Техническое проектирование замкнутого электропривода

Существует большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иные функции по управлению различными физическими процессами во всех областях техники. В этих системах сочетаются весьма разнообразные по конструкции механические, электрические и другие устройства, составляющие сложный комплекс взаимодействующих друг с другом звеньев.

Каждая автоматическая система состоит из целого ряда блоков или звеньев, различно соединенных между собой. Динамика процесса преобразования сигнала в звене описывается некоторым уравнением (или экспериментально снятой характеристикой), связывающим выходную переменную с входной. Совокупность уравнений и характеристик всех звеньев описывает динамику процессов в управления или регулирования во всей системе в целом. Существуют различные характеристики звеньев: статические, переходные, частотные и другие.

В настоящее время диапазон задач, решаемых с помощью различных радиолокационных станций и комплексов очень широк. Различные системы радиолокации используются как в военной отрасли, так и в астрономии, медицине, автомобилестроении, метеорологии, в охранных системах, на аэродромах.

При расчете и проектировании систем автоматизированного электропривода большое значение имеет правильная оценка возможности обеспечения приводом заданных динамических и точностных характеристик.

Если требуемые скорости и ускорения превышают те, которые способен обеспечить привод, то попытки получения удовлетворительно работающего привода введением каких-либо корректирующих устройств будут безуспешны.

Для обеспечения требуемого качества работы, привод охватывается обратной связью. Исходя из заданной точности работы электропривода, применяются корректирующие устройства, которые могут располагаться как в прямой, так и цепи местной обратной связи.

Большая часть процессов, выполняемая на самолетах, связана с необходимостью обеспечить механическое перемещение рабочих органов исполнительных механизмов. Движение исполнительному механизму сообщается электродвигателем. Наиболее совершенный тип двигателя электрический. Для согласования механических характеристик электродвигателя и исполнительного механизма, перемещающих рабочие органы, используются механические передачи (редукторы). [16]

Электроприводом (ЭП) называется электромеханическое устройство, состоящее из электродвигателя, элементом управления его работой и передаточного механизма, предназначенного для приведения в движение исполнительного механизма. Основными достоинствами ЭП по сравнению с другими типами приводов являются:

— высокий КПД электродвигателя;

— большая перегрузочная способность;

— возможность управления частотой вращения электродвигателя в широких пределах;

— высокая надежность;

— удобство подведения электрической энергии к исполнительному механизму (осуществляется по кабелям);

— возможность оптимизации выбора типов и назначений электродвигателей в широких пределах;

— удобство и простота эксплуатации.

В ходе работы планируется спроектировать привод, удовлетворяющий условиям ТЗ. Необходимо разработать функциональную схему, а так же выбрать и рассчитать все функционально необходимые элементы привода. Для достижения заданной точности работы привода необходимо произвести анализ динамических свойств и на основе полученных данных выбрать оптимальную структуру корректирующего звена. Кроме того, надо проанализировать влияние случайных ошибок на проектируемый электропривод.

В проекте нужно разработать конструкцию механического узла привода произвести экономический расчет полной себестоимости привода, а так же учесть требования правил норм к охране труда при производстве данного изделия.

Техническое задание

В качестве исходных данных для проектирования используются следующие сведения:

Исходные данные:

1. привод антенны;

2. параметры нагрузки:

— момент статический активный М_ст 20 Нм;

— момент сухого трения М_тм 4 Нм;

— момент инерции нагрузки J_н 4 кг*м²;

— максимальный угол поворота б_m 6.28 рад

— максимальная угловая скорость Щ_m 1,8 рад;

— максимальное ускорение нагрузки е_m 0,6 рад;

3. требования к качеству работы:

— допустимая скоростная ошибка Х_ск 10 мин;

— допустимая гармоническая ошибка Х_д 10 мин;

— показатель колебательности М 1,4;

4. тип передачи редуктора — зубчатый;

5. тип усилителя мощности — транзисторный;

Сведение об электрическом источнике питания:

27 В постоянного тока

220 В переменного тока частотой 50Гц.

1. Анализ технического задания

Содержание дипломного проекта является техническое проектирование замкнутого электропривода (ЭП), относящегося к классу следящих систем. Рассматриваются все этапы проектирования привода антенны с заданными показателями качества. Привод антенны относится к группе приводов автоматического сопровождения и предназначен для слежения за объектами, перемещающими в пространстве. Разрабатываемый привод может быть использован в системах бортовой навигации, бортовых радиопеленгаторов или в других системах. Требования к динамике данной группы приводов определяются законом движения цепи и условиями наилучшей фильтрации случайной составляющей входного сигнала (помехи). Требования к нагрузке определяются условиями размещения и параметрами управляемых устройств.

Существенные особенности возникают при установке систем сопровождения на подвижном основании, так как при этом, кроме слежения за целью, появляется необходимость парировать с высокой степенью точности колебания основания, носящие случайный характер, как правило, приводы этой группы должны иметь высокую динамическую точность. [1]

2. Разработка функциональной схемы ЭП

Электропривод относится к замкнутой электромеханической системе, функционирование которой вполне определяется обобщённой функциональной схемой, представленной на рисунке 2.1.

На рисунке 2.1 приняты следующие обозначения: ЗУ — задающее устройство; ИР — измеритель рассогласования; УУ — устройство управления; ИМ — исполнительный механизм; РО — рабочий орган; ПУ — предварительный усилитель; ПК — последовательное корректирующее устройство; СУ — суммирующее устройство; КОС — корректирующее устройство в цепи местной обратной связи; УМ — усилитель мощности; ИД — исполнительный двигатель; ПМ — передаточный механизм (редуктор).

Задающее устройство вырабатывает управляющее (задающее) воздействие q (t), с которым регулируемая величина y (t) на выходе ИМ должна находиться в требуемой зависимости

q (t) — y (t) = x (t) xдоп.

Исполнительный механизм состоит из электродвигателя и редуктора, соединяющего вал электродвигателя с рабочим органом и согласующего их кинематические параметры.

Устройство управления служит для усиления сигнала рассогласования и преобразование его в регулирующее воздействие, подаваемое на исполнительный механизм.

Необходимое по техническому заданию качество регулирования обеспечивается корректирующими устройствами. В показанной на рисунке 2.1 схеме, применены последовательное корректирующее устройство и корректирующее устройство в цепи местной обратной связи. Однако в большинстве случаев оказывается достаточным применить корректирующее устройство какого-либо одного типа.

В приводе типа ПА в качестве q (t) выступает угол поворота, определяемый счетно-решающего устройствами ПА.

Необходимое по техническому заданию качество регулирования обеспечивается корректирующими устройствами.

К так называемой неизменяемой части привода относятся ИР, ИД, ПМ, РО, имея в виду их конструктивную определенность. К изменяемой части привода относятся УУ, как устройство, параметры которого определяются при синтезе закона управления и могут быть изменены при изменении условий функционирования. Однако это положение достаточно условной, но это не значит, что при необходимости нельзя заменить двигатель или другой элемент неизменяемой части. Неизменяемая часть привода при синтезе воспринимается как заданная. [1]

3. Выбор элементов электропривода

Любой ЭП, вне зависимости от назначения, предполагает наличие элементов, обязательных для его функционирования. Такими элементами являются: измеритель рассогласования ИР, усилитель У, исполнительный двигатель ИД, передаточный механизм ПМ. Все эти элементы функционально связаны, поэтому их правильный выбор является важнейшим этапом проектирования. [1]

электропривод чертеж узел динамический

3.1 Исполнительный двигатель

Двигатель в ЭП является главным исполнительным элементом, преобразующим напряжение в перемещение РО. От того, насколько быстро ИД развивает обороты, преодолевая сопротивление нагрузки, зависит, в конечном счете, быстродействие ЭП. От способности двигателя развивать момент на валу при малейших напряжениях управления зависит плавность работы ЭП и точность.

Значения скоростей и ускорений, которые может развивать двигатель, ограничены по величине. Если требуемые скорости и ускорения привода выше тех, которые способны обеспечить двигатель, то попытки получения удовлетворительно работающего привода введением каких-либо корректирующих устройств будут безуспешными.

Мощность, которую двигатель может рассеивать, не нагреваясь выше допустимой температуры, также ограничена по величине. Если мощность, теряемая в двигателе в процессе работы в заданном режиме, выше допустимой, то необходимо использовать дополнительные меры охлаждения, сокращать время работы или применять другой более мощный двигатель.

Установка двигателей излишней мощности приводит к неоправданному возрастанию габаритов и веса привода, ухудшению энергетических показателей и тому подобное. Применение двигателей заниженной мощности позадачному закону или влечет за собой перегрев двигателя свыше допустимой температуры и, следовательно, резкое снижение срока службы привода.

Для следящих приводов, работающих обычно в режиме движения с переменной скоростью, расчет мощности двигателя не может дать сразу однозначного решения, ибо величина требуемой мощности зависит от момента инерции якоря двигателя и передаточного числа редуктора, которые на первом этапе расчета не известны. В связи с этим выбор мощности ИД осуществляется методом последовательных приближений, то есть, сначала двигатель выбирается на основании приближенных соотношений, а затем пригодность ориентировочно выбранного двигателя проверяется детальным анализом динамических возможностей и энергетических характеристик привода. [5]

В качестве основного будем рассматривать длительный режим работы. Нагрев двигателя будем считать обусловленным среднеквадратическим моментом. Виды нагрузки сведены к типовым: постоянному статическому моменту, сухому и жидкому трению, шарнирному моменту и моменту, обусловленному инерционными характеристиками объекта управления, редуктора и самого двигателя.

Выбор электродвигателя по моменту нагрузки производиться по формуле

(3.1)

где данные параметры находятся в техническом задании, перечислим их:

М_тм — момент сухого трения 4 Нм; ї_м — максимальная угловая скорость 1.8 радиана; М_ст — активный статически момент 20 Нм; J_н — момент инерции нагрузки ротора 4 кг м²; е_м — наибольшее угловое ускорение 0,6 радиана; тогда

По исходным данным с учетом параметров нагрузки, определим мощность Р_тр, которая требуется для преодоления некоторого усредненного среднеквадратического момента, характеризующего тепловой режим ИД. Р_тр определяется по формуле:

(3.2)

где Кр — коэффициент запаса, равный 1.3;

По имеющимся в каталоге двигателям выбираем ИД, удовлетворяющий следующему условию;

(3.3)

где P^* — мощность выбранного двигателя 90Вт;

Выбираем двигатель типа МИГ — 90А.

Таблица 3.1. Технические данные двигателя

Таблица 3.2. Габаритные и установочные размеры двигателя

После этого двигатель проверяется по его моментным характеристикам.

Одним из основных условий пригодности двигателя является его проверка по максимальному результирующему моменту. Условием пригодности является выполнение неравенства: проверим пусковой момент по формуле

(3.4)

где — передаточное отношение редуктора, тогда получается

1.82*168?25.7

Из (3.4) очевидно, что проверка двигателя по пусковому моменту выполнена.

Проверка по пусковому моменту прошла успешно, но это недостаточно для окончательного решения о пригодности выбранного двигателя, поскольку его средняя нагрузка по току в течение всего времени работы, обусловленная изменчивостью момента нагрузки, может превысить номинальное значение. Приступим к проверки по средне квадратичному моменту (проверка по теплу).

(3.5)

где М^*_n — номинальный момент двигателя заданный в паспорте 0,286 Нм; таким образом

Получаем следующие соотношение по формуле (3.5)

Очевидно, что оно удовлетворяет требованием по теплу.

3.2 Расчет основных параметров редуктора

Предварительное передаточное отношение редуктора выбирается исходя из формулы

Необходимость определения основных параметров редуктора вызвана тем, что он входит в кинематическую цепь привода и во многом определяет как массогабаритные показатели, так и динамические. Кроме того, как привило, редуктор является тем звеном привода, на котором компонуются элементы, связанные с механикой и перемещениями — двигателя. Первичные измерительные преобразователи называются обычно механическим узлом привода. [1]

Для редуктора с цилиндрическими зубчатыми колёсами целью расчёта является определения числа пар зубчатых колёс n, количества зубьев каждого колеса z_j, модуля m, габаритов зубчатых колёс — диаметра б_j и ширины b_j.

Число пар n зубчатых колёс определяется по формуле

(3.6)

Значение n округляем до ближайшего меньшего (n=3). Затем определяется передаточное число пар зубчатых колёс из соображений минимальности момента инерции редуктора. Поэтому передаточные числа первых двух пар выбираются в пределах 2−3, а третьей и последующих — в пределах 4−8.

из этого видно число пар (i)=4 и передаточные числа 2−2-7−6.

Рисунок 3.2 Схема редуктора

Определим число зубьев ведущих колес:

Для определения количества зубьев остальных колёс воспользуемся формулой

z_2j = i_j * z_2j-1, (3.7)

где

Для определения размеров зубчатых колёс предварительно нужно определить модуль m по выражению:

(3.8)

где M_нм — максимальный момент нагрузки на выходном зубчатом колес; k_в — коэффициент ширины зуба; у — допустимое напряжение в материале зубчатого колеса при расчёте на выносливость; z_2n — количество зубьев выходного зубчатого колеса.

По известному значению модуля определяется диаметр зубчатых колёс

d_i = m*z_i, (3.9)

где

Ширину зубчатых колёс вычисляют по формуле:

(3.10)

где к_в — коэффициент ширины зуба 8; m — было заданно в 3.9.

Полагая, что зубчатые колёса сплошные и одинаковой ширины, момент инерции редуктора можно определить по формуле где с — удельная плотность материала зубчатых колёс (7,8*10і кг/мі);

р=3.14; получаем

(3.11)

3.3 Передаточная функция исполнительного механизма

Исполнительный механизм представляет собой сложное электромеханическое звено, передаточная функция которого должна определяться с учётом всех его составляющих и особенностей функционирования.

При построении передаточной функции ИМ следует опираться на какой-либо конкретный способ регулирования скорости вращения двигателя. В настоящем проекте будем считать, что регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ) производится изменением напряжения в якорной цепи.

Привод антенн характеризуется значительными моментами инерции рабочих органов. Кроме того, выходные валы ПМ обычно связываются с РО различными муфтами, которые имеют вполне определенную (не бесконечно большую) конструкционную жесткость С_у, которая представляется как коэффициент упругого скручивания вала редуктора. Реальные величины С_у лежат в диапазоне (10І - 10і) Нм/рад. Указанные обстоятельства требуют учета конечной жесткости в математической модели привода. [1]

Структурная схема ИМ приведена на рисунке 3.3, где К_м — коэффициент пропорциональности ИД между напряжением и моментом; К_n — коэффициент пропорциональности ИД между скоростью и ЭДС.

кг*м², (3.13)

где; J'_д = (J_д+J_q)*iІ - момент инерции ИД и ПМ, приведенный к выходному валу редуктора; i — передаточное отношение редуктора; з — КПД редуктора; С_у — коэффициент упругого скручивания; J_н — момент инерции нагрузки; J_д — момент инерции ротора двигателя; р — оператор преобразования Лапласа.

Рисунок 3.3 Структурная схема ИМ с упругим валом

Передаточная функция ИМ имеет следующий вид:

(3.14)

где

Таким образом, подставляя, все найденные значения полинома передаточная функция исполнительного механизма приобретает, следующий вид:

После разложения передаточной функции

Откуда следует, что постоянные времени и частоты, необходимые в дальнейшем равны

3.4 Измеритель рассогласования

Измеритель рассогласования является информационным звеном ЭП, предназначенным для измерения g (t) и y (t), преобразования измеренных величин в электрический сигнал U_x, пропорциональный разности g (t) — y (t) = x (t).

Элементной базой для построения ИР являются первичные измерительные преобразователи (ПИП). В курсовом проекте используется вид ПИП: потенциометрические (ПМ). Принцип построения ИР по каскадной схеме. Привод с неограниченным углом поворота задающего вала, представлен на рисунке:

Рисунок 3.4 Принципиальная схема каскадного ИР на потенциометрических ПИП

Допустимая ошибка ИР определяется в виде:

Так как выполняется условие, то выбираем ПИП (ПТП_5КI) удовлетворяющий требованиям ЭП по точности Если выдерживается соотношение R_д < R_п < R_у, где R_у — входное сопротивление предварительного усилителя, то коэффициент передачи ИР определяется в виде Таблица 3.3. Технические данные потенциометрических ПИП

Обозначим — сопротивление датчика; - сопротивление приемника; - входное сопротивление сумматора, — угол активной зоны потенциометра.

4. Статический расчет

Статический расчёт выполняется для установившегося режима работы привода и используется для определения требуемого из соображений точности общего коэффициента передачи (усиления) усилительно-преобразовательного устройства (УПУ), поскольку все остальные элементы привода — ИР, ИД, ПМ уже определены. При этом следует учитывать те основные режимы, на которые ориентирован привод. [1]

Для ПА тактовыми являются режим слежения с максимальной скоростью и режим слежения при гармоническом задающем воздействии. Гармоническое воздействие будет использовано далее для построения логарифмических характеристик привода с заданными свойствами. Поэтому следует воспользоваться режимом слежения с постоянной скоростью. При этом коэффициент передачи привода определяют с помощью выражения:

где в — жесткость механической характеристики ИД, находиться по формуле

где М_П — пусковой момент двигателя и М_N-номинальный момент, заданный в паспорте.

Для каскадной схемы ВТ, изображенный на рисунке 3.5, коэффициент передачи ИР имеет вид:

(4.2)

Затем определяется значение коэффициента усиления УПУ.

(4.3)

5. Динамический расчет

5.1 Анализ динамических свойств привода, построенного на выбранных элементах

Поскольку анализ динамических свойств на этапе проектирования может быть выполнен только аналитически, для его осуществления необходима математическая модель привода. В проекте используются частотные методы, поэтому математическую модель рекомендуется представить в виде структурной схемы и соответствующих передаточных функций, а при исследовании динамических режимов воспользоваться методом логарифмических частотных характеристик.

Рисунок 5.1. Структурная схема привода, построенного на выбранных элементах

Передаточная функция разомкнутого привода (располагаемая) в соответствии со структурной схемой, определяется из (4.1)

Измеритель рассогласования построенный на потенциометрических ПИП, в данном проекте, в динамическом отношение может считаться звеном безыинерционным.

Передаточная функция транзисторных усилительных устройств, при некоторых допущениях может быть представлена в следующем виде:

(5.1)

Постоянная времени Т_у обычно превышает Т_у= (0,005−0,008) с. Таким образом быстрота протекания динамических процессов в этих усилительных устройствах существенно выше, чем в механических узлах привода. Поэтому

W_у=К_у (5.2)

Далее надлежит построить асимптотические логарифмические частотные характеристики разомкнутого привода: амплитудную (ЛАХ) L (w) и фазовую (ЛФХ) ш (щ).

где W_i(jщ) — соответственно передаточные функции W_и(p), W_у(p), W_им(p). В особенности это относиться к W_им(p), определенные ранее в формулах 4.1 и 3.14.

Для астатических приводов, каким является привод антенны, эта асимптота будет проведена с наклонном (-20 дб/дек), проходящих через точки

Дб

ЛАХ располагаемой передаточной функции астатического привода изображена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.2 Структурная схема замкнутого процесса

Рисунок 5.3. Переходный процесс располагаемой системы

Рисунок 5.4 ЛАХ располагаемой системы

5.2 Построение желаемой логарифмической характеристики

Желаемые логарифмические характеристики (ЖЛАХ) является одной из форм описания динамических свойств привода, отвечающих тем показателям, которые к приводу предъявляются. Такая характеристика, будучи отражением желаемых показателей, может быть сопоставлена с располагаемой (РЛАХ), соответствующей приводу, построенному на выбранных элементах. В результате сопоставления может быть решён вопрос о средствах, которыми можно изменить конфигурацию РЛАХ в направлении её приближения к ЖЛАХ, то есть о корректирующих устройствах. [1]

Учитывая, что проектируемые приводы относятся к типу минимально фазовых систем, при построении ЖЛЧХ можно ограничиться только амплитудными характеристиками.

Желаемая ЛАХ строится на основании информации о точности и качестве переходного процесса привода. Точность привода в виде допустимых ошибок используется для формирования ЖЛАХ в низкочастотной области, а показатели качества переходного процесса в виде G, t_п или М — для формирования ЖЛАХ в области частоты среза (на средних частотах). В высокочастотной области конфигурацию ЖЛАХ желательно оставить такой, какой она является в ЛАХ располагаемой, построенной по сведениям о выбранных элементах.

Запретная область в низкочастотной части ЖЛАХ строится по контрольной точке А_к на основании выражения для частоты щ_к эквивалентного гармонического воздействия б_э(t) и ординаты L (щ_к).

щ_к = е_m/Щ_m (5.5)

щ_к = 0.6/1.8 = 0.33 с^-1

Поскольку привод находиться под воздействием статического момента, положение контрольной точки определяется по выражению:

L (щ_к) = 20lgб_m/x_д, (5.6)

где б_m = ЩІ_m/е_m

б_m = 1.8І/0.6= 5.4 рад

Тогда L (щ_к) = 20lg (5.4*60*57/10)=66.2 Дб

Предельное нижнее положение ЖЛАХ в низкочастотной области — на 3дБ выше границы запретной зоны. Поэтому ЖЛАХ в области низких частот фактически повторяет конфигурацию границы запретной области.

Точка пересечения правой границы запретной области с осью называется базовой частотой и определяется по выражению:

(5.7)

Частоту среза ЖЛАХ определяется с учетом показателя колебательности М и базовой частоты щ₀ по формуле:

(5.8)

Проводим подстановку и получаем:

Наличие сухого трения накладывает определенные ограничения на вторую сопрягающую частоту щ₂, которая может быть определена в соответствии с формулой:

(5.9)

Неравенство выполняется, можно приступить к нахождению третий сопрягающей частоты:

(5.10)

Но используем частоты приведенные ниже

Высокочастотную часть ЖЛАХ сохраняют с тем же наклоном как у РЛАХ и они равны щ₄= 400 рад, щ₅=800 рад.

