Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. курсовые работы > автоматизация
Название:
Системы автоматического управления

Тип: Курсовые работы
Категория: Тех. курсовые работы
Подкатегория: автоматизация

Цена:
1 грн



Подробное описание:

Министерство образования Российской Федерации
Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
________________________________________________________________

Кафедра автоматики и управления

 

Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсу «Системы автоматического управления»

 


Выполнил студент группы 3410_________________ Илюшин А.Ю.
(подпись) (Фамилия И.О.)
Руководитель _________________ Маханько А.В.
(должность, подпись) (Фамилия И.О.)


Оценка _____________
___________ Маханько А.В.
(подпись) (Фамилия И.О.)

 

 

Казань, 2005
Содержание
Введение 3
Техническое задание 4
Технические требования 4
Выбор насоса 4
Выбор электродвигателя 5
Выбор датчика 5
Составление математической модели объекта с приводом 6
Определение передаточной функции системы 7
Линеаризация в окрестностях выбранного режима 14
Синтез регулятора 15
Разработка электрической схемы регулирующего устройства 19
Заключение 22
Список использованной литературы 23

Введение

На сегодняшний день существует очень много систем автоматического регулирования. Эти системы необходимо исследовать. Исследование дает возможность получить количественную и качественную характеристики действительного процесса.
Моделирование – исследование на лабораторных моделях физических процессов, протекающих в отдельных телах, машинах, сооружениях и других устройствах. Оно позволяет иногда заменить исследование действительного процесса изучением иного процесса, подчиненного тем же закономерностям.
Регулятор-устройство, автоматически поддерживающее в машинах или установках постоянство какого-либо заданного параметра или меняющее его величину по определенному закону. В данном курсовом проекте проектируется и исследуется регулятор давления на выходе насоса. Давление регулируется посредством изменения частоты вращения силового двигателя, приводящего во вращение ротор насоса.
Регулирование скорости электродвигателей – применяемое в электроприводе регулирование скорости вращения. Оно просто осуществляется для электродвигателей постоянного тока и несколько сложнее для электродвигателей переменного тока. В нашем проекте используется способ регулирования частоты вращения, основанный на изменении подводимого к двигателю напряжения при постоянных значениях потока возбуждения и сопротивления в цепи якоря двигателя. Этот способ обеспечивает широкую и удобную регулировку скорости при достаточной экономичности, особенно в мощном электроприводе.

Техническое задание

При изменении расхода Q давление на выходе центробежного насоса изменяется (рис.1). Необходимо разработать систему управления электродвигателем насоса для стабилизации давления на выходе (Pст) за счет изменения скорости вращения двигателя.

Q


изменение характеристик
потребителя


Qст

 


Pст P

Рис.1

Технические требования

Pст =0,5 Мпа,
Q=200÷1000 л/мин.,
tпп=0,25 с,
б=10 %,
где tпп- время переходного процесса,
б – динамическая ошибка.


Выбор насоса

Из справочника [1. с.19.] был выбран центробежный насос марки 3К-6, обеспечивающий заданные характеристики по P и Q, со следующими параметрами:
мощность на валу насоса
Nн=12,5 кВт,
необходимая мощность на валу электродвигателя
Nд=20 кВт,
полный напор
Н=50м=Р=0,5 мПа=500Дж/кг.,
подача
Q=60 м3/час=16,7 л/сек=1002л/мин=0,016м3/сек.,
число оборотов в минуту
n=2900 об/мин=303,5 рад/сек.,
к.п.д. насоса
η=66,3 %.


Выбор электродвигателя

Из справочника [2. с.382] был выбран двигатель постоянного тока марки 2ПО180LГУХЛ4, обеспечивающий технические данные насоса. Двигатель имеет следующие параметры:
мощность на валу
Nд=20 кВт,
напряжение питания
Uпит=220 в,
номинальная частота вращения
nном=3000 об/мин=314рад/сек.,
максимальная частота вращения
nном=3500 об/мин=366,3рад/сек.,
к.п.д. двигателя
η=90 %,
сопротивление обмотки якоря при 15оС
Rя=0,025 Ом,
индуктивность цепи якоря
Lя=0,92 мГн,
момент инерции якоря двигателя
Iя=0,23 кг•м2.


Выбор датчика

Из справочных данных [2. с.39]был выбран датчик давления модели Метран-22-ДА-АС со следующими техническими характеристиками:
выходной аналоговый сигнал 0-20 мА,
наличие выносного индикатора,
давление на выходе датчика
Рд=0,6 Мпа.,
Uпит=24 В.
Датчик имеет линейно-возрастающую характеристику выходного сигнала.


Составление математической модели объекта с приводом


двигатель
ротор насоса Мн



φд, φн, Мд

Рис.2

Используем уравнение Лагранжа:

, где
ТΣ = ΣТкин – сумма кинетических энергий всех тел,
qi – обобщенная координата,
Qi – обобщенная сила.
В нашей системе присутствует допущение – связь абсолютно жесткая.
Итак,

 

 


Перейдем к преобразованиям Лапласа:

 

По этому уравнению можно составить следующую схему:


МД(р) φ φ φ


МН(р)

Для простоты произведем замену:
IД+IН=I0
Теперь нам необходимы моменты инерций двигателя и насоса:
Из табличных значений [2. с.393] момент инерции якоря двигателя IД=0,23кг•м2.
По рекомендации руководителя общий момент инерции возьмем на 30% больше момента инерции якоря двигателя, т.е. (0,23•30)/100= 0,069 кг•м2.
=> I0 = 0.23+0.069 ≈0,3кг•м2.


Определение передаточной функции системы

Двигатель постоянного тока независимого возбуждения:


UЯ LЯ ,
ew
w,M


Рис.3

Здесь имеется допущение: на самом деле индуктивность может быть непостоянной. Найдем неизвестные:

 

wmax=wхх=366,3рад/сек.

 

 

- рассматривается как одно целое значение ТЭ.

LЯ, RЯ – индуктивность и сопротивление цепи якоря соответственно. Из справочника [2. с.382]:
LЯ = 0,92МГн=0,00092Гн.
RЯ = 0,025Ом.

Следовательно:


Момент управления

Напряжение управления

Противо ЭДС

Значение номинального пускового момента можно найти из зависимости момента двигателя от частоты его вращения (рис.4).
При помощи номинального значения частоты вращения и момента нашли точку А. Точка В является значением максимальной частоты вращения. Тогда точка С будет являться значением пускового момента.
Структурная схема ДПТ выглядит следующим образом:

UУ IЯ MУ.


еW

Структурная схема ДПТ с насосом выглядит так:

 


МН

UУ δU IУ МУ φн φн φн



φ=ω


Данную схему можно преобразовать следующим образом:

Uу φн φн


W4

Имеется в виду следующая замена:

 

 

Таким образом, получилось колебательное звено 2-го порядка. Разложим его на пару апериодических звеньев

 



Эту систему уравнений решим в пакете MathCad. Постоянные времени получились комплексными. Значит, данное колебательное звено невозможно разложить на апериодические звенья.

Структурная схема регулирования скорости вращения двигателя выглядит следующим образом:

Q

Uзад δ UУ φн p U

UОС


где
- КУ - коэффициент усиления электронного усилителя. Он находится путем подбора в виду того, что Uзад=5В, а напряжение питания двигателя Uпит=220В.

- КД-КА – коэффициент передачи датчика. Он находится из соотношения

Выведем характеристику потребителя статическую характеристику насоса.
Характеристика потребителя представляет собой зависимость давления на выходе насоса от расхода потребителя.

где ρ- плотность жидкости (воды),
N – мощность на валу насоса, Вт,
Q – расход потребителя, м3/сек.,
P – давление в напорной магистрали насоса, Дж/кг.,
η – к.п.д. насоса.
Отсюда можно вывести следующую формулу:

Варьируя давлением, получим характеристику потребителя (рис.5).
Теперь выведем статическую характеристику насоса.
Вычислим рабочий объем насоса:

где QH –подача насоса,
n-частота вращения ротора двигателя.
Скорость потока жидкости вычисляется по формуле:

где S – площадь поперечного сечения потока жидкости в нашем случае – напорного патрубка).
Давление на выходе насоса

Таким образом, варьируя параметром n, получим статическую характеристику насоса (рис.6). Площадь сечения подберем такую, чтобы номинальному значению частоты вращения двигателя n=3000об/мин. соответствовало номинальное значение давления на выходе насоса P=0.5 Мпа. В данном случае диаметр выходного патрубка равен D=2•r=25,4мм.
Для наглядности системы изобразим графические характеристики зависимостей в пакете MathCad:
Здесь имеется существенный недостаток – обе характеристики насоса нелинейные. Ее необходимо линеаризовать.

 

Рис.5

Рис.6


Линеаризация в окрестностях выбранного режима



где .

Тогда система будет выглядеть следующим образом:

ΔQ ΔPQ насос

Uзад δ UУ Δφн ΔPφ ΔP U

UОС

 

где КУ =44 – коэффициент усиления усилителя.
К=10,8 – коэффициент, найденный путем линеаризации статической характеристики.
– коэффициент, найденный путем линеаризации характеристики потребителя.

По принципу суперпозиции:
-в операторной форме,
тогда выход насоса в операторной форме запишется следующим образом:
- уравнение в отклонениях.

Определим передаточную функцию замкнутой системы по задающему воздействию:

где

Тогда передаточная функция замкнутой системы будет выглядеть следующим образом:

Определим передаточную функцию системы для ошибки δ по возмущению f=Q:

где δ=UЗ-UОС.
Построим логарифмические характеристики системы по возмущению с использованием пакета MatLab (рис.10.).


Синтез регулятора

Рассмотрим нашу систему с типовыми П, ПД и ПИД регуляторами соответственно с использованием MatLab (рис.7,8,9.).
Система с П-регулятором:

UЗ UП U


Система с ПД-регулятором:

UЗ Uрег U


Система с ПИД-регулятором:

 

UЗ Uрег U



Построив ЛАХ и ЛФХ разомкнутых систем с этими регуляторами, мы увидели, что наиболее приемлим ПД-регулятор. Однако я использовал метод желаемых ЛАХ и применил корректирующие звенья (последовательность интегрирующего и интегро-дифференцирующего звеньев, см. ниже).
Синтез регулятора реализуется выбором желаемых частотных характеристик, которые находятся по требованиям устойчивости, качества и точности, а также заданной неизменяемой части системы.
Наряду с желаемыми характеристиками проектировщик должен располагать логарифмическими амплитудными и фазовыми частотными характеристиками неизменяемой части системы.
Передаточная функция разомкнутой системы выглядит следующим образом:

Построим логарифмические характеристики разомкнутой системы с использованием пакета MatLab (рис.11).В области положительных значений фазовая характеристика не пересекает ось -180, но она бесконечно к ней приближается. Значит, запас по фазе очень мал. Необходимо построить желаемую характеристику, которая строится следующим образом:
Сначала необходимо определить желаемую частоту среза [4. с.353]. Исходя из заданных параметров системы время переходного процесса
tпп=0,25 с, а показатель перерегулирования б=10 %.
Следовательно:

Проведем через току прямую с наклоном –20 дб/дек, слева и справа обеспечиваем запас по амплитуде 15дб. В области низких частот проводим сопряжение желаемой и нескорректированной ЛАХ с наклоном –40 дб/дек. В области высоких частот строим желаемую ЛАХ параллельно нескорректированной, т.е. –40 дб/дек. Желаемая ЛАХ изображена на рис.12.
Найдем сопрягающие частоты в точках, где желаемая ЛАХ принимает значение –15,1 дб, и где происходит сопряжение желаемой и нескорректированной ЛАХ:

Постоянные времени, соответствующие этим частотам:

Тогда передаточная желаемой ЛАХ будет иметь вид:

Теперь можно найти ЛАХ коррекции по формуле:

Корректирующая ЛАХ изображена на рис.13. По ней видно, что запас по фазе достаточно высок 160.

Передаточная функция корректирующей цепи выглядит следующим образом:

Теперь в систему включен регулятор:

ΔQ ΔPQ насос

Uзад δ UР Uу Δφн ΔPφ ΔP U

UОС


Найдем передаточную функцию желаемой замкнутой системы с помощью пакета Matlab:

Построим переходной процесс желаемой замкнутой системы в Matlab (рис.14).
Судя по переходному процессу можно сделать вывод о соответствии разработанной системы заданным требованиям.

После проведения синтеза системы получим, что электрическая схема корректирующей цепи будет состоять из интегрирующего и интегро-дифференцирующего звеньев.

 


Расчет интегрирующего звена:
R1

R2
U1 U2
C1

Т1=1,58 сек.
Т2=0,16 сек.


Тогда

Возьмем С2=30 мкФ=0,00003 Ф,
тогда

Из справочной литературы [6. c.62.] выберем резисторы следующих марок:
R1 – МЛТ-0,25 - 47,5кОм  5%,
R2 – МЛТ-0,125 – 5,1кОм2%.
Из справочной литературы [7. c.169] выберем конденсатор марки:
С1 – К10-23-М47-33мкФ.
-конденсатор монолитный керамический.
Расчет интегро-дифференцирующего звена:
C1


R1
R2
U1 U2
C2

T1=0,0256 сек,
Т2=0,0256 сек,
Т3=1,58 сек,
Т4=0,009 сек.

 

 

 

 

 

 

 


Возьмем С2=10 мкФ,
тогда

Из справочной литературы [6. c.62.] выберем резисторы следующих марок:
R1 – МЛТ-0,25 - 51кОм  1%,
R2 – C2-29В-0,125 – 853Ом  0,1%.
Из справочной литературы [7. c.169] выберем конденсаторы марки:
С1 – К10-47-Н30-33мкФ.
С2 – К10-23-М47-30мкФ.
-конденсаторы керамические монолитные.
После выбора номиналов резисторов и конденсаторов, строится электрическая схема корректирующей цепи (регулятора).


Разработка электрической схемы регулирующего устройства

Разработанная электрическая схема регулирующего устройства находится в чертежах курсового проекта.
Текст программы регулирующего устройства выглядит следующим образом:
#include <ioavr.h>
#include <inavr.h>

#define FCLK 11059000
#define MAX_ADC 0xFF
#define MAX_P 1000
#define NOM_P 500

#define OFFSET_DAC 100

#define DOPUSK_MIN 5
#define DOPUSK_MAX 5

#define STEP_DAC 2

#define DAC_CS(val) \
PORTD_Bit5 = val

#define DAC_WR(val) \
PORTD_Bit4 = val

void init_ports(void);
void watchdog_on(void);
void delay_ms(unsigned int);
void delay_mks(unsigned int);
void upr_dac(unsigned char);
unsigned char adc_code(void);

const unsigned char min = NOM_P * (1 - DOPUSK_MIN / 100.0) * MAX_ADC / MAX_P;
const unsigned char max = NOM_P * (1 + DOPUSK_MAX / 100.0) * MAX_ADC / MAX_P;

void main(void)
{
unsigned char dac;

init_ports();

watchdog_on();
while (1)
{
__watchdog_reset();
dac = adc_code();
upr_dac(dac);
delay_ms(50);
}
}

void init_ports(void)
{
/* Направление разрядов порта: 0 - Вход; 1 - Выход */
DDRA = 0x00;
PORTA = 0x00;

DDRB = 0xFF;
PORTB = 0x00;

DDRC = 0xFF;
PORTC = 0x00;

DDRD = 0xFE;
PORTD = 0xFF;

ACSR = (1 << ACD);
ADMUX = MUX0;
ADCSRA = ((1 << ADEN) | (1 << ADSC) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS2));
}

void watchdog_on(void)
{
__watchdog_reset();
WDTCR |= (1 << WDTOE) | (1 << WDE);
WDTCR = (1 << WDP0) | (1 << WDP1) | (1 << WDP2) | (1 << WDE);
}

void delay_ms(unsigned int wt)
{
do {
__delay_cycles((FCLK / 1000));
} while (--wt);
}

void delay_mks(unsigned int wt)
{
do {
__delay_cycles((FCLK / 1000000));
} while (--wt);
}

void upr_dac(unsigned char code)
{
DAC_CS(0);
delay_mks(5);
PORTB = code;
delay_mks(5);
DAC_WR(0);
delay_mks(5);
DAC_WR(1);
DAC_CS(1);
}

unsigned char adc_code(void)
{
static unsigned char count;
static unsigned char dac;
static unsigned int dt_current_code_adc;
static unsigned int zd_current_code_adc;
static unsigned int dt_release_code_adc;
static unsigned int zd_release_code_adc;

if (!(ADCSRA & (1 << ADSC)))
{
if (ADMUX == MUX0)
{
dt_current_code_adc += ADC;
ADMUX = MUX1;
}
else
{
zd_current_code_adc += ADC;
ADMUX = MUX0;
count++;
}
ADCSRA = ((1 << ADEN) | (1 << ADSC) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS2));

if (count >= 10)
{
dt_release_code_adc = (dt_current_code_adc / count);
dt_current_code_adc = 0;

zd_release_code_adc = (zd_current_code_adc / count);
zd_current_code_adc = 0;

count = 0;

dt_release_code_adc >>= 2;
if (dt_release_code_adc < min)
dac = zd_release_code_adc - dt_release_code_adc + STEP_DAC;

zd_release_code_adc >>= 2;
if (dt_release_code_adc > max)
dac = zd_release_code_adc - dt_release_code_adc - STEP_DAC;
}
}
return dac;
}


Заключение

Целью данного проекта была разработка регулятора выходного давления насоса. В процессе разработки регулятора были частично закреплены знания по теории автоматического управления, разработке электрических схем, разводке и изготовлению печатных плат, графической проектировке нашей системы и программированию микроконтроллеров.
Разработанная система удовлетворяет заданным требованиям по времени переходного процесса и по динамической ошибке. Система устойчива. В целом можно сказать, что проделана довольно сложная работа. Курсовое проектирование на этом завершено.


Список использованной литературы

1. Насосы. Каталог-справочник, 3-е изд., испр. М.-Л., Машгиз, 1960.
2. Справочник по электрическим машинам п/р. П.И. Копылова.
3. Датчики давления. Сведения из интернета.
4. Теория систем автоматического регулирования. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Издание второе, исправленное. Москва, 1972.
5. Электротехнические чертежи и схемы. К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. Москва Энергоатомиздат, 1990.
6. Справочник по резисторам. В.В. Дубравский, Д.М. Иванов, п/р И.И. Четверткова и В.М. Терехова, 1991-528 с.
7. Справочник по по электрическим конденсаторам. М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Пресняков, 1983-376 с.

 




Комментарий:

Курсовая работа - записка!


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы