Современные системы автоматического управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современные системы автоматического управления (САУ) представляют собой сложные комплексы взаимодействующих технологических устройств и элементов, работа которых основана на различных физических принципах. Различно также их конструктивное выполнение и технологические характеристики.

Несмотря на многообразие САУ и входящих в них элементов, последние могут быть сведены к нескольким основным типам, различающимся по назначению и взаимодействию в системах управления (СУ).

В изучении курса нам были представлены автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют (или поддерживают неизменными) какие - либо физические величины (координаты движущегося объекта, скорость движения, электрическое напряжение, частоту, температуру, давление и пр.) в том или ином управляемом процессе.

Характерным для незамкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата ее воздействия на управляемый объект. Естественным дальнейшим усовершенствованием АС является замыкание ее входа (контрольные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольные приборы, измерив некоторые величины, характеризующие определенный процесс в управляемом объекте, сами служили бы одновременно и источником воздействия на систему, причем величина этого воздействия на управляемый объект от требуемых значений. Таким образом возникает замкнутая система.

В замкнутой АС имеется полная взаимозависимость работы всех звеньев друг от друга, изменение внутренних параметров системы и внешних возмущений сказывается значительно меньше на регулируемом объекте , чем в разомкнутой АС.

Принципиальная особенность: автоматически сравнивается действительное значение регулируемого параметра с заданным. Разность этих значений приводит в действие данную систему так, чтобы в процессе ее работы рассогласование автоматически сводилось к нулю или к достаточно малой величине.

Современная сложная автоматическая система должна выполнять две задачи:

обеспечить требуемой точностью изменение выходной величины системы в соответствии с поступающей извне входной величиной, играющей роль программы. При этом необходимо преодолеть инерцию объекта управления и других элементов системы, а также компенсировать искажение, возникающее вследствие неточного знания характеристик отдельных элементов и нестабильности их параметров. Иногда это называется управлением в узком смысле или слежением при заданном значении входной величины система должна, по возможности, нейтрализовать действие внешних возмущений, стремящихся отклонить выходную величину системы от предписываемого ей в данный момент значения. В этом смысле говорят о задаче регулирования или стабилизации.

В этой курсовой работе наглядно прослеживается решение этих двух задач на примере САУ для управления гидросуппортом токарного станка.

В данной работе проанализирована САУ гидросуппорта токарного станка и синтезирована новая система с заданными показателями качества.

гидросуппорт синтезированный токарный станок

1. Конструктивная схема САУ

САУ предназначена для управления гидросупортом токарного станка.

Рис. 1. Конструктивная схема САУ

Гидравлические копировальные устройства, применяемые на токарных станках, предназначены для автоматизации процесса обработки сложных фасонных поверхностей деталей машин, имеющих, как правило, круглое поперечное сечение.

Обрабатываемая деталь 1 установлена в патроне 2 и в заднем центре 3 токарного станка. Резец 4 закреплен в резцедержателе каретки 5, связанной со штоком цилиндра 6 и расположенной на направляющих суппорта 7. С копиром 8 взаимодействует щуп 9 однокромочного золотника 10. Полости А и Б цилиндра 6 соединены между собой постоянным дросселем 11.

При обработке детали 1 сообщается вращение для создания скорости резания, а суппорту 7 - движение продольной подачи. Рабочая жидкость под давлением проводится в полость А цилиндра и через постоянный дроссель 11 попадает в полость Б, откуда через щель золотника 10 на слив. На схеме видно, что величина давления в полости Б определяется открытием щели золотника 10 и величиной проводимости постоянного дросселя 11. В нейтральном положении (при неподвижном гидросуппорте) давление в полостях А и Б таково, что поддерживается равновесие цилиндра 6.

РА · FА = РБ · FБ

При прохождении щупа 9 по копиру 8 изменяется осевое открытие щели золотника 10, а следовательно и давление в полости Б. Цилиндр 6 перемещается и перемещает корпус золотника 10. Это перемещение происходит до тех пор, пока вновь не установится равновесное состояние. Таким образом, цилиндр 6 с резцом 4 полностью отрабатывает перемещение, заданное копиром 8 и на заготовке 1 формируется заданная поверхность.

В САУ гидросуппорта в качестве объекта управления входит процесс резания в замкнутой технологической системе станка.

2. Описание функциональной схемы САР

Схема системы автоматического регулирования (САР) выходной координаты РУ приведена на рис. 2. САР регулирует выходную координату процесса резания металла. В САР необходимо ввести элементы:

Uвх - входное напряжение

ЭС1 - элемент сравнения

ГУЗ - гидроусилитель золотникового типа

ГЦ - гидроцилиндр

ПР - процесс резания.

УС - эквивалентная упругая система станка

ОС - обратная связь

Рис.2. Функциональная схема САР

Входной сигнал смещения щупа, который скользит по копиру воспринимается гидроусилителем золотникового типа перемещающего гидроцилиндр. Смещение корпуса гидроцилиндра обеспечивает обратную связь, которая подается на элемент сравнения. Далее сигнал с гидроцилиндра подается на суппорт с резцом в виде его подачи, формируя процесс резания, таким образом обрабатывается заданная поверхность.

Разработка структурной схемы САР

Разработка структурной схемы САР осуществляется на основе функциональной схемы системы (рис.2). В структурной схеме в отличии от функциональной должны быть определены все передаточные функции.

Рис.3.Структурная схема САР

3. Гидроусилитель золотникового типа

,

где ТГУ - постоянная времени гидроусилителя, с ;

Q - выходной параметр - расход рабочей жидкости, м3 ;

КГУ - коэффициент передачи, мм2/с ;

h - входное перемещение плунжера золотника, мм .

Передаточная функция гидроусилителя золотникового типа (апериодическое звено I порядка)

Гидроцилиндр (без учета массы)

,

где KГЦ - коэффициент передачи, 1/мм2 ;

Идеально интегрирующее звено гидроцилиндра

Обратная связь

Передаточная функция обратной связи

WОС=1/S

Конструкция гидрокопировального суппорта выполнена таким образом, что в ней присутствует обратная связь, позволяющая работать этому устройству в режиме следящей системы.

Процесс резания

Сила резания при точении:

=2·103·10,8·0,10,6·0,080,3·1,1=4785,24

где: СРY - постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала

КV - поправочный коэффициент скорости резания

х, y, n - показатели степени безразмерные

t - глубина резания, мм

V - скорость резания, м/мин

S - подача, мм/об, S = 0,1 мм/об

ТР - постоянная времени стружкообразования, с.

Эквивалентная упругая система станка

(в предположении одномассовой системы)

,

где щ0 - собственная частота колебаний , с-1 ;

? - коэффициент затухания колебаний ;

у - деформация упругой системы станка, мм ;

С - жесткость упругой системы станка, Н/мм ;

Pу - входной силовой параметр, Н .

Передаточная функция эквивалентной упругой системы станка (колебательное звено)

=

В соответствии с заданием в качестве исходных данных примем следующие параметры.

Таблица 1 - Исходные данные

4. Исследование устойчивости объекта

Устойчивость - это свойство системы возвращаться в исходный или близкий к нему установившийся режим после всякого выхода из него в результате какого-либо воздействия.

Если система неустойчива, то достаточно любого толчка, чтобы в ней начался расходящийся процесс ухода из исходного установившегося состояния.

Исследуем заданный объект на устойчивость. Собираем структурную схему на ЭВМ в пакете Siam. Подставляя формулы в передаточные функций получаем следующий график (рис.4).

ЭВМ выдает ЛАХ и ЛФХ неустойчивой системы, из графика видно, что система при исходных данных абсолютно не устойчива, т.к. щср>щкр

Для того, чтобы добиться заданных показателей качества (tp = 2,с; коэффициент перерегулирования =25%30%) вводим корректирующее устройство.

Для ввода корректирующего устройства необходимо найти общую передаточную функцию всей системы.

Для удобства выполнения расчетов обозначим каждый блок отдельной буквой.

Для составления общей передаточной функции необходимо преобразовать структурную схему:

Передаточная функция разомкнутой части системы:

Передаточная функция замкнутого внутреннего контура системы:

Общая передаточная функция всей системы имеет вид:

5. Синтез САР

Получили, что передаточная функция разомкнутой части системы имеет вид:

Вычислим частоту среза и найдем передаточную функцию корректирующего устройства для исследования устойчивости объекта с помощью ЛАХ.

По номограмме Солодовникова определяем диапазон частоты среза в зависимости от заданного времени регулирования, уменьшенного на 30%

Строим логарифмическую амплитудную характеристику (прилагается).

Желаемая ЛАХ определяется показателями качества и точностью процесса регулирования. Среднечастотная часть желаемой ЛАХ характеризуется частотой среза. Частота среза определяется с помощью номограммы Солодовника. Для наиболее простой реализации корректирующего устройства последовательные изломы наклонов высокочастотной желаемой ЛАХ и ЛАХ неизменяемой части системы должны совпадать. Строим неизменяемую часть при К неизменяемой части =20·lg22895882750=207; строим желаемую часть при К желаемой =20·lgРу=20lg4785,24=74

Найдем корректирующее устройство. Для нахождения корректирующего устройства необходимо вычесть неизменяю ЛАХ из желаемой Lку=Lж(щ)-Lн(щ)=74-207=-133.

Структурная схема с корректирующим устройством:

6. Расчет параметров корректирующего устройства

По виду передаточной функции корректирующего устройства определим схему корректирующего устройства.

WКУ=

Выбираем электрическую схему, передаточную функцию типового корректирующего устройства.

По схеме ККУ=2,23·10-7

W(р)=К

Примем R1 = 10 Ом

;

Т1=0,4; Т2=200 Т1=0,1; Т2=0,018

К3=

Проверка

При коррекции с помощью интегрирующих устройств система менее подвержена влиянию помех.

Вывод

В данной курсовой работе произвели анализ исходных данных и из функциональной схемы получили структурную схему САР. Для полученной схемы с помощью пакета Mathlab построили график переходного процесса. Произвели анализ устойчивости некорректированной САР и пришли к выводу , что данная система является устойчивой, а , следовательно , может поддерживать режим работы объекта регулирования при действии на него возмущающих факторов .

Но эта система не соответствует всем необходимым параметрам. Поэтому мы провели синтез САР и подобрали такое корректирующее устройство , при котором система стала отвечать необходимым параметрам. Построили для скорректированной САР графики переходного процесса, АФЧХ. Произвели анализ скорректированной САР и пришли к выводу, что данная САР устойчива и работоспособна.

Данная система соответствует заданным показателям качества:

tp = 2, с, коэффициент перерегулирования

Используемая литература

1. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш.техн.учебн.заведений. Л., «Энергия», 1975.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.:Наука, 1975. - 768 с.

3. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.:Наука, 1989. 304 с.

Размещено на Allbest.ru