Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра АТС

Курсовая работа

по дисциплине «Теория автоматического управления»

Выполнил: студент

Проверил: Коуров Г.Н.

Уфа - 2004

Содержание

Введение

1. Задание

2. Анализ исходных данных

3. Анализ процесса резания как ОУ

4. Разработка структурной схемы САР

5. Анализ устойчивости некорректированной САР

6. Синтез САР с заданными показателями качества

7. Анализ качества САР

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Теория автоматического управления и регулирования - наука, которая изучает процессы управления, методы их исследования и основы проектирования автоматических систем, работающих по замкнутому циклу, в любой области техники.

Целью данной работы является проектирование системы автоматического регулирования (САР) температуры в зоне резания. Данная САР должна поддерживать температуру в области резания на заданном уровне с определенной точностью и отвечать требованиям точности и быстродействия. Для анализа и синтеза САР в данной работе применен метод логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ). Данный метод является наиболее удобным благодаря простоте, наглядности и точности.

1. Задание

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

, (1).

Колебание напряжения в сети может вызывать отклонение расчетных значений скорости вращения шпинделя и скорости вращения двигателя механизма подачи на () заданного расчетного значения, в результате чего температура в зоне резания может отклоняться от расчетной. Кроме того, изменение величины припуска в пределах так же может вызывать отклонение температуры в зоне резания. Для поддержания температуры в зоне резания на уровне с заданной точностью изменяем V, регулируя скорость вращения двигателя шпинделя , при неизменном задании , однако при этом величина S колеблется из-за напряжения сети на () заданного.

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

Исходные данные

№ вар.	Режим резания	Условие резания	Допуск на температуру резания -
	, м/мм	, мм/об	, мм	, мм
10	45	0,11	1,7	1,3

Двигатель 2ПН180LУХЛ4:

мощность, кВт - 10

напряжение, В - 220

частота вращения, об/мин номинальная - 1000

максимальная - 3000

КПД, % - 82,5

сопротивление обмотки при 15 ⁰С, Ом якоря - 0,168

добавочных полюсов - 0,11

возбуждения - 72,5/20,1

индуктивность цепи якоря, мГн - 5,6

ПЭ: звено 1 с

звено 2 с

ДУ: с

ПУ: с

2. Анализ исходных данных

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



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Функциональная схема системы автоматического регулирования (САР) выходной координаты

САР регулирует выходную координату процесса резания с заданной точностью. Процесс резания на схеме обозначен функциональным блоком ПР, управляющая координата ПР обозначена - , возмущающее воздействие - . ПУ - передаточное устройство, это механическая система, преобразующая механическую энергию вала двигателя в механическую энергию управляющего воздействия процесса резания. ПУ является линейным звеном. С точки зрения динамики является апериодическим звеном первого порядка с постоянной времени . 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.

ПЭ - преобразователь электрической энергии, 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 электрической 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 и .

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

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

БЗ - блок задания. Блоком задания задается напряжение , его величина определяет величину задания выходной координаты САР. БЗ содержит в себе источник стабилизированного напряжения и резистор R3. В.

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

С - сумматор на базе операционного усилителя и на резисторах R1, R2, R3. Является безынерционным звеном с коэффициентом передачи равным 1. Суммирование осуществляется по алгоритму .

Функциональная схема САР представлена на рис.2:

Рис. 2 Функциональная схема САР

По алгоритму функционирования данная САР является следящей. В ней выходная величина - температура в области резания - регулируется с заданной точностью при изменении напряжения на входе, т.е. система управляет выходной координатой. На вход системы подается напряжение , соответствующее заданной температуре в области резания. Это напряжение сравнивается с напряжением , поступающим с датчика обратной связи - например, естественной термопары. Если существует ненулевая разница этих напряжений - ошибка регулирования , то она с соответствующим знаком поступает на КУ, УС, ПЭ. ПЭ таким образом меняет напряжение на своем выходе, чтобы свести ошибку регулирования путем изменения скорости вращения двигателя к минимуму или нулю. Если на систему действуют возмущения, то система с обратной связью будет компенсировать эти возмущения, поддерживая температуру в области резания постоянной.

3. Анализ процесса резания как ОУ

Анализ процесса резания как объекта управления осуществляется в несколько этапов.

Определение состава выходных координат ОУ. В качестве выходной координаты можно принять температуру в зоне резания, параметры стружки, силу резания, износ инструмента, уровень шероховатости обработанной поверхности и т.д.

