Система автоматического регулирования поворотом рабочего органа робота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система автоматического регулирования поворотом рабочего органа робота



Оглавление

Введение

1. Конструктивная схема заданной САУ с исходными данными

2. Функциональная схема САУ

3. Составление дифференциальных уравнений и вывод передаточных функций всех элементов

4. Структурная схема (модель) САУ

5. Реализация структурной схемы САУ на ЭВМ

6. Определение устойчивости заданной САУ

7. Настройка чувствительности и определение основных показателей качества работы САУ

8. Синтез САУ с учетом дополнительных условий и ее анализ

Выводы

Список литературы



Введение

Совершенствование технологии и повышение производительности труда относятся к важнейшим задачам технического прогресса. Эффективное решение этих задач возможно при внедрении систем автоматического регулирования и управления как отдельными объектами и процессами, так и производством в целом.

Поэтому изучение основ автоматического регулирования и управления предусматривается в настоящее время при подготовке студентов практически всех инженерных специальностей.

В результате изучения дисциплины «Теория систем автоматического регулирования» студент должен уметь анализировать производственный процесс с целью его автоматизации, определения управляемых и управляющих параметров, выбора отдельных элементов и устройств системы автоматического управления (САУ) объектом. Умение разделять САУ на основные функциональные элементы и составлять функциональные и структурные схемы способствует ясности представлений о физических процессах, происходящих в системе, и имеет большое значение для дальнейшего исследования и расчета систем.

Целью работы по дисциплине «Теория систем автоматического регулирования» является закрепление теоретических знаний и овладение навыками анализа и синтеза систем автоматического управления объектами на примере металлорежущих станков и промышленных роботов. При выполнении курсовой работы приобретается опыт разработки и расчета САУ производственными процессами и отдельными объектами в машиностроении.



1. Конструктивная схема заданной САУ с исходными данными

САУ предназначена для управления углом поворота рабочего органа робота с требуемой точностью.

Рисунок 1:

САУ поворотом рабочего органа 1 робота (например, сварочного робота) состоит из гидродвигателя 2, гидравлического усилителя 3 и электрической части.

Функции гидравлического усилителя 3 выполняет четырехкромочный золотник, с плунжером которого взаимодействует шестерня 4, зацепляющаяся с шестерней 5 гидродвигателя 2.

Управляющий двигатель-задатчик 6 подключен к выходу усилителя 7 и на его валу имеется резьба, с помощью которого он связан с шестерней 4.

В САУ входят также преобразователь угла 8 и сравнивающее устройство 9. При работе САУ на вход сравнивающего устройства 9 поступает сигнал в виде напряжения UЗ, вырабатываемый устройством управления по команде от ЭВМ. Устройство сравнения 9 вырабатывает сигнал ошибки:

U = UЗ - UО

Где:

UО - напряжение преобразователя угла 8.

Сигнал ошибки через усилитель 7 вызывает вращение двигателя 6.

В исходном состоянии гидроусилитель (четырехкромочный золотник) находится в нейтральном положении и гидродвигатель 2 не вращается. Поворот выходного вала двигателя 6 вызовет перемещение шестерни 4 в осевом направлении и смещение плунжера золотника 3 из нейтрального положения. Гидродвигатель 2 приходит в движение, поворачивая рабочий орган 1, шестерню 5 и входной вал преобразователя угла 8. Поворот шестерни 5 вызывает вращение шестерни 4 и перемещение ее вместе с подпружиненным плунжером золотника 3 по винту двигателя 6 в сторону восстановления равновесия. Поворот вала преобразователя угла 8 вызывает изменение напряжения UО так, что ошибка с выхода сравнивающего устройства 9 уменьшается. Таким образом, рабочий орган 1 будет поворачиваться до тех пор, пока не займет требуемого положения. Значения данных приведены в таблице.

Таблица - Исходные данные:



2. Функциональная схема САУ

Рисунок 2. - Функциональная схема САУ:

Где:

У - Электронный усилитель;

Д - Электродвигатель постоянного тока;

ГУ - Гидроусилитель золотникового типа;

ГД - Гидродвигатель;

Р - Механический редуктор;

ПУ - Преобразователь углового перемещения.

3. Составление дифференциальных уравнений и вывод передаточных функций всех элементов

Выделение типовых динамических звеньев.

Электронный усилитель:

Где:

ТЭУ - постоянная времени электронного усилителя, с.;

UВЫХ - выходное напряжение, В;

UВХ - входное напряжение, В;

КЭУ - коэффициент усиления.

Электродвигатель постоянного тока:

Где:

ТЯ - электромагнитная постоянная времени якоря, с.;

ТМ - электромеханическая постоянная двигателя, с.;

w - угловая скорость, с-1;

KД - коэффициент передачи электродвигателя, 1/сВ;

UД - напряжение якоря, В.

- колебательное звено.

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.

Рассчитываем:

-апериодическое звено.

Гидродвигатель:

Где:

ТГД - постоянная времени гидродвигателя, с.;

w - выходная угловая скорость гидродвигателя, с-1;

KГД - коэффициент передачи гидродвигателя, 1/мм²;

Q - входной расход рабочей жидкости, м³.

Получаем:

- апериодическое звено.

Преобразователь углового перемещения:

Где:

UВЫХ - выходное напряжение преобразователя, В;

Кn - коэффициент передачи, В/рад;

ВХ - входной угол поворота, рад.

Находим:

- усилительное звено.

Механический редуктор:

Где:

wВЫХ, aВЫХ - соответственно угловая скорость и угол поворота выходного звена редуктора;

wВХ, aВХ - соответственно угловая скорость и угол поворота входного звена редуктора;

КР - коэффициент передачи.

- усилительное звено.

4. Структурная схема (модель) САУ

Для преобразования параметра w - угловой скорости в параметр ц - угловое перемещение применим интегрирующее звено, а для преобразования углового перемещения в линейное, по ходовому винту, умножим на шаг винта и разделим на 2р. Передаточная функция преобразователя угловой скорости в угловое перемещение:



Передаточная функция преобразователя углового перемещения в линейное:

Рисунок 3. - Структурная схема:

5. Реализация структурной схемы САУ на ЭВМ

Реализация структурной схемы САУ на SIMULINC не выдает ошибок. Система является работоспособной.

Рисунок 4. - Структурная схема САУ на ЭВМ:

По построенной схеме получим переходной процесс.



Рисунок 5. - Переходной процесс САУ:

По переходному процессу САУ оцениваем ее устойчивость.

Данная САУ является неустойчивым. Система совершает автоколебания и имеет непрерывно возрастающую амплитудную характеристику.

Рисунок 6. - Устойчивость САУ:

Для достижения устойчивости введем последовательное корректирующее устройство.

Передаточная функция неизменяемой части САУ:



Строим ЛАХ неизменяемой части:

Затухание:

Строим ЖЛАХ:

- НЧ область.

Порядок астатизма v = 1, следовательно наклон равен н20дб/дек.

- СЧ область. Наклон -20дб. Требуемое время регулирования tp = 1c.

По номограмме Солодовникова находим частоту среза:

Номы запасов устойчивости для систем с высокими показателями качества:

НМ = 24 дб;

-НМ = -24 дб.

- ВЧ область. Для наиболее простой реализации последовательного корректирующего устройства наклоны ВЧ части ЖЛАХ примем равными наклонам ЛАХ неизменяемой части.

Строим ЛАХ корректирующего устройства:



Построенные ЛАХ неизменяемой части, желаемая ЛАХ и ЛАХ корректирующего устройства:

Передаточная функция корректирующего устройства:

Рисунок 7. - ЛАХ и ЛФХ разомкнутой синтезированной САУ:



По передаточной функции корректирующего устройства выбираем схему корректирующего устройства и рассчитываем параметры его элементов.

Выберем схемы пассивных четырехполюсников:

Рисунок 8. - Схема интегрирующего корректирующего устройства и его параметры:

Далее:

Исходя из них:

Рисунок 9. - Схема дифференцирующего корректирующего звена:



Тогда:

Возможно применение элементов и с другими параметрами при условии, что они будут удовлетворять условиям нахождения постоянных времени.

Рисунок 10. - Схема корректирующего устройства:

Рисунок 11. - Структурная схема синтезированной САУ:

Система устойчива. Величина выходного сигнала стремиться к устанавливающемуся значению.

АФЧХ системы не охватывает точку (-1, j0), следовательно она является устойчивой.

Ниже представлены ЛАХ неизменяемой части, желаемая ЛАХ и ЛАХ корректирующего устройства смоделированные на ЭВМ.

Рисунок 12. - ЛАХ корректирующего устройства смоделированные на ЭВМ:

Рисунок 13. - ЛАХ неизменяемой части, желаемая ЛАХ:

7. Настройка чувствительности и определение основных показателей качества работы САУ

САУ должна соответствовать следующим показателям качества:

- величина перерегулирования уmax 25%;

- время регулирования tp<1c;

- количество колебаний М2.

Представим переходной процесс синтезированной САУ и по ним определим основные показатели качества.

Итак:

- время регулирования tp = 0,82с;

- количество колебаний М = 1;

- величина перерегулирования:

Достигнутые показатели качества соответствуют требуемым.

Рисунок 14. - Показатели качества синтезированной САУ:

8. Синтез САУ с учетом дополнительных условий и ее анализ

Синтезировали САУ по требуемым показателям качества.

САУ имеет высокие показатели чувствительности:

- время регулирования tp = 0,82с,

- количество колебаний М = 1.

Передаточная функция синтезированной САУ:

Transfer function:



САУ является устойчивой и имеет запасы устойчивости по фазе и амплитуде.

Рисунок 15. - ЛАХ и ЛФХ:

Оценим точность САУ.

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Система с астатизмом I порядка.

Передаточная функция ошибки по управлению:



Transfer function:

Коэффициент ошибки по положению для систем с астатизмом 1-го порядка С0 = 0.

Коэффициент ошибки по скорости:

Коэффициент ошибки по ускорению:

Выражение для нахождения ошибки:

Синтезированная САУ удовлетворяет к предъявляемым требованиям.



Выводы

автоматический робот компьютерный

В данной работе произвели анализ исходных данных и из функциональной схемы построили структурную схему САР. Получили передаточные функции основных и дополнительных элементов САР. С помощью пакета Simulink построили график переходного процесса.

Произвели анализ устойчивости некорректированной САР и пришли к выводу, что данная система является неустойчивой, а, следовательно, не может поддерживать режим работы объекта.

Эта система не соответствовала всем необходимым параметрам. Поэтому мы провели синтез САУ и подобрали такое корректирующее устройство, при котором система должна была отвечать необходимым параметрам.

Построили ЛАХ и ЛФХ разомкнутой синтезировано САУ. Убедились, что разомкнутая САУ получилась устойчивой. Она имеет запасы устойчивости:

Для найденной передаточной функции корректирующего устройства подобрали электрическую схему из пассивных четырехполюсников и рассчитали его параметры.

Составили структурную схему замкнутой синтезированной САУ.

Для него получили графики переходного процесса и годографа АФЧХ.

В переходном процессе величина выходного сигнала стремиться к установившемуся значению. Годограф АФЧХ не охватывает точку (0, -j1), следовательно, она является устойчивой.

По переходному процессу синтезированной САУ определи основные показатели качества:

- время регулирования tp = 0,82с.;

- количество колебаний М = 1.

- величина перерегулирования:

Достигнутые показатели качества соответствуют требуемым.

Оценили точность САУ. Нашли выражение для нахождения ошибки:

В вычислениях использовали пакет программ MATLAB.

Произвели анализ скорректированной САУ и пришли к выводу, что данная САР устойчива, соответствует основным показателям качества и, следовательно, является работоспособной.



Список литературы

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

2. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления / под ред. В.А. Бесекерского. - М.: Наука, 1989. - 588 с.

3. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1981. - 304 с.

4. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1978. - 736 с.

5. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. - М.: Наука, 1977. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru