Курсовая работа - Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли
скачать (392.9 kb.)
Доступные файлы (1):
Курсовик Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли.doc | 865kb. | 17.05.2006 02:53 | ![]() |
содержание
- Смотрите также:
- Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли [ документ ]
- Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов машин-автоматов [ документ ]
- Проектирование приводов [ документ ]
- Выбор и техническое обоснование оборудования для изготовления (на примере брюк из льняной ткани для женщин) [ курсовая работа ]
- по дисциплине: техника транспорта, обслуживание и ремонт направление/специальность 23. 03. 01 Технология транспортных процессов [ документ ]
- Автоматизация водогрейного котла [ документ ]
- Проектирование и расчет трикотажного переплетения (жаккард) на машине КЛК-11 [ курсовая работа ]
- Проектирование машиностроительного производства [ курсовая работа ]
- проект цеха цмп. По дисциплине «Проектирование предприятий отрасли» Специальность Специализация [ документ ]
- по дисциплине «Проектирование цехов и участков машиностроительного производства» [ документ ]
- Проектирование ресторана французской кухни на 75 посадочных мест в г. Тюмени [ документ ]
- по курсу «Экономика отрасли и организация производства» [ документ ]
Курсовик Проектирование автоматизированных приводов для технологического оборудования отрасли.doc
М
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.
^
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 ^ 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.
^ 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 ^ (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
^ В следящем электроприводе широкое применение находят асинхронные двигатели, которые отличаются надежностью в работе и долговечностью.
^
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 ^ , 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);
^ – 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
^
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:

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:

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.
^
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.
^
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
^
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:

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:

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

Очевидно, что δи.р.>δи.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:


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.
^
2.5.1. Силовой редуктор.
Передаточная функция имеет вид:

Подставляя qопт из п.2.2., получим:

^
Передаточная функция ненагруженного двигателя по углу поворота имеет вид:

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


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:


где



Значения






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

Тогда:

Также на величину


Учитывая дополнительное сопротивление и (2.14), получим:

Численное значение


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

^
Передаточную функцию для УМ представим в виде:

где


Для электронных усилителей примем



^
Представим их в виде безинерционных звеньев, тогда:


Тогда с учетом размерности для сельсина точного канала:


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

Получим:

Подставляя значения, получим:

3 Структурно-параметрический синтез устройства управления СЭП.
^
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:

где Θравн – скорость равномерного движения.
Тогда передаточная функция исходной системы будет определяться выражением

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

Подставим в выражение (1) числовые значения и получим

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.
^
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 определения




^
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.)