Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Курсовой проект - Проектирование мехатронных систем - файл КП.doc


Курсовой проект - Проектирование мехатронных систем
скачать (32049.8 kb.)

Доступные файлы (14):

Копия КП.wbk
КП.doc14522kb.09.08.2009 23:01скачать
Filtr.m
KP.mcd
Print.mcd
S_1.mdl
S_2.mdl
Замена_Плакат.cdr
Замена_СЧ.cdr
Плакат.cdr
Спецификация1.XLS333kb.28.05.2008 11:09скачать
Спецификация2.XLS332kb.28.05.2008 11:09скачать
Струйная трубка.cdw
СЧ.cdr

содержание
Загрузка...

КП.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Федеральное агентство по образованию и науке РФ
Тульский государственный университет
Кафедра «Системы автоматического управления»
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине:

«Проектирование мехатронных систем»

Выполнил


Проверил Чекмазов В.И.
Тула, 2008г.

Федеральное агентство по образованию и науке РФ
Тульский государственный университет
Кафедра «Системы автоматического управления»
ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по дисциплине:

«Проектирование мехатронных систем»

студенту группы


  1. Тема: «Разработка системы газового рулевого привода».

  2. Цель работы: «Спроектировать автоколебательную систему газового привода с двухпозиционным релейным элементом (вариант 25)»

  3. Задачи работы:

    1. Проектировочный расчет исполнительного пневмопривода и ГРУ.

    2. Анализ динамических характеристик пневмодвигателя и всей системы привода.

    3. Синтез (если требуется) корректирующих фильтров.

    4. Цифровое моделирование системы рулевого привода.

  4. Конструкторская часть.

    1. Разработка сборочного чертежа рулевых машин.

    2. Разработка рабочих чертежей основных деталей конструкции.

  5. Графическая часть.

    1. Структурная схема и ЛАФЧХ для первого и второго режима.

    2. Сборочный чертеж рулевой машины.

Дата выдачи задания «___»______________________ «200 г.

Срок сдачи студентом законченного проекта

«___»______________________ «200 г.

Руководитель __________________________________

Задание принял к исполнению __________________________________
Технические требования (вариант №25).


  1. Требования к системе рулевого привода:

    1. коэффициент передачи (К) ;

    2. эквивалентная постоянная времени привода (Т) ;

    3. максимальная частота входного сигнала () ;

  2. Параметры нагрузки:

    1. максимальная амплитуда () ;

    2. удельный шарнирный момент:

      1. пружинный () ;

      2. опрокидывающий () ;

    3. приведенный момент инерции (J) ;

    4. коэффициент вязкого трения (f) ;

  3. Характеристики источника питания:

    1. давление (Рр) ;

    2. рабочее тело ;

  4. Параметры окружающей среды:

    1. температура (t) ;

    2. давление (РА) ;

  5. Конструктивные параметры:

    1. газораспределительное устройство

Содержание
Введение 5

1. Анализ технического задания 6

2. Принципиальная и функциональная схемы ГССУ 8

3. Математическая модель пневмодвигателя 10

4. Математическая модель ЭМП 12

5. Математическая модель газового привода 13

6. Расчет параметров контура ГССУ 14

6.1. Выбор обобщенных параметров привода 14

6.2 Расчет параметров контура при отрицательном шарнирном моменте 15

6.2.1 Расчет и построение частотных характеристик пневмопривода 15

6.2.2 Определение параметров автоколебаний 17

6.2.3 Гармоническая линеаризация 18

6.2.4 Цифровое моделирование пневмопривода 19

6.3 Расчет параметров контура при положительном шарнирном моменте 21

6.3.1 Расчет и построение частотных характеристик пневмопривода 21

6.3.2 Определение параметров автоколебаний 22

6.3.3 Гармоническая линеаризация 23

6.3.4 Цифровое моделирование пневмопривода 24

7. Проектирование корректирующего фильтра 26

8. Расчет конструктивных параметров 29

8.1 Расчет конструктивных параметров привода 29

8.2 Расчет параметров ГРУ 31

Заключение 34

Список литературы 35

Приложение 36

Введение.
Системы приводов управляющих систем входят в состав системы управления. Как и электронная аппаратура, системы приводов должны точно воспроизводить определенный класс входных сигналов. Успех проектирования системы привода во многом зависит от выбора его структуры. В системах приводов управляющих систем применяются структуры систем непрерывного и релейного действия. Системы приводов непрерывного действия в сравнении с системами релейного действия более трудоемки в производстве, так как их элементы должны иметь линейные статические характеристики. В системах приводов релейного действия используются более простые элементы. Усилитель мощности, электромагнит и распределитель функционируют в двухпозиционном режиме. Автоколебательные системы приводов не требуют обеспечения устойчивости.


^ 1. Анализ технического задания.
Объектом проектирования является привод управляющей системы, работающий в автоколебательном режиме. Энергия от источника в газовую силовую систему поступает под давлением . Для вышеуказанного рабочего тела характерны следующие показатели: , . В качестве двигателя применяется силовой цилиндр. В качестве распределителя применено ГРУ типа «струйная трубка». Для дросселя коэффициент расхода будем считать равным: . В системе релейного действия, хотя бы в одном её звене, при непрерывном изменении входной величины выходная величина изменяется скачкообразно. В проектируемой системе в качестве такого элемента будет выступать нейтральный двухпозиционный ЭМП.

При постановке задачи проектирования требования к динамическим характеристикам сформулированы по отношению к определённому входному сигналу, которым является гармонический сигнал в частотном диапазоне . Требования к параметрам системы привода сформулированы в форме требований к параметрам упрощённой математической модели системы, то есть к эквивалентному апериодическому звену: . Из этого следует, что спроектированная система должна иметь показатели соответствующие ему, а именно фазовый сдвиг в рабочем диапазоне частот и коэффициент передачи . Кроме того, система должна управлять нагрузкой, описание которой включает приведённые параметры (момент инерции и коэффициент вязкого трения), а также диапазон изменения удельного шарнирного момента. Выходная координата угла отклонения рулей имеет ограничения по амплитуде . При проектировании необходимо выбирать параметры динамической модели так, чтобы характеристики системы были оптимальными во всех направлениях. Совокупность параметров должна удовлетворять некоторым оптимальным величинам (масса, габариты).

Автоколебательная система газового привода представляется следующими звеньями:

– газовый привод;

– электромеханический преобразователь (ЭМП);

– релейный элемент с петлёй неоднозначности;

– усилитель напряжения;

– корректирующий фильтр;

– измеритель ошибки;

– датчик обратной связи.

Целью проектирования является разработка конструкции рулевых машин, а также получение зависимостей, отражающих функционирование системы привода.




^ 2. Принципиальная и функциональная схемы ГССУ.


Рис 1.а Принципиальная схема ГССУ


Рис 1.б Функциональную схема газового рулевого привода
Перечислим элементы, входящие в данную функциональную схему:

  • УМ – усилитель мощности;

  • НМ – нейтральный электромагнит;

  • ЭМП – электромеханический преобразователь;

  • ИСГ – источник сжатого газа;

  • ГРУ – газораспределительное устройство – струйная трука;

  • ПД – пневмодвигатель двустороннего действия;

  • МП – механическая передача;

  • ОУ – объект управления;

  • ДОС – датчик обратной связи.

Определим переменные на входе и выходе элементов:

  • Uвх – входной сигнал;

  • ε – сигнал ошибки;

  • Uос – сигнал датчика обратной связи;

  • iо.у. – ток в обмотках управления ЭМП;

  • α – угол поворота якоря ЭМП;

  • Рр – давление газа на входе в привод;

  • P1G1, P2G2 – давление и расход газа в полостях ПД;

  • X – перемещение поршня ПД;

  • δ – угол поворота рулей.

^ 3. Математическая модель пневмодвигателя.
Газовый привод является нестационарной динамической системой. Вследствие того, что по мере прогрева конструкции изменяются температура и давление газа на входе в привод и интенсивность теплообмена в полостях, коэффициенты и постоянные времени структурной схемы привода оказываются переменными во времени. Скорость изменения переменных параметров привода значительно меньше скорости изменения переменных при отработке входного сигнала, что позволяет при анализе динамики привода и решении задачи проектирования считать значения этих параметров в отдельные моменты времени постоянными, т.е. воспользоваться методом «замороженных» коэффициентов.

В результате линеаризации нелинейной модели пневмодвигателя можно получить упрощенную линейную модель газового привода с электрической обратной связью в виде следующих структурных схем:

Рис. 2. Структурная схема пневмопривода при отрицательном шарнирном моменте.

Где ; ; ; ; .

Здесь:

- максимальная угловая скорость вращения аэродинамических рулей;

- максимальный угол поворота якоря ЭМП;

- максимальный угол вращения аэродинамических рулей;

J – суммарный момент инерции элементов привода;

- шарнирный момент;

- коэффициент вязкого трения;

- относительная нагрузка.

Данная структурная схема справедлива при отрицательном шарнирном моменте. При положительном шарнирном моменте структурная схема может быть приведена к виду, представленному на рис. 3:

Рис. 3. Структурная схема пневмопривода при положительном шарнирном моменте.

