Проектирование автоматизированных систем

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ  ВПО «МГИУ»)

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ (ИДО)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Проектирование  автоматизированных систем»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Федоров С.В.

Группа: ПМ09Ап22п

Преподаватель: Кириличев Б.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

Оглавление

1. Задание                   3 
2. Выбор и описание системы управления                      5
3. Получение и обоснование модели системы управления                              6
4. Расчет исходной системы. Расчет области работоспособности САР         11
5. Расчет выходных параметров САР при различных значениях изменяемых параметров системы                                                                                         13
6. Вычисление оптимальных параметров САР с использованием аддитивного суперкритерия                                                                            15
7. Построение множества Парето                                                                       17
8. Параметрическая оптимизация по минимуму среднеквадратической ошибки                                                                                                               20
9. Построение эскиза 3D модели антенно-поворотного устройства               21
10. Литература                                                                                                       23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

1. Выбрать реальную  систему автоматического регулирования  (САР) и описать принцип ее  работы, приведя функциональную  схему (ФС). Указать и обозначить  на ФС управляющую входную  и регулируемую выходную величины.

2. Привести краткий  (2–5 стр.) реферат, включающий: сферу применения подобных систем, разновидности, варианты конструкций, общие технические характеристики и т.п.

3. Получить и обосновать  модель выбранной системы (не  ниже 3–го порядка) в виде структурной  схемы и описать ее связь  с ФС.

4. Получить переходную функцию исходной системы, указав значения варьируемых параметров, при которых она получена, и оценить по ней показатели качества переходных процессов: перерегулирование  и время регулирования. Данные занести в таблицу.

5. Именно эти показатели качества: 1) перерегулирование ; 2) время регулирования, — использовать в качестве выходных параметров системы.

6. Обоснованно выбрать  внутренние (варьируемые, управляемые)  параметры системы.

7. Определить область  работоспособности САР.

8. Использовать в качестве критериев оптимальности: среднеквадратическую ошибку, выходные параметры (перерегулирование и время регулирования) и аддитивный суперкритерий.

9. Оптимизировать исходную  САР поочередно по разным критериям  (см. п. 8), используя в качестве инструмента методы параметрической оптимизации (в работе следует назвать использованные методы).

10. Получить для каждого  из найденных оптимальных значений  варьируемых параметров переходные  функции, привести их графики  и определить по каждому из  них значения выходных параметров. Данные занести в таблицу.

11. Составить сводную  таблицу проделанных экспериментов,  содержащую номера экспериментов,  их наименования, значения факторов: варьируемых параметров и весовых  коэффициентов, а также значения  реакций: выходных проектных параметров.

12. По результатам оптимизации  САР построить в пространстве  критериев множество Парето, используя  суперкритерий с различными весовыми  коэффициентами.

13. Сделать выводы по  результатам проделанной работы.

14. Изобразить внешний вид системы или ее части в 3D с помощью графических программных пакетов AutoCAD и Solid Works.

15. Привести список  использованной литературы и  web-адреса источников информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор и описание системы управления

Антенно-поворотные устройства применяются,  как можно предположить из названия, для поворота (позиционирования) антенных устройств. Позиционирование может осуществляться как в одной, так и в двух плоскостях, по азимуту и по углу места.

Области применения подобных устройств:

- системы связи.

- радиолокационные станции

- спутниковое телевидение

- лабораторные стенды

- и пр.

Технические характеристики определяются областью применения антенно-поворотных устройств, и могут отличатся следующими параметрами:

- типом используемого электродвигателя. Как следствие, напряжением питания и током потребления, а так же устройством управления двигателя. Как правило применяются следующие типы электродвигателей: двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели, шаговые двигатели. Устройством управления следовательно могут быть частотные инверторы для асинхронных двигателей; усилители мощности или электромагнитные усилители для двигателей постоянного тока; или драйверы шаговых двигателей.

- исполнением редуктора. Редуктор выбирается исходя из массо-габаритных характеристик антенны, динамических свойств системы, обеспечения точности позиционирования;

- интерфейсом автоматизированного  рабочего места. 

 

Функциональная  схема?

Подпись к рисункам и таблицам?

Реферат?

Таблицы на одной  странице.

 

 

Получение и обоснование модели системы управления.

 

Технические характеристики устройств, входящих в состав системы управления.

 

Электродвигатель:

Тип – двигатель постоянного  тока с независимым возбуждением МИ-11

Напряжение питания  статора – 60В;

Номинальная скорость вращения – 3000 об/мин;

Номинальная мощность – 120Вт;

Ток якоря (при напряжении 60В) – 2,86 А;

Сопротивление обмотки  якоря - 0,46 Ом;

 

Редуктор:

Передаточное число  – 1:1500

 

Антенна:

Тип – параболическая, с прямоугольным раскрывом;

Масса – 200кг;

Длинна – 2м; 

 

Датчик азимута:

Цифровой, 14-и разрядный;

 

Точность позиционирования:

Статическая – не хуже 0,1°;

Динамическая - не хуже 0,2°;

 

 

 

 

• Расчет передаточных функций устройств, входящих в состав системы управления

 

Передаточная функция редуктора:

 

 

Передаточная функция датчика  азимута:

 

 

Для определения передаточной функции электродвигателя, для начала найдем следующие характеристики:

Номинальная угловая скорость вращения вала:

 

 

Конструктивная постоянная двигателя:

 

 

Момент инерции на валу двигателя определяется в основном, массогабаритными параметрами антенны  и приближенно равен:

 

 

Где: кг – масса антенны, м – диаметр антенны.

 

Номинальный вращающий  момент двигателя:

 

 

Постоянная двигателя  по моменту:

 

 

Постоянная времени и коэффициент передачи двигателя:

Таким образом передаточная функция двигателя по углу:

 

рад/В

град/В

 

Передаточная функция  цифро-аналогового преобразователя:

 

 

Постоянную времени  передаточной функции усилителя  мощности выберем из тех соображений, что она должна быть значительно меньше постоянной времени двигателя, но достаточной для фильтрации пульсаций напряжения питания. Выходное напряжение усилителя мощности должно быть в пределах -60…+60 В, но не более. По этому передаточную функцию усилителя мощности можно представить, как последовательное соединение апериодического звена первого порядка и ограничителя.

 

 

Таким образом были найдены  передаточные функции всех составляющих системы, кроме регулятора. Передаточная функция разомкнутой системы без регулятора:

 

 

 

 

Построим АЧХ и ФЧХ  разомкнутой системы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет исходной системы. Расчет области работоспособности САР.

 

Так как в системе  уже есть интегратор, то в качестве регулятора возьмем ПД-регулятор. Его передаточная функция:

 

 

 

Соответственно варьируемые параметры будут и .

Функциональная схема  системы представлена на рисунке:

 

 

 

Область работоспособности  САР найдем из анализа АЧХ и  ФЧХ системы. А именно, определим запас по амплитуде, при различных значениях (минимальный запас по фазе примем равным 20°). Результаты сведем в таблицу.

 

Td	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
Ku	90	200	2000	2000	2000	2000	2000	2000	2000	1800	1500

 

Область работоспособности  САР.  Что это?

 

 

 

 

Промоделируем работу системы при  параметрах: Td=0.3, Ku=1000. В качестве входного воздействия возьмем перестройку системы на 30°, точность установки ±0,1°. Результат представлен на рисунке.

 

 

Исходя из особенностей применения системы, а именно: система предназначена  для точного позиционирования, а  также то что, в системе есть ограничение  на максимальную скорость вращения двигателя (то есть система не линейная), перерегулирование будем считать в абсолютных  единицах (в градусах), а время регулирования определять по моменту вхождения отклика системы в границы ±0,1°.

Перерегулирование составляет 0,7°, время  регулирования 3,5с.

 

 

Расчет выходных параметров САР при различных  значениях изменяемых параметров системы.

 

Выберем область в пределах которой  будем варьировать параметры:

Варьируя параметры  в указанных пределах, будем измерять среднеквадратическую ошибку и выходные параметры (перерегулирование и время регулирования). Результаты занесем в таблицу. Схема по которой будут измеряться параметры, приведена ниже:

	Время регулирования
Ku	Td,c
	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
100	6.15	4.88	3.9	3.56	4.52	5.2
200	5.1	3.79	3.5	4.1	4.67	5.22
300	4.7	3.53	3.58	4.19	4.7	5.23
400	4.48	3.42	3.7	4.2	4.74	5.23
500	4.72	3.16	3.7	4.26	4.73	5.23
600	4.65	3.66	3.65	4.25	4.76	5.26
700	4.57	3.63	3.63	4.21	4.72	5.19
800	4.54	3.55	3.6	4.2	4.71	5.27
900	4.53	3.57	3.85	4.25	4.75	5.19
1000	4.52	3.50	3.8	4.26	4.69	5.27