечувствительности может привести к возникновению нежелательного колебательного режи­ма работы электропривода около положения равновесия. Эффек­тивным средством устранения такого режима является введение в систему дополнительных сигналов по первой и второй произ­водным сигнала рассогласования, а также использование элект­рического торможения после отключения двигателя.

Достоинствами следящих электроприводов релейного принци­па действия являются их простота, надежность и возможность получения оптимальных траекторий движения исполнительных органов рабочих машин. К недостаткам таких систем следует от­нести их склонность к колебаниям и наличие определенной не­чувствительности (неточности) при слежении.



Рисунок 1.3 - Схема следящего электропривода с асинхронным двигателем
^ Следящий электропривод переменного тока пропорционального дей-ствия. В следящем электроприводе широкое применение находят асинхронные двигатели, которые отличаются надежностью в рабо­те и долговечностью.

^ 1.2 Элементы основного контура следящего электропривода

Структурная схема системы управления следящим электроприводом (СЭП) приведена на рисунке 1.1.



Рисунок 1.4 - Структурная схема СЭП

Основные элементы системы: ИР – измеритель рассогласования, преобразует разность входной X(t) и выходной координаты Y(t) в сигнал ошибки;

УПУ – усилительно – преобразующее устройство. Состоит из преобразователя ^ П, усилителя напряжения УН. Преобразователь предназначен для преобразования сигнала ошибки в форму, удобную для последующей обработки;

КУ1 – последовательное корректирующее устройство;

СП – силовой привод, содержащий усилитель мощности (УМ), исполнительный двигатель (ИД) и силовой редуктор (СР);

^ КУ2 – параллельное корректирующее устройство;

Н – нагрузка системы, которая может быть различна в зависимости от целевого назначения следящего электропривода. В соответствии с заданием она изменяется по синусоидальному закону:

.

Приведенная структурная схема содержит минимально – необходимый набор элементов для проектирования высококачественных СЭП. Однако на практике она может содержать как большее, так и меньшее число элементов, в зависимости от требований к точности, качеству, надежности и иным параметрам проектируемой системы. Так, параллельное корректирующее устройство КУ2, являющееся звеном местной обратной связи, охватывает наиболее инерционные звенья системы (УМ и ИД) и применяется при проектировании мощных СЭП. Поэтому в данной курсовой работе оно рассматриваться не будет, а будет применяться последовательная коррекция.
2 Выбор и расчет элементов следящего электропривода

^ 2.1 Выбор исполнительного двигателя

Единственным источником механической энергии в системе является исполнительный двигатель, соответственно исключительно от него зависят динамические возможности СЭП, в свою очередь, определяемые максимальными скоростями и ускорениями нагрузки.

Для обеспечения максимально возможных параметров работы системы двигатель должен обладать широким и плавным диапазоном регулирования скоростей и моментов, симметрией механических характеристик при различных направлениях вращения, возможностью быстрого реверсирования, высокой удельной мощностью, малым моментом инерции подвижных частей. Кроме того, при выборе исполнительного двигателя следует учитывать эксплуатационные, электрические, механические и другие требования проектируемой системы.

В СЭП применяются двухфазные асинхронные двигатели переменного тока и двигатели постоянного тока. Двухфазные асинхронные двигатели переменного тока имеют более высокие эксплуатационные характеристики, просты по конструкции, не создают радиопомех, но в сравнении с ними двигатели постоянного тока обладают более высоким КПД, большей удельной мощностью, линейностью и жесткостью механических характеристик, способностью выдерживать кратковременные перегрузки. Поэтому применение двигателей постоянного тока представляется более рациональным.

Двигатель силового привода должен работать при полной нагрузке, не перегреваясь сверх нормы, при этом должен обеспечивать нормальную работу системы при кратковременных нагрузках и иметь достаточный пусковой момент. Поэтому мощность двигателя выбирают по нагреванию, а затем проверяют по перегрузочной способности и пусковому моменту. В контрольной работе рассматривается только выбор двигателя без его проверки.

Для обеспечения нормального теплового режима необходимо, чтобы среднеквадратическая механическая мощность, потребляемая нагрузкой не превышала номинальной мощности двигателя:

РД ≥ РСК ,

где РД и РСК – соответственно мощность двигателя и среднеквадратичная мощность нагрузки.

В свою очередь РСК определяется по формуле:

,

где МСК – среднеквадратичный момент нагрузки;

ΩСК – среднеквадратичная угловая скорость выходного вала системы.

Для синусоидального закона движения нагрузки:



Подставив исходные данные, рассчитаем среднеквадратичную мощность нагрузки:

Вт

Требуемая мощность двигателя оценивается соотношением:

,

где КЗ – коэффициент запаса, учитывающий конкретные условия работы системы;

η – коэффициент полезного действия (КПД) механической передачи между двигателем и нагрузкой.

Так как нагрузка имеет чисто динамический характер, а закон движения синусоидальный, то выберем КЗ= 2 и КПД η= 0,81 .

Рассчитаем требуемую мощность двигателя РД:

Вт

С учетом требуемой мощности был выбран двигатель СЛ-369. Его характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики двигателя СЛ – 369

Наименование номинальной характеристики

Значение

Напряжение питания, В

Мощность, Вт

Ток якоря, А

Скорость вращения, рад/с

Вращающий момент, Н·м

Момент инерции якоря, кг·м2

Пусковой момент, Н·м

Сопротивление обмотки якоря, Ом

110

55

0.9

3,77.10-3

0.15

0.7·10-4

0.45

15.2

Произведем расчет передаточного числа редуктора без проверки физической реализуемости привода.

^ 2.2 Расчет передаточного числа силового редуктора

Определение передаточного числа редуктора имеет большое значение, так как при неверно выбранном передаточном числе силовой привод не обеспечит требуемых динамических характеристик системы даже в том случае, если мощность двигателя достаточная.

Задача оптимизации передаточного числа состоит в обеспечении наилучших энергетических характеристик системы при максимальном использовании мощности двигателя. Решение этой задачи зависит от выбранного критерия оптимальности. Наиболее часто используется критерий минимума среднеквадратичного момента на валу двигателя. В этом случае для синусоидального закона движения:

,

где JН – момент инерции нагрузки;

JД – момент инерции якоря двигателя.
Используя числовые данные, рассчитаем оптимальное передаточное число:



Далее при найденном qопт необходимо произвести проверку физической реализуемости.
^ 2.3. Выбор усилителя мощности.

Усилитель мощности выбирается в зависимости от типа исполнительного двигателя, источника питания и выходной мощности.

Электрические характеристики оконечного каскада усилителя мощности существенно влияют на механические, динамические характеристики двигателя. В электромеханическом СЭП применяют электромагнитные, магнитные и электронные усилители. Электромеханические усилители (ЭМУ) применяют в СЭП средней и большой мощности для управления исполнительным двигателем постоянного тока.

Достоинство таких усилителей:

  • большой коэффициент усиления по мощности;

  • малая мощность управления.

Недостатки ЭМУ:

  • низкое быстродействие;

  • невысокая надёжность из-за наличия подвижных контактов;

  • необходимость в приводном двигателе.

Магнитные усилители (МУ) применяются в системах средней и большой мощности.

Достоинства МУ:

  • высокая надёжность;

  • возможность получения высокой выходной мощности (десятки кВт).

Недостатки МУ:

  • высокая инерционность;

  • большие габариты и вес.

Электронные усилители (ЭУ) являются наиболее часто применяемой в СЭП средней и малой мощности. Это связано с наличием мощности транзисторов и тиристоров и, следовательно, возможностью резкого уменьшения габаритов.

В работе применяется импульсный мостовой электрический усилитель, принципиальная схема которого приведена на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 - Принципиальная схема импульсного усилителя мощности
^ 2.4. Расчёт требуемой точности измерителей рассогласования.

Выбор типа измерителей рассогласования (ИР) определяется, прежде всего, требуемой точностью системы. В СЭП средней точности (несколько угловых минут) получим распространение измерителей рассогласования индукционного типа: сельсины; вращающиеся трансформаторы; индуктосины.

К измерителям рассогласования (ИР) предъявляются наивысшие метрологические требования, т.к. они не входят в контур главной отрицательной обратной связи и влияние их потребности нельзя уменьшить никами способами. При выборе требуемой точности (ИР) обычно используется следующее условие: , (2.5.)

где Θ кин. – кинетическая ошибка замкнутой системы.

Используя заданное Θ кин. из формулы (2.5.) получим:



В курсовой работе в качестве ИР предлагается применять сельсины третьего класса точности. В этом случае для сельсина-датчика погрешность:



Для сельсина-приёмника погрешность:



Результирующая погрешность измерителя рассогласования равна:

(2.6)

Подставляя значения δд и δп в формулу (2.6) получим:



Очевидно, что δи.р.и.р.треб., что говорит о том, что необходимо вводить дополнительный канал точного отсчёта. Тогда передаточное число редуктора между каналами грубого и точного отсчёта будет иметь вид:

(2.7)

Подставляя в формулу (2.7.) числовые значения получим:



Схема измерителя рассогласования приведена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Схема ИР и преобразователя
На рисунке 2.2. СК – селектор каналов, П – преобразователь, который является демодулятором.

Таким образом, выбраны функционально необходимые элементы. Теперь необходимо определить их математические модели, выбрать необходимый коэффициент передачи разомкнутой системы и провести синтез последовательного корректирующего устройства.
^ 2.5. Передаточные функции функционально необходимых элементов СЭП.

2.5.1. Силовой редуктор.

Передаточная функция имеет вид:

(2.8.)

Подставляя qопт из п.2.2., получим:



^ 2.5.2. Исполнительный двигатель.

Передаточная функция ненагруженного двигателя по углу поворота имеет вид:

, (2.9.)

где Кдв- коэффициент передачи двигателя, Тэм – электромеханическая постоянная. Параметры двигателя определяется из следующих формул:

; (2.10)

, (2.11)

где КЕ , КМ – коэффициенты противо-ЭДС и момента двигателя; JД –момент инерции якоря двигателя; RЯ – сопротивление обмотки якоря двигателя.

По паспортным данным двигателя коэффициенты КЕ и КМ рассчитываются следующим образом:

; (2.12)

, (2.13)

где и - соответственно номинальные значения напряжения питания, тока и скорости вращения; - номинальный вращающий момент двигателя.

Значения ,, берутся из таблицы 1 и подставляются в (2.10), (2.12) и (2.13).

В·с/рад;

рад/В·с;

Н·м/А.

При наличии инерционной нагрузки электромеханическая постоянна времени силового привода рассчитывается с учетом суммарного момента инерции, приведенного к валу двигателя:

(2.14)

Тогда:

кг·м2

Также на величину влияет сопротивление якорной цепи исполнительного двигателя, которое равно (рисунок 2.1.).

Учитывая дополнительное сопротивление и (2.14), получим:

, (2.15)

Численное значение имеет вид:

с.

Выполнив все подстановки в (2.9) можно записать передаточную функцию для исполнительного двигателя в виде:

, (2.16)
^ 2.5.3. Усилитель мощности

Передаточную функцию для УМ представим в виде:

, (2.17)

где - коэффициент усиления по напряжению; - постоянная времени усилителя.

Для электронных усилителей примем и зададимся , тогда передаточная функция усилителя мощности примет вид:

, (2.18)
^ 2.5.4. Измеритель рассогласования и демодулятор.

Представим их в виде безинерционных звеньев, тогда:

; (2.19)

. (2.20)

Тогда с учетом размерности для сельсина точного канала:

В/рад,

.
^ 2.5.5. Передаточная функция разомкнутой систему.

Передаточная функция разомкнутой системы, равна произведению передаточных функций всех звеньев, и имеет вид:

, (2.21)
Получим:

, (2.22)

Подставляя значения, получим:

.
3 Структурно-параметрический синтез устройства управления СЭП.

^ 3.1 Моделирование исходной системы

Динамическая ошибка при равномерном движении зависит от коэффициента усиления при разомкнутой системе и не должна превышать заданной величины кинетической ошибки Θкин.

Значение коэффициента усиления (добротность по скорости) не подлежит изменению и в последующих расчетах. Величина добротности по скорости определяется из соотношения:

с-1

где Θравн – скорость равномерного движения.

Тогда передаточная функция исходной системы будет определяться выражением (1)

Для обеспечения требуемой добротности КΩ необходимо выбрать коэффициент усиления для усилителя напряжения.



Подставим в выражение (1) числовые значения и получим

(2)

На основании формулы (2) построим логарифмические характеристики исходной системы, которые приведены на рисунке 2.

Данной передаточной функции соответствует структурная схема рассчитываемого следящего электропривода (рисунок 1).


Рисунок 3.1 - Структурная схема исходного СЭП


Рисунок 3.2 - Логарифмические характеристики исходной системы
Из рисунка мы видим, что исходная система неустойчива.
^ 3.2 Желаемая ЛАХ и ее построение

Желаемой ЛАХ называется характеристика, при которой параметры системы соответствуют заданным или требуемым значениям.

Построение этой характеристики проводится отдельно для низких, средних и высоких частот. Область низких частот определяет точность системы и соответствует исходной ЛАХ.

В среднечастотном диапазоне наклон характеристики должен быть -20 дБ/дек. и включать частоту среза: . Для среднечастотного диапазона необходимо определить . Определение частоты среза:

, с-1.

Для определения и строится переходная полоса для состыковки низкочастотной и среднечастотной асимптоты. От проводится прямая с наклоном -40º. В области высоких частот проводится асимптота с наклоном, совпадающим с наклоном исходной системы.


^ 3.2 Моделирование скорректированной системы

Синтез корректирующего устройства.


где



Рисунок 3.3 – Переходная характеристика скорректированной системы

Логарифмические характеристики синтезированной системы приведены на рисунках 3.4, 3.5.



Рисунок 3.4 – ЛАХ и ЛФХ скорректированной системы



Рисунок 3.5 - АФЧХ скорректированной системы

Запас устойчивости по фазе - 23,6

Запас устойчивости по апмлитуде – 28,2 dB
Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид:



Подставив числовые значения получим


Для построения логарифмических характеристик составим модель системы по полученной передаточной функции:


Рисунок 3.6 - Структурная схема скорректированного СЭП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовой работе был проведен расчет локального следящего электропривода путем структурно-параметрического синтеза. В ходе анализа логарифмической амплитудной характеристики исходной системы была рассчитана и построена желаемая ЛАХ системы. На основании ЛАХ желаемой системы проведен синтез корректирующего устройства и произведен расчет его числовых коэффициентов. По построенной логарифмической амплитудной характеристике скорректированной системы определили, что система устойчива, показатели точности и качества выполняются.


Скачать файл (392.9 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru