Синтез адаптивной системы управления (АдСУ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез адаптивной системы управления (АдСУ)

Выполнил: ст.гр. АТП-451 Путенихина С.О.

Введение

В процессе обработки в зоне резания возникает повышенная температура, оказывающая влияние на стойкость инструмента.

Затупление инструмента, поступление более интенсивного охлаждения, изменение твердости детали, изменение скорости резания немедленно оказывают влияние на температуру резания. Если при обработки температура резания даже незначительно превысит максимально допустимое значение для данного инструмента, то происходит повышенный износ последнего. Наиболее сильно влияет скорость, несколько меньше - величина подачи и меньше - глубина резания. Связь между температурой резания и перечисленными параметрами может быть описана эмпирической степенной зависимостью =С_?V^ZS^Y t_P^X

По температуре резания можно судить о скорости износа инструмента. Для различных сочетаний инструмента и материала детали существуют температуры, при которых скорость износа инструмента оказывается оптимальной с точки зрения себестоимости обработки, либо производительности обработки.

1. Задание на курсовую работу

Оптимальная температура в зоне резания обеспечивает минимум интенсивности изнашивания режущего инструмента. При точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР резцом ВК6М с параметрами заточки r_в=1 мм; =0; =₁=10⁰; =₁=45⁰ оптимальная температура ₀ составляет 720⁰С. Температура в зоне резания для данной пары «инструмент-деталь» определяется выражением:

₀ = 267*(V^0.384)*(S^0.132)*(tп^0.098), ⁰С (1)

Для поддержания температуры в зоне резания на уровне ₀ с заданной точностью изменяем V, регулируя скорость вращения двигателя шпинделя n дш, при неизменном задании Sз.

Произвести синтез САР температуры резания с запасами устойчивости по фазе =50⁰, по модулю L6 дб, обеспечивающей заданную точность поддержания температуры, при заданных величинах возмущений.

Данные: вариант 13

Двигатель 2ПН180LYХЛ4

Мощность 18.5 кВт

Напряжение 220 В

Rя=0.065 Ом

Rдп=0.044 Ом

Rв=64/17 Ом

Lя=2.2 мГн,

Jном=0.23 кг*м^2

Vд=30 м/мин

Sз=0,084 мм/об

nном=1500 об/мин

КПД=87 %

t п мин=0.8 мм

t п макс=0.9 мм

Тду=0.0 с.

Тпу=0.0 с.

Преобразователь энергии: Т1= 0.193 с., Т2=0.220 с.

Тс=0.0 с.

2. Анализ исходных данных

Схема взаимодействия электропривода и процесса резания приведена на рис.1:

САР регулирует выходную координату процесса резания с заданной точностью. Процесс резания на схеме обозначен функциональным блоком ПР, управляющая координата ПР обозначена Х, возмущающее воздействие f. Передаточное устройство - это механическая система, преобразующая механическую энергию вала двигателя в механическую энергию управляющего воздействия процессом резания. ПУ является линейным звеном. С точки зрения динамики является апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Т_ПУ. Двигатель Д преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращения вала. Двигатель является машиной постоянного тока с независимым возбуждением.

Возбуждение машины осуществляется обмоткой ОВД. Поток возбуждения в процессе регулирования не изменяется и остается равным его номинальному значению. Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением напряжения якоря U.

Преобразователь электрической энергии (ПЭ) преобразует электрическую энергию промышленной сети трехфазного переменного тока в электрическую энергию постоянного тока и регулирует величину выходного напряжения U, питающего цепь якоря двигателя Д. Преобразователь энергии является линейным звеном. Выходное напряжение U равно номинальному значению при напряжении управления 10 В. С точки зрения динамики процесса ПЭ представляет собой апериодическое звено второго порядка с постоянными времени Т1 и Т2.

УС - усилитель, является безынерционным звеном, усиливает напряжение, поступающее от корректирующего устройства.

КУ - корректирующее устройство. Корректирующее устройство корректирует динамические свойства САР. Статический коэффициент передачи КУ равен 1.

БЗ - блок задания, состоящий из источника стабилизированного напряжения и резистора R3, задает напряжение Uз величина которого определяет величину задания выходной координаты САР.

ДУ - измерительная система выходной координаты процесса резания. С точки зрения динамики представляет собой апериодическое звено первого порядка с постоянной времени Т_ДУ. При номинальном значении выходной координаты выдаёт напряжение Uос=5 В.

С - сумматор на базе операционного усилителя, безынерционное звено с коэффициентом передачи равным 1. суммирование осуществляется по алгоритму Uс=Uз-Uос.

Функциональная схема будет выглядеть так:

3. Анализ процесса резания

Анализ процесса резания можно провести следующим образом в несколько этапов:

1.Определение состава выходных координат ПР, в качестве которых можно взять температуру в зоне резания, параметры стружки, силу резания, уровень шероховатости обработанной поверхности, износ инструмента, скорость резания и др.

2. Выбор выходной координаты. За выходную координату возьмём температуру в зоне резания, т.к. именно оптимальной температуре резания соответствует минимальный износ инструмента, максимальное качество ПР и др.

3. Математическое описание ОУ: уравнение (1) отражает влияние на температуру различных факторов.

₀ = 267*(V^0.384) *(S^0.132) *(tп^0.098), ⁰С (1)

4. Определение ограничений, в которых должен действовать ПР. Это ограничение: скорость может регулироваться только вниз от номинальной, т.е. уменьшать входную координату процесса резания.

5. Определение состава управляющих координат(УК). На выходную координату оказывают влияние скорость резания V, глубина резания tп, подача S.

6. Выбор управляющей координаты из состава УК, оказывающей наибольшее влияние на выходную координату. Из уравнения (1) видно, что скорость резания эффективнее всего влияет на температуру в зоне резания. Поэтому управляющая координата - V.

7. Определение состава возмущений. По условию, на ПР в качестве возмущения действует изменение величины снимаемого припуска в пределах t п макс - t п мин.

Задание Sз неизменное, но величина S колеблется из-за напряжения сети на (+10%-

-15%) Sз заданного.

Учитывая вышесказанное, ПР в качестве объекта управления можно представить следующим образом:

8. Определение диапазона изменения возмущений.

tп изменяется в пределах от 0.8 до 0.9 мм., т.е. Дtп=0.1 мм.

S изменяется от +10% до -15% Sз, т.е. ДS=0.25*Sз=0.021 мм/об

9. Определение отклонения выходной координаты при совместном действии возмущений: температура в зоне резания будет изменяться в пределах

Имин=267*30^0.384*0.8^0.098*0.0714^0.132=650.6 ⁰С

Имакс=267*30^0.384*0.9^0.098*0.0924^0.132=752 ⁰С

ДИ= 101.4⁰С

10. Определение диапазона изменения управляющего воздействия.

Изменение выходной координаты двигателя - частоты вращения n или угловой скорости вращения возможно в пределах 180% от минимального, что позволяют технические характеристики двигателя. Таким образом, технические характеристики позволяют изменять V примерно в два раза больше от минимального значения.

Реальное отклонение выходной координаты И гораздо больше требуемого + - 5⁰С, а потому необходим синтез САР выходной координаты.

4. Разработка структурной схемы САР

Структурную схему составим на основании функциональной схемы и схемы на рис. 1. Структурная схема неизменяемой части САР будет включать в себя все элементы САР, кроме корректирующих устройств.

Преобразователь энергии. С точки зрения динамики процесса ПЭ представляет собой апериодическое звено второго порядка с постоянными времени Т₁ и Т₂. Его передаточная функция имеет вид:

Wпэ(p)=,

значения постоянных времени даны в таблицах, коэффициент Кпэ=Uc/10 В, Кпэ=22.

Тогда

Wпэ(p)=.

Передаточное устройство (ПУ). является линейным звеном. С точки зрения динамики является апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени Тпу, тогда

,

где

Датчик обратной связи (ДУ) Является апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени, тогда

Wду(р)=0.00694 В/⁰С

Процесс резания (ПР) описывается уравнением:

Зависимость температуры от скорости имеет вид при

,

т.е. И=267*0.084^0.132*0.85^0.098*V^0.384=189.5*V^0.384:

И⁰С

V(м/мин)

Kпр=dИ/dV при V=30 м/мин, тогда Кпр=8.95 ⁰С/м/мин

Линеаризовав эту зависимость, получим:

И=435+8.95*V, берём W(р)=8.95.

Тогда процесс резания можно представить в виде следующей схемы

Где К-тангенс угла наклона касательной в рабочей точке, К=8.95. Ио-отклонение касательной от начала координат, Ио=435⁰С.

Двигатель. Используя систему уравнений (2) двигателя

U=E+I*R+L*dI/dt;

E=Ce*Ф*W; (2)

M=Mc+J*dW/dt;

M=Cm*Ф*I

, его структурную схему можно представить следующим образом:

1/Rя=15.3846

Тэ=Lя/Rя=0.0338

Сe=(Uн-Iян*Rя)/щн

Сm=J*щн/Iя, где щн=157 рад/с, Uн=220 В, J=0.23*3=0.69, Iян=Pн/(Ю*Uя)=96.65

Се*Ц=1.36 См*Ф=0.032

Усилитель УС. Является безынерционным звеном,его ПФ находим из условия:

Крс=Кку*Кус*Кпэ*Кд*Кпу*Кпр*Кду

т.к. Дз=Др/(1+Крс),

где Дз=1.4%, Др=14%, тогда Крс=9;

Тогда структурная схема САР будет выглядеть следующим образом:

5.Построение АдСУ

Процессы механообработки, как и большинство других технологических процессов, подвержены существенным внутренним и внешним сигнальным и параметрическим возмущениям. Одним из эффективных подходов к построению систем управления такими процессами является реализация их в классе адаптивных систем.

Коэффициент передачи процесса резания может изменяться более чем в 100 раз. Кроме рассмотренных факторов на изменение КПР могут оказывать влияние и другие факторы: изменение условий среды, в которой происходит обработка (изменение свойств СОЖ), изменение физико-химических свойств обрабатываемого и инструментального материала.

При таких вариациях коэффициента передачи процесса резания обычные САУ температурой резания с постоянными параметрами корректирующих и управляющих элементов не смогут обеспечить требуемые условия точности в изменяющихся условиях процесса резания.

Для обеспечения требуемых свойств системы необходимо синтезировать АдСУ, инвариантную к изменению коэффициента передачи объекта управления.

Инвариантность к изменению коэффициента передачи объекта управления можно обеспечить введением в основной контур управления сигнала, обратно пропорционального изменению этого коэффициента. Применим систему с эталонной моделью. В данном случае АдСУ по типу контура адаптации - с замкнутым контуром адаптации; по способу адаптации - с прямой адаптации (т.к. мы знаем математическую модель процесса резания); по характеру настройки основного контура системы - СНС.

Структурная схема синтезированной адаптивной системы управления процессом резания приведена на следующей странице.

Где subsystem (двигатель):



Переходный процесс данной системы представляет следующий вид:

При отсутствии возмущений и выключенном контуре адаптации:

При подаче возмущения 2.5 на 10 секунде при включенном контуре адаптации:

При подаче возмущения 2.5 на 10 секунде при выключенном контуре адаптации:

Подаем синусоидальные возмущения амплитуда-0.9,отклонение -2,

частота -0.1 при включенном контуре адаптации:

При подачи синусоидального возмущения при выключенном контуре адаптации:



Подаем синусоидальные возмущения амплитуда-2.5, отклонение -2, частота -0.1 при выключенном контуре адаптации:

При включенном контуре адаптации:

Заключение

В ходе данной курсовой работы была спроектирована система автоматического управления температурой в области резания. Проанализировав полученные в результате моделирования на ЭВМ в пакете MatLab переходные процессы, выяснили, что система при введении возмущения и при отключенном контуре адаптации становится неустойчивой. При подключении контура адаптации система не теряет устойчивость, а возвращается в исходное состояние, скачкообразные возмущения быстро отрабатываются.

Список литературы

резание автоматический управление

1. Бесекерский В.А. «Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления» - М.: Наука, 1978г.

2. Топчеев Ю.И. «Атлас для проектирования систем автоматического регулирования» - М.: Машиностроение, 1989г.

3. Копылов И. П. Справочник по электрическим машинам, том 1. Москва Энергоатомиздат, 1988.

4. А.А.Воронов “Основы теории автоматического регулирования и управления”, М., Высшая школа, 1997.

Размещено на Allbest.ru

...