САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ
ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО – СТРОИТЕЛЬНЫЙ
КАФЕДРА «УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине:
Локальные системы управления
РАЗРАБОТКА ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЛНОВЫМ НАСОСОМ ДЛЯ АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ
Выполнил ст. гр. УИТ-52
Зубков А.С._____________
Допущен к защите Защитил с оценкой
Руководитель проекта ________________________
Скоробогатова Т.Н.________ Скоробогатова Т.Н.________
«____» ____________ 2011г. «____» ____________ 2011г.
Балаково 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1 Техническое задание 6
1.1 Цель курсовой работы 6
1.2 Технические характеристики системы регулирования 6
1.3 Функциональная схема 6
2 Выбор и обоснование выбора элементной базы локальной системы управления 9
2.1 Выбор микропроцессора 9
2.2 Выбор ЦАП 11
2.3 Волновой насос 12
2.4 Усилитель напряжения 17
2.5 Датчик расхода 19
3 Расчет датчика обратной связи 21
4 Расчёт устойчивости системы 23
4.1 Расчёт устойчивости непрерывной системы 23
4.2 Построение переходного процесса 24
4.3 Определение АЧХ 25
4.4 Расчёт устойчивости дискретной системы 26
5 Построение характеристик дискретной системы и их анализ 29
5.1 Построение переходного процесса дискретной системы 29
5.2 Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ дискретной системы 30
6 Построение желаемой ЛАЧХ и ЛФЧХ дискретной системы, ЛАЧХ
корректирующего устройства 33
6.1 Построение желаемой ЛАЧХ и ЛФЧХ дискретной системы 33
6.2 Построение ЛАЧХ корректирующего устройства 36
7 Синтез корректирующего устройства 38
7.1 Синтез последовательного корректирующего устройства 38
7.2 Построение переходного процесса скорректированной системы 40
7.3 Синтез программного корректирующего устройства 41
7.4 Выбор корректирующего устройства 44
Заключение 46
Список используемой литературы 47
ВВЕДЕНИЕ
Аппарат «искусственное сердце» - аппарат, обеспечивающий оптимальный уровень кровообращения и обменных процессов в организме больного или в изолированном органе донора; предназначен для временного выполнения функций сердца и лёгких. На основании предшествующих многочисленных работ первый аппарат для искусственого кровообращения теплокровного организма, так называемый автожектор, был создан в 1925 советским учёным С. С. Брюхоненко при помощи этого аппарата советский учёный Н. Н. Теребинский в 1930 экспериментально доказал возможность успешной операции на клапанах сердца. В 1951 итальянские хирурги А. Дольотти и А. Костантини выполнили операцию удаления опухоли средостения, используя АИК. В СССР первую операцию на «сухом» сердце с помощью АИК осуществил в 1957 А. А. Вишневский. АИК включает комплекс взаимосвязанных систем и блоков: «искусственное сердце» — аппарат, состоящий из насоса, привода, передачи и нагнетающий кровь с необходимой для жизнеобеспечения объёмной скоростью кровотока.
В 1986 г. специалистами НИИТиИО было выполнено 17 трансплантаций искусственного сердца "Поиск-10М. Но искусственное сердце с внешним приводом имеет серьезные отрицательные стороны и в настоящее время лишь одна фирма в мире выпускает его. В результате искусственное сердце было вытеснено менее травматичной системой - искусственным левым желудочком (обход левого желудочка). С технической точки зрения сердце представляет собой совокупность сердечных мышц, клапанов и гидропульсаторов. По имеющимся данным основной причиной не долговечности аппаратов «Искусственное сердце» (АИС) и соответственно срока жизни пациента является механическое взаимодействие узлов трения АИС и с плазмой крови. Механические узлы АИС постепенно разрушают плазму крови без возможности её циркуляционной ремиссии. Разработки в области упруго-оболочечных магнитно-жидкостных сенсоров позволяет поставить задачу создания принципиально новых элементов АИС. Возможность получения магнитной жидкости с различными физическими свойствами обуславливает её применение в различных технических устройствах и в медицине. Намагниченная во внешнем магнитном поле она эквивалентна по своим свойствам магнитно-мягким материалам, применяемым в качестве элементов устройств. Магнитные жидкости используются в качестве чувствительного элемента приборов.
Волновой насос (ВН) с магнитожидкостным сенсором (МЖС) представляет собой электрогидравлический элемент для перекачки жидкостей. МЖС будет выполнять функцию поршня волнового насоса, который способен перекачивать жидкость. Отличительной особенностью такого насоса является то, что в нем трение скольжения между гребнем и патрубком отсутствует. Здесь присутствует трение качения. Это свойство волнового насоса является определяющим в медицине при создании аппарата искусственное сердце, где трение скольжения является основной причиной разрушения формообразующих элементов крови – лейкоцитов.
В данной курсовой работе производится синтез системы автоматического управления волновым насосом для аппарата «Искусственное сердце».
1 Техническое задание
1.1 Цель курсовой работы
Целью данной курсовой работы является разработка ЛСУ волновым насосом (ВН) с магнитожидкостным сенсором (МЖС), представляющий собой электрогидравлический элемент для перекачки жидкостей. Данный элемент, должен нагнетать кровь с необходимой для жизнеобеспечения объёмной скоростью кровотока. Таким образом, нам необходимо управлять расходом перекачиваемой жидкости. 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
Параметры регулируемой системы:
тип системы цифровая;
емкость проточной части насоса, мл 100;
максимальная производительность насоса, мл/c 100;
рабочий диапазон температур, 0С +36… +41.
Показатели качества регулирования:
максимальная ошибка регулирования, % 1;
время регулирование, с не более 2;
перерегулирование, % <30;
колебательность <3.
1.3 Функциональная схема
Работа САУ волновым насосом, основана на управлении пятью секциями электромагнитных обмоток (ЭМ), и двумя клапанами, на которые подаются управляющие напряжения U1 – U7. МЖС 3 представляет собой упругую оболочку из каучука, которая заполнена магнитной жидкостью. При подаче управляющего напряжения на одну из секций (например, на первую U1) у МЖС образуется гребень. Подавая последовательно управляющие напряжения на секции обмоток гребень будет перемещаться. Если патрубок заполнить жидкостью, то гребень 1 МЖС будет выполнять функцию поршня волнового насоса, который способен перекачивать жидкость. Функциональная схема САУ представлена на рисунке 1.
З – задатчик; ВУ – вычислительное устройство; У(1-7) – усилитель;
ЦАП – цифро-аналоговый преобрагователь; К – коммутатор; КЛ(1-2) – клапан; ЭМ(1-5) – электромагнитные обмотки; ВН – волновой насос; ДР – датчик расхода, АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Рисунок 1 - Функциональная схема ЛСУ волновым насосом
Задатчик, который входит в состав ЭВМ, представляет собой программу, вычисляющую по определенному алгоритму цифровой код для задающего значения, соответствующий коду сигнала с датчика, поступающему с АЦП. Код с задатчика Iз поступает на сравнивающее устройство ВУ (часть ЭВМ), которое формирует результат сравнения заданного расхода и текущего. Результат сравнения ΔI является управляющим воздействием для исполнительных устройств, которое проходит через коммутатор, усиливается усилителем У(1-7) и попадает на одну из обмоток ЭМ(1-5) или клапан КЛ(1-2).
В данной системе мы можем регулировать расход двумя способами. Во-первых, изменяя частоту переключения обмоток и клапанов, тем самым увеличивая частоту пульса. Во-вторых, мы можем изменять силу магнитного поля катушки, тем самым изменяя величину гребня МЖС. Чем больше гребень, тем больший объем он будет выталкивать из проточной части насоса, в результате мы будем управлять ударным объемом насоса при постоянной частоте пульса. Остановимся на втором варианте.
Волновой насос является многомерным объектом, поскольку управляется с помощью семи управляющих воздействий с электромагнитных обмоток и клапанов. Так как в данной САУ осуществляется управление многомерным объектом, система является многомерной в таком случае ее можно разделить на несколько контуров управления.
В данной курсовой работе рассмотрим контур управления одной электромагнитной обмоткой. Таким образом, получим функциональную схему, представленную на рисунке 2.
Рисунок 2 - Функциональная схема ЛСУ электромагнитной обмоткой волнового насоса
2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