Выбор выходной координаты, количественно определяющей качество хода ПР. В качестве выходной координаты примем температуру в зоне резания, т.к. при оптимальной температуре резания происходит минимальный износ инструмента, что обеспечивает высокое качество ПР.

Выполнение математического описания ОУ. Уравнение , (1) определяет связь между выходной координатой и воздействиями , , .

Определение ограничений, в условии которых должен производиться ПР. Таким ограничением является скорость, которая может регулироваться только вниз от номинальной, т.е. уменьшаем входную координату ПР.

Определение состава управляющих координат. На ОУ оказывают влияние скорость резания , глубина резания , подача .

Выбор управляющей координаты, оказывающей самое эффективное воздействие на выходную координату. Из уравнения (1) следует, что эффективнее всего на температуру воздействует скорость резания (0,384>0,132>0,098), поэтому - управляющая координата.

Определение состава возмущений. Изменение величины припуска в пределах вызывает отклонение температуры в зоне резания. Величина так же является возмущением, т.к. она колеблется из-за напряжения сети на () заданного.

Определение диапазона изменения возмущений.

изменяется в пределах от 1,3 до 1,7 мм, т.е. мм. колеблется на () заданного, т.е. изменяется в пределах от 0,0825 до 0,1375 мм/об, поэтому мм/об.

Определение отклонения выходной координаты при совместном действии возмущений. Температура в зоне резания изменяется в следующих пределах:

,

,

,

4. Разработка структурной схемы САР

Найдем передаточные функции для элементов схемы.

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

,

где

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

,

где и

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

,

где и

Двигатель (Д)

Электрический двигатель состоит из двух частей: электрической и механической. регулирование температура режущий устойчивость

А

кг*м²

рад/с

В*с/рад

Н*м

Н*м/А

Процесс резания (ПР). Описывается уравнением , .

мм

,(2)

Линеаризуем эту зависимость. Составим уравнение касательной к уравнению (2) в точке м/мин, которое имеет вид:

,

где

,

Линеаризовав, получили уравнение касательной ,, где - тангенс угла наклона касательной в рабочей точке, - отклонение касательной от начала координат.

, м/мин

Усилитель (УС). Является безынерционным звеном, его передаточную функцию находим из условия:

,

где находим из условия: ,

где и

5. Анализ устойчивости нескорректированной САР

Построим ЛАХ и ЛФХ разомкнутой системы.

ЛАХ имеет вид:

ЛФХ имеет вид:



При анализе построенных ЛАХ и ЛФХ видим, что нескорректированная система является неустойчивой, так как ЛФХ пересекает раньше, чем ЛАХ пересекает 0 (логарифмический критерий устойчивости). Поэтому необходима коррекция САР путем введения корректирующего устройства.

6. Синтез САР с заданными показателями качества

В качестве корректирующего устройства принимаем интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией вида:

Принимаем

Тогда ЛАХ скорректированной системы будет иметь вид:



А ЛФХ скорректированной системы будет иметь вид:

Из графиков видно, что скорректированная САР является устойчивой. Система имеет запасы устойчивости по фазе , по модулю дб, что удовлетворяет заданным параметрам качества.

Произведем реализацию корректирующего устройства. Схема корректирующего звена имеет следующий вид:

и

Примем мкФ, а мкФ

кОм

кОм

7. Анализ качества САР

Сделаем анализ переходных процессов разомкнутой и замкнутой САР.

Разомкнутая САР.

1. Переходной процесс выходной координаты при изменении управляющего воздействия от 5 до 10 В:

2. Переходной процесс выходной координаты при изменении возмущения от 1,3 до 1,7 при управляющем воздействии 5 В:

Замкнутая САР.

1. Переходной процесс выходной координаты при изменении управляющего воздействия от 5 до 10 В:



2. Переходной процесс выходной координаты при изменении возмущения от 1,3 до 1,7 при управляющем воздействии 5 В:

Время переходного процесса с, перерегулирование .

Графики переходных процессов наглядно показывают, что спроектированная САР удовлетворяет всем требованиям точности и быстродействия.

Заключение

В данной работе была спроектирована САР температуры в зоне резания. Система удовлетворяет всем требуемым параметрам. Использованный в проектировании метод логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) удобен благодаря своей простоте, наглядности и точности, что позволило сравнительно легко провести анализ и синтез САР.

Список использованной литературы

1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматического управления» - СПб: Профессия, 2003.

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

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

4. Справочник технолога-машиностроителя./ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. Т.2. - М.: Машиностроение. 1985.

5. Справочник по электрическим машинам. В 2 т. Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клюкова. Т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...