Разработка датчика угловой скорости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

В курсовой работе требуется разработать датчик угловой скорости с электрической пружиной. Для этого необходимо определить его параметры, рассчитать элемент (потенциометр), а также разработать математическую модель, произвести анализ и синтез с помощью исходных данных, методических указаний и необходимых для этого прикладных программ.

Состав курсовой работы: пояснительная записка (26 страниц), в ней 11 рисунков, также прилагается графический материал (3 плаката на листе формата А1).



Содержание

1. Введение

2. Анализ технического задания

3. Проведение патентного библиографического поиска

4. Кинематическая схема

5. Математическая модель

6. Анализ системы

7. Синтез системы

8. Расчет потенциометра

Заключение

Список литературы



1. Введение

[2] Гироскопические измерители угловой скорости предназначены для измерения угловой скорости вращения объекта, на котором они установлены, и используются как визуальные приборы и как чувствительные элементы в системах автоматического управления и стабилизации. На современных самолетах, ракетах и космических кораблях датчики угловой скорости (ДУС) используют в демпферах рыскания, тангажа и крена для улучшений характеристик устойчивости и управляемости самолета, а в автопилотах и системах автоматического управления - для введения в управляющую функцию сигнала, пропорционального угловой скорости. Кроме того, ДУС широко используют в счетно-решающих приборах управления, наведения и стабилизации самонаводящихся снарядов, а также в системах прицеливания танков и самоходных установок и авиационных прицелах для выработки угла упреждения встречи снаряда с целью. На спутниках и космических кораблях ДУС могут быть использованы для демпфирования колебаний объекта относительно центра его масс, а также в системах ориентации объекта в пространстве, например в бескарданных системах инерциальной навигации, где угловое положение объекта определяется путем интегрирования показаний ДУС.



2. Анализ технического задания

Для измерения максимальной угловой скорости при заданном кинетическом моменте подойдет датчик угловой скорости, содержащий датчик момента и угла. Для измерения угла +- 2 градуса можно использовать датчик потенциометрического типа, на котором можно обеспечить напряжение питания 27В.

3. Проведение патентного библиографического поиска

Известны механические одноосные и двухосные гироскопические измерители угловых скоростей с электрической пружиной. Применение того или иного типа гироскопического измерителя обусловлено, в частности, диапазоном угловых скоростей подвижного объекта, а также требуемой точностью измерений. Предметы поиска приведены в таблице 1

Таблица 1.Потентный поиск.

Предмет поиска	Страна, индекс	№ заявки, дата приоритета, источник	Сущность заявленного технического решения
Двухосный гироскопический измеритель угловых скоростей с электрической пружиной	RU, G01C19/42	Патент - 2118796	Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано в системах управления движением, например, космических и других летательных аппаратов. Использование: в системах управления движением. Сущность изобретения: измеритель содержит гиромотор в кожухе, установленном в кардановом подвесе, датчики углов и моментов, усилители коррекции, преобразователь трехфазного напряжения, а также электронный болк формирования управляющего сигнала и ключ-реле. Кроме того, электронный блок выполнен в виде логического устройства с переменным коэфициентом деления и содержит делитель частоты, схему совпадения и инвертор.
Трехстепенной гироскоп с электрической пружиной	RU, G01C19/42	Патент - 2111455	Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано в системах управления движением, например, космических аппаратов, а также других подвижных объектов. Использование: в системах управления движением. Сущность изобретения: для обеспечения определения угловых скоростей как в точном, так и в расширенном диапазоне измерений наряду с разгоном ротора гиромотора до номинальных оборотов в точном диапазоне измерений установкой перпендикулярности вектора кинетического момента плоскости осей карданова подвеса и измерением угловых скоростей, предварительно в расширенном диапазоне измерений ротор раскручивают до фиксированных оборотов, устанавливают перпендикулярность вектора кинетического момента и измеряют угловые скорости, а затем в соответствии с временной циклограммой работы подвижного объекта переводят гироскоп в режим точного измерения угловых скоростей подвижного объекта. При этом соотношение частот трехфазного переменного тока, с помощью которого ротор гиромотора разгоняют до номинальных и фиксированных оборотов, должно удовлетворять требованию, обеспечивающему работоспособность гироскопа в пределах рабочей зоны в обоих диапазонах измерений, а также устойчивость вращения ротора на опоре при фиксированной частоте электропитания гиромотора.

