Курсовой проект - Проектирование системы автоматического управления судового грузового манипулятора - файл n2.doc

приобрести
Курсовой проект - Проектирование системы автоматического управления судового грузового манипулятора
скачать (17883 kb.)
Доступные файлы (6):
my kurs.mcd
n2.doc18311kb.18.06.2011 06:19скачать
n3.mdl
n4.mdl
n5.mdl
n6.mdl

n2.doc





Содержание

  1. Задание на курсовое проектирование

  2. Расчёт движения объекта относительно основания манипулятора

2.1. Расчёт законов изменения координат объекта относительно основания манипулятора

2.2. Расчет законов изменения скорости объекта относительно основания манипулятора

  1. Планирование траектории манипулятора

3.1. Определение неизвестных координат точек траектории

3.2. Решение обратной задачи кинематики для контрольных точек

3.3. Определение угловых скоростей звеньев манипулятора в конечной точке траектории

3.4. Определение законов изменения углов поворота звеньев

3.5. Определение законов изменения координат схвата

3.6. Определение законов изменения угловых скоростей

3.7. Определение законов изменения угловых ускорений

3.8. Определение максимальных значений угловых скоростей и ускорений

  1. Расчёт электропривода поворота первого звена манипулятора

4.1. Определение максимального момента нагрузки

4.2. Выбор приводного двигателя

4.3. Формирование структурной схемы СУ

4.4. Синтез желаемой ПФ системы управления

4.5. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

  1. Расчёт электропривода поворота второго звена манипулятора

5.1. Определение максимального момента нагрузки

5.2. Выбор приводного двигателя

5.3. Формирование структурной схемы СУ

5.4. Синтез желаемой ПФ системы управления

5.5. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

  1. Расчёта электропривода поворота третьего звена манипулятора

6.1. Определение максимального момента нагрузки

6.2. Выбор приводного двигателя

6.3. Формирование структурной схемы СУ

6.4. Синтез желаемой ПФ системы управления

6.5. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

  1. Вывод


1. Задание:

Разработать систему управления манипулятора для транспортировки малогабаритных грузов с поверхности води на палубу.

Трехзвенный манипулятор расположен на борту судна (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Схема расположения судна, манипулятора и груза

Исходные данные:





  1. Расчет движения объекта относительно основания манипулятора

    1. Расчет законов изменения координат объекта относительно основания манипулятора



График движения груза относительно основания манипулятора представлено на рис. 2.1.



Рис. 2.1. График движения груза относительно основания манипулятора

    1. Расчет законов изменения скорости объекта относительно основания манипулятора.



  1. Планирование траектории манипулятора.

    1. Определение неизвестных координат точек траектории




    1. Решение обратной задачи кинематики для контрольных точек.

Требуемые координаты схвата:



Для четырех точек траектории решаем обратную задачу кинематики:





Траектория движения схвата построена в двух проекциях: вид с кормы судна и вид сверху на рис. 3.1.

    1. Определение угловых скоростей звеньев манипулятора в конечной точке траектории




    1. Определение законов углов поворотов звеньев

Временные интервалы между контрольными точками траектории:



Для интерполяции законов изменения углов поворота звеньев будем использовать сплайн-функцию «4 – 3 – 4». Она представляет собой:



Определяем коэффициенты трех сплайн-функций (для каждого звена).



Для определения остальных коэффициентов сплайн-функции необходимо решить систему из 9 линейных уравнений.

Матрица коэффициентов (матрица левых частей):



Матрица правых частей:



Законы изменения углов поворота:



Графики изменения углов поворота представлены на рис. 3.2.





Рис. 3.2. Графики изменения углов поворота

    1. Определение законов изменения координат схвата



На рис. 3.3. приведены законы изменения координат схвата и координат объекта по x, y, z.

По графикам видно, что в конечной точке траекторий положение и скорость схвата совпадают с положением и скорость объекта.



Рис. 3.3. Законы изменения координат схвата и координат объекта по x, y, z

    1. Определение законов изменения угловых скоростей

Для определения законов изменения угловых скоростей продифференцируем сплайн-функцию ?(t) по времени.



На рис. 3.4. приведены графики изменения угловых скоростей во времени.



Рис. 3.4. Графики изменения угловых скоростей во времени

    1. Определение законов изменения угловых ускорений

Возьмем вторую производную по времени от сплайн-функции ?(t).




На рис. 3.5. приведены графики изменения угловых ускорений во времени ?(t).



Рис. 3.5. Графики изменения угловых ускорений во времени

    1. Определение максимальных значений угловых скоростей и ускорений

Максимальное значение найдем путем перебора в цикле значений функции.

Число точек разбиения: .

Максимальные угловые скорости:



Максимальные угловые ускорения:



  1. Расчет электропривода поворота первого звена

    1. Определение максимального момента нагрузки

Моменты инерции звеньев относительно собственных осей вращения.





    1. Выбор приводного двигателя



Из каталога выбираем двигатель ПЯ-500.

Характеристики:



следовательно, двигатель подходит.

Рассчитываем динамические параметры двигателя и всей силовой части электропривода.






    1. Формирование структурной и функциональной схемы системы управления

Функциональная схема манипулятора представлена на рис. 4.1.



Рис. 4.1. Функциональная схема системы управления электроприводом поворота звена манипулятора

Она представляет собой:

  1. ФБ1/ФБ2 – функциональные блоки, включающие в себя согласующие, усилительные и корректирующие устройства.

  2. Транзисторный преобразователь

  3. ДПТ – двигатель постоянного тока.

  4. Редуктор

  5. Датчики угловой скорости и угла поворота.

На вход системы поступает задающие воздействие, которое представляет собой сигнал UПР, которое вырабатывается ЭВМ в соответствии с программой движения звеньев манипулятора.

Система содержит местную обратную связь по скорости и главную обратную связь по углу поворота.

Структура и параметры системы «Транзисторный преобразователь – двигатель – редуктор» является фиксированным, поэтому данная часть системы называется неизменной частью.

Структура и параметры функциональных блоков ФБ1 и ФБ2 определятся в результате синтеза.

Структурная схема манипулятора представлена на рис. 4.2.



Рис. 4.2. Структурная схема системы управления электроприводом поворота звена манипулятора

Динамические особенности неизменяемой части системы описываются её передаточными функциями по управляющему воздействию и по возмущающему моменту , которые имеют следующий вид:





где - коэффициент передачи двигателя по напряжению;

- коэффициент передачи двигателя по моменту.

На схеме приняты следующие обозначения:

  1. k1·W1(p) и k2·W2(p) – передаточные функции ФБ1 и ФБ2;

  2. kД.У. – коэффициент передачи датчика угла поворота;

  3. kД.С. - коэффициент передачи датчика угловой скорости;

  4. - возмущающее воздействие (момент силы, действующий со стороны нагрузки).

    1. 4.4. Синтез желаемой передаточной функции системы управления

Для функционирования следящего привода необходимо чтобы уровень ошибки при отработке допустимых программных воздействий не превышал заданного. При этом система так же должна иметь запас устойчивости, для того чтобы перерегулирование и колебательность не превышали допустимых значений.

В соответствии с типовыми режимами движения нагрузки выбирают допустимые программные воздействия.

Первое воздействие: изменение входного сигнала по линейному закону, т.е. вращение с постоянной угловой скоростью , которая равна максимальной скорости вращения данного звена ?max, с учетом необходимости преодоления максимального возмущающего момента МВ_max для данного звена.

Второе воздействие: изменение входного сигнала по гармоническому закону ?ПР = ?ПР·sin(?t). Частота и амплитуда, которого определяются исходя из условия, что максимальная скорость и ускорение этого сигнала соответствует максимальной скорости и ускорению данного звена , .

При оценке уровня ошибки вызванной этими воздействиями учитывается значение ошибки только в установившемся режиме.

Поскольку на вход системы может подаваться линейно-нарастающий сигнал, то для того чтобы при этом ошибка не увеличивалась до бесконечности необходимо, чтобы система была астатической. Возьмем первый порядок астатизма, при котором желаемая передаточная функция систем будет иметь следующий вид:



где N(p) – дробно–рациональная функция, удовлетворяющая условию N(0) = 1.

Уровень установившейся ошибки при воздействии первого типа определяет коэффициент усиления разомкнутой системы и рассчитывает по формуле:



где - скоростная составляющая ошибки;

- моментная составляющая ошибки.

Придельное значение суммарной ошибки:



Из полученного уравнения определяем коэффициент усиления разомкнутой системы:



Первую сопрягающую частоту определяем из условия точности отработки гармонического сигнала со следующими амплитудой и частотой:



Из условия прохождения второй низкочастотной асимптоты ЖЛАЧХ через точку с координатами (?_; L(?_)) определяем первую сопрягающую частоту:



Вторая и третья сопрягающие частоты ?2 и ?3 определяются из условия обеспечения достаточного запаса устойчивости системы и желаемого качества переходного процесса.

Из критерия устойчивости Найквиста и свойств асимптотических ЛАЧХ следует, что запас устойчивости будет достаточным если ЛАЧХ пройдет через «0 уровень» с наклоном -20 дБ на декаду, при чем продолжительность участка с наклоном займет не менее декады, а сам участок расположится симметрично относительно частоты среза. В этом случае перерегулирование не превысит 20% – 30%, а время переходного процесса можно оценить по формуле .

Зададим:



Поведение ЛАЧХ за частотой ?3 не влияет на точность и устойчивость, однако с целью подавления высокочастотных помех целесообразно обеспечить ее быстрое падение на высоких частотах. Для этого введем дополнительные изломы ЛАЧХ на частотах ?4 и ?5.



Сопрягающие частоты:



Постоянные времени:



Желаемая ЛАЧХ системы управления поворотом первого звена манипулятора изображена на рис. 4.3.

Построенная желаемая ЛАЧХ определяет желаемую передаточную функция разомкнутой системы:







    1. 4.5. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

Передаточную функцию корректирующих устройств будем определять из условия, что система должна обладать теми же свойствами что и желаемая: .

При этом структуру функционального блока ФБ2 будем задавать в зависимости от величины постоянной времени Tэ. А структуру и параметры ФБ1 будем определять в результате приравнивания .

В связи с тем, что , то в качестве W2(p) пробуем форсирующее и пропорциональное звено и выбираем тот, при котором система будет иметь лучшие показатели качества управления при .

При расчете переходных процессов будем брать 2 придельных значения электромеханической постоянной времени:

,

  1. Форсирующее звено



Передаточная функция системы:

Передаточная функция блока ФБ1:

При

Передаточная функция

Передаточная функция разомкнутой системы:



где



Передаточная функция замкнутой системы:

Для построения переходного процесса замкнутой системы воспользуемся пакетом Simulink среды разработки Matlab. Для этого составим систему представленную на рис. 4.4.



Рис. 4.4. Замкнутая система управления поворотом первого звена манипулятора

Переходная характеристика системы представлена на рис. 4.5.



Рис. 4.5. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 27.8%. Время переходного процесса – 0.147 с.

При :

Передаточная функция

Передаточная функция разомкнутой системы:



Определим постоянные времени и :

, где p1 и p2 – полюса функции G1(p).




Система для построения переходного процесса представлена на рис. 4.6.



Рис. 4.6. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис.4.7.



Рис.4.7. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 16.4%. Время переходного процесса – 0.168 с.

Так как перерегулирование при больше чем при , то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем форсирующее звено с .

  1. Пропорциональное звено



При :



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 4.8.



Рис.4.8. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 4.9.



Рис.4.9. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 22.6%. Время переходного процесса – 0.159 с.



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 4.10.



Рис.4.10. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 4.11.



Рис.4.11. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 14.9%. Время переходного процесса – 0.172 с.

Так как перерегулирование при больше чем при , то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем пропорциональное звено с .

Так как перерегулирование системы с форсирующим звеном больше, чем перерегулирование системы с пропорциональным звеном, то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем пропорциональное звено с .

  1. Расчет электропривода поворота второго звена

    1. Расчет максимального момента нагрузки



    1. Выбор приводного двигателя



Из каталога выбираем двигатель ДПЦЯ-3,0.

Характеристики:



следовательно, двигатель подходит.

Рассчитываем динамические параметры двигателя и всей силовой части электропривода.





    1. Формирование структурной и функциональной схемы системы управления

Функциональная и структурная схемы системы управления вторым звеном аналогичны соответствующим схемам первого звена, схемы которого приведены на рис. 4.1 и 4.2 соответственно.

    1. Синтез желаемой передаточной функции системы управления

Уровень установившейся ошибки при воздействии первого типа определяет коэффициент усиления разомкнутой системы и рассчитывает по формуле:



где - скоростная составляющая ошибки;

- моментная составляющая ошибки.

Придельное значение суммарной ошибки:



Из полученного уравнения определяем коэффициент усиления разомкнутой системы:



Первую сопрягающую частоту определяем из условия точности отработки гармонического сигнала со следующими амплитудой и частотой:



Из условия прохождения второй низкочастотной асимптоты ЖЛАЧХ через точку с координатами (?_; L(?_)) определяем первую сопрягающую частоту:



Зададим:



Сопрягающие частоты:



Постоянные времени:



Желаемая ЛАЧХ системы управления поворотом второго звена манипулятора изображена на рис. 5.1.

Построенная желаемая ЛАЧХ определяет желаемую передаточную функция разомкнутой системы:



    1. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

В связи с тем, что , то в качестве W2(p) пробуем форсирующие и пропорциональное звено и выбираем тот, при котором система будет иметь лучшие показатели качества управления при .

При расчете переходных процессов будем брать 2 придельных значения электромеханической постоянной времени:

,

  1. Форсирующее звено



Передаточная функция системы:

Передаточная функция блока ФБ1:

При

Передаточная функция

Передаточная функция разомкнутой системы:



где



Передаточная функция замкнутой системы:

Для построения переходного процесса замкнутой системы воспользуемся Simulink. Для этого составим систему представленную на рис. 5.2.



Рис. 5.2. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 5.3.



Рис. 5.3. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 27%. Время переходного процесса – 0.142 с.

При :

Передаточная функция

Передаточная функция разомкнутой системы:



Определим постоянные времени и :



где p1 и p2 – полюса функции G1(p).





Система для построения переходного процесса представлена на рис. 5.4.



Рис. 5.4. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис.5.5.



Рис.5.5. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 23.2%. Время переходного процесса – 0.151 с.

Так как перерегулирование при больше чем при , то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем форсирующее звено с .

  1. Пропорциональное звено



При :



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 5.6.



Рис.5.6. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 5.7.



Рис.5.7. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 21,9%. Время переходного процесса – 0.153 с.

При :



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 5.8.



Рис.5.8. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 5.9.



Рис.5.9. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 18 %. Время переходного процесса – 0.165 с.

Так как перерегулирование при больше чем при , то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем пропорциональное звено с .

Так перерегулирование системы с форсирующим звеном больше, чем перерегулирование системы с пропорциональным звеном, то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем пропорциональное звено при .


  1. Расчет электропривода поворота третьего звена

    1. Расчет максимального момента нагрузки



    1. Выбор приводного двигателя

Требуемая мощность двигателя:



Из каталога выбираем двигатель ДМПЯ-0.37.

Характеристики:





следовательно, двигатель подходит.

Рассчитываем динамические параметры двигателя и всей силовой части электропривода.






    1. Формирование структурной и функциональной схемы системы управления

Функциональная и структурная схемы системы управления вторым звеном аналогичны соответствующим схемам первого звена, схемы которого приведены на рис. 4.1 и 4.2 соответственно.

    1. Синтез желаемой передаточной функции системы управления

Уровень установившейся ошибки при воздействии первого типа определяет коэффициент усиления разомкнутой системы и рассчитывает по формуле:



где - скоростная составляющая ошибки;

- моментная составляющая ошибки.

Придельное значение суммарной ошибки:



Из полученного уравнения определяем коэффициент усиления разомкнутой системы:



Первую сопрягающую частоту определяем из условия точности отработки гармонического сигнала со следующими амплитудой и частотой:



Из условия прохождения второй низкочастотной асимптоты ЖЛАЧХ через точку с координатами (?_; L(?_)) определяем первую сопрягающую частоту:



Зададим:



Сопрягающие частоты:



Постоянные времени:



Желаемая ЛАЧХ системы управления поворотом третьего звена манипулятора изображена на рис. 6.1.

Построенная желаемая ЛАЧХ определяет желаемую передаточную функция разомкнутой системы:




    1. Синтез корректирующих устройств и расчет переходных характеристик

В связи с тем, что , то в качестве W2(p) выбираем пропорциональное звено и выбираем то, при котором система будет иметь лучшие показатели качества управления при .

При расчете переходных процессов будем брать 2 придельных значения электромагнитной постоянной времени:

,

  1. Пропорциональное звено



При :



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 6.2.



Рис.6.2. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 6.3.



Рис. 6.3. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 21,5%. Время переходного процесса – 0.365 с.

При :



Система для построения переходного процесса представлена на рис. 6.4.



Рис.6.4. Система для построения переходного процесса

Переходная характеристика системы представлена на рис. 6.5.



Рис. 6.5. Переходная характеристика системы

Перерегулирование составляет 19 %. Время переходного процесса – 0.374 с.

Так как перерегулирование при больше чем при , то в качестве функционального блока ФБ2 выбираем пропорциональное звено с .


Вывод:

В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована систем автоматического управления судового грузового манипулятора. Для этого были определены параметры и законы изменения этих параметров схвата и звеньев. После чего были выбраны соответствующие приводные двигатели для каждого из звеньев, в зависимости от рассчитанных максимальных моментов нагрузок. Эти двигатели: ПЯ-500 мощностью для первого звена; ДПЦЯ – 3,0 для второго звена; ДМПЯ-0.37 для третьего звена. Далее для каждого звена была сформирована структурная и функциональная схемы системы управления электроприводом поворота звена манипулятора. Также был произведён синтез желаемых передаточных функций системы управления. По желаемым передаточным функциям были выбраны корректирующие устройства для звеньев и построены переходные процессы. Для всех трех звеньев в качестве ФБ2 был выбран пропорциональный регулятор с передаточной функций W2(p) = 1 при и получены перерегулирования звеньев: 22.6%, 22 %, 21 %, из чего следует, что система управления устойчива, так как перерегулирование не выходит за пределы 30 %.




Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации