Локальная система управления торпедным аппаратом

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие автоматики, электроники и вычислительной техники привело к внедрению автоматики во все области деятельности человека. Автоматика и автоматизация стали главным направлением развития всей техники.

Роль человека при этом сводится к организации работы автоматических систем и средств вычислительной техники. Такому их проектированию, соединению и использованию, которое обеспечивает получение необходимых результатов с наименьшими затратами.

Локальные систему управления - это автоматические модули, используемые для решения одной функциональной задачи, для управления одним устройством, для регулирования или сигнализации одного параметра.

Применение систем автоматического управления (САУ) на производстве позволяют повысить эффективность ведения технологических процессов; сократить количество обслуживающего персонала на том или ином объекте; повысить производительность автоматизированных устройств и объектов и повысить их экономичность. А также с внедрением таких систем появилась возможность вести требуемый процесс в условиях и местах, недоступных и агрессивных для человека.

В торпедных аппаратах нового поколения также предусмотрена автоматическая подача снаряда в пусковой аппарат, что . Таким образом, целью курсовой работы является проектирование системы автоматического управления торпеды, т.е. обеспечения необходимой силы выталкивания снаряда из пускового аппарата для развития торпедой необходимой скоростью.

1. РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Проектируемая локальная система управления предназначена для управления торпедным аппаратом.

Входным сигналом системы является электрический сигнал из системы наведения, однозначно соответствующий заданному углу склонения, выходным сигналом является угол склонения стволов РБУ.

Проектируемая система рассчитана на военные корабли с бортовой электрической сетью со следующими параметрами: ток переменный, частота 50 Гц, действующее напряжение 380 В.

Состав системы:

1.Микропроцессорный комплект, куда входят устройство суммирования, АЦП, микроконтроллер, ЦАП.

2. Усилитель.

3. Объект управления (насос).

4. Клапан.

5. Торпедный отсек.

6. Датчик обратной связи.

Функциональная схема системы приведена на рисунке 1.

МПК - микропроцессорный комплект; У - усилитель; Н - насос;

К - клапан; ТО - торпедный отсек; ДОС - датчик обратной связи.

Рисунок 1 - Функциональная схема локальной системы управления торпедный аппаратом.

ЛСУ торпедным аппаратом работает следующим образом. В момент времени подается сигнал на подготовку торпедного аппарата к пуску. Микропроцессорный комплект МПК вырабатывает управляющий сигнал для открытия клапана К, чтобы заполнить торпедный отсек ТО водой. Об окончании заполнения ТО водой в момент времени сигнализирует датчик обратной связи ДОС, вырабатывая сигнал . После чего торпедный аппарат готов к пуску. После подтверждения пуска момент времени , МПК вырабатывает управляющий сигнал , который преобразуется усилителем У в сигнал в входе насоса Н. Насос создает давление , которое придает торпеде начальный импульс в момент времени .

Технические характеристики системы.

- перерегулирование: 30%;

- время подготовки к пуску: <60 с;

- время пуска: 5 c;

- общее время регулирования ЛСУ: <70 с;

- колебательность: < 2;

- запас устойчивости по амплитуде: >10 дБ;

- запас устойчивости по фазе: >30;

- пределы входной величины 0…5 В;

Система эксплуатируется в условиях повышенной влажности (до 100%), в широком диапазоне температур (-10C…+40C).



2. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

2.1 Микропроцессорный комплект

Для управления насосом и клапаном выберем микропроцессорная система на базе серии ADuC8xx.

Выбор микропроцессорного комплекта серии ADuC8xx обусловлен следующими причинами:

- наличие встроенных в микроконтроллер аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей;

- наличие развитой архитектуры;

- наличие развитой системы команд;

- возможность увеличения разрядности микропроцессора;

- наличие 6 восьми разрядных РОН, которые могут использоваться как регистровые пары;

- высокая надёжность и эксплуатационные характеристики.

Отличительной особенностью новейшего семейства микросхем серии ADuC8xx является сам их принцип построения. Эти микросхемы не являются «микроконтроллером со встроенными АЦП-ЦАП». Они представляют собой удачно скомбинированные АЦП и ЦАП со встроенным в них микроконтроллером и флэш-памятью. Поэтому их основным достоинством является высокая точность аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, удачно сочетаемая с возможностью непосредственной обработки получаемой информации.

Микроконтроллер представляет собой «стандартное» ядро с возможностью подключения основных средств ввода-вывода (карты VGA, ЖК-дисплеи, клавиатуры, принтера, НГМД) позволяет использовать модуль в системах с участием оператора. Процессор Am188ES/40 МГц, Статическое ОЗУ (SRAM) до 1024 кбайт, Флэш-память до 2048 кбайт, Порт ЖКИ (алфавитно-цифровой, графический) с источником питания для подсветки и с регулировкой контрастности, Порт PC и матричной клавиатуры 4x4, 5x4, 32-контактная розетка для установки DiskOnChip, микросхемы DS1216xx (календарь/часы/аккумулятор) или энергонезависимого ОЗУ 128 кбайт, Таймеры: 3 системных, 1 сторожевой, 2 канала DMA (до 5 Мбайт/с), Универсальный порт дискретного ввода-вывода -- 48 каналов, 2 последовательных изолированных порта COM1: RS-232/485, COM2: RS-232/422/485,изолированный удаленный сброс, зуммер.

Также микросхема дополнена двумя мониторами, один из которых следит за отсутствием «зависания» микроконтроллера, и в случае обнаружения оного вырабатывает сигнал сброса в начальное состояние, а второй следит за тем, чтобы напряжение источника питания не падало ниже определенного, задаваемого пользователем значения (от 2,6 до 4,6 В). Он позволяет в случае, близком к потере питания, сохранить содержимое внутренних регистров, запомнить свое состояние и возобновить работу только после восстановления питания.

Передаточная функция микропроцессорного комплекта:

.

2.2 Насос

Насос должен выдавать необходимое давление, для придания торпеде начального импульса. Необходимое давление составляет примерно 20 Мпа.

Под данные требование подходит плунжерный насос ПН-200К.

Технические характеристики насоса ПН-200К:

- полезная мощность - 147 кВт;

- наибольшее давление - 63 МПа;

- наибольшая идеальная подача - 240 м3/ч;

- КПД насоса - 0,85;

- масса - 3100 кг.

Насос ПН-200К снабжен электронным блоком управление, что позволяет осуществить его коммутацию с микропроцессорным комплектом без применения усилителя по напряжению.

Передаточная функция насоса имеет вид:

,

где -коэффициент передачи насоса, числено равный КПД насоса;

Т=1 - постоянная времени насоса (время разгона насоса).

.

2.3 Клапан

Применим клапан с электронным управлением 100ЕС.

Технические характеристики клапана:

- максимальное рабочее давление - 25 МПа;

- материал запорной арматуры - сталь.

Рисунок 2 - Диаграмма перепада давление

Передаточная функция клапана имеет вид:

,

где - характеризует соотношение величины входного сигнала к перемещению арматуры;

- характеризует время срабатывания клапана.

,

где - максимальное изменение расхода;

- максимальное изменение входного сигнала.

,

2.4 Торпедный отсек

Торпедный отсек представляет собой ресивер цилиндрической формы со следующими параметрами:

- объем - 2 м3.

Передаточная функция торпедного отсека:

,

где - передаточный коэффициент ресивера;

- характеризует время заполнения ресивера.

,

где - входное давление;

- удельный вес жидкости (воды) в ресивере;

- высота подъема жидкости в ресивере;

- выходное давление (ресивер только заполняется).

,

где - объем торпедного отсека;

- расход насоса.

.

2.5 Датчик обратной связи

Датчик обратной связи будет измерять давление в торпедном отсеке, и передавать его в микропроцессорный комплекс.

Применим преобразователь давления ПД-М. Технические характеристики преобразователя давления ПД-М.

