Проектирование привода горизонтального канала наведения и стабилизации ОЭС

Министерство общего и профессионального

образования РФ

Тульский государственный университет

Кафедра автоматики и телемеханики

Проектирование привода горизонтального канала

наведения и стабилизации ОЭС

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

Тула 1998г.

Содержание

Введение........................................................................................................... 6

1. Обоснование актуальности темы и постановка задачи............................. 8

2. Обзор литературы по следящим приводам............................................. 10

3. Разработка алгоритма проектирования следящего привода.................. 13

4. Определение зависимости скорости и ускорения наведения АОП от дальности 15

5. Расчет потребной мощности ЭДВ............................................................ 18

6. Определение типа и параметров ЭДВ...................................................... 19

Наименование характеристик....................................................................... 20

7. Расчет зон работы следящего привода.................................................... 22

8. Определение параметров математической модели двигателя................. 24

9. Формирование скоростного контура привода ГН.................................. 29

10. Определение параметров корректирующих устройств скоростного привода   34

11. Формирование контура наведения и стабилизации с определением параметров корректирующих устройств......................................................................... 38

12. Определение точностных характеристик............................................... 47

13. Разработка конструкции и технология изготовления БУ следящего привода   50

13.1. Конструкция платы БУ привода.......................................................... 50

13.2. Технологическая часть......................................................................... 54

13.3. Расчет показателей надежности БУ следящего привода.................... 56

14. Охрана труда и окружающей среды...................................................... 59

14.1. Охрана труда........................................................................................ 59

14.1.1. Анализ вредных и опасных производственных факторов.............. 59

14.1.2. Требования к производственному помещению............................... 60

14.1.3. Микроклиматические условия производственного помещения и вентиляция.      62

14.1.4. Требования к освещению производственного помещения.............. 66

14.1.5. Техника безопасности....................................................................... 68

14.2. Охрана окружающей среды................................................................ 71

15. Организационно-экономический раздел................................................ 77

15.1. Составление и расчет сетевого графика.............................................. 77

15.2. Расчет затрат на проектирование и изготовление следящего электропривода         85

Заключение.................................................................................................... 93

Библиографический список........................................................................... 94

Приложения................................................................................................... 96

Данный дипломный проект  посвящен проектированию привода горизонтального канала наведения и стабилизации(ГКНиС)  ОЭС и  включает в себя расчет параметров двигателя привода, разработку скоростного и позиционного контура следящей системы,  составление функциональной схемы и структурной схемы линейной математической модели следящего привода. Синтез системы производится исходя из требований по времени переброса и точности слежения за подвижным объектом в условиях воздействия качек на носитель следящей системы.

Конструкторско-технологический раздел включают в себя разработку конструкции печатной платы БУ привода, составление технологического процесса ее изготовления, производится расчет теплового режима работы платы и надежность эксплуатации устройства.

Большое внимание уделено охране труда и окружающей среды. Производится расчет параметров производства печатных плат БУ привода ГКНиС: количества людей, занятых непосредственно изготовлением изделий, размеров цеха, расстановка оборудования, вентиляции, освещения. Определяется категория пожаробезопасности производства, схема эвакуации людей при пожаре и расположение противопожарного оборудования

Экономической часть включает в себя составление сетевого плана проектирования и изготовления опытного образца привода ГКНиС ОЭС, расчет критического пути и себестоимости ОКР и стоимости опытного образца привода ГКНиС.

Автоматическое управление различными объектами приводит к необходимости разработки  создания сложных систем, включающих в себя вычислительные машины, автоматические регуляторы, исполнительные устройства  т.п.

В системах управления широкое применение получили устройства с механическим выходом, т.е. автоматизированные приводы, в которых в подавляющем большинстве случаев перемещение выходного звена пропорционально (или равно) входной управляющей координате. Автоматизированные приводы с указанными свойствами относятся к классу следящих систем.

Выходной вал следящего привода с определённой степенью точности воспроизводит в виде механического перемещения входной управляющий сигнал. При этом исполнительный двигатель должен преодолевать имеющиеся на выходном валу нагрузки (возмущающие воздействия) и развивать скорости и ускорения, обеспечивающие его слежение за входным управляющим воздействием, а система управления двигателем должна обеспечивать необходимую точность слежения, которые, как правило, должны обладать высокой динамической точностью.

Требуемые динамические свойства привода и типичные законы изменения управляющих и возмущающих воздействий зависят от назначения системы управления в целом и функций, выполняемых в ней приводом. По этим признакам следящие системы могут быть разбиты на следующие группы: приводы систем автоматического сопровождения, приводы пусковых устройств, приводы устройств гиростабилизированных платформ, приборные приводы и т.д.

Данная работа посвящена проектированию привода системы, относящейся к классу систем автоматического сопровождения (САС). К этой группе относятся  приводы широкого класса систем, предназначенных для слежения за объектами, перемещающимися в пространстве (приводы систем радиолокационных камер, оптических визиров, координаторов, астроориентиров). Требования к динамике определяются законом движения объекта и условиями наилучшей фильтрации случайной составляющей входного сигнала. Необходимо учитывать и значительные возмущения в виде «ветрового момента». Приводы, установленные на подвижном основании, должны обеспечивать высокую точность отработки угловых колебаний основания.

Основные задачи проектирования состоят в выявлении требуемых динамических свойств привода, в выборе исполнительного двигателя, обладающего нужными предельными динамическими возможностями, определении метода разработки системы управления, которая при максимальной простоте и надёжности и минимальных габаритах и весе обеспечивает необходимую динамику и точность.

При проведении расчетов были использована пакеты прикладных программ МаthCAD 6.0 plus, МаthCAD 7.0 и MathLab 5.0.

Автоматизация процессов управления различными объектами сопровождается широким использованием следящих приводов. Следящие приводы нашли применение во многих областях техники. Они используются в системах управления металлорежущими станками, металлургическими прокатными станами, шагающими экскаваторами, в системах управления манипуляторами, в моделирующих стендах, в системах управления объектами вооружения и т.д. Уже из этого краткого перечня видно, сколь значительно число задач, решение которых может быть возложено на следящие приводы.

Применение современных следящих приводов практически во всех областях хозяйства и промышленности, обусловлено необходимостью повышения качества выпускаемой продукции.

Применение современных следящих приводов в военной технике является необходимым фактором, который способствует повышению тактико-технических характеристик систем слежения и ведения огня. Точность, скорость, качество и надежность работы современного вооружения при обеспечении боевой готовности армии и в боевых условиях играет важную роль в поддержании обороноспособности страны.

Задачей данного дипломного проекта является проектирование и расчет следящего привода горизонтального канала наведения и стабилизации ОЭС, предназначенного для сопровождения объекта слежения.

Чтобы обеспечить высокие статические и динамические характеристики следящего привода необходимо правильно спроектировать и рассчитать  его, чему и будет посвящена данная работа.

Исходные данные для расчета:

1) Объект слежения:

Диаметр корпуса d=0,5 м;

Длина корпуса l=4,5 м;

Скорость движения Vo=600 м/c;

Коэффициент излучения объекта e=0,8;

Характеристики движения объекта:

Параметр движения Р=500 м;

Высота движения Н=300 м;

Дальность сопровождения не менее Dc=6 км;

2) Атмосфера:

Метеовидимость Мдв=20 км;

Относительная влажность r=90%;

Температура окр. cреды t=15⁰ C;

3) Привод:

Момент инерции вращающейся части АОП   J_ГН = 8 кгžм² ;

Масса нагрузки   m_Н = 170 кг ;

Максимальный возмущающий момент  М_В = 50 Нžм :

статический момент сопротивления повороту М_СТ = 30 Нžм,

аэродинамический момент М_АЭР = 15 Нžм,

статический момент неуравноешивания М_НЕУР = 5 Нžм ;

Нижняя частота собственных колебаний f_K = 100 Гц ;

Углы наведения от  -90⁰ до +90⁰ ;

Наведение : скорость_MAX = 100 ⁰/c, ускорение =220 ⁰/с², скорость_MIN = 0,02 ⁰/c.

В настоящее время, в связи с широким применением и развитием следящих систем, имеется множество публикаций и изданий по СС. В ходе выполнения дипломного проекта был произведен поиск и обзор литературы по следящим приводам и сопутствующей тематике (ТАУ и т.п.), в результате чего получены следующие сведения.

В книге «Проектирование следящих систем» под редакцией д.т.н., профессора Л.В. Рабиновича 1969 года выпуска (1) изложены теоретические основы и методика расчета и проектирования следящих приводов. Рассмотрены метод выбора исполнительного двигателя по предельным динамическим возможностям и энергетике, синтез следящих систем, близких к линейным, обеспечивающих заданную динамическую точность. Освещены методы повышения динамической точности, основанные на комбинированном управлении и теории инвариантности, и методы учета и анализа влияния нелинейностей с использованием логарифмических характеристик. Приведены методы расчета и проектирования релейных систем, в том числе оптимальных по быстродействию, рас­смотрены особенности проектирования механических пере­дач.

В двух книгах «Следящие приводы» под редакцией д.т.н., профессора Б.К. Чемоданова 1976 г. (2) изложены основные вопросы теории и проектирования одноканальных и двухканальных следящих приводов. Рассмотрены методы анализа и синтеза как непрерывных, так и дискретных (импульсных и цифровых) следящих приводов. Значительное внимание уделено динамике следящих приводов, имеющих в своем составе различные нелинейные звенья. Приведены основные энергетические соотношения и дан анализ влияния ограничения мощности источников энергии на работу следящего привода.

Книги И.М. Макарова и Б.М. Менского «Линейные автоматические системы» 1982 года (3) и «Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования» под редакцией д.т.н., профессора В.В. Солодовникова 1967 года (5) содержат сведения из теории непрерывных линейных систем автоматического ре­гулирования и обширный справочный материал для их ана­лиза и синтеза. В них рассматриваются общие дифференциальные уравнения, методы структурного преобразования, статические и динамические характеристики САР. Основное внимание уделено стационарным системам при детерминированных внешних воздействиях. Приводятся методы анализа устойчивости, качества и переходных процессов непрерывных линейных систем. Приведено много типовых схем и примеров расчета.

Книга В.А. Бесекерского и Е.П. Попова «Теория сис­тем автоматического регулирования» (4), представляет собой монографию, посвященную систематическому изложению теории автоматического регулирования и управления. Она содержит все основные разделы ТАУ: теорию обыкновенных и особых линейных систем, теорию нелинейных, адаптивных и цифровых систем.

В труде специалиста из ФРГ Р. Изермана «Цифровые системы управления» 1984 года (6) рассмотрены современные методы расчета и проектирования цифровых систем управления с детерминированными и случайными возмущениями. Значитель-ное внимание уделено теории многосвязанных и адаптивных систем.

Книга Х. Гурецкого «Анализ и синтез систем управления с запаздыванием» 1974 года (7) посвящена изложению методов анализа линейных, нелинейных и импульсных систем автоматического регулирования с запаздыванием и методов выбора параметров типовых регуляторов. Большое внимание уделено математическому описанию и идентификации объектов регулирования с запаздыванием.

В учебнике М.А. Павловского «Теория гироскопов» 1986 г. (8) излагаются основы теории механических гироскопов, дана элементарная теория гироскопов и гироскопических явлений. Значительное внимание уделено методам составления уравнений (как точных, так и приближенных) движения гироскопов как системы твердых тел. Рассмотрены особенности поведения двух- и трехстепенных гироскопов как на неподвижном, так и на движущемся основании с учетом моментов сил сухого, вязкого трения, технологических погрешностей изготовления и сборки приборов, упругих деформаций элементов подвеса.

Показано влияние различных типов коррекции гироскопов на их устойчивость и погрешности на подвижном основании. Приведены различные методы уменьшения возмущающих моментов и автокомпенсации уходов гмроскопа (применением двухгироскопных систем, вращением подвеса, применением динамических поглотителей колебаний, виброзащиты). Указаны возмущающие моменты, которые не устраняются тем или иным методом.

Кратко изложена теория невозмущающих маятников.

Должное внимание уделено изложению основ теории и причин погрешностей вибрационных гироскопов различных типов.

В учебнике А.А. Одинцова «Теория и расчет гироскопических приборов» 1985 года выпуска (9) рассмотрны гироскопические приборы двух типов: построители характерных направлений в опорной (как правило, земной) системе координат (гирокомпасы, гировертикали, гирокомпасы направлений и др.) и измерительные преобразователи параметров движения объектов (гиротахометры, гироинтеграторы линейных ускорений и др.)

Изложены  принципы построения и работы приборов, методика составления их математических моделей с учетом основных помех, расчет погрешностей, пути повышения точности измерений.

Следящий привод, установленный на подвижном основании обычно замкнут по углу поворота нагрузки. С целью улучшения динамических характеристик он может содержать местную обратную связь по скорости двигателя или скорости нагрузки, компенсирующие связи по управляющему и возмущающему воздействиям. Алгоритм проектирования следящего привода представлен на рисунке 3.1.

Приводы полуавтоматических систем слежения, размещенные на неподвижном основании, замыкаются по скорости исполнительного двигателя. Поэтому целесообразно рассмотреть вначале проектирование замкнутого по скорости привода.

Анализ динамических возможностей и энергетических характеристик привода является важным этапом процесса проектирования, который следует проводить непосредственно после выявления технических требований к приводу.

Значения скоростей и ускорений, которые может развивать реальный привод, ограниченный по величине. Если требуемые скорости и ускорения выше тех значений, которые способен обеспечивать привод, то попытки получения удовлетворительного функционирования привода введением каких - либо корректирующих устройств будут безуспешны. Никакая система управления исполнительным двигателем не может обеспечить требуемые моменты или скорости, если они не заложены в самой конструкции исполнительного механизма.    Корректирующие устройства предназначены для обеспечения требуемой точности привода и более полного использования его динамических возможностей.

Мощность, которую привод может рассеивать, не нагреваясь свыше допустимой температуры, также ограничена по величине. Если мощность, теряемая в приводе в процессе работы в заданном режиме, выше допустимой, то необходимо использовать дополнительные меры охлаждения, сократить время работы или применить другой, более мощный привод. Поэтому анализ энергетических характеристик привода также должен предшествовать расчету его динамики.

Анализ динамических возможностей и энергетических характеристик привода целесообразно проводить на этапе выбора исполнительного двигателя, который осуществляется методом последовательных приближений, т.е. пригодность выбранного в первом приближении двигателя проверяется детальным анализом его динамических возможностей и энергетических характеристик.

Алгоритм проектирования следящего привода

Рисунок 3.1.

Определим угловые скорости и ускорения привода, моменты времени, когда они достигают экстремальных значений.

Исходными данными для расчета являются:

- закон движения и его параметры;

- параметры угловых колебаний подвижного основания.

1)В проектируемой следящей системе реализуется закон равномерного прямолинейного движения, характеризующийся постоянными значениями линейной скорости объекта слежения Vo, высоты Н, параметра движения объекта Р:

Характеристики горизонтального канала

                  (4.1)

где  , - время слежения от начала процесса до момента прохождения параметрового участка (ОУ);

, -коэффициент.

Угловая скорость

                    (4.2)

Угловое ускорение

                (4.3)

Графики, характеризующие закон движения представлены на рисунке 4.1.

Максимальные значения характеристик горизонтального канала можно определить по следующим формулам:

_МАКС = V₀/P,                (4.4)

где _МАКС - максимальная угловая скорость.

_МАКС = 0,65×V₀²/P²,               (4.5)

где _МАКС - максимальная угловое ускорение.

2)Угловые колебания подвижного основания заданы гармоническим законом:

                 (4.6)

где A=5⁰ -амплитуда колебаний подвижного основания,

- частота колебаний подвижного основания.

f_k=0,8

Угловая скорость колебаний подвижного основания

                   (4.7)

Графики закона движения.

1 – положение объекта слежения b, рад;

2 – скорость движения объекта слежения , с^-1;

3 – ускорение объекта слежения , с^-2.

Рисунок 4.1.

Максимальная угловая скорость колебаний

                 (4.8)

Угловое ускорение колебаний подвижного основания

             (4.9)

Максимальное угловое ускорение колебаний

                  (4.10)

На основе проведенных расчетов получены следующие данные :

_МАКС = 1,2 рад/c

_МАКС = 0,935 рад/c²

 = 5,027 рад/c

 = 0,439 рад/c

 = 2,205 рад/c²

Расчет мощности, необходимой для преодоления нагрузки, проводим  по следующим формулам:

                  (5.1)

где - суммарный момент нагрузки,

- суммарная скорость.

           (5.2)

 рад/c

               (5.3)

где - момент двигателя без нагрузки.

               (5.4)

 Нм

 50+25,122=75,122 Нм

Таким образом получаем:

 Вт

На основании расчетов был выбран бесконтактный моментный электродвигатель с номинальным моментом 120 Нм. Полное наименование - бесконтактный моментный электродвигатель постоянного тока ДБМ. Служит для систем стабилизации и наведения по двум каналам - горизонтальному и вертикальному (ГН и ВН). Параметры электродвигателя представлены в таблице 6.1.

В состав ДБМ входят :

1) бесконтактный моментный электродвигатель (Д);

2) сборки статора и ротора датчика угла (ДУ);

3) блок обработки сигнала датчика угла (БОСДУ);

4) силовой коммутатор двигателя (К);

5) сборки статора и ротора тахогенератора (ТГ);

6) блок обработки сигнала тахогенератора (БОСТГ);   

7) оконечное устройство (ОУ).

Сигнал управления электродвигателем - аналоговый, постоянного тока, двуполярный, общая точка электрически не связана с минусом источника питания 27 В.

Зона нелинейности  ±12 В.

Величина входного сигнала, соответствующая номинальным параметрам электродвигателя +12 В, -12 В.

Блок обработки сигналов датчика угла выдает :

1) сигнал по положению ротора для обеспечения силового коммутатора ;

2) цифровой сигнал по углу поворота вала двигателя, при этом реализуется преобразователь угол - код, обеспечивающий измерение и выдачу в цифровую вычислительную систему (ЦВС) углов поворота вала с ошибкой не более 20 угловых секунд, разрядности не менее 16.Диапазон измерительных углов 0-360°, максимальная угловая скорость 66 об./мин. Обмен информацией между аппаратурой ДБМ и ЦВС производится по магистральному последовательному интерфейсу, при этом ЦВС выполняет функции контролера, а оконечное устройство (ОУ) входит в состав аппаратуры электродвигателя.

Таблица 6.1.

Параметры электродвигателя