Курсовая работа по теории автоматического управления. Расчет и моделирование системы управления электромеханическим приводом степени подвижности манипуляционного ро - файл n1.doc

Курсовая работа по теории автоматического управления. Расчет и моделирование системы управления электромеханическим приводом степени подвижности манипуляционного ро
Скачать все файлы (1484 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc1484kb.15.02.2014 18:26скачать

n1.doc

Федеральное Агентство по Образованию

Тверской Государственный Технический Университет

Кафедра АТП


Курсовая работа по Теории Автоматического Управления
РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА

Выполнил студент

группы АТПП-0601:

Егоров Александр
Проверил:

Калиниченко В. С.

Тверь, 2009 г.

СХЕМА V. РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ СТЕПЕНИ ПОДВИЖНОСТИ МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА

Электропривод современного промышленного робота (ПР) представляет собой комплекс приводов, каждый из которых управляет определенной степенью подвижности робота. Общая функциональная схема электропривода робота с 6-ю степенями подвижности (роботы «Кука», «Сфера», РПМ-25 и др.) может быт представлена в виде:


Все шесть электроприводов (ЭП1-ЭП6) управляются от вычислительного комплекса, который решает траекторные задачи движения робота и выдает управляющие сигналы на цифровые (или аналоговые) регуляторы положения (ЦРП1 - ЦРП6) отдельных приводов. Регуляторы положения управляют сервоприводами (СП1 - СПб) в соответствии с сигналами от ЦВМ и датчиков положения (угла). Функциональная схема электропривода (ЭП) представляет собой трехконтурную систему подчиненного регулирования. Первый контур образован исполнительным элементом (двигателем) (Д) с преобразователем (УМ, ПР) и регулятором тока (РТ). Во второй контур входят, кроме того, датчик скорости (ДС) и регулятор скорости (PC). В третий контур дополнительно входят датчик положения / угла (ДП) и регулятор положения (ЦРП).

В качестве регуляторов тока и скорости используются чаще всего аналоговые операционные усилители, с помощью которых формируется требуемый закон управления. Датчик скорости может быть как аналоговым, так и цифровым.

Существуют различные варианта построения трехконтурных систем регулирования, т.е. различные контуры могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

В курсовой работе требуется рассчитать параметры законов регулирования контуров сервопривода, обеспечивающие заданные динамические показатели качества.

Структурная схема системы приведена на рис. 5.2. Передаточные функции элементов, значения параметров, тип двигателя даны в табл. 5.

В линеаризованной модели системы не учитываются динамические свойства механической передачи, нелинейности типа «зона нечувствительности» двигателя, «насыщение» преобразователя и усилителя и «люфт» механических передач.

Структурная схема двигателя постоянного тока представлена в виде блоков, описывающих электрические (RЯ, LЯ), механические (Jд.пр) свойства двигателя и блока обратной связи с коэффициентом KWl который учитывает влияние изменения момента нагрузки на валу двигателя на изменение тока якоря. Момент инерции Jд.пр. учитывает момент инерции нагрузки, приведенный к оси ротора двигателя (Jд.пр.=Jд + JN / i2). Через MN рис. 5.2 обозначен внешний статический момент нагрузки.


Исходные данные для расчета системы управления по схеме V.





Обозначения в таблице:

?N -угол поворота степени подвижности MP;

?N.ном -угловая скорость поворота выходного вала (нагрузки);

SK - угловая скорость двигателя;

JN - момент инерции нагрузки;

Задание:

1) Произвести расчет параметров схемы для заданного двигателя и нагрузки по формулам и паспортным данным, приведенным в приложениях 1 и 2;

2) Рассчитать параметры законов регулирования, используя для этого критерий устойчивости Найквеста и построение ЛАЧХ и ЛФЧХ контуров регулирования;

3) Оптимизировать параметры, используя пакет моделирования ПДС;

4) Исследовать систему на предмет возможности появления автоколебаний при введении в схему нелинейностей типа ограничения и зоны нечувствительности (методы: гармоническая линеаризация НЭ и моделирование).

Все расчеты, преобразования структурных схем, построения ЛАЧХ и ЛФЧХ, результаты моделирования, привести в пояснительной записке;

5) Разработать функциональную схему, выбрать элементы следящего привода.
Выполнение задания
1) Расчет параметров схемы.

а) Передаточное отношение редуктора ;

б) Приведенный момент инерции двигателя:

[кг-м2];

в) Номинальный момент двигателя ;

г) Коэффициент момента двигателя:

;

д) Коэффициент противо-ЭДС двигателя:

;

в) ,

где ? =0.5 (0.25ч0.6),

р = 1 - число пар полюсов двигателя,

п = 6000 - скорость вращения двигателя в оборотах/мин.
2) Определение передаточной функции двигателя по угловой скорости ?ДВ(S) и эквивалентных постоянных:

;

;

;

3) Исследование контура регулирования тока

Для этого узел МД на схеме переносится в точку SK, тогда в обратной связи контура появится звено JПР S:



Строятся ЛАЧХ и ЛФЧХ этого разомкнутого контура. Проверяется устойчивость этого замкнутого контура по критерию Найквеста. Если необходимо, изменяется коэффициент K1 для обеспечения требуемых запасов устойчивости по амплитуде и фазе.

Строятся ЛАЧХ и ЛФЧХ замкнутого контура. При этом используются приближенные соотношения:











?L = 83.36 Дб;

?? = 180 о;

По ЛАХ и ФЧХ разомкнутого контура регулирования тока видим, что K1 практически не влияет на устойчивость, поэтому выберем его таким,чтобы:

ууст = K1·K2/K? = 1;

K1 = K? =0.0334;
Теперь при построении ЛАЧХ замкнутого контура воспользуемся упрощениями:

;;



?L = 8.738 Дб;

?? = 180 о;

ЛАХ и ФЧХ замкнутого контура регулирования тока в определении устойчивости системы роли не играет.


tп.пр.=0.0312 с, при ? =1%;

? = 0.61%;

4) Исследование контура регулирование скорости

Рассмотрим контур регулирования скорости аналогично контуру регулирования тока.


;



;


?L = 23.28 Дб;

?? = 71.82 о;

По ЛАХ и ФЧХ разомкнутого контура регулирования скорости выбираем Kr и Tiz таким образом, чтобы система была устойчива по логарифмическому критерию Найквиста, но частота среза была смещена к границе устойчивости. Это значительно уменьшить время переходного процесса tп.пр., в то время как перерегулирование остаётся равным нулю.

Kr = 1; Tiz = 0.0002;



ууст = 1/KS =1000;

tп.пр.= 0.494 с, при ? =1%;

? = 0%;
Преобразованная передаточная функция замкнутого контура регулирования скорости имеет вид:

;

Теперь при построении ЛАЧХ замкнутого контура воспользуемся упрощениями:

;

;



По логарифмическому критерию Найквиста замкнутый контур регулирования скорости как часть общей системы неустойчив, но в целом это не влияет на общую устойчивость.
5) Исследование контура регулирования положения



Выбором коэффициента усиления КU добиваются требуемых запасов устойчивости и показателей качества всей системы.





;



?L = 20.57 Дб;

?? = 67.18 о;

ЛАХ и ФЧХ разомкнутого контура регулирования скорости выбираем KU таким образом, чтобы система была устойчива по логарифмическому критерию Найквиста, но частота среза была смещена к границе устойчивости. Это значительно уменьшить время переходного процесса tп.пр., в то время как перерегулирование остаётся равным нулю.

Ku=15.4;



ууст = 1; ? = 0.959%;

tп.пр.= 0.940 с, при ? =1%;

6) Исследование чувствительности процесса к изменению KU, Kr и Tiz:

a) Влияние KU на переходный процесс в системе:


ууст = 1;

tп.пр.= 1.872 с, при ? =1%;

? = 34.80%;


Увеличение KU приводит к повышению колебательности системы и увеличивает её перерегулирование.


ууст = 1;

tп.пр.= 28.29 с, при ? =1%;

? = 0%;





Уменьшение KU приводит к тому что перерегулирование становится равным нулю, но при этом затягивает переходный процесс (увеличивает время переходного процесса tп.пр.).
б) Влияние Kr на переходный процесс в системе:


ууст = 1;

tп.пр.= 4.134 с, при ? =1%;

? = 2.76%;





Увеличение Kr приближает систему к границе устойчивости, тем самым многократно повышая колебательность системы, и немного увеличивает перерегулирование системы, а также затягивает переходный процесс.


ууст = 1;

tп.пр.= 17.96 с, при ? =1%;

? = 50.09%;





Уменьшение Kr приводит к значительному увеличению перерегулирования и времени переходного процесса, а также повышает колебательность системы.
в) Влияние Tiz на переходный процесс в системе:


ууст = 1;

tп.пр.= 17.97 с, при ? =1%;

? = 49.93%;





Увеличение Tiz приводит к значительному увеличению перерегулирования и времени переходного процесса, а также повышает колебательность системы.



ууст = 1;

tп.пр.= 4.57 с, при ? =1%;

? = 3.45%;





Уменьшение Tiz приближает систему к границе устойчивости, тем самым многократно повышая колебательность системы, и немного увеличивает перерегулирование системы, а также затягивает переходный процесс.

7) Исследование влияния внешнего момента нагрузки на переходный процесс в системе управления:



ууст = 1;

tп.пр.= 1.72 с, при ? =1%;

? = 2.19%;





Внешний момент нагрузки создает отрицательный участок в переходном процессе системы, а также увеличивает длительность этого процесса.
8) Исследование системы на предмет возможности появления автоколебаний при введении в схему нелинейностей типа ограничения и зоны нечувствительности (методы: гармоническая линеаризация НЭ и моделирование).

При введении нелинейного элемента данного типа переходный процесс становится не плавным, а ломанной линией, это связано с тем что нелинейный элемент находится в системе непосредственно перед интегрирующем звеном и главной обратной связью.

Автоколебания в системе возникают при соотношении

Величинe b и с выбираем с условием .

Кроме этого, надо отметить, что в системе появляется запаздывание ?, которое зависит от величины зоны нечувствительности b.



Ак= 0.0817;

?к= 11.87;

? = 0.029;


Теперь подбираем b и с так, чтобы ? = 0% и .




ууст = 1;

tп.пр.= 0.891 с, при ? =1%;

? = 0%;

? = 0.064 с;



ууст = 1;

tп.пр.= 0.891 с, при ? =1%;

? = 0%;

? = 0 с;
Внешний момент нагрузки в НСАУ убирает запаздывание ?, но появляется дополнительная «ступенька»:

y = 0.335, при 0.277< t < 0.340;

Исследование системы на предмет возможности появления автоколебаний методом гармонической линеаризации:

Чтобы упростить аналитическое исследование, по части ЛФЧХ разомкнутого контура регулирования по положению (0.1 < ? < 100), получим упрощённую передаточную функцию 3его порядка:

, где K = 2.45 ; T1 = 0.205 ; T2 = 0.025 ;

Характеристическое уравнение замкнутой НСАУ:

1+WЛ∙q(AK)=0



=>



Выделим из этого уравнения действительную и мнимую часть:





Из уравнения мнимой части получим частоту автоколебаний:



Далее подставим полученное выражение для частоты в уравнение действительной части:

=>=> =>=> =>

=>



=>

=> или

Расхождение в полученных опытным путём и аналитически ?K и AK (соотношения c/b) можно объяснить введёнными для аналитических расчётов упрощениями системы.

9) Рассмотрим САУ с цифровым элементом.

Для подачи цифрового сигнала введём на вход САУ экстраполятор нулевого порядка.

САУ устойчива при периоде квантования Т0 < 1.136 c



ууст = 1;

tп.пр.= 4.73 с, при ? =1%;

? = 38.66%;


Введение экстраполятора приводит к увеличению колебательности, перерегулирования и времени переходного процесса.
НСАУ устойчива при периоде квантования Т0 < 0,322 c


ууст = 1.162;

tп.пр.= 1.024 с, при ? =1%;

? = 0%;

? = 0.064 с;


Введение экстраполятора затягивает переходный процесс и увеличивает его установившееся значение.

9.) Подбор электрических схем регуляторов и их элементов.

А-регулятор

В соответствии с рисунком, передаточная функция А-регулятора



;

ZВХ (р) = R1;

,

где Тф = RocCoc

k = Roc/R1
Подбор элементов регулятора тока:

T1=0,002; K1 = 0.0334;

Coc = 200 мкФ

Roc =10 Ом

R1 = 300 Ом
Подбор элементов регулятора положения:

T1=0,01; Ku=15.4;

Coc = 100 мкФ

Roc =100 Ом

R1 = 6.5 Ом
ПИ-регулятор

В соответствии с рисунком, передаточная функция ПИ-регулятора





где Тиз = RocCoc – изодромная постоянная времени;

k = Roc/R1
Подбор элементов регулятора скорости:

Kr = 1; Tiz = 0.0002;

Coc = 200 мкФ

Roc =1 Ом

R1 = 1 Ом

10.) Принципиальные схемы регуляторов
Принципиальная схема регулятора скорости вращения двигателя постоянного тока


Принципиальная схема регулятора хода двигателя постоянного тока



Устройство рассчитано на работу с двигателями постоянного тока мощностью до 50 Вт при напряжении питания выходного каскада 7—27 В. Суммарное падение напряжения на выходных транзисторах при полной нагрузке не превышает 1,3—1,5 В.
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации