МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Санкт – Петербургский  государственный университет аэрокосмического приборостроения

                 Факультет среднего специального  образования (колледж) 
 
 
 
 
 
 

                 АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СЛИЖЕНИЯ 

                              Пояснительная записка 

                      ФСПО.АУ.01.21.816ПЗ 
 
 
 
 

Выполнил студент  группы С816                                   А.Д.Скворцов

Руководитель 

Курсового проекта                                                           Т.С.Бородкина 

Курсовой проект выполнен и защищен 

С оценкой           «                          »                              

Санкт-Петербург

2011

   Содержание

Введение                                                                                                                           4

   Исходные  данные                                                                                                          6

1. Раздел 1. Теоретическая  часть  

     1.1 Описание работы схемы                                                                                      7

   1.2   Описание элементов схемы

1.2.1 Потенциометр                                                                                                  8

1.2.2 Операционный усилитель (ОУ)                                                                      9

1.2.3 Последовательное корректирующее устройство (КУ)                             10

1.2.4 Усилитель мощности (УМ)                                                                           11

1.2.5 Электромашинный усилитель (ЭМУ)                                                        12

1.2.6 Исполнительный двигатель (ИД)                                                              13

1.2.7. Редуктор                                                                                                           14

2. Раздел 2. Расчётная   часть

   2.1 Исходные данные                                                                                                15

   2.2 Структурная схема  система и её  преобразования                                16

   2.3 Исследование автоматической системы на устойчивость              19

   2.4 Оценка качества  работы системы                                                            21

3.Заключение                                                                                                           23

4. Список литературы                                                                                         24 
 

Приложение  1: Двигатель поперечной подачи. Схема     электрокинематическая структурная. ФСПО.АУ0121.816С1 

   Приложение  2: Двигатель поперечной подачи. Схема

     электрокинематическая функциональная. ФСПО.АУ0121.816С2

Введение

Теория  автоматического  управления (ТАУ) — это дисциплина, изучающая процессы автоматического управления объектами разной физической природы. При этом при помощи математических средств выявляются свойства систем автоматического управления и разрабатываются рекомендации по их проектированию.

Автоматическое  управление в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. А. у. широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины — выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта — управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления.

Система автоматического  управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или какого-либо другого комплекса.

Автоматизированная  система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

АС классифицируются по ряду признакам: По характеру воздействия  бывают системы стабилизации, программного управления и следящие системы. По способу  передачи и преобразования сигнала  системы бывают непрерывные и  дискретные. По виду управленческого  сигнала системы бывают электрические, электромеханические, пневматические, гидравлические и комбинированные. По расстоянию от объекта до средств  автоматического контроля системы  бывают сосредоточенного, дистанционного и телемеханического контроля. По виду дифференциального уравнения  связи системы бывают линейные, нелинейные, стационарные, нестационарные. По величине установившейся ошибки системы бывают статические, астатические. При управлении всегда происходит преобразование одного вида энергии в другой или изменение потока энергии к объекту. При этом на само управление расходуется лишь незначительная часть от потока энергии, участвующей в технологическом процессе.

     Качественный  скачок в развитии автоматического  управления был совершён, когда в  системы стали включать быстродействующие  ЭВМ. Развитие вычислительной техники  привело к созданию больших автоматических систем для управления сложными производственными  процессами и целыми отраслями промышленности.

     Автоматизация производственных процессов- одно из основных направлений технического прогресса, основа повышения производительности труда, так как позволяет увеличивать производительность технологического оборудования и работоспособность обслуживающего персонала, улучшает качество продукции, повышает безопасность работы, а так же позволяет осуществлять новые высокоинтенсивные процессы, не допустимые при ручном управлении.  
 

Исходные  данные

Рисунок 1.

Функциональная схема автоматической системы слежения

     Раздел 1. Теоретическая  часть.

     1.1.Описание работы автоматической системы.

     Данная  система предназначена для поворота угла антенны.

     Входной сигнал задаётся задающим потенциометром, после чего подаётся на операционный усилитель работающий в режиме сумматора, который вырабатывает сигнал рассогласования задающего потенциометра и потенциометра обратной связи. Далее сигнал поступает на последовательное корректирующее устройство, которое производит коррекцию системы. После коррекции сигнал поступает на усилитель мощности, который преобразуется по мощности электромашинным усилителем. Затем сигнал поступает в обмотку ротера двигателя постоянного тока, выходной величиной которого является угол поворота. Исполнительный двигатель связан с редуктором жёсткой связью которая понижает обороты и поступает на объект управления.

     Усилитель мощности и электромашинный усилитель  охватывается жёсткой отрицательной  обратной связью, которая стабилизирует  Ку, то есть делает малочувствительным к помехам и шумам.

      1. 2.Описание элементов автоматической                  системы.   
1.2.1.Потенциометр.

         Потенциометры (потенциметрические датчики ) предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал оснавной частью потенциометра является реостат , сопротивление которого изменяется при перемещении движка ,                                                скользящего по проволоке (схема включения потенциометра показана на рисунке №2.). Напряжение питания подается на всю обмотку реостата через неподвижные выводы этой обмотки . Выходное

напряжение , пропорционально  перемещению перемещению движка , снимается с одного из подвижного движка .

       В автоматических системах движок может быть механически связан с каким-либо устройством (клапаном,  рулем, антенной, режущим унструментом и т.д), положение которое надо измерить и передать в виде электрического сигнала. Усилие , под действием которого перемещается движок , в этом случае весьма велико.

Поэтомудля обеспечения  надежного контакта между движком  и обмоткой следует иметь достаточно большую силу прижатия движка.

      Наличие скользящего контакта  снижает надежность потенциометра  и является его основным недостатком.  Для питания датчика может  быть использовано как напряжение  постоянного тока , так и напряжение  переменного тока невысокой частоты.  Входным сигналом может быть  не только линейное, но и угловое  перемещение.                                      

    Предаточная  функция потенциометра : W(р)=Кп .                                        

                               Рисунок  2 .Потенциометр.         

1. 2.2.Операционный усилитель.

    Операционным усилителем(рисунок №3.)   называют усилитель с входным дифференциальным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 10000), широкой полосой пропускания (от 0 до 10...100 МГц), высоким входным сопротивлением ( R_Вых>10 кОм) и малым выходным сопротивлением ( R_вых<100 Ом). Применение ОУ позволяет за счет использования перечисленных свойств и различных звеньев обратной связи выполнять узлы и устройства электронной аппаратуры самого разнообразного назначения (различные типы усилителей - УПТ, УШ, УВЧ и др., генераторы электрических сигналов различной формы, стабилизаторы напряжений, активные фильтры и много других электронных устройств). СУ в настоящее время выпускаются только в микроэлектронном (интегральном) исполнении и считаются базовым элементом современной микроэлектроники. ОУ обладают высокой надежностью и механической прочностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением. Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивление R, выходное сопротивление U_вых.

Передаточная  функция операционного усилителя:W(р)=Ку.

                            Рисунок  3 .Операционный усилитель. 
 
 
 
 

1.2.3. Последовательное  корректирующее устройство.

     Для улучшения показателей качества работы системы автоматики выполняют коррекцию, которая заключается  в изменении параметров (коэффициента усиления , постоянных времени и др.) или структуры системы . Основными показателями качества являются точность и устойчивость. Простейшие способы повышения точности заключаются

В увеличении коэффициента усиления (изменение параметра) или  введении интегрирующего звена (изменение  структуры). Корректирующий элемент  включают в прямую цепь (последовательная коррекция) или вводят дополнительные обратные связи (параллельная коррекция).

   Операции  интегрирования приближенно выполняются  с помощь так называемых  RC-цепочек (рисунок №4.).

     Использование  дифференцирующего звена улучшает  динамику работы системы , позволяет ей быстрее реагировать на резкие изменения входных сигналов и возмущающих воздействий.

   Передаточная функция:    W(р)=

Рисунок 4. Корректирующее устройство 
 
 
 
 
 
 
 

     1.2.4 Усилитель мощности (УМ)

(Рисунок 5)  Двухтактный транзисторный усилитель мощности обеспечивает хорошее согласование и большой коэффициент усиления. Поэтому применение такого усилителя целесообразно, когда мощность на выходе чувствительных элементов или датчиков мала.

               Рисунок 5. 

(Рисунок 6)   Принципиальная схема транзисторного двухтактного каскада.  Tp1, Tp2 — входной и выходной трансформаторы; T1, T2 — транзисторы; R1, R2 — резисторы делителя напряжения, необходимые для получения требуемого напряжения смещения на базах; Rэ

               Рисунок 6.

— резисторы  в цепи эмиттеров, предназначенные  для симметрирования плеч каскада  и дополнительной стабилизации режима работы каскада:  Eк — источник постоянного тока.                              

Передаточная  функция: W(p)=K_М 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2.5. Электромашинный  усилитель (ЭМУ)

     В автоматических  устройствах возникает необходимость усиления электрической мощности , получаемой от различных маломощных измерительных элементов или преобразователей (температуры, давления, влажности, химического свойства среды и т.д.). использованные для указанной цели устройства называются усилителями.

     В  технике применяются различные  виды усилителей электрической  мощности : электронные, полупроводниковые,  магнитные и электромашинные(рисунок №7.). Последние представляют собой специальную разновидность электромашинных генераторов , которые приводятся во вращение приводными электрическими двигателями с n =const.Усиление мощности при этом происходит за счет мощности ,получаемой от приводного двигателя. Электромашинные усилители (ЭМУ) применяются для автоматического управления работой электрических машин в различных производственных и транспортных установках.

     Коэффициентом  усиления усилителя Ку называется отношение выходной мощности  Рвых к входной мощности  Рвх:            

                           Ку=Рвых/Рвх

     Мощностью Рвх называется также мощностью управления или сигнала. Коэффициент усиления мощности ЭМУ

            Рисунок 7. ЭМУ

                                                             достигает значений Ку=1000÷10000.

  Обычно требуется  также , чтобы при изменении режима работы ЭМУ Ку=const . для этого магнитные системы ЭМУ выполняют ненасыщенными.

 От ЭМУ  также требуется большое быстродействие  работы . Быстродействие определяется электромагнитными постоянными времени обмоток ЭМУ.

Передаточная  функция ЭМУ :W(р)=. 
 
 
 

1.2.6. Исполнительный двигатель  (ИД)

 В качестве исполнительных двигателей, преобразующих в схемах автоматики электрические сигналы в заданный поворот или вращение вала, обычно используются двигатели малой мощности от долей ватта до нескольких киловатт. Наибольшее распространение получили двигатели до 100 вт. Исполнительный двигатель приходит во вращение при подаче сигнала, а при снятии его должен сразу останавливаться без применения тормозящих устройств.

Исполнительные  двигатели являются одним из основных элементов многих схем автоматики и  счетно-решающей техники. От их работы в значительной степени зависит  качество всей автоматической системы. Для них характерно постоянное изменение  скорости, частые пуски, реверсы и  остановки. Под номинальной мощностью  исполнительного двигателя понимают максимальную мощность, на которую  рассчитан двигатель.

К исполнительным двигателям предъявляются следующие  основные требования: устойчивость работы, линейность регулировочных и механических характеристик, малая мощность регулирования, большой пусковой момент, отсутствие самохода (двигатели должны сразу  тормозиться после снятия сигнала), изменение в

            Рисунок 8. ИД                                     

широких пределах скорости вращения, быстродействие, надежность, малый вес и габариты.

Недостатки исполнительных двигателей постоянного тока связаны  с применением коллектора и наличием скользящего контакта. Во взрывоопасных  условиях они требуют особой герметизации, а для подавления радиопомех —  фильтров. 
 

1.2.7. Редуктор

       Редуктор (механический)  − механизм, преобразующий и передающий крутящий момент, с одной или более механическими передачами, обычно преобразующий высокую угловую скорость в более низкую. Редуктор со ступенчатым изменением угловой скорости называется коробкой передач, с бесступенчатым   − вариатор. Характеризуется  − КПД, передаточным отношением, передаваемой мощностью, максимальными угловыми скоростями валов, количеством ведущих и ведомых валов, типом и количеством передач и ступеней. Редуктор, который преобразует низкую угловую скорость в более высокую обычно называют мультипликатором. Редукторы бывают нескольких видов Червячные и цилиндрические. Редукторы бывают нескольких видов: Червячные и цилиндрические.

      Пример: червячный редуктор 2 Ч-40

     Универсальный  общего назначения и предназначен для изменения крутящего момента и частоты вращения и эксплуатации в микроклиматических районах с умеренным климатом, с сухим и влажным тропическим климатом. Параметры:

- 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 1800 об/мин

Пример: одноступенчатый цилиндрический редуктор ЦУ100

      Узкие горизонтальные общемашиностроительного  применения  тип 1ЦУ-100 предназначены  для увеличения крутящего момента  и уменьшения частоты вращения. Параметры:

- нагрузка  постоянная и переменная, одного  направления и реверсивная

- работа  постоянная или с периодическими  остановками

                                           -вращение валов в любую сторону

                                           -частота вращения входного вала не должна превышать 1800 об/мин                                                      W(p)=K_РЕД

Раздел 2.Расчетная часть.

 2.1. Исходные данные. 

Кп= 32

R1=1,2 [МОм]

R2=133[кОм]

С1=0,25[мкФ]

Тэ=0,432[С]

Кэ=25

R3=1[МОм]

С3=0,25[мкФ]

Кдв=30

Тдв=0,3[C]

Кред=1/200

Ку=747

Км=30 
 
 
 
 
 
 

2.2.Структурные  преобразования системы

         На основании структурной кинематической  схемы системы автоматического  управления, представленной на рисунке  1 и передаточных функций входящих  в нее звеньев, получаем структурную  схему САУ 

(Рисунок  10).

           Структурные схемы автоматического  регулирования в наглядной форме  отражают состав систем и связи  между их элементами. С помощью  структурных схем удаётся уточнить  внутреннее строение системы  и найти место включения дополнительных  связей, улучшающих качество динамических  процессов, происходящих в системе.

       На структурной схеме каждое  динамическое звено показывается  прямоугольником, в котором записывается  передаточная функция. 
 

Для САУ, структурная  схема которой представлена на рисунке 10, используя метод структурных преобразований, получим передаточную функцию W(p) от  входа до выхода. 

     Для начала рассчитываем передаточную функцию  корректирующего устройства: