Выдержка из текста работы
- Введение
- 1. Расширенное техническое задание
- 1.1 Цель курсовой работы
- 1.2 Технические характеристики системы регулирования
- 1.3 Функциональная схема
- 2. Выбор и обоснование выбора элементной базы локальной системы управления
- 2.1 Выбор микропроцессора
- 2.2 Выбор захвата робота
- 2.3 Выбор редуктора
- 2.4 Выбор двигателя
- 2.5 Выбор датчика давления
- 2.6 Выбор датчика линейного перемещения
- 2.7 Выбор операционного усилителя
- 3. Расчет датчика обратной связи
- 4. Деление ЛСУ на изменяемую и неизменяемую части. Определение устойчивости
- 5. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ непрерывной системы
- 6. Построение желаемой ЛАЧХ и ЛАЧХ корректирующего устройства
- 6.1 Построение ЖЛАЧХ
- 6.2 Построение ЛАЧХ корректирующего устройства
- 7. Синтез корректирующего устройства
- 7.1 Синтез параллельного корректирующего устройства
- 7.2 Синтез программного корректирующего устройства
- 7.3 Выбор корректирующего устройства
- Заключение
- Список используемой литературы
Введение
Автоматизация промышленности стала в последние десятилетия одним из приоритетных условий развития производства. Роботизация производственных процессов приводит к росту объемов выпускаемой продукции, снижению себестоимости и к значительной экономии сырья, повышает безопасность производства.
Одно из самых прогрессивных направлений в комплексной механизации производства — внедрение автоматического управления с использованием микропроцессоров, то есть роботизация. Промышленные роботы представляют собой электромеханические, пневматические или гидравлические устройства, которые подчиняются командам операторов либо работают при помощи технологии искусственного интеллекта.
На сегодняшний день по всему миру работает уже более 1,5 млн. роботов. Из них более половины (около 800 тысяч) используется в промышленности, главным образом на конвейерной сборке продукции. Использование инновационных технологий уверенно ведет промышленность к тому, чтобы все основные производственные задачи решались интеллектуальными системами.
Следующим этапом в этом процессе может стать использование в промышленности андроидных роботов. В отличие от узкоспециализированных промышленных роботов, андроиды (неиндустриальные роботы) — универсальные механизмы, которые могут быть интегрированы в любую сферу человеческой деятельности. Представляя собой периферийные компьютерные устройства, они могут без потери времени переключаться на выполнение новой задачи в момент запуска соответствующей программы.
Не случайно разработка и производство андроидов прогнозируется специалистами в качестве одного из самых прибыльных направлений развития индустрии XXI века — по оценкам, рынок андроидов уже через 10 лет составит около 30 млн. экземпляров. Немаловажные стимулы роботизации промышленности — эффективность и высокий КПД роботов, а также простота в обслуживании и перепрограммировании.
1. Расширенное техническое задание
1.1 Цель курсовой работы
Целью данной курсовой работы является разработка САУ управления кистью руки робота андроида (Терминатора). Данный элемент робота должен обеспечивать возможность захвата и удержания объектов. Кроме того, система должна отвечать всем заданным в техническом задании параметрам, обеспечивая достаточное быстродействие, а самое главное — точность регулирования.
1.2 Технические характеристики системы регулирования
— грузоподъемность (для одного пальца), Н 60;
— частота опроса датчиков 1000;
— скорость обработки сигнала35;
— ускорение обработки сигнала40;
— максимальная ошибка регулирования0.6;
— точность позиционирования, мм 0.1;
— быстродействие, м/с 0.5;
— время регулирование, сне более 5;
— перерегулирование, %0;
— колебательность0.
1.3 Функциональная схема
Работа САУ захватом руки робота андроида, основана на формировании сигнала усилия захвата, за счет получения результатов измерения давления и получения линейного положения.
Задатчик, который входит в состав ЭВМ, содержит в себе, согласованные с датчиком давления ДД, значения токов. В зависимости от материала предмета, подлежащего захвату на выходе задатчика формируется значение тока, соответствующее по величине максимально-допустимому значению давления на этот объект. Это значение поступает на сравнивающее устройство ВУ (часть ЭВМ), которое формирует результат сравнения максимального давления и текущего. Важным моментом здесь является то, что недопустимо выпадения объекта из захвата, т.е. давление, оказываемое на объект должно быть достаточным.
Результат сравнения поступает на второй сравнивающий элемент, для которого входной сигнал должен быть согласован с выходным сигналом первого УС. Этот элемент сравнения формирует отклонение линейного положения редуктора от заданного.
Результат сравнения величин токов подается на усилитель У. Заведомо ясно, что величина напряжения и тока, а, в конечном счете, мощность будет недостаточна для двигателя, являющегося частью ИМ.
Для того чтобы связать частоту вращения двигателя ДПТ, с перемещением, требуемым механизмом захвата ЗАХ, потребуется редуктор Р. Редуктор должен преобразовать вращательное движение в поступательное.
Для более точного и качественного управления двигателем, можно поставить в цепь датчик линейного перемещения, который будет снимать показания о текущем положении элемента редуктора.
На захвате располагается ДД, который служит для получения величины текущего давления на объект.
Давление, воздействующее на объект, поступает в виде вольтамперной величины в цепь ООС.
Система должна согласовываться со схемой (рисунок 1).
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 1 — Функциональная схема САУ захватом руки робота андроида:
З — задатчик, ВУ — вычислительное устройство, У — усилитель, ДПТ — двигатель постоянного тока, Р — редуктор, ЗАХ — захват, ДД — датчик давления, ДЛ — датчик линейного перемещения.
2. Выбор и обоснование выбора элементной базы локальной системы управления
2.1 Выбор микропроцессора
Робототехника является развивающейся дисциплиной. Многие подходы известны уже сегодня, но вряд ли кто-нибудь сможет сказать, какие методы и технологии конструирования будут использоваться через сто лет. Как и биологические системы, робототехника развивается в соответствии с Дарвиновской моделью «естественного отбора». Поэтому, какой бы мощный из ныне существующих процессоров мы не выбрали, с уверенностью можно сказать, что к моменту создания первого Терминатора в том виде, в котором он представлен в одноименных фильмах, он [процессор] будет не сравним с используемым в Терминаторе.
2.1.1 Расчет передаточной функции микропроцессора
Передаточная функция цифрового устройства микропроцессор является стандартной W(p)=1.
2.2 Выбор захвата робота
Определим геометрические размеры и технические параметры захвата. Собственно для захвата, как механического устройства основными ограничениями могут стать прочностные характеристики для материала, из которого изготовлен захват. Учитывая специфику темы курсового проекта, выбирать реально существующие захваты не имеет смысла. Однако задать основные параметры, близкие к параметрам руки взрослого человека мы можем.
2.2.1 Технические характеристики захвата
— максимальный угол захвата, градусы90;
— допустимая нагрузка, кПа400;
— габаритные размеры (соответствуют размерам ладони взрослого человека), мм200х100х15;
2.2.2 Расчет передаточной функции захвата
Передаточную функцию определим по формуле (1):
. (1)
где: l — перемещение пальцев захвата, см;
lмз — перемещение штока механизма захвата, см.
Т.о. коэффициент передачи захвата составляет
2.3 Выбор редуктора
Редуктор предназначен для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу системы и согласования скоростей вращения. Для системы требуется перемещение штока со скоростью равной 5 см/с. Но точность должна быть высокой, для таких целей нужно использовать винтовую передачу (рисунке 2).
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 2 — Конструкция редуктора
В винтовой передаче используется винт и гайка, основными интересующими характеристиками являются шаг резьбы (для винта и гайки одинаковы).
2.3.1 Расчет передаточной функции редуктора
Требуемый коэффициент передачи составляет:
см/рад. (2)
Для такого типа передачи нужный диметр гайки составляет
где: V — линейная скорость перемещения, см/с;
щ — угловая скорость, рад/с,
имеем: =4 мм
По ГОСТ для гайки такого размера шаг резьбы составляет: 0.8 мм. Т.о. имеем передаточную функцию: W(p)=0.2.
2.3.3 Расчет винтовой передачи
Долговечность шариковой винтовой передачи определяется по формуле:
где: С — статическая грузоподъемность, кН;
Q — эквивалентная динамическая нагрузка, кН.
Приблизительное значение критической осевой силы можно определить по номограмме (рисунок 3).
Рисунок 3 — Номограмма распределения критической осевой силы
Таблица 1
Значения эквивалентной динамической нагрузки
|
Qi1 |
Qj2 |
t |
N |
q’i1 |
q’j2 |
q»j2 |
|
|
кН |
% |
об/мин |
кН |
||||
|
7 |
— |
40 |
10 |
10.66 |
— |
— |
|
|
10 |
— |
25 |
20 |
12.63 |
— |
— |
|
|
5 |
— |
20 |
100 |
9.43 |
— |
— |
|
|
0.3 |
— |
5 |
1000 |
6.85 |
— |
— |
|
|
— |
4 |
5 |
500 |
— |
8.85 |
4.85 |
|
|
— |
3 |
5 |
200 |
— |
8.28 |
5.28 |
В таблице 1 приведены данные необходимые для расчета.
Эквивалентная динамическая нагрузка передачи Q определяется как наибольшее значение из двух эквивалентных нагрузок Q1 и Q2, действующих на каждую из гаек.
На передачу, собранную с силой предварительного натяга, со стороны первой гайки действуют осевые силы Qi1 (i=1,2,…,k), а со стороны второй гайки осевые силы Qj2 (j=1,2,…,k).
Продолжительность действия сил в процентах к общему времени — ti1 и tj2, соответствующее им число оборотов винта (гайки) — ni1 и nj2.
Силы, действующие на первую гайку обозначим q’i1 и q’j2, на вторую, соответственно, q»i1 и q»j2.
Силы, действующие на гайку определяются по формуле:
Эквивалентная нагрузка на первую гайку:
где: n — среднее число оборотов при постоянной нагрузке и переменной
скорости вращения, об/мин.
Аналогично находим эквивалентную нагрузку Q2, действующую на вторую гайку. Силы предварительного натяга определяются по формуле:
где: Mxx — момент холостого хода, Нм;
d0 — расчетный диаметр передачи, мм;
rш — радиус шарика, мм.
На передачу, собранную с предварительным натягом QН= 6.7 кН, действуют со стороны первой гайки осевые силы Q11=7 кН, Q21=10 кН, Q31=5 кН, Q41= 0.3 кН, а со стороны второй гайки осевые силы Q12= 4 кН, Q22= 3 кН. Угловая скорость вращения передачи составляет 25 рад/с, т.е. n=30*25/р=239.
Эквивалентная нагрузка на гайку:
(кН)
Статическая грузоподъемность C=17.7 кН. Т.о. долговечность
оборотов.
2.4 Выбор двигателя
Для корректной работы устройства требуется двигатель постоянного тока малой мощности.
Требуется определить требуемую мощность двигателя:
PТР=PВЫХ/зОБЩ(9)
где: PТР — требуемая мощность двигателя, кВт;
PВЫХ — выходная мощность, кВт;
зОБЩ — КПД конечного каскада, %.
Выходная мощность определяется необходимой силой перемещения штока механизма захвата и составляет 1 кН. Скорость перемещения штока должна составлять 0.05 м/с, т.е. требуемая мощность 70Вт.
Коэффициент полезного действия для шариковой винтовой передачи составляет 60%. Т.о. PТР=50 Вт.
2.4.1 Расчет передаточной функции двигателя
Для начала найдем электрическую постоянную двигателя
(В*с/рад)(10)
тогда коэффициент передачи двигателя kД=1/Се=27.4 (рад/В*с).
Определим механическую постоянную времени. Найдем механическую постоянную времени:
(Н*м/А)(11)
(с)(12)
Электрическая постоянная времени:
(с)(13)
Передаточная функция ДПТ примет вид:
(14)
2.5 Выбор датчика давления
Среди микроэлектронных датчиков давления наибольшее распространение получили датчики, основанные на тензорезисторном эффекте, состоящем в изменении сопротивления материала в функции механического напряжения. Для разрабтываемой САУ подходит толстопленочный датчик давления на керамике. Основным критерием выбора среди таких датчиков становится рабочее давление, которое должно содержать в себе максимальное давление оказываемое на датчик в процессе работы. По причине относительно большого размера (для наших целей) современных датчиков, конкретную модель датчика мы выбирать не будем, однако, за исключением габаритов нам подходит датчик DSG 200.
2.5.2 Расчет передаточной функции датчика давления
Передаточная функция такого датчика давления имеет вид:
(15)
где: Кд=0.022 (В/кПа) — передаточный коэффициент керамической мембраны.
Таким образом передаточная функция датчика давления примет вид:
(16)
2.6 Выбор датчика линейного перемещения
Значения линейных перемещений определяются для редуктора. Перемещения составляют порядка 50 мм. Датчик должен обеспечивать непрерывное преобразование измеряемого параметра в унифицированный выходной сигнал ±5мА. Датчик должен быть снабжен магнитной стойкой для упрощения его установки на объекте.
2.6.1 Расчет передаточной функции датчика линейного перемещения
Значение максимального тока соответствует значению максимального перемещения. Если принять график работы датчика за линейную характеристику, то передаточная функция звена будет равна
W(p)=(17)
2.7 Выбор операционного усилителя
Напряжение, поступающее с ЭВМ равно максимально 12В, а ДПТ для работы в номинальном режиме требуется 60 В. Требуется усилительное звено с коэффициентом усиления в 5 раз. Это усиление можно обеспечить использованием операционного усилителя.
2.7.1 Расчет передаточной функции усилителя
Также как и любое стандартное усилительное (пропорциональное звено), данный усилитель обладает постоянным передаточным числом, или
(18)
Система (рисунок 1), с учетом полученных передаточных функций, может быть представлена в виде (рисунок 4).
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 4 — Функциональная схема САУ захватом руки робота Терминатора
автоматический робот микропроцессор программный
3. Расчет датчика обратной связи
В основе работы тензорезистора лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:
(19)
где: — относительное изменение сопротивления;
— относительное изменение длины.
При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, причем изменение объема в зоне упругих деформаций для каждого материала постоянно и характеризуется коэффициентом Пуассона
(20)
где:
— относительная поперечная деформация;
b — поперечный размер проводника квадратного сечения, мм.
В этом случае:
(21)
Учитывая, что
, (22)
получаем
, (23)
Коэффициент тензочувствительности в общем случае определяется как
k=(1+2м)+m, (24)
где изменение удельного сопротивления проводника
(25)
Так как для системы был выбран неметаллический датчик давления, можно считать, что k?m. Согласно справочным, сданным коэффициент тензочувствительности для кремниевого элемента составляет 100-120.
Геометрические параметры чувствительного элемента определяются несколькими параметрами, среди которых: прочностные характеристики тензоэлемента, ограничение базы решеток пределами от 0.7 до 10 мм, деформируемостью материала.
Исходя из условия ограничения относительного сопротивления тензорестора и относительной деформации материала можно получить
(26)
Выбранный тензорезистор относится с высокоомному, с сопротивлением 2 кОм. Тогда задавая значение деформации для кремниевого материала 2*10-3 м/м, получим
Т.о. имеем зависимость размера чувствительного элемента от его максимальной деформации (примем =0.02, что вполне достаточно для измерения заложенного в ТЗ давления) из которой b=10 мм. Данное число вполне укладывается в допустимые рамки для кремниевого материала.
4. Деление ЛСУ на изменяемую и неизменяемую части. Определение устойчивости
Элементная база САУ содержит следующие компоненты: ЭВМ, усилитель, ДПТ, редуктор, захват, датчик давления и датчик линейного перемещения.
ЭВМ относится к изменяемой части, т.к. замена этого устройства не внесет серьезных изменений в характеристики системы.
Усилитель относится к неизменяемой части, т.к. устройство является специализированным для выполнения конкретной задачи по управлению двигателем и имеет определенные технические характеристики, то его изменение может привести к серьезным изменениям характеристик всей системы.
ДПТ является неизменяемой частью, он выбран из множества двигателей, согласно мощности, однако изменение двигателя повлечет за собой серьезное изменение передаточной функции самого двигателя, а, следовательно, и всей системы в целом.
Редуктор относится к неизменяемой части, его технические характеристики согласованы с двигателем и механизмом захвата, а, следовательно, не могут быть изменены.
Захват относится к неизменяемой части, т.к. изготовлен с конструктивными параметрами, специально заточенными для данной системы.
Датчик линейных перемещений, относится к неизменяемой части, т.к. представляет собой устройство со свойственными только ему характеристиками.
Датчик давления, относится к неизменяемой части. Достаточно сложное устройство с точки зрения производства.
Найдем передаточную функцию системы с помощью программы MathCad.
Передаточная функция главной цепи:
(27)
Передаточная функция разомкнутой системы:
(28)
Корни характеристического уравнения
(29)
имеют вид -0,574; -500.
Известно, что при отрицательных вещественных частях характеристического уравнения система устойчива, следовательно, система WРС устойчива.
Годограф Найквиста для разомкнутой системы представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 — Годограф Найквиста
Шаг сетки по вертикали и горизонтали одинаков. Аргументы отображаются без искажений
Передаточная функция замкнутой системы:
(30)
Нули характеристического уравнения имеют вид -0,799; -500.
Известно, что при отрицательных вещественных частях характеристического уравнения система устойчива, следовательно, система WЗС устойчива.
Построим переходный процесс САУ (рисунок 6). Для этого проведем обратное преобразование Лапласа от замкнутой передаточной функции САУ.
(31)
, (32)
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 6 — Переходный процесс системы
По полученному переходному процессу определим показатели качества САР:
1) Установившееся значение
hуст=6.3896Ч1021
Тогда 5% интервал отклонения от установившегося значения будет соответствовать следующей величине.
2) Перерегулирование
(33)
3) Время переходного процесса tп=3.68 с.
4) Время нарастания регулируемой величины tн=7.2 с.
5) Время первого согласования (время, когда регулируемая величина в первый раз достигает своего установившегося значения) t1=7.2 c.
6) Период колебаний Т=?.
7) Частота колебаний .
8) Колебательность (число колебаний за время колебательного процесса) n=0.
9) Декремент затухания .
Определим косвенные оценки качества. Для этого построим амплитудно-частотную характеристику (рисунок 7).
Рисунок 7 — амплитудно-частотная характеристика САУ
1) Резонансная частота (частота при которой АЧХ достигает своего максимального значения) щР=0
2) Показатель колебательности
.(34)
3) Частота среза — частота, при которой АЧХ достигает значения, равного 1. Следовательно ср=10,2.
Приведем исходную аналоговую систему к дискретной, введением микропроцессора. Частота опроса датчика составляет 1000 раз в секунду (период составляет T=0.001). Данная величина обусловлена необходимой точностью позиционирования захвата. Этого можно достичь лишь путем своевременного оповещения исполнительного органа о текущем состоянии системы.
Проведем z-преобразование разомкнутой системы, для чего воспользуемся функциями пакета MathCad:
Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
Запишем для каждой дроби соответствующее z-преобразование и умножим на при Т=0.001 с, получим:
(35)
Проведем z-преобразование замкнутой системы, для чего воспользуемся функциями пакета MathCad:
Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:
Запишем для каждой дроби соответствующее z-преобразование и умножим на при Т=0.001 с, получим:
Определим устойчивость полученной импульсной системы по Критерию Шур — Кона. Для устойчивости импульсной системы необходимо, чтобы коэффициенты характеристического уравнения были положительны.
В нашем случае характеристическое уравнение имеет вид:
В характеристическом уравнении не все коэффициенты положительны, следовательно, импульсная система неустойчива.
Построение переходной функции импульсной системы. Используя программу Mathсad и уравнение передаточной функции замкнутой системы в z — преобразованиях и проведя обратное z — преобразование этой функции, получим выражение для переходной функции импульсной системы:
По полученному переходному процессу определим показатели качества САР:
1) Установившееся значение hуст= 0.010462
2) Тогда 5% интервал отклонения от установившегося значения будет соответствовать следующей величине.
3) Перерегулирование
(33)
4) Время переходного процесса tп=5 с.
5) Время нарастания регулируемой величины tн=8 с.
6) Время первого согласования (время, когда регулируемая величина в первый раз достигает своего установившегося значения) t1=8 c.
7) Период колебаний Т=?.
8) Частота колебаний .
9) Колебательность (число колебаний за время колебательного процесса) n=0.
10) Декремент затухания .
5. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ непрерывной системы
Для определения запасов устойчивости требуется построение логарифмических характеристик для разомкнутой системы. Для дальнейшего исследования, передаточную функцию разомкнутой системы подвергаем z — преобразованию.
Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:
Заменим z на выражение от псевдочастоты :
z=, где , получим:
Полученная ЛАЧХ приведена на рисунке 8
Рисунок 8 — ЛАЧХ непрерывной системы
Построение ЛФЧХ произведем по выражению:
ЛФЧХ разомкнутой системы вместе с ЛАЧХ приведены на рисунке 9.
Рисунок 9 — ЛФЧХ разомкнутой системы
Из графика определим запасы устойчивости:
— запас по амплитуде 0 дБ
— запас по фазе 00
6. Построение желаемой ЛАЧХ и ЛАЧХ корректирующего устройства
6.1 Построение ЖЛАЧХ
Для построения ЖЛАЧХ воспользуемся методом запретных зон, используя номограмму Солодовникова (рисунок 10).
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 10 — Номограмма Солодовникова
Согласно номограмме Солодовникова (выбираем перерегулирование 20%) псевдочастота среза
где время регулирования tP=0.158. Или, в логарифмическом масштабе, lg(лСР)=1.8.
Определим ограничивающие асимптоты:
Необходимо провести прямую с наклоном 20 дБ/дек, через частоту среза до пересечения с ограничивающими асимптотами.
Запретная зона строится исходя из скоростных характеристик цифровой системы, которые заданы в техническом задании.
Определим положение рабочей точки.
Псевдочастота рабочей точки
Амплитуда рабочей точки
В логарифмическом масштабе (0.06;32.611). Через эту точку проводим низкочастотную асимптоту с наклоном минус 20 дБ/дек (рисунок 11).
За пределами полосы, ограниченной заданной колебательностью, ЖЛАЧХ совпадает по наклону с низкочастотной частью построенной ЛАЧХ.
Рисунок 11 — ЛАЧХ и ЖЛАЧХ системы
Из графика восстановим передаточную функцию ЖЛАЧХ и корректирующего устройства.
Частоты сопряжения для ЖЛАЧХ: щ1=0.06; щ2=1000.
Передаточная функция запишется, как:
Т2*р+1 / Т1*р+1
(37)
6.2 Построение ЛАЧХ корректирующего устройства
Частоты сопряжения для ЛАЧХ корректирующего устройства:
щ1=0.06; щ2=1000
(38)
Была получена передаточная функция последовательного корректирующего устройства, которое будет влиять на быстродействие системы, однако исследуемой системе требуется параллельное корректирующее устройство, т.к. необходимо повышать точность.
Для перехода от последовательного КУ к параллельному воспользуемся формулой перехода
WПАРКУ=WУ*(WПОСКУ-1)(39)
где: WУ — передаточная функция устройства, требующего коррекции;
WПОСКУ — передаточная функция последовательного корректирующего устройства.
Для нашей системы определяющим параметром является точность, так как робототехнический орган — захват, необходим для удержания объекта и не должен приводить к его порче. Поэтому применим параллельное корректирующее устройство (КУ).
Определимся устройством, которому требуется коррекция. Просмотрев список устройств в системе можно прийти к выводу, что наиболее инерционным является ДПТ. Физически это трудно осуществимо, поэтому будем корректировать усилитель, т.к. он непосредственно воздействует на двигатель.
Передаточная функция усилителя:
(40)
ЛАЧХ параллельного КУ строится зеркальным отображением относительно желаемой ЛАЧХ.
ЛАЧХ параллельного КУ изображена на рисунке 12.
Рисунок 12 — ЛАЧХ, ЖЛАЧХ и КУЛАЧХ системы
7. Синтез корректирующего устройства
7.1 Синтез параллельного 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 точность, так как робототехнический орган — захват, необходим для удержания объекта и не должен приводить к его порче. Передаточная функция необходимого КУ была найдена на предыдущем этапе, теперь требуется определить структурную схему КУ, его элементную базу и параметры необходимых элементов.
Для синтеза аппаратного корректирующего устройства будем применять RC-цепочки, согласно (58). Но для упрощения разобьем наше КУ на два последовательных
(41)
На рисунках 13 и 14 представлены первый и второй каскады корректирующего устройства.
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 13 — Первый каскад корректирующего устройства
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 14 — Второй каскад корректирующего устройства
Для получения требуемого коэффициента усиления были поставлены 3 операционных усилителя.
Выберем емкости конденсаторов для 1, 2 и 3 звеньев первого каскада:
C1=С2=С3=20 нФ, т.е. (кОм),
(кОм)
(кОм),
(кОм)
(мОм),
(кОм)
Выберем емкости для второго каскада: С3=С4=100мФ
(Ом)
(Ом)
Для последнего звена: C7=10мкФ, C6=20мкФ, L1=200Гн.
(Ом)
(Ом)
На рисунке 15 представлена функциональная схема с корректирующим устройством.
224545
Размещено на http://www./
Размещено на http://www./
Рисунок 15 — Функциональная схема САУ захватом руки робота андроида с корректирующим устройством
Построим для системы с корректирующим устройством переходный процесс и определим показатели качества.
Переходный процесс строится с использованием програмы MathCad и представлен на рисунке 16.
Из графика видно, что процесс позиционирования захвата значительно улучшился. За 4 секунды захват способен осуществить позиционирование (5 секунд по техническому заданию).
Из всего сказанного можно сделать вывод, что коррекция системы проведена успешно, корректирующее устройство справляется со своей задачей. Система увеличила запасы устойчивости, увеличилось быстродействие.
Рисунок 16 — Переходный процесс скорректированной системы
7.2 Синтез программного корректирующего устройства
Запишем передаточную функцию корректирующего устройства в виде z-разностных уравнений, для чего воспользуемся программой для преобразования передаточной функции в разностное уравнение (рисунки 17-20).
Рисунок 17 — Задание начальных параметров (шаг 1)
Рисунок 18 — Ввод передаточной функции (шаг 2)
Рисунок 19 — Результат преобразования (шаг 3)
Рисунок 20 — Окно «О программе»
Ук(nT)= 3,75x(nT)-1,25x((n-1)T)
Код программы коррекции:
;Расчет разностного уравнения
; x — входной сигнал
; y- выходной сигнал
i_port EQU 1lh; номер порта для чтения
o_port EQU 12h; номер порта для записи
Al EQU 3.75;
А2 EQU 1.25;
B1 EQU 0;
xl, x2, DB 0
;выделение памяти под переменные x(k-l), x(k-2)
yl, DB 0
; выделение памяти под переменную y(k-l)
; вычисляем значение выражения y(k)=Al*х1+А2*х2+В1*у1
start: ;метка начала цикла коррекции
in al, i_port; чтение данных из порта
mov al,Al; вычисление слагаемого А1*х1
mov bl, al; сохранение результата в bl
; в результате имеем А1*х1 в регистре bl
mov al, X2; вычисление
mul al, А2; слагаемого А2*х2
add bl, al; прибавление к предыдущему результату
; в результате имеем А1*х1+А2*х2 в регистре bl
mov al, yl; вычисление
mul al, Bl; слагаемого Bl*yl
add bl, al; прибавление к предыдущему результату
add bl, al; прибавление к предыдущему результату
; в регистре bl имеем результат вычисления всего выражения
out o_port, bl; вывод управляющего сигнала из bl
jmp start; зацикливание на начало программы
7.3 Выбор корректирующего устройства
Были рассмотрены два вида корректирующих устройств: программное и аппаратное. Отличительной особенностью аппаратных КУ является их высокое быстродействие. Однако при современных вычислительных мощностях персональных и промышленных компьютеров этот факт не является решающим.
Наиболее важным на сегодняшний день является такой фактор как преемственность, или возможность безболезненного переноса КУ с одной системы на аналогичную.
Перенос аппаратного КУ является затруднительным, т.к. все параметры такого КУ являются жесткими и даже при небольших отличиях систем становится непригодным. Программное КУ с этой точки зрения является предпочтительным. Переносимость с одной платформы на другую, легкость эксплуатации и поддержания работоспособности. Возможно легко изменять параметры программы коррекции, что позволяет использовать одну программу для нескольких аналогичных систем.
Заключение
В ходе курсового проектирование была разработана система автоматического управления рукой робота андроида (Терминатора). Система формируется с учетом микропроцессорного управления.
На первом этапе проектирования была подобрана элементная база, были найдены передаточные функции элементов и всей непрерывной системы в целом. Далее было проведено исследование непрерывной системы.
Ввиду недопустимого системного управления было решено синтезировать корректирующее устройство. Синтез желаемой системы осуществлялся по методу запретной зоны.
Был осуществлен синтез корректирующего устройства двух типов: аппаратного и программного. Оба типа корректирующих устройств удовлетворяют требованиям по коррекции, ввиду явных улучшений характеристик.
Исследуя положительные и отрицательные черты этих двух типов корректирующих устройств, было решено установить программу коррекции.
Таким образом, после продолжительного проектирования была получена дискретная система автоматического управления, удовлетворяющая требования, поставленным в техническом задании. Работоспособность системы подтверждается многочисленными характеристиками, приведенными в отчете.
Список используемой литературы
1. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. — М.: Профессия, 2003. — 752 с.
2. Воронов А.А. Основы теории автоматического регулирования / А.А. Воронов. — М.: Высшая школа, 1977. — 519 с.
3. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем / Н.Н. Иващенко. — М.: Машиностроение, 1978. — 736 с.
4. Пугачев В.С. Основы автоматического регулирования / В.С. Пугачев. — М.: Наука, 1974. — 720 с.
6. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического управления / Ю.И. Топчеев. — М.: Машиностроение, 1982. — 312 с.
7. Роботы, робототехника и роботостроение [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.robolive.ru/shema.php. — Загл. с экрана.
Размещено на
