Система автоматического управления станком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современное машиностроение развивается в условиях жесткой конкуренции и развитие его идет в направлениях: существенное повышение качества продукции; сокращение времени обработки на новых станках за счет технических усовершенствований; повышение интеллектуальной оснащенности машиностроительной отрасли

Современная стратегия развития машиностроительного производства в мире предлагает создание принципиально новых материалов, существенное повышение уровня автоматизации производственного процесса и управления с целью обеспечения выпуска продукции требуемого качества в заданный срок при минимальных затратах.

Для достижений целей социально-экономического развития производственных систем необходим комплекс мероприятий в каждом из направлений: совершенствование принципов организации и методов планирования производства; внедрение новых и совершенствование существующих технологических процессов; повышение уровня автоматизации проектирования и изготовления.

При разработке современных технологических, производственных, информационных и других систем возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, а больше -- с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации взаимодействия элементов системы, определения оптимальных режимов функционирования, учетом влияния внешней среды и т.д. Речь идет о том, что успешное осуществление программы автоматизации предъявляет новые требования к исследованию проблем развития производственных систем: повышение уровня системного мышления; повышение уровня строгости описания; использование новых методов исследования

Главный тезис -- утверждение первостепенной важности проблемы выработки целостной концепции производственной системы нового типа, охватывающей все основные аспекты: организацию, технологию, проектирование и изготовление. Только на базе подобной концепции можно корректно ставить и решать задачу комплексной автоматизации производственного процесса.

Развитие хозяйства во многом определяется техническим прогрессом в машиностроении. Разработка и внедрение в производство новейших конструкций машин, механизмов и приспособлений, соответствующих современному уровню развития науки и техники, возможны при наличии высокопроизводительного станочного оборудования. Повышение эффективности производства обеспечивает автоматизация. Автоматизация производства неизменно связана с созданием различных систем управления, которые выполняют функции контроля и регулирования производственных процессов, заменяя человека.

Главное направление автоматизации мелко- и среднесерийного производства -- развитие и применение станков с ЧПУ, промышленных роботов (ПР), гибких производственных систем (ГПС).

В применении к любому производственному процессу степень автоматизации характеризуется частичным или полным освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. Автоматическими называют устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного вмешательства человека. При этом не только высвобождается труд человека, но и повышается скорость и точность выполнения операций, значительно возрастает производительность и улучшаются условия труда, а также возможна сравнительно быстрая окупаемость первоначальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции.

Развитием автоматизации явилось создание гибких производственных модулей -- независимых обрабатывающих комплексов, управляемых с помощью. ЭВМ без участия человека;

соединение гибкой производственной ячейки с другими производственными подразделениями, которые подают заготовки, инструмент и другие необходимые материалы и информацию. Это привело к созданию систем машин, управляемых от ЭВМ. Окончательным шагом автоматизации является интеграция с помощью ЭВМ всей производственной деятельности, начиная от конструирования изделий и до его изготовления.

Реализация комплексной автоматизации привела к необходимости создания высокоэффективных систем управления на основе средств вычислительной техники для всего производственного процесса. Такая система управления, обладающая развитым алгоритмическим, программным, информационным и техническим обеспечением, способна осуществить как необходимый уровень автоматизации всех этапов производственного процесса, так и его эффективную перестройку (гибкость) за счет предварительного программирования необходимых или желаемых структур.

Сегодня автоматизация процессов производства лежит в основе развития всех отраслей техники. С каждым годом автоматизация охватывает все новые звенья производственного процесса и становится комплексной, вызывая кардинальные изменения в технологии и организации производства.

1. Общая часть

Мощность электродвигателя главного привода станка может быть определена аналитически и экспериментально.

Для определения мощности электродвигателя аналитическим способом должно быть известно качество обработки материала, материал и свойства резца, глубина резания подачи. Необходимо также знать и скорость резания.

Мощность электродвигателя привода определяется по формуле:

где - мощность резания, кВт

- коэффициент полезного действия станка

Для резания на заданных станках необходимо, чтобы мощность электродвигателя станка была на 25% больше расчетной мощности, т.е.

По полученным данным выбираем электродвигатель. ПБВ160М

Данные выбранного электродвигателя приведены в таблице

Таблица 1 - исходные данные для курсового проекта

Исходные данные	Обозначение	Единицы измерения	Значение
Двигатель постоянного тока
Марка электродвигателя	ПБВ160М
Номинальная мощность	Pном	кВт	4
Номинальное напряжение	Uном	В	66
Номинальная частота вращения	nном	об/мин	500
КПД		%	77
Сопротивление якорной цепи	Rя	Ом	0,0317
Индуктивность якорной цепи	L	мГн	0,337
Момент инерции		кг/м2	0,242
Тиристорный преобразователь
Коэффициент усиления	Ктn		20
Постоянная времени	Ттп	с	0,02
Тахогенератор
Коэффициент усиления	Ктг		1,3
Режимы работы САУ
Время переходного процесса	tпп	с	Не более 2
Величина перерегулирования		%	Не более 20
Колебательность переходного процесса	N		Не более 2

Находим расчетные параметры для двигателя постоянного тока.

Электромагнитная постоянная времени якорной цепи , с, находится по формуле:

где Lя - индуктивность якорной цепи двигателя; Гн;

Rя -сопротивление якорной цепи двигателя, Ом.

Находим номинальный ток двигателя Iном, А по формуле:

где Рном - номинальная мощность двигателя, Вт;

дв - коэффициент полезного двигателя

Угловую частоту вращения щном,, с-1, определяем по формуле:

автоматическое управление станок электродвигатель

где пном - номинальная скорость вращения, об/мин.рав

Находим конструктивную постоянную двигателя Сд, по формуле:

где Uном - номинальное напряжение, В;

Iном - номинальный ток двигателя, А;

щном - угловая частота вращения, с-1.

Электромеханическая постоянная времени Тм, с., определяется по формуле:

где Сд - конструктивная постоянная двигателя;

J - момент инерции приведенный к валу двигателя, кгм2.

Определим передаточные функции исследуемой САУ.

- передаточные функции двигателя постоянного тока.

- передаточная функция тиристорного преобразователя.

- передаточная функция тахогенератора.

2. Построение функциональных и структурных схем исследуемой системы автоматического управления

Принципиальная электрическая схема системы регулирования частоты вращения ДПТ приведена на рисунке 2:

ДПТ - двигатель постоянного тока ТП - тиристорный преобразователь ТГ - тахогенератор РС - регулятор скорости

Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема системы регулирования частоты вращения ДПТ

Построим функциональную схему исследуемой системы автоматического управления, то есть разобьем систему на составляющие её элементы, исходя из выполняемых или функций с указанием связи между ними.

Функциональная схема приведена на рисунке 3.



Uзад (s) - задающее напряжение

Мн (s) - момент нагрузки внешнего воздействия

щ (s) - угловая частота вращения

Рисунок 3 - Функциональная схема исследуемой системы автоматического управления

По функциональной схеме, подставляя в неё конкретные функции, составляющих её звеньев, составляем обобщающую структурную схему исследуемой САУ.

Структурные схемы тиристорного преобразователя, тахогенератора и двигателя постоянного тока приведены на рисунках 4,5,6.

Рисунок 4 - Структурная схема тиристорного преобразователя

Рисунок 5 - Структурная схема тахогенератора.



Рисунок 6 - Структурная схема двигателя постоянного тока

Рисунок 7 - Обобщающая структурная схема исследуемой САУ

3. Построение структурных схем двигателя постоянного тока по управляющему и возмущающему воздействиям

Используя обобщающую структурную схему системы автоматического управления, приведенную на рисунке 7, составляем структурные схемы двигателя постоянного тока по управляющему и возмущающему воздействиям.

Рисунок 8 - Структурная схема двигателя постоянного тока по управляющему воздействию.

Рисунок 9 - Структурная схема двигателя постоянного тока по возмущающему воздействию.

3.1 Получение передаточной функции двигателя постоянного тока по управляющему воздействию

По рисунку 8, используя правила соединений динамических звеньев, составляем выражение для нахождения передаточной функции по управляющему воздействию.

3.2 Получение передаточной функции двигателя постоянного тока по возмущающему воздействию

По рисунку 9, используя правила соединений динамических звеньев, составляем выражение для нахождения передаточной функции по возмущающему воздействию.

4. Построение структурных схем и получение передаточных функций исследуемой системы автоматического управления по управляющему и возмущающему воздействиям

Для облегчения задания используем функцию ДПТ по управляющему и возмущающему воздействиям. Тогда обобщающая структурная схема САУ примет вид привидений на рисунке 10.

Рисунок 10 - Обобщающая структурная схема

Используя рисунок 10, построим замкнутую структурную схему САУ по управляющему воздействию

Рисунок 11 - Замкнутая структурная схема САУ по управляющему воздействию

Используя рисунок 10, построим замкнутую структурную схему САУ по возмущающему воздействию

Рисунок 12 - Замкнутая структурная схема САУ по возмущающему воздействию

Используя рисунок 10, построим разомкнутую структурную схему САУ по управляющему воздействию:

Рисунок 13 - Разомкнутая структурная схема САУ по управляющему воздействию

Используя рисунок 10, построим разомкнутую структурную схему САУ по возмущающему воздействию:

Рисунок 14 - Разомкнутая структурная схема САУ по возмущающему воздействию.

4.1 Получение замкнутых передаточных функций системы автоматического управления по управляющему и возмущающему воздействиям

4.1.1 Получение замкнутой передаточной функции системы автоматического управления по управляющему воздействию.

По рисунку 11 определим замкнутую передаточную функцию САУ по управляющему воздействию.

4.1.2 Получение замкнутой передаточной функции системы автоматического управления по возмущающему воздействию

По рисунку 12 определим замкнутую передаточную функцию САУ по возмущающему воздействию.

4.2 Получение разомкнутых передаточных функций системы автоматического управления по управляющему и возмущающему воздействиям

4.2.1 Получение разомкнутой передаточной функции системы автоматического управления по управляющему воздействию

По рисунку 13 определим разомкнутую передаточную функцию САУ по управляющему воздействию.

4.2.2 Получение разомкнутой передаточной функции системы автоматического управления по возмущающему воздействию

По рисунку 13 определим разомкнутую передаточную функцию САУ по возмущающему воздействию.

5. Исследование устойчивости системы автоматического управления

5.1 Исследование устойчивости САУ по алгебраическому критерию

Исследование устойчивости по алгебраическому критерию можно произвести либо по критерию Гурвица, либо по критерию Рауса.

Устойчивость по Гурвицу.

САР устойчива по критерию Гурвица, если при положительности коэффициентов характеристического уравнения все определители Гурвица, составленные по определённой схеме, положительны. Если хотя бы один из определителей Гурвица отрицательный, то система неустойчива.

Замкнутая передаточная функция управляющему воздействию, рассчитанная в пункте 4.1.1, имеет вид:

Характеристическое уравнение имеет вид:

Так как все определители Гурвица больше нуля, то САР устойчива

5.2 Исследование устойчивости САУ по критерию Михайлова

Критерий Михайлова основан на рассмотрении характеристического уравнения САР, в котором вместо p используется j. В этом случае имеем функцию комплексной переменной вида

F (j) = U () + j V(),

U () =;

V() =.