где ; ; .
^ 4. Математическая модель ЭМП.
В автоколебательной системе газового привода с двухпозиционным электромеханическим преобразователем в релейном режиме функционирует триггер, усилитель мощности и нейтральный электромагнит. Динамика их может быть представлена эквивалентной схемой, состоящей из релейного элемента и эквивалентных линейных звеньев: звена запаздывания (рис. 4а) и колебательного звена (рис. 4б).


рис. 4а.



рис. 4б.
Динамика электромеханического преобразователя оценивается временем эквивалентного запаздывания tэ и временем движения от упора до нуля t0. Так как t0 пренебрежимо мало, то для расчетов будем использовать схему на рис. 4а.
^ 5. Математическая модель газового привода.
Структурная схема газового привода в целом при пружинной шарнирной нагрузке выглядит следующим образом:

Рис. 5. Структурная схема ГП при пружинной нагрузке
Структурная схема газового привода при опрокидывающей шарнирной нагрузке:


Рис. 6. Структурная схема ГП при опрокидывающей нагрузке

^ 6. Расчет параметров контура ГССУ.

6.1. Выбор обобщенных параметров привода.
Все уравнения для управляющей и исполнительной подсистем приведены выше. Динамические свойства пневмодвигателя при заданном моменте нагрузки Мн определяются двумя обобщенными параметрами: максимальной угловой скоростью и величиной безразмерной нагрузки , где - максимальный тормозной момент.

Безразмерную нагрузку определим с помощью критерия минимума потребного расхода, решив уравнение:

,





Получаем .

Отсюда .

Определим моменты нагрузки для заданных удельных шарнирных моментов и максимальный тормозной момент.



для пружинной нагрузки:

для опрокидывающей нагрузки:



Так как по выше приведенной зависимости значение максимальной угловой скорости определялось без учета трения, проведем его анализ с помощью коэффициента трения:

.

Реальная максимальная угловая скорость при полученных обобщенных параметрах будет ниже, учтем это, пересчитав по зависимости:

,

Получим .

Таким образом, при учете влияния трения, требуемая величина максимальной скорости возрастает.
6.2 Расчет параметров контура при отрицательном шарнирном моменте (пружинная нагрузка)

6.2.1 Расчет и построение частотных характеристик пневмопривода при отрицательном шарнирном моменте.
Особенностью шарнирной нагрузки, действующей на выходном валу пневмодвигателя, является то, что она в процессе эксплуатации изменяется не только по величине, но и по знаку, поэтому в техническом задании на проектирование заданы два значения удельного шарнирного момента (), соответствующее предельным значениям отрицательной (пружинной) и положительной (перекоменсационной) нагрузок. Проектирование ведется для наихудшего режима функционирования, то есть для максимального момента нагрузки, поэтому контур будем проектировать на основе ЧХ привода при пружинной нагрузке, а проверку динамики будем проводить для двух режимов.

При отрицательном шарнирном моменте динамика пневмодвигателя описывается структурной схемой, представленной на рисунке 2. Для этой структурной схемы найдём константы, соответствующие выше найденным обобщённым параметрам привода, а также принятым раньше технологическим параметрам системы ().









.

Для рассчитанной структурной схемы строим частотные характеристики. Для этого строим ЛАФЧХ для передаточной функции:

.



Рис.7. Частотные характеристики пневмопривода при отрицательном шарнирном моменте.

^

6.2.2 Определение параметров автоколебаний.



Динамика ЭМП описывается передаточной функцией:

.

При этом ФЧХ и АЧХ ЭМП описываются зависимостями:



Динамика электромеханического преобразователя, воспроизводящего периодический сигнал прямоугольной формы, оценивается временем эквивалентного запаздывания .

Из технологических соображений время эквивалентного запаздывания должно удовлетворять неравенству .

Очевидно, что при уменьшении фазовый сдвиг уменьшается и при прочих равных условиях частота автоколебаний увеличивается, что приводит к улучшению точности контура ГССУ. Поэтому положим и рассчитаем параметры автоколебаний.

Для релейного элемента с петлёй неоднозначности выражение эквивалентных амплитудной и фазовой характеристик на частоте автоколебаний имеют вид:

, где .

Уравнение баланса фаз на частоте автоколебаний:

.

При проектировании задаётся желаемая величина в пределах от до . Положим .

Исходя из уравнения баланса фаз:





Рис 8. Уравнение баланса фаз на частоте автоколебаний



Величина частоты автоколебаний должна находится в пределах:

,

где .

Таким образом, условие выполняется.
6.2.3 Гармоническая линеаризация.
Найдем амплитуду автоколебаний исходя из выполнения уравнения баланса амплитуд на частоте автоколебаний:





Параметр релейного элемента (ширина петли гистерезиса РЭ):

.

Определим Kнел1 по формуле:



Построим ЛАФЧХ замкнутой линеаризованной системы.





Рис 9. ЛАФЧХ замкнутой системы при отрицательном шарнирном моменте.

Из анализа частотных характеристик можно определить фазовый сдвиг замкнутой системы при отрицательном шарнирном моменте на рабочей частоте .

^

6.2.4 Цифровое моделирование пневмопривода при отрицательном шарнирном моменте.



Проведем цифровое моделирование работы системы с помощью пакета SimuLink программы MathLab.



Рис 10. Автоколебания на выходе ГССУ.



Рис 11. Реакция нескорректированной ГССУ на подачу синусоидального входного сигнала с рабочей частотой ω0

6.3 Расчет параметров контура при положительном шарнирном моменте (перекомпенсационная нагрузка)

6.3.1 Расчет и построение частотных характеристик пневмопривода при положительном шарнирном моменте.
При положительном шарнирном моменте динамика пневмодвигателя описывается структурной схемой, представленной на рисунке 3. Наличие неминимально-фазового звена в структурной схеме, обусловлено действием положительного (перекомпенсационного) момента. Для автоколебательных приводов при положительном максимальном шарнирном моменте имеют место наихудшие динамические характеристики. Увеличение же отрицательного шарнирного момента приводит к росту потребного расхода воздуха, увеличению массы и габаритов. Поэтому при проектировании необходимо руководствоваться принципом минимизации шарнирной нагрузки.

Для этой структурной схемы найдём константы, соответствующие выше найденным обобщённым параметрам привода, а также принятым раньше технологическим параметрам системы.

;

;





Для рассчитанной структурной схемы строим частотные характеристики. Для этого строим ЛАФЧХ для передаточной функции:

; .



Рис.12. Частотные характеристики пневмопривода при положительном шарнирном моменте.

^

6.3.2 Определение параметров автоколебаний.



Как и для случая отрицательного шарнирного момента положим и рассчитаем параметры автоколебаний. Для релейного элемента с петлёй неоднозначности выражение эквивалентных амплитудной и фазовой характеристик на частоте автоколебаний имеют вид:

, где .

Уравнение баланса фаз на частоте автоколебаний:

.

При проектировании задаётся желаемая величина в пределах от до . Положим .

Исходя из уравнения баланса фаз:





Рис 13. Уравнение баланса фаз на частоте автоколебаний



Величина частоты автоколебаний должна находится в пределах:

,

где .

Таким образом, условие выполняется.
6.3.3 Гармоническая линеаризация.
Найдем амплитуду автоколебаний исходя из выполнения уравнения баланса амплитуд на частоте автоколебаний:





Параметр релейного элемента (ширина петли гистерезиса РЭ):

.

Определим Kнел1 по формуле:



Построим ЛАФЧХ замкнутой линеаризованной системы.





Рис 14. ЛАФЧХ замкнутой системы при положительном шарнирном моменте.

Из анализа частотных характеристик можно определить фазовый сдвиг замкнутой системы при положительном шарнирном моменте на рабочей частоте .
6.3.4 Цифровое моделирование пневмопривода при отрицательном шарнирном моменте.
Проведем цифровое моделирование работы системы с помощью пакета SimuLink программы MathLab.



Рис 14. Автоколебания на выходе ГССУ.



Рис 15. Реакция нескорректированной ГССУ на подачу синусоидального входного сигнала с рабочей частотой ω0

^ 7. Проектирование корректирующего фильтра.
Наихудшим с точки зрения точности отработки синусоидального сигнала с рабочей частотой является второй режим.





Поэтому целесообразно скорректировать систему при опрокидывающей нагрузке. Для увеличения точности системы введем в систему корректирующий фильтр, ослабляющий амплитудную характеристику привода на частоте автоколебаний, но по возможности не искажающий амплитудную характеристику на частоте и фазовые характеристики на частоте и .

Поставим интегро-дифференцирующий фильтр с передаточной функцией:

, .

Подбор параметров фильтра дает следующие значения:

.

Параметры фильтра выбираются так, чтобы на частоте автоколебаний фазовый сдвиг вносимый фильтром был равен нулю.

ЛАФЧХ корректирующего фильтра примет вид:



Рис. 16. ЛАФЧХ корректирующего фильтра

Для построения замкнутой ЛАФЧХ скорректированной системы необходимо провести гармоническую линеаризацию с учетом фильтра. Найдем амплитуду автоколебаний исходя из выполнения уравнения баланса амплитуд на частоте автоколебаний:





Параметр релейного элемента (ширина петли гистерезиса РЭ):

.

