7163

Мехатронная система регулирования положения стрелы, которая должна обеспечить заданную точность угла регулирования

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Введение Целью курсового проекта является расширение, углубление и закрепление знаний, полученных на лекциях и лабораторных занятиях по проектированию мехатронных систем, а результатом должна стать система регулирования положения заданного объекта....

Русский

2013-01-17

371 KB

24 чел.

Введение

Целью курсового проекта является расширение, углубление и закрепление знаний, полученных на лекциях и лабораторных занятиях по проектированию мехатронных систем, а результатом должна стать система регулирования положения заданного объекта.

В данном курсовом проекте рассматривается мехатронная система регулирования положения стрелы, которая должна обеспечить заданную точность угла регулирования φ. Перемещение стрелы осуществляется гидравлическим приводом, расположенным снизу.

Будут рассмотрены основные принципы построения мехатронных систем, произведен расчет геометрических параметров кинематической схемы, разработаны функциональная и структурная схемы, проведено моделирование с помощью ЭВМ и анализ погрешностей по полученным графическим зависимостям.

  1.  Анализ кинематической схемы мехатронного модуля движения подъемного механизма

Рассмотрим кинематическую схему мехатронного устройства движения подъемного механизма, изображенную на рисунке 1.1., и найдем φ=f(L), для чего решим прямую задачу кинематики.

Рисунок 1.1 Кинематическая схема мехатронного устройства движения подъемного механизма

Из равнобедренного треугольника АОВ (рис1.2) по теореме косинусов следует:

,

Для нахождения L=f(φ) решим обратную задачу кинематики.

Из полученной зависимости определим значения Lmin и Lmax при а=0.5 м.

Шток выдвинется на максимальную длину при максимальном угле φmax=85°:

         

Аналогично найдем Lmin при φmin=10°:

    

Рассчитаем длину выдвижения штока Lход:

(м)

Определим зависимость j (L):

2. Выбор параметров гидроцилиндра

Проведем выбор гидроцилиндра в соответствии с исходными данными. Для обеспечения перемещения механизма в заданных пределах и при длине а=1.7 м подходит гидравлический цилиндр типа ЦРГ, технические характеристики  которого представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Наименование параметров

Значение

Давление, МПа:

номинальное

максимальное

16

20

Диаметр цилиндра, мм

40

Диаметр штока, мм

28

Ход поршня, мм

800

Усилие на штоке, кгс:

тянущее

толкающее

1008

2000

Масса, кг

9.6

Габаритные размеры, мм(ширина×высота×длина)

60×90×1139

Рассчитаем площадь поршня в поршневой и штоковой полостях:

(м)

(м)

Рассчитаем нагрузку на шток гидроцилиндра:

Определим давление Р в гидросистеме при нагрузке на шток равной Gпр:

(Па)

3. Математическое описание системы управления мехатронного модуля движения подъемного механизма

Рассмотрим динамический расчет следящего электрогидропривода поступательного действия, гидравлическая схема которого приведена на рис. 3.1. Исходными данными для расчета  являются требуемые перемещение штока гидроцилиндра , скорость перемещения  или время перемещения , а также заданная погрешность позиционирования  .

При расчете будем считать, что в насосной станции поддерживается постоянное давление питания =159 МПа, давление на сливе равно . Верхний предел давления ограничивается работой предохранительного клапана ПК. Реверс работы исполнительного гидродвигателя ГЦ осуществляется за счет трехпозиционного электрогидрораспределителя  ЭГР. При использовании электрогидрораспределителей время их переключения из нейтрального положения в одно из рабочих, приведенное в паспорте, распределяется примерно в следующем соотношении: (80 – 85) % уходит на процесс нарастания тока и тягового усилия в электромагнитной системе, а остальное время – на движение золотника. Поэтому при анализе динамических характеристик привода можно рассчитывать процесс нарастания усилия в электромеханическом преобразователе (ЭМП) ЭГР, считая при этом, что само смещение золотника осуществляется мгновенно. В этом случае значение площади проходного сечения ЭГР принимает только два значения:  и  .

Процесс нарастания тягового усилия в ЭМП можно описать следующим уравнением:

,  (3.1)

где   – тяговое усилие на одном из двух электромагнитов ЭМ1 или ЭМ2;  – напряжение питания электромагнитов, определяемое в общем случае как  ( () – сигнал рассогласования,  – передаточная функция регулятора);  – коэффициент усиления (преобразования) ЭМП, который можно определить из технической характеристики на  ЭГР  как

,    (3.2)

– номинальное тяговое усилие электромагнита (из технической характеристики).

Постоянную времени  можно определить, исходя из общего решения дифференциального уравнения (3.1):

,

где  – время срабатывания (переключения) ЭГР (из технической характеристики), и соотношения (3.2). Тогда получим:

.    (3.3)

Следует также учитывать, что время срабатывания электромагнитов постоянного тока, как правило, почти на порядок больше времени срабатывания электромагнитов, работающих на переменном токе. Для снижения  постоянной времени  можно после регулятора установить реальное форсирующее звено с передаточной функцией вида

,

где  –  желаемая постоянная времени ЭМП.

Учитывая, что в трехпозиционном ЭГР два электромагнита (ЭМ1 и ЭМ2), следует определять суммарное усилие   от действия двух ЭМП:

.

При этом следует учитывать, что при положительном сигнале рассогласования должен сработать электромагнит ЭМ1, а при отрицательном – электромагнит ЭМ2. В последнем случае напряжение питания ЭМП и расчетное  усилие  принимают также отрицательные значения.

Величины давлений на условных входах в ЭГР определятся следующим образом:

  

Как известно, потери давления  складываются из потерь при ламинарном режиме течения жидкости , зависящих от протяженности гладких гидролиний, и турбулентном режиме , наблюдаемом при течении жидкости через различные сопротивления. Учитывая, что расход в любом сечении один и тот же, можно записать:

.

Исходя из последних выражений, можно записать:

 

Решая последнее уравнение относительно расхода Q, получим:

.    (3.4)

На основании выражения (3.4) получим систему уравнений, определяющих расходы  и  поршневой и штоковой магистралей ГЦ:

    (3.5)

где  – функция положения золотника ЭГР, определяемая как

– суммарные потери давления в магистрали, определяемые как

,

– давление нагрузки в поршневой или штоковой полостях ГЦ.

В выражениях (3.5) значения   можно оценить из уравнения Пуазейля:

,

в котором  – протяженность гидролинии, и ж – кинематическая вязкость и плотность рабочей жидкости,  – внутренний диаметр гидролинии.

Величина , включающая в себя все турбулентные сопротивления, в том числе и дроссели для регулирования скорости потока, определяет скорость движения выходного звена или рабочего органа. Ее значение определяется на основании  требований к скорости и быстродействию привода.

Исходя из условия неразрывности потока жидкости, записываются уравнения для двух полостей ГЦ:

(3.6)

где  и  – площади поршневой и штоковой полостей ГЦ:

; ,

– диаметр поршня,  – диаметр штока;

– коэффициент утечек и перетечек, определяемый ориентировочно из условия, что расход на утечки   не должен превышать 5 % расхода, идущего на перемещение штока, определяемого исходя из требования к быстродействию привода:

,

– заданная или требуемая скорость перемещения штока ГЦ,  – сумма приложенных к выходному звену привода активных сил;

bсi  – эквивалентная жесткость гидролинии, определяемая как:

,

V0  – неизменяемый объем жидкости в гидролинии; х – перемещение штока ГЦ; Епр  – приведенный модуль упругости жидкости, трубопровода и цилиндра:

,

Еж , Етр , Ец  – модули упругости жидкости, стенок трубопровода и цилиндра соответственно; dтр , dц  – толщины стенок трубопровода и  цилиндра  соответственно; тр , ц  – толщины стенок трубопровода и цилиндра соответственно.

Далее из уравнения (3.6) определяются давления нагрузки  в обеих полостях ГЦ:

 

Величина перемещения штока ГЦ определятся из уравнений движения поршня:

где kтр  – коэффициент вязкого трения; Fтр  – сухое трение поршня и штока; – удельная сила трения; dп , dш – диаметры поршня и штока; hп , hш  – ширина уплотнения на поршне и штоке;

– сумма активных сил, включающая силы тяжести, статические силы сопротивления, различные пружинные (жесткостные) нагрузки.

Тормозные клапаны ТК позволяют добиться приемлемых динамических характеристик. Моменты срабатывания тормозных электромагнитов ЭМ3 и ЭМ4 определяются динамическими параметрами привода и определяется условиями:

 

где  – напряжение питания электромагнитов ЭМ3 и ЭМ4;  – расстояние, на котором происходит срабатывание тормозных клапанов.

 При срабатывании ТК жидкость течет через дополнительные гидродроссели ГД. В этом случае в уравнении (3.5) следует заменить значения турбулентных сопротивлений .

На основе математической модели составим функциональную схему системы управления модулем, рисунок 3.2.

Структурная схема проектируемой мехатронной системы изображена на рисунке 3.3.


Рисунок 3.2  Функциональная схема системы управления мехатронного модуля движения подъемного механизма

Рисунок 3.3 Структурная схема системы управления мехатронного модуля движения подъемного механизма


4. Результаты моделирования

 

Полученная математическая модель была реализована с помощью языка программирования Turbo Pascal 7.1, листинг которой представлен в приложении 1. Результаты моделирования представлены в виде зависимостей параметров системы от времени. На рисунке 4.1 изображены графики зависимостей скорости выдвижения штока V и длины звена L.

На рисунке 4.2 показаны зависимости давлений в поршневой и штоковой полости, на рисунке 4.3 – зависимости углового перемещения φ .

Графики зависимостей скорости выдвижения штока V и длины звена L

Рисунок 4.1

Графики зависимости давления в штоковой и поршневой полости P1 и P2(Па)

Рисунок 4.2

График изменения угла φ во времени

Рисунок 4.3

5. Анализ погрешностей позиционирования

Определим характер погрешности поворота привода.

Используя обратную задачу кинематики имеем:

Рассчитаем погрешности позиционирования:

Предварительно принимаем:

ì

Следовательно, из полученной зависимости можно сделать вывод, что с ростом угла, погрешность поворота привода увеличивается.

Рассчитаем нагрузку на шток в зависимости от угла j:

Расчёт скорости стрелы:

Рисунок 5.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11019. Цели, преследуемые при создании сетей 21 KB
  Цели преследуемые при создании сетей. При создании сетей в общем преследуется одна цель передача данных но в каждом конкретном случае преследуется какаялибо практическая цель. Совместное использование оборудования чаще всего принтеров и накопителей.
11020. Сети на основе оптоволоконных кабелей 86 KB
  Сети на основе оптоволоконных кабелей Стандарт: 10/100/1000 Base FX FX − Fiber Optic − оптоволокно В отличие от витой пары по оптоволокну передаются не электрические а оптические импульсы. Поэтому подключить оптоволокно к электронным устройствам нельзя необходимо преобразов...
11021. Основные подсистемы, работающие в сетях 28 KB
  Основные подсистемы работающие в сетях. В любой сети есть несколько подсистем жизненно необходимых для работы сети. Система адресации. Чтобы узлы сети могли общаться друг с другом каждому узлу необходим уникальный адрес адрес может бы уникален тольк...
11022. Беспроводные технологии 353.5 KB
  Беспроводные технологии Для передачи данных по воздуху используются радиосигналы. У любого сигнала есть 2 характеристики: Излучаемая мощность Частота От излучаемой мощности зависит дальность связи. Любые радиоизлучения вредны для здоровья и окружаю...
11023. Основные термины и понятия Сетей и Телекоммуникаций 40 KB
  Основные термины и понятия Сетей и Телекоммуникаций. Пакет данных frame. В большинстве сетей используется принцип разделяемой среды передачи передавать в каждый момент времени может только один узел. Таким образом если передавать файл монолитным блоко...
11024. Использование хабов и свитчей 74 KB
  Использование хабов и свитчей Хабыконцентраторы устройства физического уровня Свитч коммутатор устройство канального уровня. И те и другие используются для построения топологии Звезда в сетях на витой паре и оптоволокне. Хабы: Хаб не способен каклибо о...
11025. Сетевые топологии 90.5 KB
  Сетевые топологии Топология схема соединения узлов сети. Существуют 3 простейшие топологии на базе которых строится множество смешанных. В каждом сегменте сети в данный момент может существовать только одна топология. Общая шина все узлы подключаются
11026. Сетевые платы 25 KB
  Сетевые платы Сетевая плата устройство канального уровня. Каждая плата соединяет компьютер с отдельной сетью или с различными сегментами одной сети. По стандарту Ethernet в компьютер можно поставить до 4 сетевых плат включая встроенные. Сетевая плата может быть и дескрет
11027. Модели построения компьютерных сетей 90 KB
  Модели построения компьютерных сетей. Открытыми называются системы построенные из компонентов различных производителей по принципу конструктора. В таких системах стандартизируются правила взаимодействия блоков и соединения между ними. Конкретное устройство отд...