4. Кинематическая схема

Проведение патентного поиска позволило выбрать кинематическую схему датчика угловой скорости с электрической пружиной, содержащую: гиромотор; рамку гиромотора с полуосями; моментный датчик, создающий вокруг оси рамки прибора момент, пропорциональный углу ее отклонения; устройство для регистрации угла отклонения рамки -потенциометрический датчик. Данная кинематическая схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.Кинематическая схема датчика угловой скорости:

1-датчик угла; 2-датчик момента

5. Математическая модель

Движение чувствительного элемента датчика угловой скорости компенсационного типа описывается следующим дифференциальным уравнением:

,

где - момент инерции гироблока относительно оси прецессии,

- коэффициент демпфирования,

- кинетический момент ротора гироскопа,

- сумма внешних возмущающих моментов.

Составим функциональную схему датчика угловой скорости. Она состоит из следующих элементов: чувствительный элемент, усилитель, датчик момента и датчик угла.

Рисунок 2. Функциональная схема датчик угловой скорости.

Чувствительным элементом датчика угловой скорости является гироскоп. Его передаточная функция будет иметь вид:

;

.

Для съёма сигнала с ЧЭ (т.е. гироскопа) применяется датчик угла (ДУ). Его передаточная функция:

.

После, сигнал с ДУ передается на усилитель, передаточная функция которого:

,

После преобразования сигнала в виде напряжения с усилителя в ток, он подается на датчик момента. Так как мала, его передаточная функция:

.

Имея структурную схему датчика угловой скорости компенсационного типа, а также используя значения величин, заданных в техническом задании и полученных при расчете, проведем анализ и синтез системы.

6. Анализ системы

Структурная схема замкнутой системы:

датчик угловой скорость передаточный

Рисунок 3. Структурная схема замкнутой системы.

Передаточная функция замкнутой системы:

; где:

передаточная функция прямой цепи:

;

передаточная функция обратной цепи:



.

Переходный процесс замкнутой системы показан на рисунке:

Рисунок 4. Переходный процесс замкнутой системы.

Из переходного процесса получаем следующий параметры: величина перерегулирования , .



Рисунок 5. ЛАФЧХ замкнутой системы.

Структурная схема разомкнутой системы:

Рисунок 6. Структурная схема разомкнутой системы.

Передаточная функция по разомкнутой системе будет иметь вид:

Передаточная функция чувствительного элемента:

;

Передаточная функция усилителя:

;

Передаточная функция датчика угла:

;

Передаточная функция датчика момента:

;

Тогда передаточная функция по разомкнутой системе:

С помощью пакета прикладных программ MATLAB получим ЛАФЧХ разомкнутой системы. Получаем: запас по фазе: .



Рисунок 7. ЛАФЧХ разомкнутой системы.

Из анализа частотных характеристик и переходного процесса замкнутой системы следует, что полученные результаты не удовлетворяют требованиям технического задания (по перерегулированию, а также данная структурная схема не обеспечивает необходимый запас по фазе). Поэтому необходимо произвести синтез, для этого нужно ввести в обратную цепь корректирующее звено.

7. Синтез системы

В качестве корректирующего звена было выбрано дифференцирующее звено, передаточная функция которого:

, при условии, что .

Примем , .

Передаточная функция разомкнутой системы при наличии корректирующего звена в обратной связи имеет вид:

где , .

С помощью математических преобразований получим:

= 1.

Возведем обе части в квадрат и преобразуем:

Выражения при подстановке будут иметь бесконечно малую величину, следовательно, в первом приближении частота среза будет находиться:

.

Определим постоянную времени, для этого запишем уравнение фазы:

.

Так как постоянные времени малы, примем, что , тогда

Подставим все известные нам значения: = 50, с, :

, откуда

.

Данная система с корректирующем звеном была промоделирована в прикладном пакете программ MATLAB (Simulink), результаты моделирования представлены ниже на рисунках.

Рисунок 8. Структурная схема с введением корректирующего устройства.

Передаточная функция корректирующего звена:

;

Переходный процесс замкнутой системы с введением корректирующего звена представлен на рисунке:



Рисунок 9. Переходный процесс системы с введением корректирующего устройства.

Из полученного переходного процесса, можно сделать вывод, что величина перерегулирования составляет 15.1%, а время переходного процесса 0.424 с, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Рисунок 10. ЛАФЧХ скорректированной системы.

В данном случае корректирующее звено вида: необходимо для того, чтобы увеличить быстродействие, снизить перерегулирование и обеспечить необходимый запас по фазе.

Практическая схема реализации данного корректирующего звена представляет собой пассивный четырехполюсник:

Рисунок 11. Пассивный четырехполюсник

;

;

;

;

;

;

;

.

Имеем: ;

;

;

Тогда определим :

.

Примем: ,

Тогда найдем :

,

а найдем из уравнения :

.

8. Расчет потенциометра

Потенциометрическим датчиком (ПД) называется элемент автоматики, осуществляющий преобразование механического превращения (углового или линейного) в электрический сигнал за счет изменения величины активного сопротивления, к которому подключена нагрузка.

Определение погрешности обусловленной нагрузкой.

Рассмотрим отношение сопротивления нагрузки к сопротивлению обмотки датчика:

Подставим численные значения в и получим:



Погрешность , обусловленная нагрузкой, равна разнице действительного передаточного коэффициента ПТ и передаточного коэффициента при :

где температурный коэффициент сопротивления, согласно схеме .

При погрешность, обусловленная нагрузкой примет значение:

Полученный результат показывает, что конструируемый датчик будет иметь высокую точность.

Определение номинальной и действительной мощностей рассеяния.

Под номинальной мощностью рассеяния подразумевают мощность рассеяния потенциометра с сопротивлением нагрузки , т.е.:

где напряжение питания, сопротивление обмотки датчика.

Подставим численные данные в (3) и получим:

Действительную мощность, т.е. мощность рассеяния с , рассчитаем по формуле (4):



Подбор материалов.

Исходя из условий эксплуатации и требований к потенциометру, в качестве материала проволоки выбираем - сплав ПДС - 40, а в качестве материала каркаса - сплав АМГ.

Для благородных металлов и сплавов на их основе допустимая плотность тока (при металлическом каркасе) равна .

Определение диаметра проволоки d.

Диаметр проволоки без изоляции определяется из условия:

Подставим численные значения и получим:

Значение диаметра, полученное по формуле (5), следует округлить до ближайшего (в сторону увеличения) из ряда номинальных диаметров выпускаемой проволоки (табл. 3.3) [5]. Примем с запасом , для того чтобы улучшить конструктивные размеры каркаса.

В качестве обмоточного провода выберем ПЭВКТ-1.

Определение числа витков обмотки .

Так как известна рабочая длина обмотки то может быть определено число витков

где шаг намотки, мм; рабочая длина обмотки.

Выбрав плотную намотку проволоки, определим шаг намотки:

где диаметр проволоки с изоляцией, по (табл. 3.3) [5] . Подставим полученные значения в (7):

Рассчитаем число витков, для этого подставим результаты расчёта в (6):

Определение витковой погрешности .

Витковую погрешность рассчитаем по формуле:

Подставим числа в (8) и посчитаем:

Определение длины обмоточного провода.

Длина обмоточного провода определяется по следующей формуле:

где диаметр провода, м, удельное сопротивление материала провода, Омм.

Определение средней длины одного витка .

Зная значения длины обмоточного провода и число витков обмотки , произведём расчёт средней длины одного витка:

Определение размеров поперечного сечения каркаса прямоугольного сечения.

Найденная длина позволяет выбрать размеры поперечного сечения каркаса. Так, при прямоугольном сечении каркаса высотой и шириной :

Из технологических соображений толщину каркаса рекомендуется брать больше , где диаметр проволоки обмотки.[5]. Тогда, пусть ширина , принимаем .

Из (3.1.1) выразим высоту каркаса:



Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы были решены следующие задачи:

* проведен патентно-библиографический поиск,

* выбрана кинематическая схема прибора,

* произведен расчет элемента (потенциометра),

* составлена математическая модель датчика угловой скорости,

* проведен анализ и синтез системы (с помощью пакета прикладных программ MATLAB).

В заключении был спроектирован датчик угловой скорости компенсационного типа с помощью САПР «SolidWorks», «Autocad», а также выполнена деталировка нескольких деталей.



Список литературы

1. Асс Б.А. Детали и узлы авиационных приборов и их расчет / Асс Б.А., Жукова И.М., Антипов Е.Ф. Издательство М.: Машиностроение. 1966. - 416 с.

2. Никитин Е.А. Проектирование дифференцирующий и интегрирующий гироскопов и акселерометров / Никитин Е.А. Балашова А.А. Издательство М.: Машиностроение. 1969. - 216 с.

3. Сломянский Г.А. и др. Детали и узлы гироскопических приборов. Атлас конструкций. М.: Машиностроение, 1975. -- 364 с.

4. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / Бесекерский В.А. Попов Е.П. -- Спб.: Профессия, 2003 -- 752 с.

5. Федеральный институт промышленной собственности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www1.fips.ru. (Дата обращения 04.12.17).

Размещено на Allbest.ru

...