Определим Kнел.кор. по формуле:


Построим ЛАФЧХ замкнутой линеаризованной скорректированной системы.





Рис 17. ЛАФЧХ замкнутой системы до и после коррекции при положительном шарнирном моменте.

Из анализа частотных характеристик можно определить фазовый сдвиг замкнутой скорректированной системы при положительном шарнирном моменте на рабочей частоте .

Определим также постоянную времени эквивалентного апериодического звена, зная фазовый сдвиг на рабочей частоте.



Проведем цифровое моделирование работы скорректированной системы.



Рис 18. Реакция скорректированной ГССУ на подачу синусоидального входного сигнала с рабочей частотой ω0


^ 8. Расчет конструктивных параметров.

8.1 Расчет конструктивных параметров привода

Необходимо определить плечо механической передачи , диаметр поршня силового цилиндра , величина свободного хода привода . При определении плеча нужно задаться соотношением между свободным ходом поршня и его диаметром.

Из соображений компактности разрабатываемой конструкции силового цилиндра обычно используется следующее соотношение:

.

При перемещении максимальный момент, создаваемый приводом, должен в раз превосходить максимальный момент от нагрузки:

.

С учетом принятого соотношения из последнего равенства получим зависимость:

.

Максимальный перепад давлений в полостях силового цилиндра зависит от величины , типа и соотношений геометрических размеров распределительного устройства, а также от интенсивности теплообмена в полостях. При расчетах величины можно ориентировочно принимать для приводов с ГРУ типа сопло-заслонка .

При расчете величины величина должна соответствовать 1-ому режиму работы привода.

Производя все вычисления в соответствии с вышеприведёнными зависимостями, получаем следующие результаты:

;

.

При относительно малых значениях угла :

; ;

; ; .

Определяем объем рабочей полости с учетом сделанных ранее допущений:



.


Рис. 19.
^

8.2 Расчет параметров ГРУ.



Расчет ГРУ ведётся, исходя из требований к максимальной скорости привода . То есть, необходимо, чтобы в наихудшем случае (при отрицательном шарнирном моменте) обеспечивалась скорость привода не ниже , где – значение максимальной угловой скорости (определена выше).

.

В качестве распределителя используется газораспределительное устройство «струйная трубка». Такое устройство реализует регулирование газового потока «на выходе». Максимальная установившаяся скорость привода определяется зависимостью:

.

Из этой зависимости следует, что:

,

где , , коэффициенты, характеризующие ГРУ:

- коэффициент эффективности ГРУ на выходе;

- коэффициент эффективности ГРУ на входе;

- величина, характеризующая соотношение входного и выходного сечений ГРУ.

Так как в качестве ГРУ используется струйная трубка, то

,

,

.

Температура в источнике принята равной , что соответствует наихудшим условиям функционирования привода . Из этих соображений находится величина , и :

;

; ,

,



После расчета величин , , и определяются основные геометрические размеры распределителя:

Диаметр приемного окна распределителя определяется из условия

, откуда ,

где коэффициент расхода .

Согласно рекомендациям, выработанным инженерной практикой, целесообразно назначать следующие соотношения геометрических размеров струйникового распределителя:



Величина максимального перемещения конца струйной трубки

,

а длина струйной трубки



При известном значении вычисляем величины b и d.

,



Заключение.
В результате выполнения курсового проекта выполнено проектирование автоколебательной силовой системы управления. На основе упрощённых зависимостей был проведён анализ динамических характеристик пневмодвигателя и всей системы привода, определены параметры автоколебаний, произведен синтез корректирующего фильтра, требующегося для увеличения точности работы системы, цифровое моделирование системы рулевого привода и выбор начальных параметров системы.


Список литературы.
1. Белкин И. М. Справочник по допускам и посадкам для рабочего машиностроителя. Москва : “Машиностроение”, 1985.

2. Бессекерский В. А. Руководство по проектированию систем автоматического управления. М.: Высшая школа, 1983.

3. ЕСКД Справочное пособие. М.: Издательство стандартов,1989.

4. Шорников Е.Е. Проектирование автоматических систем: Учебное пособие. – Тула, ТПИ, 1984.

5. Шорников Е.Е., Чекмазов В.И. Газовые и гидравлические САУ: Методические указания по выполнению курсовой работы. - Тула, ТПИ, 1986.
Приложение.


Рис. 20. Схема моделирования системы при пружинной нагрузке.


Рис. 21. Схема моделирования системы при перекомпенсационной нагрузке.


Скачать файл (32049.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации