Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Проектирование локальных систем управления гидроакустикой батискафа. Выбор микропроцессора, усилителя, двигателя, редуктора, приемно-передающего устройства, датчика вибрации, индикаторного устройства. Расчет датчика обратной связи и устойчивости системы.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.03.2012 |
| Размер файла | 341,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство РФ по высшему и профессиональному образованию
Саратовский государственный технический университет
Балаковский институт техники, технологии и управления
Инженерно-строительный факультет
Кафедра: «Управление и информатика в технических системах»
Курсовой проект
По дисциплине: «Локальные системы управления»
Тема: «САУ гидроакустикой батискафа»
Балаково 2005 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введения
Расширенное техническое задания
1 Выбор и обоснования выбора элементной базы локальной системы управления
2.1 Выбор микропроцессора
2.2 Выбор усилителя
2.3 Выбор двигателя
2.4 Выбор редуктора
2.5 Выбор приемно-передающего устройства
2.6 Выбор датчика вибрации
2.7 Выбор индикаторного устройства
2 Расчет датчика обратной связи локальной системы управления или обоснования выбора его из справочной литературы
3 Расчет устойчивости системы
4 Построения ЛАЧХ, ЛФЧХ, ЖЛАЧХ системы и ее анализ
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Задача курсового проекта - развитие и закрепление навыков самостоятельной работы при решении конкретной задачи, овладение методикой расчета локальных систем управления.
Цель курсового проекта - научить студентов использовать научно-техническую литературу при разработке локальных систем управления, ознакомить с порядком построения, изложения и оформления расчетно-пояснительной записки курсового проекта.
Батискаф (от греч. bathэs -- глубокий и skбphos -- судно), глубоководный автономный (самоходный) аппарат для океанографических и дргих исследований. Батискаф состоит из лёгкого корпуса -- поплавка, заполненного более лёгким, чем вода, наполнителем (бензином), и стального шара -- гондолы. В поплавке находятся цистерны с балластом и аккумуляторные батареи. В гондоле размещаются экипаж Батискаф, аппаратура управления, система регенерации воздуха, радиостанция для связи в надводном положении, ультразвуковой телефон, телевизионная камера и научно-исследовательские приборы. Снаружи устанавливаются электродвигатели с гребными винтами и светильники. Современные Батискаф оборудованы устройствами для взятия проб грунта, фотоаппаратурой и дистанционно управляемыми манипуляторами для ведения подводных работ. Плавучесть Батискаф регулируется сбрасыванием твёрдого балласта (обычно стальная дробь) и выпуском бензина из маневровой цистерны. Первый Батискаф (ФНРС-2) был построен и испытан швейцарским учёным О. Пиккаром в 1948. В 1953 Пиккар с сыном Жаком опустились в Батискаф «Триест» на глубину 3160 м. В 1954 французы Ж. Гуо и П. Вильм на Батискаф ФНРС-З достигли глубины 4050 м. В январе 1960 Ж. Пиккар и Д. Уолш на модернизированном Батискаф «Триест»достигли дна Марианского жёлоба в Тихом океане. Батискаф пока остаётся единственным средством исследования человеком предельных глубин океана.
Гидроакустика (от гидро... и акустика), раздел акустики, изучающий распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и так далее) для целей подводной локации, связи и тому подобное. Существенная особенность подводных звуков - их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно большие расстояния, чем, например, в воздухе. Так, в области слышимых звуков для диапазона частот 500 - 2000 Гц дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15 - 20 км, а в области ультразвука - 3 - 5 км. Если исходить из величин затухания звука, наблюдаемых в лабораторных условиях в малых объёмах воды, то можно было бы ожидать значительно больших дальностей. Однако в естественных условиях, кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды, сказываются ещё рефракция звука и его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды. Рефракция звука, или искривление пути звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда других причин. Звуковые лучи, вышедшие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде. Летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при этом значит, долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом.
Вследствие рефракции образуются мёртвые зоны (зоны тени), то есть области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует. Наличие рефракции, однако, может приводить к увеличению дальности распространения звука - явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже - вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1 - 2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км. Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков километров от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность вторичных освещённых зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен километров. Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Вор-целем (1944) и советскими учёными Л.М. Бреховских и Л.Д. Розенбергом (1946).
На распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и так далее. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн.
В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация - довольно значительная помеха для ряда практических применений Гидроакустики, в частности для гидролокации. Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются ещё и собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и тому подобное. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами морскими животными и другое.
Гидроакустика получила широкое практическое применение, так как никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значит, расстоянии, и звук, поэтому является единств, возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10 000 Гц, так и ультразвуками от 10 000 Гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные. Из наиболее существенных применений Гидроакустики следует отметить эхолот, гидролокаторы, которыми пользуются для решения военных задач (поиски подводных лодок противника, бесперископная торпедная атака и так далее); для мореходных целей (плавание вблизи скал, рифов и другое), рыбопромысловой разведки, поисковых работ и так далее.
локальный управление гидроакустика
1. РАСШИРЕНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Спроектировать ЛСАУ гидроакустикой батискафа.
Рисунок 1 - Структурная схема ЛСУ гидроакустикой батискафа: ГППА-гидроакустическая приемно-передающая антенна; МП- микропроцессор; У - усилитель мощности; ИУ- Индикаторное устройство; Д - двигатель постоянного тока; Р - редуктор; ДВ- Датчик вибрации.
Технические характеристики системы:
1) точность работы навигационного комплекса - по курсу ± 10;
по глубине ± 1%;
от глубины;
2) антенна кругового обзора - рабочая частота;325/675 кГц;
-дальность работы; 300 м;
3) мертвая зона - 60 см;
4) рабочая частота - 500 кГц;
5) длительность импульса - 50 мкс;
6) тип приема передатчика - пьезоэлектрический;
7) материал корпуса - ударопрочный пластик;
8) максимальная глубина применения - 500 м;
9) максимальная глубина нахождения маячка - 300 м;ответчика
10) точность позиционирования по дальности - 5 %;
11) точность позиционирования по пеленгу - 30 С;
12) рабочая температура - -20 С до +450 С;
13) габаритные размеры ГППА - длина 26мм; диаметр 26 мм;
14) вес ГППА - в воздухе 6 кг; в воде 6.8 кг;
15) время работы от одной аккумуляторной батареи:
в активном режиме - до 200 ч;
в режиме ожидания - до 480 ч;
16) быстродействие системы - 2 с;
17) параметры питания надводной части - 220В, 50Гц, 0,5 кВт;
18) частота опроса датчиков - 103 Гц.
В нашем случае будем использовать гидроакустическую систему активного действия. Различают гидроакустическую систему только принимающие акустическую энергию (пассивного действия) и приемно-излучающие (активного действия). Гидроакустическая система пассивного действия (шумопеленгатор, гидроакустическую систему разведки, звукометрическая станция и другие) служат для обнаружения и определения направления (пеленга) на шумящий объект (движущийся корабль, гидроакустическая система активного действия и другие) по создаваемым объектом акустическим сигналам (шумам), а также для прослушивания, анализа и классификации принятых сигналов. Пассивные гидроакустические системы обладают скрытностью действия: их работу нельзя обнаружить. Гидроакустическая система активного действия (гидролокатор, рыболокатор, эхолот и другое) применяют для обнаружения, определения направления и расстояния до объекта, полностью или частично погружённого в воду (подводной лодки, надводного корабля, айсберга, косяка рыбы, морского дна и так далее). Достигается это посылкой кратковременных акустических импульсных сигналов в определённом или во всех направлениях и приёмом (во время паузы между посылками их) после отражения от объекта. Активные гидроакустические системы способны обнаруживать как шумящие, так и нешумящие объекты, движущиеся и неподвижные, но могут быть обнаружены и запеленгованы по излучению, что является некоторым их недостатком. К активным гидроакустическим системам также относят станции звукоподводной связи, гидроакустические маяки, гидроакустические лаги, эхолёдомеры, акустические станции и приборы.
Гидроакустическая система в зависимости от их типа и назначения, работают на частотах инфразвукового, звукового и (чаще) ультразвукового диапазонов (от десятков Гц до сотен КГц), излучают мощность от десятков вт (при непрерывном генерировании) до сотен кет (в импульсе), имеют точность пеленгования от единиц до долей градуса, в зависимости от метода пеленгования (максимальный фазовый, амплитудно-фазовый), остроты характеристики направленности, обусловленной частотой и размерами акустической системы, и способа индикации. Дальность действия гидроакустической системы лежит в пределах от сотен метров до десятков и более километра и в основном зависит от параметров станции, отражающих свойств объекта (силы цели) или уровня его шумового излучения, а также от физических явлений распространения звуковых колебаний в воде (рефракции и реверберации) и от уровня помех работе гидроакустической системы, создаваемых при движении своего корабля.
На сегодняшний день гидроакустика исполняет роли «глаз» и «ушей» для обеспечения безопасности плавания при проведении различных подводных работ и исследований. Несмотря на активное развитие в последнее время радио - и телекоммуникаций применение их в подводном пространстве сильно ограничено в силу физических законов распространения электро - и радиоволн в воде. Применение различных видеокамер и видеоустройств ограничено условиями плохой видимости (обычно на глубине 100 метров зона визуального наблюдения не превышает 10 метров). Использование же гидроакустических приборов позволяет получать данные о подводных объектах практически на всех глубинах Мирового океана, причём новейшие разработки позволяют получать изображения подводного пространства с разрешением в несколько сантиметров.
Приемно-передающее устройство ППУ испускает высокочастотные сигналы в направлении объекта, расстояние до которого нужно определить, и улавливает эти сигналы, отраженные от объекта. Полученные сигналы обрабатывает микропроцессор МП, где происходит сравнение с заданным значением. Сигнал рассогласования усиливается и подается на сумматор, этот же сигнал подается на индикаторное устройства (телевизионная передающая трубка или электроннолучевую трубку) для фиксирования направления на шумящий объект. Сигнал с индикаторного устройства и усилителя складывается и подается на двигатель Д, который при помощи редуктора Р. поворачивает ППУ в сторону удаляющегося или приближающегося объекта. Также в системе имеется ДВ который учитывает возмущающие воздействие по течению воды (жидкости) в открытой воде. Сигнал с ДВ подается на МП обрабатывается, учитывая возмущения для более точного наведения ГППА на объект.
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЯ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И РАСЧЕТ ИХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ
2.1 Выбор микропроцессора
Микропроцессор характеризуется очень большим числом параметров и качеств, поскольку он, с одной стороны, функционально является сложным программно - управляемым цифровым процессором, то есть устройством ЭВМ, а с другой - интегральной схемой (схемами) с высокой степенью интеграции элементов, то есть электронным прибором. Поэтому для микропроцессора важны такие качества и параметры, как тип корпуса, количество источников питания, требования к синхронизации, мощность рассеивания, температурный диапазон, возможность расширения разрядности, наличие встроенных ЦАП и АЦП, помехоустойчивость, нагрузочная способность, объединения сигналов на выходах, надежность, долговечность. Микропроцессор как функциональное устройство ЭВМ обеспечивает эффективное автоматическое выполнение операций обработки цифровой информации в соответствии с заданным алгоритмом. Для обеспечения надежной работы и необходимых параметров системы гидроакустики батискафа не требуется высокое быстродействие, поэтому выбирается микропроцессор КР580ВМ80А [2]. МП обладает низкой стоимостью, высокой надежностью, малой потребляемой мощностью от источника питания, полностью совместим с отечественной элементной базой микросхем серии ТТЛ и ТТЛШ.
Параметры МП КР580ВМ80А [2]:
-Тактовая частота- 2,5 МГц;
-Быстродействие - 800 тыс. оп/сек;
-Напряжение питания - 5 В;
-Номинальный потребляемый ток - 0.15 А;
-Рассеиваемая тепловая мощность - 1.25 Вт;
-Выходной ток лог.«0» - 20 мА; «1» - 10 мА;
-Выходное напр. лог.«0» < 0.4 В; «1» > 2.5 В.
Передаточная функция МП принимаем:
2.2 Выбор усилителя
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.
Операционный усилитель (ОУ) - это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы.
Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:
1) высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;
2) малым напряжением смещения нуля;
3) малыми входными токами;
4) высоким входным и низким выходным сопротивлением;
5) высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);
6) амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек.
В данной системе два усилителя У1 и У2 они будут отличаться друг от друга по коэффициенту усиления так как один сигнал идет на двигатель и необходимо большое усиления сигнала, а другой сигнал усиления идет на индикаторное устройство где требуется меньшее усиления сигнала по мощности.
Итак выберем усилитель У1:
Прецизионный операционный усилитель 140УД21 [3],[4].
Параметры:
-Напряжения питания, В +/-12 - +/-20
-Коэффициент усиления, В/мВ 1000
-КОСС, дБ 120
-Напряжения смещения Uсм, мВ 0,05
-Входной ток, нА 1
-Дифференциальное входное сопротивления, МОм 60
-fт, МГц 3
-Скорость нарастания, В/мкс 2,5
-Ток потребляемый, мА 5
-Максимальный выходной ток, мА 5
-Выходное сопротивления Rвых, Ом 60
Передаточная функция усилителя У1 подберем из [1] тогда:
Wу1(p) = ку1 = 1000
Усилитель У2:
Быстродействующий операционный усилитель MAX437 [3],[4].
Таблица 1- Технические характеристики усилителя.
|
Напряжения питания, В |
+/-4,5 - +/-18 |
|
|
Коэффициент усиления, В/мВ |
7000 |
|
|
КОСС, дБ |
112 |
|
|
Uсм, мВ |
0,015 |
|
|
Входной ток, нА |
35 |
|
|
Дифференциальное входное сопротивления, МОм |
1 |
|
|
fт, МГц |
60 |
|
|
Скорость нарастания, В/мкс |
15 |
|
|
Ток потребляемый, мА |
4 |
|
|
Максимальный выходной ток, мА |
15 |
|
|
Выходное сопротивления Rвых, Ом |
70 |
Передаточная функция усилителя У2 подберем из [1] тогда:
Wу2(p) = ку2 = 7000
Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС показывает, какое значение дифференциального входного напряжения ?Uд следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.
2.3 Выбор двигателя
Названия машины постоянного тока объединяют в один класс генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Причина объединения обратимость машин, одно и тоже устройство может работать и как генератор и как двигатель. Двигатель постоянного тока (ДПТ) обладает хорошими регулировочными свойствами. Регулирование частоты вращения ДПТ осуществляется тремя способами: изменением магнитного потока при включении в цепь обмотки возбуждения дополнительного сопротивления, изменением напряжения, подводимого к якорю двигателя, изменением сопротивления в цепи якоря. Единственным недостатком является щеточный контакт, который может вызвать искрение. Но так как у нас система работает под водой и нет опасности взрыва, от каких либо смесей, то этот недостаток при всех его достоинствах очень маленький, поэтому выберем ДПТ.
Характеристики:
- коэффициент пульсации тока якоря - 15%; - степень защиты - IP44; - изоляция обмоток - класс F; - возбуждение независимое;
Для обеспечения требуемых параметров системы выбирается двигатель постоянного тока МИГ-180А со следующими паспортными данными:
-МощностьРд = 370 Вт;
-Номинальное напряжениеUном = 220 В;
Ток якоряIa = 2,1 А;
-Сопротивление якоряRa = 8,37 Ом;
-Индуктивность якоряL = 84 мГн;
-Скорость вращения двигателяnд = 1500 об/мин;
-Скорость вращения нагрузки nн = 30 об/мин;
-Момент инерции двигателяJд = 0,053 кгм3;
-Момент инерции нагрузкиJн = 50 кгм3;
-Номинальный моментМном = 50 Нм.
Определяется передаточное число редуктора:
= 500,
где н = 0,65 рад/с2 - угловое ускорение.
Проверка двигателя по скорости:
= 157 рад/с
= 3,14 рад/с
рад/с
Так как ном = треб то выбранный двигатель по скорости проходит.
Проверяем выбранный двигатель по моменту:
Нм Так как < 2, то выбранный двигатель по моменту проходит.
Механическая и электрическая постоянные ДПТ
,
коэффициент момента двигателя .коэффициент ЭДС двигателя
Эквивалентный момент инерции:
кгм2
Постоянные времени (электрическая и механическая)
с,
постоянная времени якорной цепи
с. электромеханическая постоянная двигателя
Коэффициент передачи двигателя:
Передаточная функция ДПТ будет состоять из передаточной функции механической части двигателя и передаточной функции электрической части двигателя так как эти части в структурной схеме расположены последовательно то общая передаточной функции будет:
Wдв(р)=Wмех(р)*Wэл(р)
Wмех(р)=
Wэл(р)=
2.4 Выбор редуктора
Редуктор червячный Ч-50 одноступенчатый универсальный предназначен для изменения крутящих моментов и частоты вращения вала в качестве комплектующих в приводах машин, оборудования и механизмов. Условия применения редуктора червячного Ч-50:
- нагрузка постоянная и переменная, одного направления и реверсивная;
- работа с периодическими остановками и длительная до 24 ч. в сутки; - вращение валов в любую сторону;
- частота вращения входного вала не более 1500 об/мин;
- атмосфера типа I и II по ГОСТ 15150--69 при запыленности воздуха не более 10 мг/м куб;
- климатическое исполнение У и Т категорий 1-3 и климатические исполнения УХЛ и О категории 4 по ГОСТ 15150--69
Выбран червячный редуктор Ч-50 в соответствии с передаточным числом i = 500 коэффициент передачи редуктора
Параметры редуктора
-Допустимый крутящий момент- 21 кгсм;
-КПД- 64 %;
-Допустимая нагрузка- 400 кгс;
-Масса- 19,3 кг;
Передаточная функция редуктора подберем из [1] тогда:
2.5 Выбор приемно-передающего устройства
Радиоволновой измеритель параметров вибраций VM - 36P. Измеритель предназначен для измерения радиоволновым способом параметров вибрации объектов, совершающих линейные механические колебания и вращающихся объектов. Область использования - газовая и нефтяная промышленность, теплоэнергетика, радиолокация и военная техника, и другое. Имеет:
-высокую разрешающую способность;
-малое время анализа;
-возможность сохранения, сравнения, печати полученных результатов. Определяет виброперемещение, виброскорость и виброускорение в большом динамическом диапазоне их изменений. Оценивает временные и спектральные составляющие.
Производит:
-весь комплекс цифровой обработки сигнала;
-неразрушающий контроль.
Работает:
-в отсутствии прямой оптической видимости;
-в самых различных температурных и других физических условиях;
-без остановки и разборки объекта.
Использует:
-управляемый объем выборки для уменьшения влияния случайных составляющих;
-выбор оптимального окна БПФ при спектральном анализе;
-цифровую фильтрацию с управляемой полосой частот.
Основные технические характеристики:
-Рабочая частота зондирующего электромагнитного сигнала
(36,250±1,250) ГГц;
-Выходная мощность зондирующего сигнала не менее 5 мВт:
-Рабочий диапазон измерения частоты вибрации 0 - 20000 Гц;
-Погрешность измерения частоты вибрации не более 0,025 %;
-Диапазон измерения виброперемещения 1 - 1000000 мкм;
-Амплитудная разрешающая способность при измерении виброперемещения
по временной реализации 0,1 мкм;
по амплитудному спектру 0,01 мкм;
-Основная погрешность измерения виброперемещения (ось рупорной антенны перпендикулярна к поверхности измеряемого объекта) не более 1 %; -Допустимое расстояние до объекта измерения 100 - 300 м
-Ширина диаграммы направленности рупорной антенны
в горизонтальной плоскости не более 10°;
в вертикальной плоскости не более 10°.
В качестве излучателя и приемника ультразвуковых сигналов выбран пьезоэлемент, в котором в качестве пьезокристалла используется кварц, обеспечивающий следующие параметры:
-Рабочая частота- 500 кГц;
-Чувствительность- 0,058 ;
-Плотность материала- 2,65103 ;
-Упругость- 80109 ;
-Толщина пластин - 5,5 мм;
-Постоянная времени-310-7 с;
Передаточная функция пьезоэлемента подберем из [1] тогда:
2.6 Выбор датчика вибрации
Датчики вибрации предназначены для преобразования параметров вибрации в электрический сигнал: широтно-импульсный модулированный сигнал для последующей его обработки специализированными микропроцессорными контроллерами; Применяются для контроля вибрации промышленного оборудования в системах блокировки агрегатов (насосов, компрессоров и другого технологического оборудования) в химической, нефтехимической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности. Выполнены во взрывозащищенном исполнении с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" и уровнем 0ExiaIIСT5Х.
Выпускаются в исполнениях:
-контролирующих параметры вибрации в диапазоне частот 5 - 100 Гц при ускорении 0 - 19,6 м/с 2 (0 - 2 g );
-контролирующих параметры вибрации в диапазоне частот 5 - 100 Гц при ускорении 0 - 98 м/с 2 (0 - 10 g ).
Могут быть использованы в системах противоаварийной автоматической защиты (ПАЗ).
Датчики вибрации, давления и силы.
ГНЦ НПО ЦНИИТМАШ более 40 лет занимается разработкой и изготовлением малых серий промышленных образцов пьезоэлектрических датчиков вибрации, давления и силы, а также измерительных каналов с этими датчиками для систем контроля вибрации, пульсации давления и силы и технической диагностики ответственного оборудования. Отличительными особенностями датчиков НПО ЦНИИТМАШ являются:
-высокая надежность в тяжелых эксплуатационных условиях (турбоагрегаты тепловых и атомных электростанций, реакторное оборудование, газо - и нефтеперекачивающие агрегаты, транспорт и т. д.);
-высокая помехозащищенность, обеспечиваемая дифференциальным принципом действия;
-высокий коэффициент преобразования;
-возможность выполнения одно- двух- и трехкомпонентных датчиков вибрации практически в одних и тех же габаритах, что обеспечивается использованием оригинальных конструктивных схем датчиков;
-возможность контроля исправности датчика без снятия его с действующего объекта измерения с помощью внутренней системы контроля,
-низкая стоимость.
Датчики выпускаются как в комплекте с усилителем, так и отдельно.
Остановимся на датчике: Тип 2ПА-6Т
-Коэффициент преобразования, пКл/мс -2 1;
-Диапазон рабочих частот, Гц 0,1 - 800;
-Динамический диапазон, мс -2 0,1 - 103;
-Резонансная частота, кГц 2,2;
-Рабочая температура, ° С -40 - +250;
-Тип и длина кабеля м АВКТ-6;
-Крепление 3 винта М5;
-Размеры мм d7х30;
-Коэффициент передачи при контроле пКл/В 4;
Передаточная функция датчика вибрации подберем из [1] тогда:
2.7 Выбор индикаторного устройства
В качестве устройства высокоточного позиционирования выберем электронно-лучевую трубку, которая входит в состав осциллографа типа АСК-7042 бюджетный 2-канальный аналоговый осциллограф для широкого круга применений.
-40 МГц, 2 канала, 3 линии развертки
-Вход внешней синхронизации
-ТВ-синхронизация PAL (SECAM), NTSC, с выбором кадров и строк
-Чувствительность от 2 мВ/дел, развертка от 10 нс/дел
-2% точность вертикальной развертки
-5-разрядный частотомер
-Курсорные измерения
-Функция вращения треков
Технические характеристики:
Таблица 2 Характеристики Электронно-лучевой трубки
|
Форма |
6-дюймовая, прямоугольная с подсветкой шкалы |
|
|
Рабочая область |
8x10 дел (1 дел = 10 мм) |
|
|
Ускоряющее напряжение |
Приблизительно 16 кВ |
Таблица 3 Характеристики вертикальной системы отклонения луча (ось Y)
|
Вертикальный режим |
CH1, CH2, ADD (CH1 + CH2) ALT, CHOP (555 кГц ±1%) |
|
|
CH1, CH2 |
||
|
Чувствительность |
2 мВ/дел...5 В/дел (с шагом 1-2-5) |
|
|
Плавная настройка |
2 мВ/дел...12.5 В/дел. плавная регулировка |
|
|
Точность |
±2% |
|
|
Полоса пропускания (-3 дБ) |
0...40 МГц |
|
|
0...20 МГц при 2 мВ/дел |
||
|
Примечание: В режиме закрытого входа нижний предел полосы - 10 Гц |
||
|
Ограничение полосы (фильтр) |
0...20 МГц |
|
|
Время нарастания (расчетное) |
Приблизительно 8.75 нс |
|
|
Прим.: Рассчитано по формуле T=350 нс/Полоса, МГц |
||
|
Время задержки сигнала |
30 нс или более (на экране) |
|
|
Режимы входов |
AC (закрытый), DC (открытый), GND (заземления) |
|
|
Входной импеданс |
1 МОм ±1.5% 25 пФ ±2 пФ |
|
|
Максимальное входное напряжение |
±400 В (DC + AC от пика до пика) |
|
|
Переключение полярности |
Только Канал 2 |
|
|
Автоопознование пробников |
1:1, 10:1, 100:1 (для опциональных пробников с функцией считывания коэффициента деления) |
Таблица 4 характеристики горизонтально отклоняющей системы (ось Х)
|
Отображение (горизонтальное) |
A, X-Y |
|
|
Режим развертки |
АВТО. Нормальная, Одиночная |
|
|
Скорость развертки |
100 нс/дел...500 мс/дел (с шагом 1-2-5) |
|
|
Макс. скорость развертки |
10 нс/дел |
|
|
Время удержания |
Варьируемое |
|
|
Развертка B |
||
|
Задержка |
Задержка запуска, запуск после задержки |
|
|
Скорость развертки |
20 нс/дел...5 мс/дел (с шагом 1-2-5) |
|
|
Макс. скорость развертки |
2 нс/дел |
|
|
Лупа времени |
увеличение x10 |
|
|
Диапазон времени задержки |
0.2 дел...10.2 дел от развертки А |
|
|
Джиттер задержки |
1/20000 при 1 мс/дел от развертки А, 500 нс/дел развертки B |
Таблица 5 характеристики режима X-Y
|
ось X |
CH1 |
|
|
Чувствительность |
Такая же, как CH1 |
|
|
Точность |
±3% |
|
|
Частотная полоса |
0...2 МГц (-3 дБ) |
|
|
ось Y |
CH1, CH2, ADD |
|
|
Разность фаз |
до 3° (0...50 кГц) |
Передаточная функция индикаторного устройства принимаем из [7] тогда:
В результате подбора передаточных функций системы, получим следующую структурную схему системы с передаточными функциями элементов системы.
Рисунок 2 - Структурная схема ЛСУ гидроакустикой батискафа.
3. РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В качестве чувствительного элемента в датчике используется пьезоэлемент который мы и будем рассчитывать. Но так как один пьезоэлемент не используют а в составе кварцевого резонатора то будем расчитывать его. Кварцевые резонаторы получили широкое распространение в технике и промышленности. Область их применения велика - от наручных часов до элементов компьютерной техники. С 1959 г., когда Зауэрбрей (Sauerbray) показал, что сдвиг частоты пропорционален нагружаемой на кварц массе, кварцевые резонаторы стали основой нового поколения пьезоэлектрических массочувствительных устройств. Массочувствительность кварцевых кристаллов на 5 МГц составляет порядка 0,057 Гц·см2нг-1[1]. Такие характеристики позволили им занять одно из ведущих мест при измерении концентрации химических веществ. Не остался без внимания этот вопрос и в нашей стране. Прьзокварцевые резонаторы использовались для определения газообразных веществ: от паров ртути до полиароматики. Но недостаток подходящих устройств, позволяющих работать резонаторам со сдвигом по толщине в жидкостях, долгое время сдерживал их проникновение в сфере биоаналитике. В 1982 г. Номура (Nomura) и Окухара (Okuhara) [2] впервые сообщили о создании устройства, способного работать в жидкости. С этого времени началась активная разработка нового поколения биоаналитических инструментов. Необходимо отметить что данная область изучается за рубежом, но в нашей стране не получила широкого распространения. Это связано с рядом проблем, возникающих при контакте пьезокварцевого сенсора с жидкой средой. Как правило, демпфирующие воздействие жидкости на кварцевую пластину столь высоко, что применение автогенераторного метода значительно затрудняется. Генератор не возбуждает на резонансной частоте кварцевого резонатора или же срывы генерации происходят столь часто, что проведения мониторинга процессов сорбции становится невозможным. Между тем, автогенераторный метод наиболее прост и дешев для преобразования электромеханических параметров кварцевой пластинки в электрический сигнал. Частотный электрический сигнал очень удобен в измерении и обработке. Эквивалентная схема кварцевого резонатора, показана на рисунке 3.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3 Эквивалентная схема ненагруженного кварцевого резонатора.
Где: L1 соответствует собственной массе пластинки, C1 представляет собой механическую эластичность кварца, R1 энергетические потери в результате внутреннего трения и сопротивления механических держателей кварцевой пластинки [1], C0 межэлектродная емкость. Необходимо отметить, что элементы C1, R1, L1 оказывают существенные влияния на АЧХ резонатора вблизи резонансной частоты, тогда как вклад C0 постоянен. Учитывая, что кварцевая пластинка нагружена дополнительной массой и находится в контакте со средой, обладающей плотностью и вязкостью, полагаем, что часть кинетической энергии рассеивается, а часть потенциальной механической энергии запасается средой и затем возвращается. Данный процесс электрически выглядит как дополнительное комплексное сопротивление в резонансной цепочке [1].
Формула для сопротивления резонансной цепочки запишется следующим образом [3]:
Где: n - номер гармоники, К - электроакустический коэффициент взаимосвязи, - механическое сопротивление упругим волнам, щ- угловая частота, Pl, зl - плотность и вязкость среды соответственно, - жесткость при сдвиге, - плотность материала кварца. Все расчеты произведем в MatCad 11 с соответствующими размерностями:
Импеданс резонатора можно определить по формуле:
Где: - обобщенная расстройка кварцевого генератора, , fc - частота последовательного резонанса, Гц; а - рабочая частота резонатора, Гц; - добротность резонатора; - отношение сопротивления потерь к реактивному сопротивлению статической емкости.
Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты, номера гармоники, конструкции держателя резонатора и других конструктивных факторов. Динамическая емкость C1 изменяется в диапазоне от 5 до 25 пФ по основной гармонике и от 2 до 5 пФ для более высоких гармоник. Динамическая индуктивность L1 варьируется в диапазоне от сотен и тысяч генри для низких частот до нескольких мГн для высоких частот. Исходя, из вышесказанного подберем параметры и произведем расчет:
Эквивалентные последовательные реактивная и активная составляющие рассчитываются по следующим уравнениям:
Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на Рисунке 4.
Рисунок 4 Эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Кроме всего, кварцевая пластинка обладает шероховатостью. Физически это выглядит как дополнительная масса, распределенная по пластинке. Электрически данный фактор можно обозначить в виде индуктивности, которая являет собой кинетическую энергию, запасаемую в синхронно движущейся вместе со слоем кварцевой пластинки:
Где средняя высота шероховатости.
Дополнительно, при зажиме кварца в ячейке, нагрузка распределяется неравномерно, и профиль генерируемых колебаний изменяется. Учитывая, что среда не является полностью несжимаемой, неравномерность колебаний ведет к дополнительной потери энергии:
Где Р - показатель зависящий от профиля поверхности, к - показатель сжатия.
В результате проведенного расчета мы получили высокую стабильность частоты, вариации которой зависят только от модулирующего воздействия. Стабильность частоты колебаний определяется как параметрами резонатора, так и особенностями других компонентов схемы генератора [10]. Наряду с высокими полученными показателей стабильности частоты колебаний в основу рационального выбора схемы было положено и общие требования обеспечения высокой надежности: устойчивое существования колебаний заданной частоты, мягкий режим возбуждения колебаний, устранение возможности генерации паразитных колебаний, в том числе колебаний с частотами неиспользуемых резонансов кварцевой пластины.
4. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ
Найдем устойчивость системы по переходному процессу и определим прямые оценки качества системы. Соберем систему в MATLAB:
После подачи единичного ступенчатого сигнала получим переходный процесс системы следующего вида:
Рисунок 5- Переходный процесс в системе
1. Время регулирования: tn=1.3с
2. Перерегулирование:
3. Колебательность n=12
4. Время нарастания регулируемой величины tм=0.1с
5. Время первого согласования t1=0.3c
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Топчеев Ю.А. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учебное пособие для втузов. - М.: Машиностроение, 1989.-750л.
2. Микропроцессоры. В 3-х книгах. Книга 1 Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учебник для втузов/П. В. Нестеров, В.Ф. Шаньгин, В. Л. Горбунов и др.; Под редакцией Л. Н. Преснухина. М.: Высш. Шк.,1986.-495с.:ил.
3. Классификатор ЕСКД.
4. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.
5. Дж.Рутковский. Интегральные операционные усилители. - М.: Мир, 1978.
6. Аналоговые интегральные микросхемы (справочник). - М.: «Радио и связь», 1981.
7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике: 4-е изд:, испр,-М.: Наука. Физматлит, 1996,-624 с,-ISBN 5-02-015158-0.
8. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский Е.П. Попов. - Изд. 4-е, перераб. И доп.-СПб, Изд-во «Провессия», 2003.-752с.-(серия: специалист)
9. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: Учебное пособие - 2-е изд., стер.-М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1988.-256с.-ISBN 5-02-013903-3.
10. ГОСТ 2.106-68 ЕСКД. Текстовые Документы.
11. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989. 272 с.
12. Каландадзе Д.И. Выпуск кварцевых резонаторов нового поколения//Наука и технология в промышленности. № 2. М., 2000.
13. Мацак А.Н. Некоторые результаты экспериментальных исследований по совершенствованию изделий пьезотехники//Компоненты и технологии. 2000. №6.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Разработка системы, предназначенной для управления поворотом устройства перемещения робота. Выбор и расчет передаточной функции микропроцессора, усилителя, электромагнитного клапана, гидроцилиндра. Расчет датчика обратной связи и устойчивости системы.
курсовая работа [972,1 K], добавлен 20.10.2013Основные технические характеристики системы регулирования. Выбор микропроцессора, захвата робота, гидропривода, редуктора, двигателя, датчика давления и линейного перемещения, операционного усилителя. Определение устойчивости дискретной системы.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 20.10.2013Назначение и условия эксплуатации локальной системы автоматического управления (ЛСАУ). Подбор элементов и определение их передаточных функций. Расчет датчика обратной связи и корректирующего устройства. Построение логарифмических характеристик системы.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 09.03.2012Описание принципа действия выбранной системы автоматического регулирования. Выбор и расчет двигателя, усилителя мощности ЭМУ, сравнивающего устройства. Определение частотных характеристик исходной САР. Оценка качества регулирования системы по ее АЧХ.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.10.2011Работа датчика положения, использующего для получения сигнала ошибки метод частичного перекрытия зрачка. Определение параметров датчика положения, параметров двигателя и параметров объекта регулирования. Синтез корректирующего устройства (параметры).
курсовая работа [290,3 K], добавлен 23.01.2011Расчет параметров и разработка конструкции датчика вибрации электромагнитного типа. Алгоритм работы устройства обработки и виртуального прибора, обеспечивающего формирование частотной характеристики и сигнализацию о достижении уровня виброскорости.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 04.06.2013Выбор и обоснование выбора элементной базы локальной системы управления: микропроцессора, гидроцилиндра, передаточной функции объекта управления и датчика угла поворота. Вычисление устойчивости системы автоматического управления челюстью робота.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 26.05.2013Этапы проектирования датчика шума в виде субблока, разработка его принципиальной электрической схемы и принципы функционирования данного устройства. Выбор и обоснование элементной базы датчика. Расчет конструкции при действии вибрации, ее аттестация.
курсовая работа [150,3 K], добавлен 08.03.2010Функциональная схема усилительного устройства автоматического компенсатора, его внутреннее устройство, принцип работы и взаимосвязь элементов. Выбор стандартных электромеханических и электронных элементов: двигателя, датчика. Моделирование компенсатора.
курсовая работа [745,1 K], добавлен 30.03.2015Составные элементы системы автоматики. Функции индуктивного датчика. Характеристики магнитного усилителя и регулировка коэффициента обратной связи. Электромагнитная и магнитная муфты, их классификация и принцип работы. Устройство сравнения и его схема.
курсовая работа [881,5 K], добавлен 21.12.2011
