Балаковский институт техники, технологии и управления

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Курсовой проект

по дисциплине

Локальные системы управления

на тему

САУ подачи чернил в струйном принтере

Выполнил ст. гр. УИТ-51

Змовик В.В.

Принял

Скоробогатова Т. Н. __________

«____» _____________2005г.

2005

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Задачи по управлению тем или иным явлением или процессом, возникающие в повседневной практической деятельности человека обширны и многообразны.

Управление можно определить как совокупность действий, обеспечивающих проведение любого процесса в целях достижения определенных результатов.

Все процессы в управлении носят общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления. Элементы АСУ связаны друг с другом посредством передаваемых сигналов. Состояние объекта в каждый момент времени характеризуется его выходными параметрами. Управлять объектом – значит управлять его выходными параметрами. Характер преобразования сигналов в объекте и сами эти сигналы предопределены назначением объекта в технологическом процессе и не могут быть изменены. Это следует учитывать при проектировании АСУ, хотя для рассмотрения ее свойств и качества природа сигналов не принципиальна.

Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

3

УИТС.421243.010 ПЗ

Целью данной курсовой работы является проектирование САУ подачи чернил в струйном принтере.

Струйные принтеры на сегодняшний день являются одними из самых используемых по сравнению с матричными и лазерными. Их выбирают из-за относительно высокой скорости печатания и дешевизны. Одним из их недостатков является дорогая заправка принтеров чернилами. Стоимость чернил в несколько раз выше, чем стоимость тонера. Поэтому очень важно экономить чернила и не расходовать их напрасно. Автоматизируя подачу чернил и регулируя ее с помощью ЭВМ, мы может снизить их расход, т.е. увеличить время работы принтера до следующей заправки.

Таким образом, требуется спроектировать САУ подачи чернил в струйный принтер, которая будет регулировать расход чернил.

4

УИТС.421243.010 ПЗ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Спроектировать САУ подачи чернил в струйный принтер со следующими параметрами:

Измерение расхода Q=10^-6мл/сек

Перерегулирование σ < 20 %

Время регулирования t_p = 0.04 c

Запас по усилению ∆L > 20 дБ

Запас по фазе ψ > 30^o

Рисунок 1 - Структурная схема САУ

МП – микропроцессор;

ВГ – высокочастотный генератор;

ПА – пьезоактиватор;

У – усилитель;

ИМ – исполнительный механизм (отклоняющие пластины);

ДР – датчик расхода.

5

УИТС.421243.010 ПЗ

Рассмотрим структурную схему САУ на рисунке 1, она представляет собой систему с одним замкнутым контуром и служит для определения расхода чернил. Датчик расхода регулирует расход чернил и включен в обратную связь, составляя замкнутый контур. Задающий сигнал для регулирования расхода поступает с микроЭВМ. Это значение поступает на высокочастотный генератор ВГ, который вырабатывает переменное электрическое напряжение с заданной частотой, воздействующее на пьезоактиватор, механические колебания в котором возникают за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Эффект заключается в том, что некоторые кристаллические материалы при наложении электрического поля быстро и сильно поляризуются и поэтому изменяют свои размеры. При снятии электрического поля эти вещества (пьезоэлектрики) возвращаются к своему первоначальному состоянию. За счет механических колебаний чернила, дробящиеся на капли, как бы «выплевываются» из чернильницы с заданной частотой, образуя расход чернил Q_общ.

Сигнал с ЭВМ поступает также через усилитель на исполнительный механизм (отклоняющие пластины), которые выборочно отклоняют предварительно заряженные капли чернил в чернильницу на обратную рециркуляцию. Таким образом, на бумагу попадают только неотклоненные капли (10-20% для текста), печатая строку текста, остальные капли (которых большинство) попадают на рециркуляцию. Это и есть режим экономии чернил. В обратную связь включен датчик расхода, который измеряет реальный расход чернил:

.

Расход выводится с помощью специальной программы на экран пользователя, который решает, включить режим экономии чернил или нет.

6

УИТС.421243.010 ПЗ

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ВЫБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В данном устройстве имеется некоторая особенность в определении элементной базы. Все элементы струйного принтера, кроме микроЭВМ, не являются унифицированными, т.е. элементы разрабатываются для конкретной модели с учетом необходимых передаточных функций, массогабаритов, надежности и т.д. Таким образом передаточные функции элементов не рассчитываем, а выбираем необходимые, под которые уже создается элементная база.

2.1 Микропроцессор (ЭВМ)

В данной системе управление осуществляется с помощью программного обеспечения принтера (драйверов), которые обрабатываются микропроцессором. Поэтому микроЭВМ - один из важнейших элементов системы подачи чернил в принтере. Для корректной работы системы не требуется высокопроизводительной ЭВМ. Она должна быть такая, чтобы ее ресурсов хватило для запуска приложения, из которого осуществляется печать, т.е. корректную работу может обеспечивать даже системы, основанные на микропроцессорах первых поколений (Intel 8086 и т.д.).

Приведем оптимальный диапазон конфигураций микроЭВМ, исходя из современных элементов:

Микропроцессор:

Intel Pentium III-IV HT

Тактовая частота, МГц 1000-3000

Быстродействие, млн.операции в сек. 100-500

Напряжение питания, В 2.7

Ток питания, мА 10

7

УИТС.421243.010 ПЗ

Также для обеспечения правильной работы системы необходима версия драйверов для принтера, которые отвечают за распределение чернил в соответствии с печатаемым документом и правильное сопряжение принтера с микропроцессором.

Передаточная функция микропроцессора

Wмп =1 (1)

2.2 Усилитель

Напряжение, поступающее с МП равно 1,5В, а для работы отклоняющих пластин необходимо 12В. Т.е. в систему включаем усилительное звено с коэффициентом усиления 8.

Передаточная функция усилителя

Wу =8 (2)

2.3 Отклоняющие пластины (дефлектор)

Отклоняющие пластины являются исполнительным механизмом. Они представляют собой 2 электрода, между которыми создается электрическое поле, отклоняющее заряженные частицы в заданном направлении. Такой способ печати называется непрерывной струйной печатью и позволяет достигать высоких скоростей печати. Например, в машине Vantage фирмы Scitex максимальная скорость печати составляет 230 стр/мин.

Отклоняющие пластины реализуют функцию апериодического звена.

Выбираем передаточную функцию дефлектора

(3)

8

УИТС.421243.010 ПЗ

2.4 Высокочастотный генератор

Служит для наведения обратного пьезоэлектрического эффекта в пьезоактиваторе с помощью генерации колебаний напряжения высоких частот.

Генератор реализует функцию пропорционального звена, коэффициент пропорциональности которой зависит от питающего напряжения и частоты генерации.

Выбираем передаточную функцию генератора

W_г(р)=0.0001 (4)

2.5 Пьезоактиватор

Служит для создания непрерывных механических колебаний, за счет которых чернила дробятся на отдельные капли и выбрасываются с высокой скоростью из сопла печатающей головки. В пьезоактиваторе используется пьезокерамика, обладающая высокой прочностью и стабильностью пьезоэлектрических свойств, состоящая из титаната бария.

Пьезоактиватор подобен электрическому конденсатору. Механическая сила появляется под воздействием напряжения U, определяемого как U= q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность активатора определяется как приращение входного напряжения, соответствующего изменению силы F. При параллель­ном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствитель­ность в этом случае:

, (5)

где п — количество пластин;

К_о — пьезоэлектрический модуль мате­риала пластины, Кл/Н;

С_вх — емкость измерительной цепи, Ф;

9

УИТС.421243.010 ПЗ

С_о — емкость одной пластины, Ф.

В данном случае примем n=1, и пренебрежем значением емкости измерительной цепи.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить как емкость плоскопараллельного конденсатора:

, (6)

где ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε₀ = 8.85*10^-12 Ф/м;

ε - диэлектрическая проницаемость пьезоматериала;

s – площадь пластины, м²;

d – расстояние между пластинами,м.

Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ = 10^-12 Ф).

Выходной сигнал пьезодатчика

F= U/S_a, (7) где F-создаваемая сила, но

F=m*a, (8)

где m – инерционная масса активатора, кг;

a – виброускорение, создаваемое активатором, причем

а = N*g, (9) g = 9.8 м/с² – ускорение свободного падения;

N – коэффициент пропорциональности.

Решая совместно уравнения (6) – (9) получим:

, (10) То есть получили зависимость геометрических параметров пьезоактиватора от напряжения.

Выбираем передаточную функцию пьезоактиватора. Он реализует функцию инерционного звена.

10

УИТС.421243.010 ПЗ

Передаточная функция

(11)

2.6 Датчик расхода

Датчик расхода в данной системе подбирается по передаточной функции. Это очень чувствительный элемент. Рассчитаем необходимую чувствительность датчика.

В среднем, одной заправки 10 мл чернил хватает на 500 листов текстовой информации а на один лист А4 приходится примерно 2500 печатных знаков 14 шрифтом Times New Roman, то можно подсчитать расход чернил на 1 символ.

Q₁=мл (12)

Таким образом, датчик должен обеспечивать такую высокую точность измерений.

Датчик реализует функцию пропорционального звена.

Выберем для нашей системы передаточную функцию вида

Wdr=0.07 (13)

11

УИТС.421243.010 ПЗ

3 ДЕЛЕНИЕ ЛСУ НА ИЗМЕНЯЕМУЮ И НЕИЗМЕНЯЕМУЮ ЧАСТИ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ

К неизменяемой части относят все элементы регулятора с передаточной функцией отличной от единицы. Следовательно, к ним можно отнести все элементы кроме микропроцессора.

Определим передаточную функцию системы, передаточная функция главной цепи будет:

. (14)

(15)

Передаточная функция разомкнутой системы будет:

. (16)

(17)

Передаточная функция замкнутой системы:

. (18)

12

УИТС.421243.010 ПЗ

По выражению (16) построим АФЧХ разомкнутой системы, изображенную на рисунке 2:

Рисунок 2 – АФЧХ разомкнутой системы

Согласно критерию Найквиста, замкнутая автоматическая система регулирования будет устойчивой, если АФХ разомкнутой системы не охватывает точку с координатами -1,j0 ,таким образом, имеем устойчивую систему с неограниченно большими запасами по амплитуде и фазе.

13

УИТС.421243.010 ПЗ

Переходный процесс в замкнутой системе изображен на рисунке 3. Из него видно, что переходный процесс длится более 16 секунд, лишь потом становится устойчивым. Такой отпечаток накладывает инерционное звено.

Рисунок 3 – переходный процесс замкнутой системы

АЧХ системы выглядит следующим образом:

Рисунок 4 – переходный процесс разомкнутой системы

Запасы устойчивости определим по АЧХ системы:

запас по амплитуде 119 дБ

14

з

УИТС.421243.010 ПЗ

апас по фазе 93,7 градусов

4 ПОСТРОЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ

АНАЛИЗ

4.1 Построение ЛАЧX

Разомкнутая система образована апериодическим, пропорциональным и колебательным звеньями:

(19)

ω₁=1/T₁= 0,5882рад/c,

ω₁=1/T₁=3.02*10³ рад/c.

По выражению (16) построим ЛАЧХ и ЛФЧХ – рисунок 5, разомкнутой системы:

Рисунок 5 – ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы

15

УИТС.421243.010 ПЗ

4.2 Построение ЖЛАЧХ

Проведем построение ЖЛАЧХ методом запретной зоны желаемой

называют асимптотическую ЛАЧХ разомкнутой системы, имеющей желаемые (требуемые) статические и динамические свойства. ЖЛАЧХ состоит из трех основных асимптот: низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной. Среднечастотная асимптота ЛАЧХ разомкнутой системы и ее сопряжение с низкочастотной определяют динамические свойства системы – устойчивость и показатели качества переходной характеристики.

Перейдем к дискретной системе с периодом дискретизации T=0.0005 c

(20)

ЛАЧХ дискретной модели строится в зависимости от псевдочастоты λ, при этом сначала проводится ω-преобразование заменяя z=(1+ω)/(1-ω), а затем осуществляется переход от W(ω) к частотному выражению передаточной функции через псевдочастоту λ путем замены ω=0.5Tλj.

Рисунок 6 – ЖЛАЧХ, построенная методом запретной зоны

16

УИТС.421243.010 ПЗ

(21)

Зададим скорость g’= 12 и ускорение обработки g’’=53 информации, а также показатель колебательности M=1.2, max ошибка регулирования =0,2 (Amax=0.65)

Определяем рабочую точку:

=g’’/g’=53/12=4.44 рад/с – псевдочастота (22)

A= Amax/=0.65/0.2=3.25

Дб

тогда координаты рабочей точки (4.44 рад/с, 10.2 дБ)

Амплитуда на сопрягающих частотах

L1= (23)

L2= (24)

17

В

УИТС.421243.010 ПЗ

ид запретной зоны показан на рис. 7:

Рисунок 7 –Вид запретной зоны

18

И

Рисунок 8 – ЖЛАЧХ, построенная методом запретной зоны

УИТС.421243.010 ПЗ

сходную ЛАЧХ и ЖЛАЧХ разомкнутой системы, построенную методом запретной зоны изобразим на рисунке 8.

Передаточная функция замкнутой системы, скорректированной методом запретной зоны, будет иметь вид:

. (25)

Тогда переходный процесс в замкнутой системе скорректированной методом запретной зоны изобразим на рисунке 9:

Рисунок 9 – Переходный процесс в замкнутой системе, скорректированной методом запретной зоны

Прямые оценки качества переходной характеристики:

1. Время регулирования t_p=1,34 c;

2. Перерегулирование σ=0 %.

19

УИТС.421243.010 ПЗ

Данные показатели качества удовлетворяют заданным требованиям, несоответствие показателей качества с их расчетными значениями объясняются значительным отличием вида вещественной частотной характеристики скорректированной системы от типовой.

5 СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ЗВЕНА

5.1 Синтез непрерывных корректирующих звеньев

Существует несколько способов включения корректирующего звена. Определим желаемую передаточную функцию для каждого из включений и выберем лучшую

Определим желаемую передаточную функцию последовательного корректирующего устройства:

(26)

Упрощенное выражение:

(27)

Определим желаемую передаточную функцию встречно – параллельного непрерывного корректирующего устройства:

(28)

Определим желаемую передаточную функцию параллельного непрерывного корректирующего устройства:

(29)

Так как реализация корректирующего устройства должна быть по возможности более простой, то анализируя формулы (27), (28), (29).

20

УИТС.421243.010 ПЗ

Построим ЛАХЧ последовательного корректирующего устройства:

Рисунок 10 – ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства

Полученное корректирующее устройство может быть реализовано в виде усилителя с неким коэффициентом усиления.

C₁

Рисунок 11 – Схема последовательного корректирующего устройства

Передаточная функция дифференцирующего четырехполюсника:

, (30)

21

П

УИТС.421243.010 ПЗ

ередаточная функция первого дифференцирующего четырехполюсника:

, (31)

где K_K1=R₂/(R₁+R₂)=0,4255;

T₁=R₁*C₁= 0,0392;

T₂=K_K1*T₁=0,0921.

При этом усилитель должен иметь коэффициент усиления:

К_у=1249/0.0921= 13565 (32)

5.2 Синтез программного корректирующего звена

Перейдем от непрерывной модели объекта к дискретной, для этого воспользуемся в программе MATLAB функцией преобразования непрерывной модели системы в дискретную (с2d) [7].

Ts=0.001;Wdis=c2d(Wp,0.001) , получим передаточную функцию разомкнутой дискретной системы:

(33)

Умножая числитель и знаменатель выражения на z^-1, получим

(34)

Для выражения (34) запишем разностное уравнение в реальном масштабе времени, введя в числитель дополнительный сдвиг на z-1.

;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 1249;

B1 EQU 1;

22

X

УИТС.421243.010 ПЗ

l DB 0

;выделение памяти под переменные x(k-l), x(k-2), x(k-3)

yl DB 0

; выделение памяти под переменные y(k-l), y(k-2)

; вычисляем значение выражения

y(k)=Al*х1+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, yl; вычисление

mul al, Bl; слагаемого Bl*yl

add bl, al; прибавление к предыдущему результату

mov yl, bl

mov xl, x;

out o_port, bl; вывод управляющего сигнала из bl

jmp start; зацикливание на начало программы

5.3 Выбор корректирующего устройства

23

М

УИТС.421243.010 ПЗ

ощным методом коррекции стало применение программных корректирующих устройств на МП, применение которых позволяет варьировать параметры в широких пределах и быстро их изменять без изменения технического исполнения системы (это также важно при коррекции старения элементов системы программным способом, тогда как замена аналоговых устройств в данном случае не рациональна). Еще одним достоинством данного способа является точное выполнение зависимостей корректирующего устройства, тогда как для аналоговых корректирующих устройств трудно добиться точности, так как трудно точно подобрать номинал элементов в соответствии с расчетным.

Сравнивая эквивалентное время задержки на корректирующих устройствах (суммируя время задержки на аналоговых элементах включенных последовательно и выбирая большее из времен параллельно включенных) с временем необходимым на программную коррекцию (число тактов необходимых на реализацию операции умножения сигнала рассогласования на коэффициент ошибки) приходим к выводу, что программная коррекция более эффективна.

Поскольку в системе уже есть встроенный МП, то применение аналогового корректирующего устройства экономически нецелесообразно, так как добавляются новые элементы.

В виду всего вышеперечисленного выбираем программную коррекцию.