Диапазоны измерений:

- абсолютное давление от 0,04 до 60 МПа;

- избыточное давление от 0,04 до 60 МПа;

- дифференциальное давление (1 кПа при предельном допускаемом рабочем избыточном давлении 0,3 МПа; от 6,3 кПа до 2,5 МПа при предельном допускаемом рабочем избыточном давлении до 25 МПа).

Предел допускаемой основной приведенной погрешности

Параметры электрического питания:

- напряжение постоянного тока от 18 до 32В;

- потребляемая мощность 3Вт по цепи питания и 0,3 Вт по цепи тестирования.

Выходные сигналы:

- постоянный ток от 4 до 20мА при сопротивлении нагрузки не более 500Ом;

- напряжение постоянного тока от 0 до 10 В при сопротивлении нагрузки от 2 до 100 кОм;

- цифровой сигнал по интерфейсу RS-485.

Коммутацию с микропроцессорным комплексом осуществим посредством цифрового интерфейса. Передаточная функция датчика обратной связи:

.



3 .РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ

3.1 Расчет общей передаточной функции системы

Рисунок 3 - Структурная схема локальной системы управления торпедным аппаратом

Общая передаточная функция имеет вид:

.

Переходная характеристика системы представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - График переходного процесса системы

Прямые оценки качества системы:

- время регулирования: ;

- установившееся значение: ;

- максимальное значение регулируемой величины: ;

- величина перерегулирования: ;

- время нарастания регулируемой величины: ;

- время первого согласования: .

Построим АЧХ, чтобы определить колебательность системы. График АЧХ представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Амплитудо-частотная характеристика системы

По графику АЧХ определим косвенные показатели качества:

- максимальная амплитуда - ;

- начальная амплитуда - ;

- резонансная частота - ;

- полоса пропускания - - , ;

- колебательность системы - .

3.2 Определение устойчивости и запасов устойчивости системы

Определим устойчивости системы по критерию Гурвица. Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все миноры определителя Гурвица были положительными. По коэффициентам характеристического уравнения составляются главный и частные определители Гурвица.

Запишем характеристический полином из передаточной функции системы:

.

Составим определитель Гурвица:

.

.

.

Согласно критерию Гурвица система устойчива.

ЛАЧХ и ЛФЧХ представлены на рисунке 5.

Рисунок 6 - ЛАЧХ и ЛФЧХ системы

По рисунку 6 определим запасы устойчивости системы.

Так как ЛАЧХ лежит на 0, то запасы устойчивости определить не представляется возможным, система нуждается в коррекции.

3.3 Определение устойчивости дискретной системы

Поскольку в системе присутствуют дискретные элементы, необходимо провести z-преобразование передаточной функции системы и по

z-изображению оценить устойчивость полученной системы.

Проведем Z-преобразование с помощью MATLAB и построим график импульсной переходной функции:

,

где и -разрядность аналого-цифрового и цифро-аналового преобразователей (в рамках курсовой работы примем ).

График дискретной системы приведен на рисунке 7. По этому графику можно определить прямые оценки качества системы.

Рисунок 7 - График переходного процесса дискретной системы

Прямые оценки качества системы:

- время регулирования: ;

- установившееся значение: ;

- максимальное значение регулируемой величины: ;

- величина перерегулирования: ;

- время нарастания регулируемой величины: .

Определим устойчивость полученной импульсной системы по критерию Шур-Кона. Данный критерий позволяет анализировать устойчивость дискретных и дискретно-непрерывных систем по характеристическому полиному замкнутой системы, записанному в форме Z-преобразования. В соответствии с критерием Шур-Кона система будет устойчивой, если определители для чётныхk и определители для нечётных k.

В рассматриваемой системе характеристический полином имеет вид:

.

Составим и рассчитаем определители Шур-Кона:

,

,

.

Согласно критерию устойчивости Шур-Кона система устойчива.



4. ПОСТРОЕНИЕ ЛАЧХ, ЛФЧХ СИСТЕМЫ И ИХ АНАЛИЗ

4.1 Z-преобразование разомкнутой системы

микропроцессорный локальный управление торпедный

Передаточная функция системы имеет вид:

.

Определим передаточную функцию разомкнутой системы, для этого разорвем главную обратную связь. Структурная схема системы представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структурная схема разомкнутой системы

Передаточная функция разомкнутой системы будет иметь вид:

.

Перейдем к дискретной передаточной функции, примем период дискретизации Т=0,05.

Дискретная передаточная функция имеет вид:

.

4.2 Переход к псевдочастоте, построение ЛАЧХ, ЛФЧХ

Для построения ЛАЧХ необходимо перейти к псевдо частоте, произведя ряд замен.

Заменим . Выражение примет вид:

.

Заменим , где- период дискретизации. Согласно теореме Котельникова: «для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала». Максимальной частотой обладает клапан

, тогда . Конечное выражение будет иметь вид:

.

Построим логарифмическую аплитудо-частотную характеристику:

.

График ЛАЧХ представлен на рисунке 9.

Рисунок 9-Логарифмическая амплитудо-частотная характеристика системы, построенная по псевдочастоте

Построим логарифмическую фазо-частотную характеристику:

.

График логарифмической фазо-частотной характеристики представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 - Логарифмическая фазо-частотная характеристика системы, построенная по псевдочастоте.

По графикам ЛАЧХ и ЛФЧХ определим запасы устойчивости системы.

ЛАЧХ пересекает 0 при частоте , запас устойчивости по фазе равен:

.

ЛФЧХ пересекает отметку , при частоте , запас устойчивости по амплитуде будет равен:

.

4.3 Построение ЖЛАЧХ

Для построения ЖЛАЧХ необходимы следующие исходные данные:

1. Максимальная допустимая ошибка = 1% (система относится к военной сфере, следовательно, предъявляются повышенные требования к точности).

2. Перерегулирование ?30 % (задано в техническом задании).

3. Время регулирования tр = 3,5 с (получено в ходе расчетов во 2-3 частях, удовлетворяет требования технического задания, следовательно, коррекция по скорости не требуется).

4. Колебательность (в ходе расчетов получено значение для колебательности , но так как для систем управления оптимальными значениями колебательности являются значения, попадающие в интервал , то следует скорректировать колебательность до значения 1,1).

По номограмме Солодовникова (рисунок 11) определим частоту среза при заданных характеристиках системы.

Рисунок 11 - Номограмма Солодовникова

Для значения перерегулирования ?30 % выражения для расчета частоты среза будет иметь следующий вид:

;

.

ЖЛАЧХ для дискретных систем строится методом запретной зоны. Для построения запретной зоны находим координаты рабочей точки, через которую будет проходить граница запретной зоны.

Входным сигналом системы будет являться цифровой П-образный сигнал уровня логической единицы, поступающий на МПК. Соответственно, скорость изменения входного сигнала будет равна скорости опроса МПК входных портов. Зададим время цикла программы равным . Тогда скорость изменения входного сигнала будет равен:

,

где - уровень сигнала (логическая единица);

- время опроса входных портов.

Ускорение изменения входного сигнала будет равно:

.

Значение частоты рабочей точки определяется по формуле:

,

Найдем значение амплитуды контрольной точки:

.

.

Координаты контрольной точки: (20; 0,1).

Точка А(20; 0,1) является рабочей точкой для построения запретной зоны. Проводим через рабочую точку прямую с наклоном минус 20 дБ/дек. Зона находящаяся ниже построенной прямой является запретной и построение ЖЛАЧХ в этой зоне запрещено.

Определим границы среднечастотной области.

Нижняя граница: .

Верхняя граница: .

График ЖЛАЧХ представлен на рисунке 12

1 -ЛАЧХ системы; 2 - ЖЛАЧХ системы; 3 - линия с наклоном -20 дБ/дек, ниже которой находится запретная зона

Рисунок 12 - График ЖЛАЧХ

Коррекции производится по точности, следовательно, нужно рассматривать среднечастотный диапазон, в нем ЖЛАЧХ не пересекает запретную зону - дополнительная коррекция не требуется.

По графику ЖЛАЧХ определим передаточную функцию. Передаточная функция ЖЛАЧХ имеет вид:

,

где ;

;

;

.

Передаточная функция примет вид:

.



5. СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ЗВЕНА

5.1 Построение ЛАЧХ корректирующего устройства

Коррекция динамических свойств ЛСУ осуществляется для выполнения требований по точности, устойчивости и качеству переходных процессов.

Коррекция применяется также как средство обеспечения устойчивости неустойчивой системы или расширения области устойчивости, а также повышения качества переходного процесса.

Осуществляется коррекция с помощью введения в систему специальных корректирующих звеньев с особо подобранной передаточной функцией. Принципиально корректирующие звенья могут включаться либо последовательно с основными звеньями САУ, либо параллельно им (существуют и комбинированные способы включения). Соответственно, по способу включения в систему корректирующие звенья делятся на последовательные и параллельные.

Для обеспечения необходимой точности в разомкнутую цепь необходимо последовательно включить корректирующее устройство, т.е. необходимо произвести синтез последовательного корректирующего устройства. Для построения последовательно корректирующего устройства по ЛАЧХ, необходимо из ЛАЧХ исходной системы вычесть желаемую ЛАЧХ,

.

Построим ЛАЧХ корректирующего устройства. График ЛАЧХ корректирующего устройства представлен на рисунке 13.

По графику ЛАЧХ корректирующего устройства можно определить его передаточную функцию. Передаточная функция корректирующего устройства будет иметь вид:

,

где ;

;

- коэффициент усиления корректирующего устройства ( - коэффициент усиления ЖЛАЧХ; - коэффициент усиления исходной системы).

Передаточная функция корректирующего устройства примет вид:

.

1 - ЛАЧХ исходной системы; 2 - ЖЛАЧХ системы; 3 - ЛАЧХ КУ

Рисунок 13 - График ЛАЧХ корректирующего устройства

5.2 Расчет аналогового корректирующего устройства

Реализуем корректирующее устройство в виде электрической цепи, элементы и номиналы элементов подберем с помощью справочника Ю.А. Топчеева. Элементы будут подобраны по ЛАЧХ КУ.

Корректирующее устройство состоит из 2-х звеньев:.

Первое звено представляет собой устройство, принципиальная электрическая схема которого представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Принципиальная электрическая схема корректирующего устройства

Передаточная функция корректирующего устройства имеет вид:

Определим номиналы элементов.

Пусть , тогда .

1

Выберем номиналы емкостей из предпочтительного ряда. Пусть , а .

, тогда, выберем номинал из предпочтительного ряда: .

, тогда , выберем номинал из предпочтительного ряда: .

Второе звено представляет собой электронный усилитель с коэффициентом усиления .

Общий вид принципиальной электрической схемы представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 - Принципиальная электрическая схема корректирующего устройства

5.3 Расчет программного корректирующего устройства

Последовательные корректирующие устройства получили широкое распространение в САУ, за счет того, что они позволяют корректировать точность работы системы.

Но так как в САУ изначально присутствует микропроцессорное устройство, то применение аналогового корректирующего устройства экономически нецелесообразнее, так как добавляются новые элементы. Одним из достоинств программной коррекции является точное выполнение зависимостей корректирующего устройства, тогда как для аналоговых корректирующих устройств трудно добиться точности, так как трудно точноподобрать номинал элементов в соответствии с расчетным. Поэтому целесообразнее написать программу коррекции для МП.

Для реализации выражения в виде программы МПС необходимо коэффициенты при входных и выходных сигналах записать в ПЗУ. При включении МПС происходит чтение выходного Y и входного Х сигналов за два и два такта машинного времени соответственно. Имея постоянные коэффициенты и, входные и выходные сигналы программа вычисляет выходную величину Y в k-ый такт машинного времени. После чего программа выдаёт корректирующий сигнал на выходной порт МПС. Далее программа считывает новые значения Yk-1 и Xk-1 и опять формирует корректирующий сигнал.

Для синтеза программного корректирующего устройства рассчитаем дискретную передаточную функцию:

Представим разностное уравнение в виде:

.

Для разностного уравнения корректирующего устройства составим блок-схему возможной процедуры коррекции (рисунок 16).

Рисунок 16 - Блок-схема программного корректирующего устройства

Ниже приведена процедура коррекции для микропроцессора, написанная на языке Assembler.

;Расчет разностного уравнения

;.

;х - входной сигнал

;у - выходной сигнал

i_portEQU 11h; номер порта для чтения

o_portEQU 12h; номер порта для записи

А1 EQU -1;

A2 EQU ;

А3 EQU ;

B1 EQU;

B2 EQU;

B3EQU;

x1, x2,x3 DB 0

; выделение памяти под переменные xk-1, xk-2, xk-3

у1,у2, y3DB 0

; выделение памяти под переменные yk-1,yk-2,yk-3

;вычисляем значение выражения

у(k)=A1*x1+A2*x2+ A3*x3 +B1*y1+B2*y2+ B3*y3

start: ;метка начала цикла коррекции

inal,i_port ;чтение данных из порта

moval,Al; пересылка слагаемого А1 в регистр al

mulal,x1; умножение А1 на х1

movbl,al; пересылка результата в регистр bl

moval,A2; пересылка слагаемого А2 в регистр al

mulal,x2; умножение А2 на х2

addbl,al; прибавление к предыдущему результату

moval,A3; пересылка слагаемого А3 в регистр al

mulal,x3; умножение А3 на х3

addbl,al; прибавление к предыдущему результату

moval,y1; пересылка слагаемогоВ1 в регистр al

mulal,B1; умножение В1 на y1

addb1,a1; прибавление к предыдущему результату

moval,y2; пересылка слагаемогоВ2 в регистр al

mulal,B2 ; умножение В2 на y2

addb1,a1; прибавление к предыдущему результату

moval,y3; пересылка слагаемогоВ3 в регистр al

mulal,B3; умножение В3 на y3

addb1,a1; прибавление к предыдущему результату

mov y1,b1

mov y2,y1

mov y3,y2

movx1, x

movx2, x1

movx3, x2

outo_port, bl; вывод управляющего сигнала из bl

jmpstart; зацикливание на начало программы



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте был предложен вариант реализации локальной системы управления торпедным аппаратом. Для данной системы были построены реальные логарифмические характеристики и желаемые. Первоначальная не скорректированная система удовлетворяла требованиям к качеству управления. Для улучшения точности управления была произведена последовательная коррекция. Был осуществлен подбор аналогового корректирующего устройства, которое сравнивалось с программной коррекцией. Но так как в САУ изначально присутствует микропроцессорное устройство, то применение аналогового корректирующего устройства экономически нецелесообразнее. Таким образом, можно сделать вывод, что спроектированная ЛСАУ торпедным аппаратом отвечает требованиям технического задания.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бесекерский В. А., Елисеев А. А., Небылов А. В. и др. Радиоавтоматика. - М.: Высшая школа, 1987. - 271 с.

2. Бушуев С.Д., Михайлов В.С. Автоматика и автоматизация производственных процессов. М.: Высшая школа, 1990. - 320с.

3. Клюев А. С. Автоматическое регулирование. - М.: Энергия, 1973. - 392 с.

4. Солодовников В. В. Техническая кибернетика. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Книга 2. - М.: Машиностроение, 1975, - 687 с.

5. Староверов А.Г. Основы автоматизации производства. М.: Машиностроение, 1989. - 467с.

6. Топчеев В.К. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1989. - 755с.

7. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. М.: Энергия, 1969. - 640с.

8.Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы /справочник/ под редакцией Б. Д. Кошарского Л.: Машиностроение, 1976.

9.Квиттнер П. Ф. Задачи, программы, вычисления, результаты. М.: Мир, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...