Желаемая ЛАХ изображена на рисунке 5.7, и её передаточная функция будет такой

(5.11)

Где

Постоянные времени — точки перегиба ЖЛАХ

Коэффициент ЖЛАХ — находится через контрольную точку, опусканием прямой с наклоном в 20 дБ на ось времени.

Кж=255

Подставляя, получаем:

Рисунок 5.5 Структурная схема желаемой системы

Рисунок 5.6 Переходный процесс желаемой системы

Рисунок 5.7 ЛАХ желаемой системы

Синтез автоматического регулирования методам логарифмических амплитудных характеристик является в настоящее время одним из самых удобных и наглядных. Наиболее трудным моментом при расчете методом логарифмических амплитудных характеристик является установление связи показателей качества с параметрами желаемой ЛАХ, что объясняется сравнительно сложной зависимостью между переходной характеристикой.

5.3 Синтез корректирующих звеньев

Назначением корректирующих звеньев (КЗ) является обеспечение желаемых динамических и точностных показателей ЭП. Поэтому фактически с ПУ и УМ является регулятором привода, реализующим закон управления, обеспечивающий заданное качество, в линейном ЭП желаемые показатели полностью определяются видом ЖЛАХ, поэтому вид и параметры КЗ могут быть определены по взаимному расположению ЖЛАХ и РЛАХ разомкнутого ЭП. Электропривод можно представить как произведение располагаемой передаточной функции ЭП W_р(р) и передаточной функции некоторого КЗ W_к(р):

W_ж (р) = W_р(р) * W_кз (р),

откуда следует

L_к = L_ж — L_р, (5.12)

гдеЛАХ корректирующего звена;

— ЛАХ желаемого звена;

— ЛАХ располагаемого звена.

L_k=66−56=10Дб

Запишем новые значения постоянных времени Т, определенных по рисунку 5.7 ЖЛАХ:

Теперь представим общий вид передаточной функции, заметим, что в ней присутствует новый коэффициент:

(5.13)

С учетом всех посчитанных значений передаточная функция КЗ будет выглядеть так:

(5.14)

Рисунок 5.10. Структурная схема скорректированной системы Рисунок 5.11 Переходный процесс скорректированной системы Рисунок 5.12 ЛАХ корректирующего звена

Такой способ коррекции дал желаемые результаты. Они удовлетворяют требованиям, заданным в техническом задании показателя M=1.4, наш процесс не превышает заданного значения.

5.4 Расчет принципиальной схемы

Корректирующее устройство реализуется на двух последовательных схемах. Передаточные функции первого и второго КЗ имеют вид: 5.16, 5.17 соответственно.

Рисунок 5.10 Первое корректирующие звено Передаточная функция первого КЗ выглядит так:

(5.16)

Передаточная функция этого звена определяется в виде:

Далее приведены расчетные соотношения для данного звена:

Таким образом, Передаточная функция второго КЗ выглядит так:

(5.17)

Рисунок 5.11 Второе корректирующие звено

Передаточная функция этого звена определяется в виде:

Далее приведены расчетные соотношения для данного звена:

Таким образом,

6. Расчет точности работы привода при случайных воздействиях

В реальных условиях эксплуатации систем управления характер как управляющих, та и возмущающих воздействий таков, что эти воздействия нельзя считать строго определенными функциями времени. В радиолокационной системе сопровождения, отраженный от цели сигнал содержит в себе помехи в виде многочисленных флуктуации, происходящие от вибраций и поворотов цели, замирания сигнала. Поскольку величина воздействий в каждый момент времени и процесс их зависит от множества разнообразных факторов случайным образом связанных друг с другом, то в следящих системах не только возмущающие воздействия и помехи представляются случайными функциями, но и сам полезный сигнал, как правило, носит случайный характер.

Задача исследования формируется следующим образом. Необходимо рассчитать оценку ошибки электропривода, если известны структура ЭП и его параметры, а также задан вид и параметры задающего и возмущающего воздействий, которые в общем случае представляют собой сумму регулярно и случайной составляющих.

Структурная схема привода антенны может быть приведена к виду, показанному на рисунке 6.1, где приняты следующие обозначения:

g (t) — задающее воздействие;

f (t) — возмущающее воздействие;

И (t) — координата выхода ЭП;

W₁(p), W₂(p) — передаточные функции, которые в общем случае определяются следующим образом:

(6.1)

(6.2)

Задающее воздействие g (t) в общем виде определяется выражением:

(6.3)

где — регулярная составляющая, математическое ожидание задающего воздействия;

— случайная составляющая задающего воздействия, которая задается спектральной плотностью S_g(щ) стационарного случайного процесса.

Возмущающее воздействие в общем виде может быть задано следующим образом:

(6.4)

где-f_p(t) регулярная составляющая возмущающего воздействия, представляющая собой ступенчатую функцию;

f_c(t) — случайная составляющая возмущающего воздействия, которая задается спектральной плотностью S_f(щ) стационарного случайного процесса Анализ установившегося режима работы проектируемого ЭП производится исходя из предположения, что исследуемая система является устойчивой, а сигналы и f (t) некоррелированные, то есть:

Математические ожидания ошибки находятся в операторной форме по выражениям (6.5) — (6.7):

(6.5)

(6.6)

(6.7)

здесь g (p) и f (p) — изображения по Лапласу процессов g (t) в f (t).

Передаточная функция Ф_Эg(p) и Ф_Эf(p) для системы, представленный на рисунке 6.1, определяется следующим образом:

(6.8)

либо с учетом 6.1 и 6.2 имеем:

(6.9)

где Ф_еf(p) — передаточная функция от помехи к выходу ЭП, определяемый по соотношению:

(6.10)

либо с учетом 6.1 и 6.2 имеем:

(6.11)

Дисперсия ошибки может быть определенна следующим образом:

(6.12)

где и — слагаемые дисперсии ошибки от воздействия g (p) и f (p), соответственно.

Дисперсиии вычисляются следующим образом:

(6.13)

(6.14)

Pиcунок 6.1. Структурная схема ЭП при случайных воздействиях Рисунок 6.2, Структурная схема ЭП воздействия фединга Соотношение 6.13 и 6.14 могут быть приведены к интегралу вида

(6.15)

где

(6.16)

(6.17)

здесь n_степень полинома A (jw).

В общем случае при любом n для устройства САУ интеграл In может быть представлен в виде:

(6.18)

где

(6.19)

совпадает с точностью до знака со старшим определителем Гурвица, а числитель M_n определяется выражением:

(6.20)

Соотношения, определяется в общем виде интегралы In, вычислены до n=7.

Примером случайного воздействия, влияющего на точность работы привода антенны, является фединг. Этим термином определяют флуктуации амплитуды принимаемого радиолокационного сигнала, обусловленные характером отражения электромагнитных волн от сложных поверхностей и изменениями плотности атмосферы. Основную роль в возникновении фединга играет главный фактор, если отражающая поверхность имеет сложную конфигурацию и случайным образом изменяет свою ориентацию в пространстве, то отраженный от нее сигнал будет иметь случайную амплитуду. Эта амплитуда есть модуль векторного сигнала, представляющего собой результат наложения сигналов, отраженных от элементарных площадок поверхности. [8]

Влияние фединга обычно учитывают в виде случайного изменения угловой ошибки слежения РЛС. Спектральная плотность фединга определяется следующим выражением:

(6.21)

где G_ф — среднее квадратичное отклонение;

б, в — числовые значения.

Спектральная плотность имеет максимум на частотах щ=±в, равных величине

(6.22)

График спектральной плотности изображен на рисунке 6.3

Корреляционная функция фединга, соответствующая спектральной плотности 6.21, имеет вид

(6.23)

Значение параметров равных: ;

Рисунок 6.3. Спектральная плотность фединга Рисунок 6.4. Корреляционная функция фединга Рассчитаем точность разработанного в данном проекте привода антенны, задаваясь этими исходными данными для спектральной плотности.

Спектральная плотность Sф (щ) есть спектральная плотность возмущающего случайного воздействия.

Структурную схему привода антенны рисунок 6.1 при рассмотрении влияния на систему фединга можно привести к виду, показанному на рисунке 6.2.

Коэффициенты числителя передаточной функции по возмущению:

v₀=0.93;

v₁=0.88;

v₂=0.109;

v₃=3.036;

v₄=1;

Коэффициенты знаменателя передаточной функции по возмущению:

h0=0.93;

h1=0.88;

h2=0.109;

h3=3.036;

h4=5.08;

h5=255;

Коэффициенты подынтегрального выражения по выражению для S_ф находятся следующим образом:

Теперь подставим в эти выражения коэффициенты числителя передаточной функции по возмущению:

Выведем коэффициенты подынтегрального выражения по выражению для S_ф, для знаменателя:

Теперь подставим в эти выражения коэффициенты числителя передаточной функции по возмущению:

Найдем интегральное выражение In, по формуле 6.18:

Исходя из величины полученного результата, можно сделать вывод, что система устойчива к данной помехе, т. е. это случайное воздействие не значительно влияет на качество привода и, следовательно, регулятор не требует дополнительной доработки.

7. Разработка чертежа механического узла

Под механическим узлом ЭП понимается агрегат, включающий в себя редуктор, исполнительный двигатель, первичный измерительный преобразователь-приемник каналов грубого и точного отсчета, то есть совокупность элементов ЭП, которые механически связаны между собой.

Основным элементом сборочного чертежа является редуктор. Корпус и платы редуктора являются посадочными поверхностями для размещения ИД ПИП, поэтому при компоновке конфигурации редуктора нужно учитывать их.

Редуктор состоит из четырех валов и шести зубчатых колес с соответствующими передаточными отношениями. Для обеспечения удобной сборки и наладки редуктора он снабжен крышкой, которая крепиться болтами.

Первое зубчатое колесо редуктора крепиться непосредственно на выходной вал двигателя с помощью штифта, последующие колеса крепяться к валам, также с помощью штифтов.

Результатом разработки конструкции является сборочный чертеж механического узла ЭП антенны, сопровождающийся спецификацией всех сборочных единиц, которые представлены в приложении. [4]

8. Конструктивно-технологические вопросы

8.1 Технические условия на электропривод антенны

Технические требования

Внешний вид

Изделия не должны иметь дефекты наружной отделки и по внешнему виду должно соответствовать сборочному чертежу.

Соответствие чертежам

Габаритные размеры, детали и сборочные единицы должны быть по размерам, материалам и покрытиям должны соответствовать сборочному чертежу.

Материалы и покупные комплектующие изделия

Материалы и покупные комплектующие изделия должны удовлетворять требованиям стандартов и технических условий, указанных в конструкторской документации, а также условиям применения и режимам работы их в составе испытуемого изделия.

Устойчивость к воздействиям вибрации

Изделие должно выполнять заданные функции при воздействии вибрации в диапазоне частот от 20 до 300Гц при ускорении до 5g. Также изделие должно выполнять заданные функции при воздействии синусоидальной вибрации в диапазоне 5−500 Гц с ускорением до 5g.

Стойкость к изменению атмосферного давления

Изделие должно сохранить внешний вид и выполнять заданные функции, установленные в настоящем ТУ, в процессе и после изменения атмосферного давления с характеристиками:

— диапазон изменения атмосферного давления 500−150 000 Па.

Стойкость к воздействию повышенной температуры

Изделие должно выполнять заданные функции, сохранять внешний вид и значения параметров в пределах, установленных в настоящем ТУ. В условиях и после воздействия повышенной и пониженной температуры окружающей среды в диапазоне от -50⁰ до +50° С.

Правила приемки

Виды-испытания:

— типовые;

— приемо-сдаточные;

— периодические;

— проверочные;

— испытания на надежность.

Приемо-сдаточные испытания

Для проведения данных испытаний изделия могут быть представлены партией. Партия изделий должна включать не менее двух и не более тридцати штук. Приемо-сдаточные испытания изделия проводят в объеме 100% в следующей последовательности:

— внешний вид;

— прочность при воздействии синусоидальной вибрации одной частоты;

— стабильности выходной (регулируемой) величины;

— стойкость к воздействию повышенной и пониженной температуры;

— соответствие чертежам.

Периодические испытания

Изделия отбираются на периодические испытания в составе системы в сроки, предусмотренные ТУ на систему. На периодические испытания отбирается один экземпляр изделия. [2]

Методы контроля

Испытания на воздействие вибрации осуществляются на вибростенде. Испытания на влияние различных температур осуществляется в термокамере.

Проверку проводят на контрольно-проверочной установке КПА ПС ФКМ. Подключают изделие к установке в соответствии со схемой эксплуатации.

Устойчивость к воздействию синусоидальной вибрации

Изделие устанавливают на раму и закрепляют на стенде при помощи приспособления. Затем изделие во включенном состоянии подвергается воздействию синусоидальной вибрации. Испытания проводят при плавном изменении частоты со скоростью, близкой 1 об/мин.

Стойкость к воздействию повышенной температуры

Изделие помещают в термокамеру, устанавливают в камере предельную температуру (85 °С), и по истечении 0,5 ч, необходимых для достижения установившегося теплового режима. Далее изделие в выключенном режиме, поддерживают кратковременную рабочую температуру (70° С), по истечении 0,5 ч, необходимых для достижения установившегося теплового режима. Далее проводят проверку на соответствие требованиям. В камере устанавливают повышенную рабочую температуру (60 °С) и через 0,5 ч, выдерживают изделие во включенном состоянии в течение 2 ч, после чего вновь производят проверку на соответствие указанным требованиям.

Стойкость к воздействию пониженной температуры

Устанавливают в камере с изделием температуру минус 60 °C и по истечении 0,5 ч. выдерживают изделие в выключенном состоянии в течении 2 ч. Затем изделие включают и производят проверку на соответствие.

Транспортирование и хранение

Изделие в транспортной таре разрешается транспортировать любым видом транспорта. На любые расстояния, при условии крепления тары с упакованными изделиями к кузову транспортного средства с целью предохранения его от смещения, соударений, а так же непосредственного воздействия осадков. Погрузка и выгрузка ящиков с изделиями должна производиться со всеми предосторожностями, исключающими удары и повреждения.

Изделие в упаковке изготовителя допускается хранить в стеллажах в не отапливаемом хранилище с атмосферой типа 2 по ГОСТ 9.00. — 80 при температуре +25 °С не более 3 лет. [7]

Указания по эксплуатации (применению)

Эксплуатация изделия должна проводиться в соответствии с руководством по технической эксплуатации системы. Изделие должно сохранить работоспособность:

— при воздействии температуры от -50 °С до +50° С;

— при атмосферном давлении от 100 до 150 000 Па;

и выдерживать разрушающее воздействие многократных ударных нагрузок с ускорением 5g. При эксплуатации не следует использовать систему при превышении данных параметров, а также следует применять меры по защите от статического электричества. [7]

Гарантии поставщика

Изготовитель гарантирует соответствие электропривода требованиям настоящих технических условии при соблюдении потребителем условий эксплуатации, транспортирования и хранения, установления техническими условиями.

Срок гарантии 2 года устанавливается со дня подключения привода (дата отмечается в паспортных данных ЭП ответственным лицом). [7]

8.2 Технологический процесс сборки

Технологическим процессом сборки изделия или его узлов называется та часть производственного процесса сборки, которая непосредственно связана с соединением отдельных элементов в данное изделие или узел.

Процесс сборки аналогичен типовым процессам, применяемым при сборке изделий в индивидуальном производстве. [2]

8.3 Оценка технологичности конструкций

Одной из основных задач технологической подготовки является оценка и обеспечение технологичности конструкции изделия.

Комплексный показатель К определяется по следующей формуле:

(8.1)

где к_i — величина частного показателя;

ц_i — функция, нормирующая весовую значимость показателя;

s — Общее число относительных частных показателей.

Величина ц_i, зависит от порядкового номера определяемого показателя в номенклатуре показателей, принятой для оценки изделия определенного класса:

(8.2)

где i — порядковый номер показателя в ранжированной последовательности. Уровень технологичности конструкции изделия определяется как:

(8.3)

где К_б — базовый комплексный показатель.

Для расчета комплексного показателя технологичности конструкции изделий для условий неавтоматизированного производства для каждого класса изделий (механические, электромеханические, электронные и радиотехнические). Выбирается несколько не более 7, показателей. Состав таких показателей, их ранжированная последовательность по значимости и весовые коэффициенты ц_i приведены в таблице 8.1, где приняты следующие обозначения:

Е_у — число унифицированных сборочных единиц в изделии;

Д_у — число унифицированных деталей, являющихся составными частями изделия и не вошедших в Е_у (стандартные крепежные детали не учитывается);

Е — общее количество сборочных единиц в изделии:

Е=Е_у+Е_ор,

Далее общее количество деталей в изделии:

Д=Д_у+Д_ор,

Е_ор Д_ор — число оригинальных сборочных единиц и деталей (к оригинальным относятся составные части, разрабатываемые и изготавливаемые впервые для данного изделия, как самим предприятием-разработчиком, так и в порядке кооперирования с другими предприятиями);

Н_м.о. — количество операций обработки, сборки, монтажа, контроля и регулировки, которые можно осуществлять механизированными или автоматизированными способами;

Н — общее число операций в технологическом процессе;

Е_сл — количество сборочных единиц, входящих в изделие и требующих совместной обработки с последующей разборкой и повторной сборкой;

Е_т — общее количество типоразмеров сборочных единиц в изделии;

Q_т — общее количество типоразмеров деталей и изделий без учета нормализации крепежа;

О_л, — количество типовых технологических процессов;

Д_пр — количество деталей, заготовки, или сами детали получены прогрессивными методам и формообразования (штамповкой, прессованием, литьем по выплавляемым моделям, порошковой металлургией). [2]

Исходные данные для расчета показателей технологичности конструкции приведены в таблице 8.2

Таблица 8.1. Состав дополнительных показателей технологичности конструкций

Таблица 8.2. Исходные данные для расчета показателей технологичности конструкций

Состав дополнительных показателей технологичности конструкций электромеханических и механических изделий приведены в таблице 8.1

Значения дополнительных показателей:

=0,38

=0,86

=0,38

=1

=0,48

=0

=0,17

Комплексный показатель технологичности равен 0,47

Рассчитанное значение показателя качества технологичности входит в заданный диапазон его нормативного значения (0,4 -0,5 для технического проекта), следовательно, конструкция разрабатываемого привода антенны удовлетворяет требованию технологичности. [2]

9. Содержание бизнес-плана инвестиционного проект

Для обеспечения требуемого качества работы применяется корректирующие устройство, которое применяется в цепи обратной связи (охватывающей весь привод) или в цепи местной обратной связи. Назначение корректирующего звена является обеспечение желаемого процесса отражающего точность показателя привода, определяемым построенным ЖЛАХ. В общем случае корректирующие звено является регулятором привода, реализующие закон управления, обеспечивающие заданное качество, исправляя тем самым недостаток располагаемого процесса. Для построения корректирующего устройства необходимо было просчитать математический аппарат передаточной функции, в которую входят располагаемая и корректирующая функция и их полиномы.

Основной задачей проектирования является выбор электропривода — это электромеханическое устройство, в состав которого входят: измеритель рассогласования, исполнительный двигатель, передаточный механизм. Все эти элементы функционально связаны, поэтому их правильный выбор является важнейшим этапом проектирования.

В выборе исполнительного двигателя важнейшем показателем является его мощность, а также его безопасность функционирования, то есть тепловые показатели, и конечно момент, от которого зависит, насколько быстро исполнительный двигатель развивает обороты, преодолевая сопротивление нагрузки. В результате подсчета был выбран оптимальный вариант, двигатель типа МИГ — 90A, у которого P_N?P_тр.

Затем выполняется расчет основных параметров передаточного механизма (редуктора). Основой расчета является определения числа пар зубчатых, которых было получено 3. Затем определяется передаточное число пар зубчатых колес из соображения минимальности момента инерции редуктора. Поэтому передаточные числа первых двух пар выбрали 2 и 3 соответственно, а третей — 7. Предварительно для выбора размера зубчатых колес нужно определить модуль, который получился 0.65 мм, по известному значению модуля определили диаметр четных зубчатых колес: д₂=0,022 м; д₄=0,033 м, д₆=0,077 м, а нечетных д_1,3,5=0,011 м. А ширину подобрали 5.2 мм, располагая этими данными вычислили момент инерции редуктора и провели повторную проверку по теплу двигателя, уже с соединенным редуктором, учитывая этот момент инерции. Не малое значение играет и материал колес, которые обычно изготовляются из бронзы или латуни. В итоге повторная проверка прошла успешно, удовлетворяя условием по теплу.

В качестве ИР, был выбран потенциометрические ПИП, работающий по каскадной схеме. Были определенны следующие ошибки: допустимая ошибка; статическая; скоростная ошибка. Главным условием было, чтоб X_и?X_доп, что в итоге было достигнуто. По расчитоному коэффициенту был выбран ПИП.

Статически расчет выполняется для установившегося режима работы привода и используется для определения требуемого из соображений точности общего коэффициента передачи усилительно-преобразовательного устройства, поскольку все остальные элементы привода — ИР, ИД, ПМ уже определены. При этом следует учитывать те основные режимы, на которые ориентирован привод.

Для ПА тактовым является режим слежения с максимальной скоростью и режим слежения, с гармоническим задающим воздействием. Коэффициент передачи определен 1,25.

Для динамического расчета использовался частотный метод, а математическую модель представлена в виде структурной схемы и соответствующей ей передаточной функции, так же построены логарифмические частотные характеристики ЛАХ (располагаемая, корректирующая, желаемая).

В результате всех полученных исчислений строится принципиальная электрическая схема электропривода.

Анализ положения дел в отрасли

Используемый электропривод входит в состав метео-РЛС, использоваемой, как военной промышленности, так и в астрономии, медицине, автомобилестроение, метеорологии, в охранных системах, на аэродромах.