Проектирование системы автоматического управления очистки стекла спортивного самолета

Проектирование системы автоматического управления очистки стекла спортивного самолета

ВВЕДЕНИЕ

Задачи по управлению тем или иным явлением или процессом, возникающие в повседневной практической деятельности человека обширны и многообразны.

Управление можно определить как совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

Все процессы в управлении носят общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления. Элементы САУ связаны друг с другом посредством передаваемых сигналов. Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом - значит управлять его выходными параметрами. Характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Это следует учитывать при проектировании САУ, хотя для рассмотрения ее свойств и качества природа сигналов не принципиальна.

Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

Целью данной курсовой работы является проектирование САУ очистки стекла спортивного самолета.

В процессе полета на самолет действуют различные внешние воздействия. В частности самолет может попасть в зону дождя или в зону пониженной температуры. Для решения данной проблемы применяют системы очистки стекла, которая за некоторый промежуток времени очистит стекло самолета от атмосферных осадков.

1  
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать САУ очистки стекла спортивного самолета со следующими параметрами:

. Рабочий момент двигателя М_раб = 135 - 160 кгс-см ;

. Перерегулирование σ < 30 %;

. Время регулирования t_p = 10 c;

. Запас по усилению ∆L > 20 дБ;

. Запас по фазе ψ > 30^o.

Рисунок 1 - Структурная схема САУ

МП - микропроцессор;

У - усилитель;

ГП - гидропривод;

ИМ -исполнительный механизм;

ДТ - датчик температуры.

Рассмотрим структурную схему САУ - рисунок 1, она представляет собой схему с подчиненным регулированием координат, в ней регулирование каждой координаты осуществляется регулятором температуры, который образует замкнутый контур.

Задающий сигнал U_б поступает с микропроцессора (МП) на усилитель (У), который усиливает сигнал и передает его на гидропривод. Гидропривод (ГП), преобразуюет входной электрический управляющий сигнал U, в выходную механическую величину - угловую скорость j_дв щеток (ИМ).Щетки являются рабочим органом .Датчик температуры (ДТ) преобразует температуру на выходе системы в электрический сигнал U_З

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ВЫБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

.1 Микропроцессор К1813ВЕ1

МП серии К1813ВЕ1- это однокристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 16-ти разрядным ПЗУ (емкостью 192х24 бит), ОЗУ (емкостью 40х25 слов), 25-ти разрядным ALU, четырьмя входными и восемью выходными аналоговыми каналами, разрешением 0,5% (8 двоичных разрядов и знак).

Этот МП выполнен по высококачественной n-МОП -технологии, совместим с БИС серии К580, высокой степени плотности - 29 тыс. транзисторов на кристалл. Реализована мощная и гибкая система команд с расширенными возможностями адресации памяти, аппаратная реализация процесса совмещения операций выполнения и выборки команд, упрощенное построение мультипроцессорных систем, структура с возможностью наращивания, аппаратная реализация взаимодействия нескольких процессов и микропрограммное управление.

Выбранный микропроцессор обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции ЛСУ, совместим с БИС, имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени, благодаря встроенным АЦП и ЦАП и доступен.

Энергопотребление МПК можно принять допустимым, учитывая потребляемую мощность встроенных ЦАП и АЦП (суммарная мощность МПК с отдельными микросхемами ввода-вывода информации практически не отличается от мощности данного МПК, хотя непосредственно для МП существуют микросхемы с более низким энергопотреблением). Исходя из времени преобразования сигнала ЦАП, АЦП и тактовой частоты МП время обработки сигнала можно считать малым.

Достаточно высокий уровень выходных сигналов (1-2В, 0,4-2 мА) позволяет использовать данный сигнал в маломощных системах управления без предварительного дополнительного усиления.

Технические характеристики МП К1813ВЕ1:

1. 25-ти разрядное ALU;

2. 16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов);

3. разрешение 0,5% (8 двоичных разрядов и знак);

4. нелинейность ЦАП и АЦП <0,1%;

5. время преобразования не более 50 мкс;

6. диапазон рабочих температур 0т -10 до 70 ⁰С;

7. тактовая частота 5 МГц;

8. опорное напряжение 2 В;

9. потребляемая мощность (с учетом потребления ЦАП и АЦП) 1,75 В;

10.входное сопротивление (выборка) не менее 1,5 кОм;

11.входное аналоговое напряжение не более 2 В;

12.выходное сопротивление (хранение) не менее 100 кОм;

13.выходной ток 0,4 - 2 мА;

14.входной ток не более 2 мА;

15.ток потребления не более Icc - 50 мА;

Передаточную функцию МП принимаем равной единице.(p)=1.