Система устойчива по критерию Михайлова, если годограф Михайлова повернётся в положительном направлении (против часовой стрелки), начиная с вещественной положительной полуоси, на число квадрантов, равное порядку характеристического уравнения, то есть на угол n / 2, при этом нигде не обращаясь в нуль

Замкнутая передаточная функция управляющему воздействию имеет вид:

Характеристическое уравнение имеет вид:

Критерий Михайлова основан на рассмотрении характеристического уравнения САР, в котором вместо p используется j. В этом случае имеем функцию комплексной переменной вида:

Выделим вещественную и мнимую части:

Построим график, используя Microsoft Exel.

Рисунок 15 - Определение запасов устойчивости по годографу Михайлова

Таблица 2 -Годограф Михайлова

w	0	1	5	10	50	100	150	200
U(w)	3,22594	3,2257838	3,222035	3,21032	2,83544	1,66394	-0,28856	-3,02206
J(w)	0	0,025098916	0,125365	0,249916	1,1195	1,426	0,1065	-3,652

5.3 Исследование устойчивости САУ по критерию Найквиста

САР устойчива по критерию Найквиста, если годограф Найквиста при изменении частоты от щ до + ? не охватывает точку с координатами (-1;j0).

Разомкнутая передаточная функция САУ по управляющему воздействию имеет вид:

Комплексная передаточная функция примет вид:

Помножим на комплексно-сопряженное число:

Вещественная часть:

Мнимая часть:



Рисунок 16 - Определение запасов устойчивости по годографу Найквиста

w	P(w)	jQ(w)
0	2,22594	0
1	2,224886	-0,05585
5	2,199822	-0,27686
10	2,124331	-0,53934
20	1,859373	-0,97848
50	0,834442	-1,53335
100	-0,52991	-1,34834
110	-0,7788	-1,15812
120	-0,96776	-0,88757
130	-1,04844	-0,5692
140	-1,00789	-0,26913
155	-0,8068	0,038479

САР устойчива по критерию Найквиста, так как годограф Найквиста при изменении частоты от щ до + ? не охватывает точку с координатами (-1;j0).

5.4 Исследования устойчивости системы автоматического управления по логарифмическому критерию

Разомкнутая передаточная функция по управляющему воздействию имеет вид:

Преобразуем W(s)для получения выражения для ЛАЧХ. Для этого квадратный трехчлен

нужно разложить на множитель первой степени, решив квадратное уравнение ,если s1 и s2 корни уравнения, то:

Решаем уравнение:

Д?0

Определим параметры ЛАЧХ. Значение сопрягающих частот:

Значение ординаты при

Наклон низкочастотного участка равен: -20 м=-20•0=0

Составим выражение ЛФЧХ:

ц(щ)=-arctg0,02щ-arctg 0,02щ-arctg 0,02щ.

Рисунок 17 - Логарифмическая и фазовая амплитудно-частотные характеристики

5.5 Определение запасов устойчивости

Определим запасы устойчивости по амплитуде и по фазе ЛЧХ.

Запас устойчивости по амплитуде характеризует отрезок l= 20lgЧh при этом значении частоты, при котором ЛФЧХ ц(щ)=180.Запасу устойчивости по фазе соответствует угол между ЛФЧХ и линией 180 при частоте среза.



Рисунок 18 - Определение запасов устойчивости по ЛФЧХ.

Запас устойчивости по амплитуде ?l=13,1 дб

Запас устойчивости по фазе ?ц=16,9°

Определим запас устойчивости по амплитуде и по фазе по годографу Найквиста.

Запас устойчивости по амплитуде - минимальный отрезок действительной оси h, характерной расстояние между критической точкой (-1;JQ)и ближайшей точкой пересечения годографом Найквиста вещественной оси

Запас устойчивости по фазе - это минимальный угол, образуемый радиусом, проходящим через точку пересечения годографа Найквиста с окружностью единичного радиуса с центром в начале координат и вещественной отрицательной полуосью.



Рисунок 19. Годограф Найквиста

Запас устойчивости по амплитуде h=0,1

Запас устойчивости по фазе ?ц=5°33'

6. Синтез системы автоматического управления методом логарифмических частотных характеристик

6.1 Построение логарифмической амплитудной частотной характеристики неизменяемой части системы автоматического управления

Для построения неизменяемой ЛАЧХ используем разомкнутую передаточную функцию по управляющему воздействию.

Определим параметры ЛАЧХ:

Значения сопрягающих частот

Значение ординаты при

Наклон низкочастотного участка



Рисунок 20 - Логарифмическая амплитудная частотная характеристика

6.2 Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики системы автоматического управления

Для построения желаемой ЛАЧХ, необходимо определить частоту среза и желаемые частоты сопряжения.

Частота среза

Принимаем

Значение сопряженных частот:

принимаем

ЛАЧХ КУ графически определяется по формуле:

Рисунок 21 - Синтез САУ методом ЛАЧХ и ЛФЧХ

6.3 Определение параметров корректирующего устройства

Передаточная функция необходимого последовательного корректирующего устройства составлена по виду логарифмической амплитудной частотной характеристики корректирующего устройства. Для желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики логарифм частоты сопряжения равен lgщсоп =0,13

Lg1,36=0,13

Эта передаточная функция может быть реализована одним дифференцирующим четырехполюсником, выполненным по схеме 30 приложения Б, электрическая схема которого представлена на рисунке 21.



Рисунок 22 - Электрическая схема КУ.

Задаём значения R2=100кОм

R1=10 кОм

6.4 Построение графика переходного процесса и определение основных показателей качества

Построим график переходного процесса на ЭВМ

График переходного процесса представлен на рисунке 22

Рисунок 23 - График переходного процесса

Таблица 4 - Данные для построения графика переходного процесса.

i	?t	h(t)
0	0	0
1	1	0,206526584
2	2	0,221491427
3	3	0,222518503
4	4	0,222588831
5	5	0,221703863
6	6	0,221575246
7	7	0,221561747
8	8	0,221560502
9	9	0,221564228
10	10	0,221565052
11	11	0,221565169
12	12	0,221565162
13	13	0,221565162
14	14	0,221565162
15	15	0,221565162
16	16	0,221565162
17	17	0,221565162
18	18	0,221565162
19	19	0,221565162
20	20	0,221565162
21	21	0,221565162
22	22	0,221565162
23	23	0,221565162
24	24	0,221565162
25	25	0,221565162
26	26	0,221565162
27	27	0,221565162
28	28	0,221565162
29	29	0,221565162
30	30	0,221565162

Время регулирования: tрег=1сек

Величина перерегулирования: 0,46%

Время достижения первого максимума: 0,22сек

Максимальное значение: 0,22

Установившееся значение: 0,22

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта мною были рассчитаны передаточные функции САР по управляющему и возмущающему воздействиям. САР была исследована на устойчивость, были определены запасы устойчивости САР. Также в курсовом проекте был произведен синтез исследуемой САР методом ЛЧХ, определены параметры желаемой ЛАЧХ, и параметры корректирующего устройства. Ввод в систему дополнительного корректирующего устройства необходим для обеспечения заданных показателей качества переходного процесса. В данном случае с помощью подобранного корректирующего устройства обеспечиваются следующие показатели переходного процесса:

Величина перерегулирования 0,46%

Время достижения первого максимума 0,22сек

Время регулирования 1сек

Максимальное значение 0,22

Установившееся значение 0,22

= 0,46%

Данные показатели качества удовлетворяют заданным.

Список используемых источников

1. Беспалов В.Г. «Электрические машины». М.: Издательский центр. «Академия», 2006

2. Лебедев Г.В. «Следящие электропроводы станков с ЧПУ». Энергоатомиздат. 1988. 220с.

3. Соломинцев Н.М. «Теория автоматического управления». М.: Высш. Шк.; 2000

Размещено на Allbest.ru