Система автоматического регулирования поворотом рабочего органа робота

Курсовая работа.

Система автоматического регулирования поворотом рабочего органа робота.

автоматический передаточный робот Создание энергетических систем высокого и сверхвысокого напряжения требует решения сложных научно — технических проблем, среди которых можно выделить комплекс вопросов, касающихся электрической изоляции.

Этот комплекс вопросов, объединенных единой целью — обеспечить безаварийную работу изоляции всех элементов системы, связан с изучением весьма разнородных физических процессов и относится к электрофизике высоких напряжений.

1. Система автоматического регулирования поворотом рабочего органа робота.

САУ предназначена для управления углом поворота рабочего органа робота с требуемой точностью.

САУ поворотом рабочего органа 1 робота (например, сварочного робота) состоит из гидродвигателя 2, гидравлического усилителя 3 и электрической части. Функции гидравлического усилителя 3 выполняет четырехкромочный золотник, с плунжером которого взаимодействует шестерня 4, зацепляющаяся с шестерней 5 гидродвигателя 2. Управляющий двигатель-задатчик 6 подключен к выходу усилителя 7 и на его валу имеется резьба, с помощью которого он связан с шестерней 4. В САУ входят также преобразователь угла 8 и сравнивающее устройство 9.

При работе САУ на вход сравнивающего устройства 9 поступает сигнал в виде напряжения U_З, вырабатываемый устройством управления по команде от ЭВМ. Устройство сравнения 9 вырабатывает сигнал ошибки ?U = U_З — U_О, где U_О — напряжение преобразователя угла 8. Сигнал ошибки через усилитель 7 вызывает вращение двигателя 6. В исходном состоянии гидроусилитель (четырехкромочный золотник) находится в нейтральном положении и гидродвигатель 2 не вращается. Поворот выходного вала двигателя 6 вызовет перемещение шестерни 4 в осевом направлении и смещение плунжера золотника 3 из нейтрального положения. Гидродвигатель 2 приходит в движение, поворачивая рабочий орган 1, шестерню 5 и входной вал преобразователя угла 8. Поворот шестерни 5 вызывает вращение шестерни 4 и перемещение ее вместе с подпружиненным плунжером золотника 3 по винту двигателя 6 в сторону восстановления равновесия. Поворот вала преобразователя угла 8 вызывает изменение напряжения U_О так, что ошибка с выхода сравнивающего устройства 9 уменьшается. Таким образом, рабочий орган 1 будет поворачиваться до тех пор, пока не займет требуемого положения.

Значения данных приведены в таблице.

Таблица.

2. Уравнения элементов систем автоматического управления.

Механический редуктор.

или ,.

где w_ВЫХ, a_ВЫХ — соответственно угловая скорость и угол поворота выходного звена редуктора;

w_ВХ, a_ВХ — соответственно угловая скорость и угол поворота входного звена редуктора;

К_Р — коэффициент передачи.

Электронный усилитель.

.

где Т_ЭУ — постоянная времени электронного усилителя, с;

U_ВЫХ — выходное напряжение, В;

U_ВХ — входное напряжение, В;

К_ЭУ — коэффициент усиления.

Электродвигатель постоянного тока.

,.

где Т_Я — электромагнитная постоянная времени якоря, с;

Т_М — электромеханическая постоянная двигателя, с;

w — угловая скорость, с^-1;

K_Д — коэффициент передачи электродвигателя, 1/сВ;

U_Д — напряжение якоря, В.

Гидроусилитель золотникового типа.

,.

где Т_ГУ — постоянная времени гидроусилителя, с;

Q — выходной параметр — расход рабочей жидкости, м³;

К_ГУ — коэффициент передачи, мм²/с;

h — входное перемещение плунжера золотника, мм.

Гидродвигатель.

,.

где Т_ГД — постоянная времени гидродвигателя, с;

w — выходная угловая скорость гидродвигателя, с^-1;

K_ГД — коэффициент передачи гидродвигателя, 1/мм²;

Q — входной расход рабочей жидкости, м³.

Преобразователь линейного перемещения.

,.

где U_ВЫХ — выходное напряжение преобразователя, В;

К_n — коэффициент передачи, В/мм;

S_ВХ — входное перемещение, мм.

Преобразователь углового перемещения.

,.

где U_ВЫХ — выходное напряжение преобразователя, В;

К_n — коэффициент передачи, В/рад;

a_ВХ — входной угол поворота, рад.

3. Составление типовых звеньев. Передаточные функции элементов.

Электронный усилитель.

Электродвигатель постояного тока.

Преобразователь линейного перемещения.

W₃=K₃.

Гидродвигатель Гидроусилитель золотникового типа Редуктор

W₆=K₆.

Преобразователь.

W₇=K₇.

Преобразователь углового перемещения.

W₈=K₈.

4. Определение устойчивости системы.

По исходным данным строим графики переходного процесса по ошибке и на выходе из системы. (Приложение рис. 1.).

Как видно из графиков система неустойчива. Чтобы добиться устойчивости системы определим передаточную функцию системы.

Передаточная функция внутренней ОС:

Системы:

Знаменатель является характеристическим уравнением системы.

Из этого уравнения найдем коэффициент усиления электронного усилителя. После преобразования характеристическое уравнение имеет вид:

T₁²T₄T₅S⁶+(T₁²(T₄+T₅)+2dT₁T₄T₅)S⁵+(T₁²+2dT₁(T₄+T₅)+.

T₄T₅)S⁴+(2dT₁+(T₄+T₅)+K₃K₄K₅K₆T₁)S³+(1+2dT₁K₃K₄.

K₅K₆)S²+K₃K₄K₅K₆S+K₁K₂K₃K₄K₅K₇K₈=4.210^-5S⁶+2.4210^-3S⁵+4.2810^-2S⁴+1.93S³+3.68S²+13.5S+94 953.6K₁.

По критерию Рауса — Гурвица все коэффициенты должны быть положительно определены и матрицы составленные из этих коэффициентов неотрицательны.

a₀S⁶+a₁S⁵+a₂S⁴+a₃S³+a₄S²+a₅S+a₆K₁>0.

В нашем случае все коэффициенты положительны, а определители равны соответственно.

Д₁=а₁=2.4210^-3.

Д₁=а₁а₂-а₀а₃=2.2510^-5.

Д₃=2,2810^-5.

Д₄=.

Из матрицы находим К₁=2,3510^-4.

Подставив найденный коэффициент К₁ получим графики переходных процессов по ошибке и на выходе из системы. (Приложение рис. 2).

Как видно из графиков система устойчива.

Изменяя входное воздействие и чувствительность системы необходимо добиться ее устойчивости.

Входное воздействие и чувствительность системы заданы преподавателем и соответственно равны: 5 В и 10 рад/с.

После введения этих данных система становится неустойчива.

Необходимо изменить коэффициент преобразователя углового перемещения К₈. Он находится аналогично коэффициенту К₁ по критерию Раусса — Гурвица.

Результат вычислений показал, что К₈<=0,2.

Подставив в систему получим графики переходных процессов по ошибке и на выходе из системы. (Приложение рис. 3).

Как видно из графиков система устойчива.

По графику определим основные показатели качества:

1. Максимальное перерегулирование.

у =(х_max-х_вын)100%/х_вын=(58−50)100%/50=16%.

2. Время регулирования.

t_р=1 с.

3. Число колебаний. =1.

4. Собственная частота колебаний.

w=2П/t_k=23.14/1=6.28.

5. Логарифмический декремент затухания.

d=ln (q_i/q_i+1)=ln1=0.

6. Максимальная скорость отработки сигнала.

[dx/dt]_max=1.73.

5. Синтез САР при получении дополнительных условий.

_max<=20%;

t_р<=0,5 с;

е — любая минимальная величина Определим частоты для построения желаемой ЛАХ:

е= е_w.

щ_e<�щ_ср< щ_к.

По диаграмме Солодовникова определяем частоту среза w_ср:.

=0.9; lgw_ср=8.

щ_к =D_щ= 1.55 lgщ_к=25,9.

щ_е=_e=0,75 lgщ_е=5,6.

По ЛАХ разомкнутой системы найдем точку изгиба. (Приложение рис. 4):

lgw=10; w=1.

T==1.

По найденным значениям строим желаемую ЛАХ. (Приложение рис. 5).

Частоты пересечения следующие:

w₁=0.28.

w₂=0.67.

w₃=1.

Обратный логарифм будет:

w₁=1.9.

w₂=4.7.

w₃=10.

Строим ЛАХ корректирующего устройства Найдем передаточную функцию корректирующего устройства как отношение желаемой и неизменяемой ЛАХ системы:

; ;

T₁=0.8; T₂=0.34.

По ЛАХ корректирующего устройства выбираем схему корректирующего устройства.

Произведем расчет элементов корректирующего устройства:

T₁=R₂C.

T₂=(R₁+R₂)C.

T₂=R₁C+T₁.

0.8=R₁C+0.34.

R₁C=0.46.

R₂C=0.34.

C=.

Если принять R₂=1 Ом, то R₁=1.35 Ом и С=0.34 мФ Возможно принять и другие параметры R₁, R₂, C, но при соответствии, что R₁=1.35R₂.

Заключение.

Синтез системы проводился, с учетом заданных показателей качества и требуемой точности. Для этого выбрали схему и место включения корректирующих и усилительных устройств, по требованиям показателей качества и точности регулирования нашли желаемую логарифмическую частотную характеристику разомкнутой системы; определили тип и параметры корректирующих и усилительных устройств, нашли конструктивное решение корректирующих и усилительных устройств системы и составили окончательную структурную схему САУ.

Анализ синтезированной САУ включает определение показателей качества, точности и устойчивости новой системы, их сравнение с соответствующими показателями исходной САУ.

Как видно из графиков переходного процесса синтезированная система устойчива и обеспечивает заданные показатели качества.

По логарифмическим частотным характеристикам новой системы также определяем, что система устойчива.

1 Подлинева, Т. К. Проектирование управляемого робота: учебное пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. — 60 с.

2 Бесекерский, В.А., Попов, Е. П. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов. — Изд. 4-е, перераб и доп. — СПб: Изд-во «Профессия», 2008. — 752 с.