.2 Гидропривод ПС 5

Привод стеклоочистителя ПС5 является силовым гидроприводом, предназначенным для приведения в действие механизма очистки стекла от атмосферных осадков.

Применяется в самолетах и вертолетах марки самолеты: Ил-62, Ил-76, Ил-78, Ту-134, Ту-22 вертолеты: Ми-24(25).

Передаточная функция гидропривода имеет вид:

W(p)= (1)

где Кгп==150кгс-см/220В=0,68 кгс-см/В (2)

T=0,1 , =2

Таким образом

W(p)= (3)

2.3 Датчик температуры CO-3M-01

В качестве датчика температуры возьмем терморезистор. Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для измерения температуры в широком диапазоне от -270 до 1600 °С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой находится терморезистор, от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4-6,5) • 10~³ 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1 °С сопротивление металлического терморезистора увеличивается на 0,4-0,65 %. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Исходя из технического задания в качестве датчика температуры принимаем прибор контроля и автоматического управления системой сигнализации обледенения CO-3M-01

Основные технические характеристики:

Произведем расчет чувствительности датчика, для нахождения его передаточной функции..

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

 (4)

где С - постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника;

а - температурный коэффициент сопротивления;

е - основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в градусах Цельсия соотношением

Т К= 273 + Т °С.(5)

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при начальной температуре Т₀ и имел сопротивление R₀. При нагреве до температуры Т его сопротивление R_T= Се^αT. Возьмем отношение R_T и R₀:

 (6)

Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд:

 (7)

Для нашего случая х =α(Т-T₀). Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150 °С может быть принята постоянной

α = 4,3 • 10 ^-3 1/°С, то и произведение α(Т-T₀) в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше:

(8)

Выразим сопротивление при температуре Т через начальное сопротивление при Т₀

(9)

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные) с соответствующей градуировкой: гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при О °С; гр. 24 имеет сопротивление 100,00 Ом при О °С. Медные терморезисторы выполняются из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изоляции эмалью.

Для металлического терморезистора чувствительность можно получить дифференцируя (5). Следовательно S_д=α. Именно температурный коэффициент сопротивления определяет чувствительность.

α = 4,3 • 10 ^-3 1/°С (10)

Приведем таблицу, где показана зависимость сопротивления медного терморезистора от температуры.

Таблица 1

Т.к измеряемый диапазон измерения температуры датчика от -50 до 100°С, то можем определить максимальное и минимальное сопротивление.

При T= -50°С R=41,71 Ом;

При T=100°С R=75,58 Ом;

Найдем передаточную функцию датчика:

W(p)= U/T;(11)

Таким образом W(p)=; (13)

I==12В/75,58 Ом=0,16 А(14)

= α для терморезисторов; (15)

W(p)==0,16*4,3*10^-3 =0,68*10^-3

.4 Усилитель мощности ЭУ3-П

Выбираем электронный усилитель типа ЭУ3-П. Усилители данного типа чаще всего применяются в измерительных комплектах: термопара, компенсационный мост с усилителем или автоматический потенциометр.

Передаточная функция звена имеет вид:

(16)

где К_у -коэффициент усиления электронного усилителя.

К_у =Uвых/Uвх=220/12=18

Подставляем известный коэффициент в формулу получим передаточная функция электронного усилителя имеет вид:

W_y(p)=18;

3. ДЕЛЕНИЕ ЛСУ НА ИЗМЕНЯЕМУЮ И НЕИЗМЕНЯЕМУЮ ЧАСТИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ

К неизменяемой части относят все элементы регулятора с передаточной функцией отличной от единицы. Следовательно, к ним можно отнести все элементы кроме микропроцессора.

Определим передаточную функцию системы, передаточная функция главной цепи будет:

.(17)

Передаточная функция разомкнутой системы будет:

.18)

Передаточная функция замкнутой системы:

.(19)

По выражению (18) построим АФЧХ разомкнутой системы, изображенную на рисунке 2:

Рисунок 2 - АФЧХ разомкнутой системы

Согласно критерию Найквиста, замкнутая автоматическая система регулирования будет устойчивой, если АФХ разомкнутой системы не охватывает точку с координатами -1,j0 ,таким образом, имеем устойчивую систему с неограниченно большими запасами по амплитуде и фазе [3].

4. ПОСТРОЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ анализ

.1 Построение ЛАЧX

Разомкнутая система образована двумя, соединенными последовательно, апериодическими звеньями, для которых частоты среза будут:

ω₁=1/T₁=2.67 рад/c,

ω₁=1/T₁=37.32 рад/c.

По выражению (18) построим ЛАЧХ и ЛФЧХ - рисунок 3, разомкнутой системы, а по выражению (19) построим переходный процесс в замкнутой системе - рисунок 4:

Рисунок 3 - ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы

Рисунок 4 - Переходный процесс в замкнутой системе

Прямые оценки качества переходной характеристики:

. Время регулирования t_p=600 c;

Можно сделать вывод, что система является устойчивой с неограниченно большими запасами по амплитуде и фазе, но характеристики переходного процесса системы не удовлетворяют заданным. То есть, необходима коррекция системы.

.2 Построение ЖЛАЧХ

Для начала определим частоты сопряжения для цифровой системы. Аппроксимировать ЛАЧХ можно двумя методами: непосредственная аппроксимация графика ЛАЧХ или нахождение частот сопряжения из передаточной функции системы. Проведем достаточно точную аппроксимацию исходной ЛАЧХ (рис. 3).

Теперь воспользуемся методом синтеза ЖЛАЧХ, используя номограмму Солодовникова (рис. 4).

Рисунок 5 - Номограмма Солодовникова

Запретная зона строится исходя из скоростных характеристик цифровой системы, которые заданны в техническом задании.

Определим положение рабочей точки.

Псевдочастота рабочей точки

;

Амплитуда рабочей точки

;

Найдем логарифмическую А: 20log(A)=-25.6 дБ;

Т.о., РТ(4; -25.6) - координаты рабочей точки.

Зададим время регулирование t_p=10 c и величину перерегулирования σ=30%,колебательности (М=1.3), тогда, согласно номограмме Солодовникова, Р_мах составит 1.27, а частоту среза найдем из формулы:

Таким образом, ω_ср=1.1 рад/с.

Определим ограничивающие асимптоты:

=20lg()=-4.68;

=20lg()=10.88;

Необходимо провести прямую с наклоном 20 дБ/дек, через частоту среза до пересечения с ограничивающими асимптотами. В логарифмическом масштабе (4;-25.6). Через эту точку проводим низкочастотную асимптоту с наклоном минус 20 дБ/дек. За пределами полосы, ограниченной заданной колебательностью, ЖЛАЧХ совпадает по наклону с низкочастотной частью построенной ЛАЧХ. Правее  ЖЛАЧХ идёт с наклоном параллельно построенной ранее ЛАЧХ. Исходную ЛАЧХ и ЖЛАЧХ разомкнутой системы, построенную методом Солодовникова изобразим на рисунке 6.

Рисунок 6 - ЖЛАЧХ, построенная методом Солодовникова

Передаточная функция разомкнутой системы, скорректированной методом Солодовникова, будет иметь вид:

. (21)

Передаточная функция замкнутой системы, скорректированной методом Солодовникова, будет иметь вид:

 =(22)

Тогда переходный процесс в замкнутой системе скорректированной методом Солодовникова изобразим на рисунке 7:

Рисунок 7 - Переходный процесс в замкнутой системе, скорректированной методом Солодовникова

Прямые оценки качества переходной характеристики:

. Время регулирования t_p=12 c;

Определим желаемую передаточную функцию последовательного корректирующего устройства:

 (23)

Построим ЛАХЧ последовательного корректирующего устройства

Рисунок 8 - ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства

Найдем передаточную функцию соответствующего параллельного корректирующего устройства:

=Wraz*(Wk-1)(24)

(25)

Найдем передаточную функцию соответствующего встречно-параллельного корректирующего устройства:

Wvpark=(1-Wk)/(Wraz*Wk) (26)

(27)

5. СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

.1 Синтез последовательного корректирующего устройства

Задача синтеза, возникающая при проектировании системы автоматического регулирования, заключается в таком выборе структурной схемы системы и технических средств ее реализации, при котором обеспечиваются требуемые динамические и эксплуатационные свойства всей системы в целом.

Для нашей системы определяющим параметром является быстродействие.. Передаточная функция необходимого КУ была найдена на предыдущем этапе, теперь требуется определить структурную схему КУ, его элементную базу и параметры необходимых элементов.

Для реализации выбираем последовательное корректирующее устройство, так как его наиболее просто реализовать;

=GW/Wraz(28)

 (29)

При таком виде ЛАЧХ КУ по справочнику находим вид КУ. Получаем, что при таком виде ЛАЧХ корректирующего устройства, желаемую передаточную функцию корректирующего звена можно реализовать двумя одинаковыми дифференцирующими четренцирующими четс разделительным усилителем изобразим его схему на рисунке 9.

Рисунок 9 -Схема корректирующего устройства

Передаточная функция дифференцирующего четырехполюсника:

;(30) T₁=R₁∙C₁= 0.0173; ₂=K_K1∙T₁=0.0029. K_K1=R₂/(R₁+R₂)=0.16;

При этом усилитель должен иметь коэффициент усиления:

(31)

.2 Синтез программного корректирующего устройства

Разработаем последовательное дискретное корректирующее устройство:

Перейдем к дискретной передаточной функции:

Wkdis=c2d(Wk,0.01)

Wkdis=(32)

(33)

Домножим числитель и знаменатель на 1/z², тогда:

(34)

Запишем разностное уравнение в реальном масштабе времени:

Расчет разностного уравнения

; x - входной сигнал

; y- выходной сигнал_port EQU 1lh; номер порта для чтения_port EQU 12h; номер порта для записи

Al EQU 1.5118;

А2 EQU 2.102;

А3 EQU 1.6347;

А4 EQU 1.627;

B1 EQU 4.1343;EQU 2.6894;EQU 4.3111;, x2, x3 DB 0

;выделение памяти под переменные x(k-l), x(k-2), x(k-3)

yl,y2, y3, DB 0

; выделение памяти под переменные y(k-l), y(k-2)

; вычисляем значение выражения(k)=Al*х1+А2*х2+А3*х3+В1*у1+В2*у2+В3*у3: ;метка начала цикла коррекцииal, i_port; чтение данных из портаal,Al; вычисление слагаемого А1*х1bl, al; сохранение результата в bl

; в результате имеем А1*х1 в регистре blal, X2; вычислениеal, А2; слагаемого А2*х2bl, al; прибавление к предыдущему результату

; в результате имеем А1*х1+А2*х2 в регистре blal, X3; вычислениеal, А3; слагаемого А3*х3bl, al; прибавление к предыдущему результату

; в результате имеем А1*х1+А2*х2+А3*х3 в регистре blal, yl; вычислениеal, Bl; слагаемого Bl*ylbl, al; прибавление к предыдущему результатуal, y2; вычислениеal, B2; слагаемого В2*у2bl, al; прибавление к предыдущему результату

; в регистре bl имеем результат вычисления всего выраженияy3, y2; для следующего такта

mov y2, y1; yl, blx2, xl;xl, x;

out o_port, bl; вывод управляющего сигнала из blstart; зацикливание на начало программы

.3 Выбор корректирующего устройства

Мощным методом коррекции стало применение программных корректирующих устройств на МП, применение которых позволяет варьировать параметры в широких пределах и быстро их изменять без изменения технического исполнения системы (это также важно при коррекции старения элементов системы программным способом, тогда как замена аналоговых устройств в данном случае не рациональна). Еще одним достоинством данного способа является точное выполнение зависимостей корректирующего устройства, тогда как для аналоговых корректирующих устройств трудно добиться точности, так как трудно точно подобрать номинал элементов в соответствии с расчетным.

Сравнивая эквивалентное время задержки на корректирующих устройствах (суммируя время задержки на аналоговых элементах включенных последовательно и выбирая большее из времен параллельно включенных) с временем необходимым на программную коррекцию (число тактов необходимых на реализацию операции умножения сигнала рассогласования на коэффициент ошибки) приходим к выводу, что программная коррекция более эффективна.

Поскольку в системе уже есть встроенный МП, то применение аналогового корректирующего устройства экономически нецелесообразно, так как добавляются новые элементы.

В виду всего вышеперечисленного выбираем программную коррекцию.

автоматизация аналоговый устройство

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью курсового проекта было постороение САУ очистки стекла спортивного самолета. В результате моделирования первоначальная не скорректированная система не удовлетворяла требованиям к качеству управления. Изменение параметров отдельных элементов не позволяло получить желаемого характера протекания переходного процесса. Включение последовательного дискретного корректирующего устройства улучшило качество переходного процесса и помогло достичь желаемых характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник.- 10-e изд. M.: Гардарики, 2002.

. Воронов А.А. Теория автоматического управления. М.:.Высш. шк., 1986.

. Гордин Е.М., Стародуб К.Я. Автоматическое регулирование. М.:.Высш. шк., 1986.

. Горюнов Н.Н. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. М.: Энергия, 1972.

. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс, 2003.

.Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматизированного управления. М.:ФОРУМ:ИНФРА-М, 2002.

. Москаленко В.В. Системы автоматизированного управления электроприводом. М.: ИНФРА-М, 2004.

. Орлов И.Н. Электротехнический справочник. М.:Энергоатомиздат, 1986.

ПРИЛОЖЕНИЕ

БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММЫ КОРРЕКЦИИ