Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Введение………………………………………………………………................…...2
Оптическая телевизионная система сопровождения цели……………………......3
Цифроаналоговая следящая система для автоматического сопровождения цели……………………………………………………………………………….…..4
Исходные данные……………………………………………………….…………...5
Задание на проектирование………………………………………….……………...5
Выбор исполнительного двигателя следящей системы и передаточного
отношения силового редуктора………………………………………………….....6
Определение передаточной функции двигателя и ее параметров……………….8
Выбор цифроаналогового преобразователя ……………………………………....9
Разработка устройства управления исполнительным двигателем..……………………………………………………………………...…10
Схема ограничения тока якоря двигателя…...…………………………………...13
Динамический расчет системы…………………………………………………...18
Выбор корректирующего устройства……………………………..……………..21
Электрический расчет принципиальной схемы…...………………...………..…22
Заключение……………………………………………..…………….................…23
Литература……………………………………………...………...………………..24
Введение
Курсовой проект по дисциплине «Проектирование систем автоматического управления» посвящен разработке следящей системы и включает в себя выбор основных элементов замкнутой системы регулирования, разработку принципиальной схемы управляющего устройства и электрический расчет основных ее узлов, синтез параметров следящей системы из условия обеспечения заданных точностных и качественных показателей ее работы, расчет показателей надежности системы.
В качестве объекта автоматизации выбран телевизионный комплекс, с помощью которого осуществляется слежение за наблюдаемой на экране монитора движущейся целью. Рассмотрение задач, решаемых данным комплексом, позволило выделить четыре различных режима работы следящего привода, которые явились основой разработки четырех тем курсового проекта.
Основой при выполнении курсового проекта являются конспект лекций по «Проектированию систем управления», знания, полученные студентами при изучении таких дисциплин, как «Элементы и устройства автоматики», «Электроника и микросхемотехника», «Теория автоматического управления».
Современные технические комплексы характеризуются наличием ряда следящих приводов (СП), различных по назначению, но образующих единую систему управления объектом. Примером тому может служить оптическая телевизионная система (ОТС) сопровождения цели.
Задача, решаемая СТС, сводится к обеспечению вращения телевизионной камеры (ТК) (рис. 1) в азимутальной и угломестной плоскостях перемещения цели. Конструктивно телекамера закрепляется на платформе, имеющей две оси вращения и снабженной двумя СП. Данные СП обеспечивают вращение телекамеры по азимуту (ось I) и по углу места (ось 2). Работа следящих приводов должна быть направлена к тому, чтобы совместить оптическую ось телекамеры с направлением на цель. При таком совмещении на экране монитора, на который поступает сигнал изображения с телекамеры, изображение цели будет находиться в центре, что даст возможность или получить информацию о текущих координатах цели с датчиков углов поворота телекамеры (на рисунке не показаны), или организовать подсветку цели лазерным лучом прибора, направленным по оптической оси телекамеры. Вполне понятно, что механическая часть СТС должна располагаться на неподвижной несущей платформе, а в случае размещения СТС на подвижном объекте (корабле, самолете и т.п.) – на платформе, положение которой можно стабилизировать в плоскости горизонта.
Рис.1 ОТС сопровождения цели.
Цифроаналоговая следящая система для автоматического сопровождения цели
Уже на этапе ручного сопровождения цели специализированное цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) А1 (рис.1,а) осуществляет обработку оцифрованного изображения телекамеры и по ряду признаков, отличающих движущийся объект (цель) от окружающего его фона, определяет элементы изображения, принадлежащие объекту, формируя тем самым «эталон» изображения объекта и корректируя его по необходимости.
Сформированный эталон изображения объекта используется на этапе автоматического сопровождения цели для нахождения местоположения объекта в каждом текущем изображении телекамеры, а следовательно, и выдачи в цифровой форме отклонения объекта от центра всего изображения (ошибки сопровождения). Информация об ошибке, преобразованная в аналоговый сигнал, поступает на входы усилителей А2 и А3, которые управляют работой исполнительных двигателей Ма и Мум. Исполнительные двигатели вращают телекамеру в сторону уменьшения ошибки сопровождения, удерживая в установившемся режиме слежения объект в центре изображения.
Особенность данных следящих приводов заключается в том, что их замыкание происходит через пространство и цель, реальные задающая и исполнительная оси отсутствуют, а ошибка рассогласования определяется в виде разности угловых положений оптической оси телекамеры и направления на цель. Поэтому цифровой код рассогласования вырабатывается не с помощью датчиков угла, а цифровым устройством А1, ведущим обработку изображения с телекамеры. Другой особенностью является дискретный по времени характер информации о рассогласовании в системе, определяемый частотой формирования кадров изображений телекамерой (в проекте следует принять частоту поступления кадров изображений, равную 50Гц). Кроме того, следует иметь в виду наличие запаздывания в выдаче кода рассогласования, определяемого временем, необходимым для обработки кадра изображения устройством А1 и равным, как правило, интервалу времени между поступлением двух соседних кадров изображений.
Исходные данные
Исходные данные для проектирования приведены в таблице 1, где использованы следующие обозначения:
Jнм – максимальный момент инерции нагрузки (подвижной платформы с закрепленной на ней телекамерой);
Mнм – максимальный момент сопротивления на оси нагрузки;
- требуемые максимальные значения скорости и ускорения вращения оси телекамеры;
м – максимально допустимая ошибка следящей системы, учитывающая влияние момента сопротивления на оси нагрузки, скоростную ошибку системы при скорости изменения угла задания, равной по величине , и инструментальную погрешность измерителя рассогласования;
максимально допустимые значения перерегулирования и времени регулирования в следящей системе;
КА1 – коэффициент передачи вычислительного устройства А1, не разрабатываемого в проекте.
Погрешность измерителя рассогласования принять равной цене младшего разряда кода ошибки, выраженной в угловых минутах.
Таблица 1:
|
М, угл. мин. |
, % |
tр, с |
КА1, ед/угл. мин. |
||||
|
5 |
60 |
0,3 |
2 |
4 |
30 |
0,25 |
0,8 |
Задание на проектирование
Выбор исполнительного двигателя системы – одна из основных задач проектирования следящей системы. При выборе двигателя системы рассмотрим узел «двигатель-редуктор-нагрузка», представленный на рис.2:
Обозначения на рисунке:
Мд, д - момент вращения и скорость, развиваемые на валу двигателя;
Мн, н - момент сопротивления со стороны нагрузки и скорость вращения вала нагрузки;
- передаточное отношение редуктора, согласующего двигатель с нагрузкой.
Подвижные части двигателя обладают моментом инерции Jд, а нагрузка – моментом инерции .
Требуемая от двигателя мощность рассчитывается по следующей формуле [1].
/////////// 91,875///////////////
- МОЁ
Ввиду того, что расчет силового редуктора в проекте не предусматривается, возьмем коэффициент полезного действия редуктора =0,8.
Если взять PТР MAX=53 Вт и выбрать двигатель постоянного тока СЛ –361, то возникает перегрузка по моменту. Поэтому выбираем двигатель СЛ–521 с характеристиками:
|
Uном, В |
Рном, Вт |
nном, об/мин |
Мном, Нсм |
Jд, кгм2 |
Rя, Ом |
Iя ном, А |
МП, Нсм |
|
110 |
77 |
3000 |
25 |
16,710-5 |
8,5 |
1,1 |
63,8 |
Проверим перегрузку двигателя при пуске:
.
Оптимальное передаточное отношение силового редуктора выбирается из условия минимизации требуемого от двигателя момента вращения.
Требуемый вращающий момент на валу двигателя определяется при заданных характеристиках нагрузки:
где
- КПД редуктора;
i – передаточное отношение редуктора;
JД – момент инерции якоря двигателя.
Для нахождения значения , при котором требуемый от двигателя момент был бы минимален, т.е. вычислим производную от и приравняем ее к нулю, полагая для упрощения вычислений .
Решение данного уравнения дает оптимальное значение передаточного отношения редуктора по критерию минимума требуемого от двигателя максимального момента вращения (момент инерции редуктора учитывать не будем):
МИ-31 105,45
Рассчитаем требуемый от двигателя момент:
5,808
Проверим условие перегрузки двигателя по моменту:
2,978 Таким образом, двигатель перегружен в пределах допустимой нормы.
Проверим условие перегрузки двигателя по скорости:
1,432
0,15 Следовательно, двигатель недогружен по скорости.
Передаточные функции двигателя имеют вид [7]:
– передаточная функция двигателя по скорости;
– передаточная функция двигателя по моменту,
где ,
– коэффициент пропорциональности по противо-ЭДС;
– коэффициент пропорциональности по моменту.
Справочных данных на двигатель достаточно для расчёта коэффициента :
0,993
Теперь можно определить коэффициент:
1/Се =1,007
Теперь определим коэффициент пропорциональности по моменту:
0,8125
Вычислим коэффициент KM:
3,0986
Суммарный момент инерции на оси двигателя:
. 0,187
Найдем постоянную времени:
0,579
Подставив полученные значения, получим:
Передаточная функция по скорости и передаточная функция по моменту:
– передаточная функция двигателя по скорости;
– передаточная функция двигателя по моменту.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) выраба тывают напряжение или ток, функционально связанные с управляющим кодом. Причем функциональная связь в большинстве случаев линейна. Применяются цифро-аналоговые преобразователи в качестве узлов обратной связи аналого-цифровых преобразователей и для формирования выходных аналоговых сигналов цифровых из мерительных и вычислительных устройств.
Для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал обычно формируют токи, пропорциональные ве сам разрядов кода, и затем суммируют те из токов, которые соответствуют ненулевым (единичным) разрядам входного кода.
Рис. Упрощённая схема цифро-аналогового преобразователя К594ПА1
ЦАП с биполярными транзисторами и ключами. На рисунке показана упрощенная схема двенадцатиразрядного интегрального ЦАП типа К594ПА1. В нашем случае мы будем использовать только восемь разрядов. Встроенный операционный усилитель А1 здесь используется в цепи формирования двоично-взвешенных токов, пропорцио нальных опорному напряжению uR. Коллектор ные токи транзисторов Т2, ТЗ, ... пропорциональны проводимостям резисторов, включенных в их эмиттеры. В транзисторах, соответствующих старшим разрядам пре образователя, эти проводимости соотносятся по двоич ному закону. В младших разрядах нужное соотношение токов поддерживается за счет использования в эмиттерных цепях транзисторов резисторной сетки вида R—2R. Схему такой сетки мы рассмотрим ниже.
Переключатели S1—S13 управляются входным ко дом N ЦАП (выводы 7—18) и пропускают на выход (вывод 3) токи, соответствующие ненулевым разрядам этого кода. На вывод 18 подается сигнал старшего раз ряда (СР) кода, а на вывод 7 – сигнал младшего раз ряда (МР) кода. Переключатели на рисунке для упро щения схемы показаны условно, в микросхеме они выполнены на биполярных транзисторах. Выходной ток I1 АЦП преобразуется в напряжение UВЫХ с помощью операционного усилителя А2. Резистор обратной связи этого усилителя (R5) входит в состав микросхемы. Все резисторы микросхемы изготавливаются одновременно по одной и той же технологии, и поэтому их относительные погрешности оказываются практически одинаковы ми. А поскольку выходное напряжение ЦАП в конечном счете зависит от отношения сопротивлений, то погреш ности ЦАП будут меньше, чем погрешности входящих в него сопротивлений.
При UR=-10 В номинальный выходной ток преобра зователя К594ПА1 равен 2 мА. Сопротивление резистора R5 составляет примерно 5 кОм, поэтому при изменении управляющего кода от нуля до максимального зна чения выходное напряжение изменяется от нуля до значения, примерно равного 10 В. Если требуется полу чить знакопеременное выходное напряжение, изменяю щееся в диапазоне ±10 В, то в цепь обратной связи ОУ А2 включаются последовательно резисторы R5, R6 и, кро ме тогo, инвертирующий вход ОУ соединяется через ре зистор R3 с источником опорного напряжения UR. Со ответствующие соединения показаны на рисунке штриховыми линиями. В этом случае при нуле управляющего кода мы будем иметь UВЫХ = -10 В, а при максималь ном коде UВЫХ =10 В.
Техническое совершенство привода следящей системы с двигателем постоянного тока определяется усилителем мощности (УМ). В настоящее время применяют полупроводниковые–транзисторные УМ. Транзисторные УМ работают в режиме класса Д с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) силовых транзисторов. Область применения транзисторных УМ расширяется, и они вытесняют тиристорные преобразователи, что связано с освоением сильноточных транзисторов с коммутируемым током до 500 А и коллекторным напряжением до 700 В.
Схема усилителя мощности приведена на рисунке 5 [4].
Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения, выполненного на операционных усилителях D1 и D2; двухпорогового компаратора D3 с диодным ограничителем V1; двухплечевого импульсного усилителя мощности на транзисторах V4 и V5; четырех плеч мостового усилителя: двух верхних А1 и А3 и двух нижних А2 и А4.
Верхнее плечо А1 (А3) состоит из оптронного усилителя типа 249ЛП1Б, выполненного на диодной оптопаре V6 и транзисторах V7, V8, V10; дифференцирующей RC-цепи на конденсаторе C2 и резисторе R19 с усилителем мощности дифференцирующего сигнала на транзисторе V11; управляющего транзистора V12 и силового транзистора V13.
Нижнее плечо А2 (А4) состоит из тех же элементов, что и верхнее, но отличается от верхнего местом подключения дифференцирующей RC-цепи и противоположным типом проводимости транзисторов V11-V13.
Помимо двух основных источников питания 60В и 15В, УМ нуждается в двух дополнительных источниках напряжения 5В для схем управления нижними и верхними плечами моста.
Работу схемы поясняет диаграмма напряжений на рис.6 , где показаны: а) – пилообразное напряжение Uоп, снимаемое с Д2, входное напряжение Uу.м. и пороговое напряжение Uпор компаратора Д3; б) – импульсное напряжение Uа, снимаемое с выхода компаратора Д3; в) – выходное напряжение первого Ub1 и второго Ub2 оптронных усилителей; г) – выходные напряжения первой Ud1 и второй Ud2 дифференцирующих RC-цепей; д), е), ж), з) – коллекторные напряжения Uc1–Uc4 выходных транзисторов соответственно первого-четвертого плечей моста; u- выходное напряжение Uя на якоре двигателя.
Период работы усилителя состоит из отрезков времени, в которые импульс сигнала Ua=0, Ua>0 и Ua<0. При Ua=0 напряжение . При этом в верхнем плече А1 транзистор V12 закрыт, выходной транзистор V13 открыт током, протекающим через резистор R23. Выходной транзистор V13 нижнего плеча А2 будет закрыт. Состояние левых плеч А1 и А2 усилителя не изменится и при Ua>0, так как их оптронные усилители включаются напряжением Ua отрицательной полярности. При Ua<0 выходные напряжения оптронных усилителей . При этом транзистор V13 верхнего плеча А1 будет закрыт, а V13 нижнего плеча А2 открыт. Импульс напряжения, открывающий транзисторы V13, подается с задержкой времени относительно импульса напряжения, снимаемого с выхода соответствующего оптронного усилителя. Эта задержка обеспечивается дифференцирующими импульсами напряжений Ud1 и Ud2. Импульс напряжения Ud1 положительной полярности открывает транзистор V11 верхнего плеча, который в течение времени действия импульса сохраняет открытым транзистор V12 и закрытым V13. Аналогично дифференцирующий импульс Ud2 отрицательной полярности, открывая транзистор V11 нижнего плеча А2, оставляет открытым транзистор V12, задерживая тем самым включение транзистора V13 нижнего плеча, пока транзистор V13 верхнего плеча не перешел в режим отсечки. Время задержки определяется постоянной времени дифференцирующей цепи, которая выбирается несколько больше времени запирания выходных транзисторов. Так как выходные транзисторы V13 при запирании шунтируются управляющими транзисторами V12, то время запирания и задержки получается минимально возможным. Два других плеча УМ А3 и А4 работают аналогично при положительной полярности сигнала Uа. Диаграмма выходного напряжения УМ зависит от соотношения напряжений и амплитуды пилы Uоп. При Uу.м.=0 и c выхода УМ снимаются симметричные разнополярные импульсы с коэффициентом заполнения . При этом крутизна статической характеристики на начальном участке будет вдвое выше, а коэффициент усиления равен:
,
где .
Схема усилителя универсальная, так как она удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к УМ приво дов следящих систем. Отметим ее достоинства:
Недостатком этой схемы является то , что требуется много источников питания (60 В, 15 В, 5 В). Параметры схемы на рис.6а соответствуют току нагрузки 10 А при минимальном коэффициенте усиления по току транзи сторов V13 b = 100.
Определение коэффициента передачи разомкнутой системы
Для определения коэффициента усиления разомкнутой системы воспользуемся следующей структурной схемой:
Передаточная функция разомкнутой системы:
, где .
Коэффициент передачи вычислительного устройства А1:
.
Коэффициент передачи ЦАП:
.
Коэффициент передачи редуктора:
.
Коэффициент передачи двигателя по скорости:
.
Ошибка системы определится так:
где
Рассмотрим ошибку системы при линейно изменяющемся задающем воздействии:
.
.
,
где ДОП – допустимая ошибка следящей системы;
ЭЛ – элементная ошибка (ошибка рассогласования).
Погрешность измерителя рассогласования следует принять равной цене младшего разряда кода ошибки выраженного в угловых минутах:
.
.
Отсюда коэффициент усиления разомкнутой системы:
.
.
.
.
Коэффициент усиления усилителя:
.
Таким образом, передаточная функция разомкнутой нескорректированной системы определится следующим выражением:
.
Динамический расчёт системы
Динамический расчёт системы производится с целью обеспечения заданных показателей качества работы системы. В данном проекте в качестве таких показателей взяты время регулирования и перерегулирование .
В нашем случае система является цифроаналоговой и пользоваться методами анализа непрерывных систем можно при выполнении условий теоремы Котельникова для замкнутой системы.
Структурная схема цифровой системы:
Перейдём к непрерывной системе. В этом случае приближённо можно считать, что введение дельта-импульсного модулятора в систему эквивалентно введению в аналоговую систему элемента чистого запаздывания на половину периода дискретизации по времени, т.е.:
.
Т.к. в проекте частота поступления кадров изображения равна 50 Гц, то
Тогда схема непрерывной системы будет иметь вид:
Передаточная функция полученной системы:
Построим переходную характеристику нескорректированной системы:
График судит о неустойчивости этой системы. Проведём её коррекцию.
Наиболее приемлемы для целей синтеза ЛАХ, т.к. построение ЛАХ, как правило, может делаться почти без вычислительной работы. Особенно удобно использовать асимптотические ЛАХ.
Процесс синтеза обычно включает в себя следующие операции:
,
откуда .
Для ЛАХ можно записать:
.
Таким образом, при использовании ЛАХ весьма легко осуществляется синтез последовательно корректирующих устройств, так как ЛАХ корректирующих средств получается простым вычитанием ординат располагаемой ЛАХ из ординат желаемой.
Поверочный расчёт и построение переходного процесса. В случае необходимости полученная система управления вместе с корректирующими средствами может быть исследована обычными методами анализа.
Воспользуемся методом синтеза, разработанным В.В. Солодовниковым, для следящих систем с астатизмом первого порядка.
На основании заданного перерегулирования по этому методу можно определить интервал положительности , где . Таким образом . По найденной частоте положительности определяется частота среза ЛАХ из условия:
.
.
Для построения ЛАЧХ последовательного корректирующего звена изобразим на одном рисунке (рис. 3), желаемую ЛАЧХ и ЛАЧХ нескорректированной системы (располагаемую) . Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ образуется асимптотой с наклоном , проводимой так, чтобы она пересекала ось частот при . Этот участок проводится влево и вправо до достижения модулей, равных и (). Затем производится сопряжение среднечастотного участка с низкочастотным и высокочастотным. В итоге получили следующее корректирующее устройство.
Передаточная функция последовательного корректирующего звена:
.
и .
.
. Задаёмся С=300 мкФ, тогда:
.
.
В результате получим передаточную функцию скорректированной системы в виде:
.
Переходная характеристика полученной системы:
Как видно с данным корректирующим устройством система не удовлетворяет заданным показателям качества из-за большой величины задержки, поэтому придётся заново построить ЛАЧХ последовательного корректирующего звена , увеличив значения модулей до 40 дБ. (рис. 4). В результате получим интегро-дифференцирующее звено.
Рассчитаем параметры передаточной функции полученного звена.
По ЛАЧХ найдём:
Передаточная функция корректирующего звена имеет вид:
.
Рассчитаем номиналы резисторов и конденсаторов. Для этого примем и . При этом получим , .
Тогда передаточная функция скорректированной системы примет вид:
.
Переходная характеристика:
Как видно из графика полученная система удовлетворяет заданным показателям качества.
Электрический расчет принципиальной схемы
Выберем силовые транзисторы и диоды, используемые в мостовой схеме усилителя [2].
Рассчитаем напряжение питания:
Выбор транзистора осуществляем по справочнику [10] из следующих условий:
.
, поэтому в схеме ограничивают ток якоря до принятой величины . Например путём введения отрицательной ОС по току якоря. Подобная схема приведена ниже.
В данной схеме выбирается таким образом, чтобы оно не оказывало существенного влияния на динамику системы, т.е. . При этом выполняются условия:
и следовательно .
Также для выбора силовых транзисторов необходим расчёт рассеиваемой мощности на них:
.
.
Частота ШИМ-модуляции:
, поэтому .
.
Исходя из этих параметров, выберем следующие транзисторы: КТ864А и КТ865А.
Диоды выбираются из следующих условий:
,
.
Исходя из этих условий, выберем диоды КД 213А [6].
Определим требуемый ток базы:
.
где Kнас - коэффициент насыщения транзистора (1,5…2);
- коэффициент усиления транзистора по току.
Заключение
В данном курсовом проекте мы разработали один из следящих приводов телевизионного комплекса, а именно цифроаналоговую следящую систему для автоматического сопровождения цели. Выбрали основные элементы системы регулирования, разработали принципиальную схему управляющего устройства, произвели коррекцию системы по методу синтеза ЛАХ из условия обеспечения заданных точностных и качественных показателей её работы.
Функциональная схема спроектированной системы:
Библиографический список