Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Курсовые работы / мышеловки.DOC
Скачиваний:
14
Добавлен:
23.02.2014
Размер:
903.17 Кб
Скачать

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Техническое задание 4

2 Выбор элементной базы локальной системы управления 6

2.1 Выбор датчика движения 6

2.2 Выбор двигателя 10

2.3 Выбор редуктора 11

2.4 Выбор усилителя 14

2.5 Выбор датчика угла поворота 15

2.6 Выбор реле 20

3 Расчет датчика обратной связи 23

4 Расчет устойчивости системы 25

5 Построение ЛАЧХ системы и ее анализ 28

6 Построение ЖЛАЧХ системы 31

7 Построение ЛАЧХ корректирующего устройства.

Расчет корректирующего устройства 34

Заключение 40

Список литературы 41

Приложение А 42

ВВЕДЕНИЕ

Самым популярным и распространенным методом борьбы с грызунами остаются различные мышеловки. Все они либо уничтожают мышей сразу, либо оставляют в живых, однако не дают мышам возможности вновь обрести свободу. К положительным сторонам следует отнести то, что результаты применения мышеловок в отличие от химических и бактериологических средств выявляются сразу же. Однако, несмотря на простоту применения, до недавних пор мышеловки не могли оказать решающего влияния на исход борьбы с грызунами, что не в последнюю очередь было связано с недостатками конструкции и достаточной сообразительностью животных.

Автоматическая мышеловка имеет более сложную конструкцию по сравнению со своими аналогами, но она обладает высоким быстродействием и эффективностью.

Целью курсового проекта является разработка автоматической системы управления мышеловкой.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать систему автоматического управления мышеловкой (САУМ).

Технические характеристики системы:

Напряжение питания, В 12

Быстродействие системы, сек 0,5

Перерегулирование, % не более 20

Диапазон изменения температуры окружающей среды, С -10…+40

Габариты, мм 200200300

1.1 Принцип действия и функциональная схема САУМ

Д- датчик движения; У – усилитель; ЭД – электродвигатель; Р – редуктор; ОУ – объект управления; Д- датчик угла поворота

Рисунок 1 - Функциональная схема системы автоматического управления мышеловкой

В соответствии с рисунком 1 локальная система управления работает следующим образом. При прохождении животного через входное отверстие клетки срабатывает датчик движения, сигнал с которого усиливает операционный усилитель, в результате сигнал подается на реле, которое замыкается, и двигатель приводится в действие. Для того чтобы избежать повторного срабатывания датчика движения при перемещении животного внутри клетки, заслонка выполнена в виде двойного диска, который при повороте перекрывает область работы датчика.

В данной системе роль объекта управления (ОУ) выполняет заслонка, которая представляет собой диск со входным отверстием как у клетки, закрепленный на валу редуктора. При работе двигателя его вал вращается и через редуктор перемещает заслонку на угол поворота равный 180, тем самым входное отверстие перекрывается, и животное не выйдет их клетки. Для того чтобы двигатель не провернул заслонку на больший угол поворота, в системе присутствует датчик угла поворота, сигнал с него поступает на реле, которое размыкается и двигатель останавливается.

2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор датчика движения

В качестве датчика движения был выбран фоторезистор, так как он, обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Также фоторезисторы имеют высокую чувствительность к излучению в самом широком диапазоне - от инфракрасной до рентгеновской области спектра, причем сопротивление их может меняться на несколько порядков. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на различные номиналы сопротивлений.

Фоторезистор ФСА-1 (сернисто-свинцовый) для инфракрасной части спектра выпуска­ют в пластмассовом корпусе и для защиты от пыли покрывают поливинилацетатным лаком. Основное назначение — работа в цепях постоянного тока, перемен­ного и импульсного тока в аппаратуре фотоэлектронной автоматики, телемеханики и радиоэлектронике.

Рисунок 2 - Внешний вид и основные размеры фоторезистора ФСА-1

Технические характеристики фоторезистора:

Тип ФСА-1

Интервал рабочих температур,С -60…+70

Допустимая относительная влажность

окружающего воздуха, при 25С, % 80

Рабочее напряжение, В 2-100

Постоянная времени, мк сек 40

Пороговая чувствительность, мкВт 0,1

Темновое сопротивление, кОм 22-220

Допустимая мощность рассеивания, Вт 0,01

Длина волны, мк м соответствующая:

максимуму спектральной чувствительности 2,1

красной границе 2,7

Вес, г 2,9

Рисунок 3 - Вольтамперная характеристика фоторезистора ФСА-1

Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна.

Рисунок 4 - Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора

Люкс-амперная характеристика Iобщ = f (Е) показывает зависимость общего тока от уровня освещенности фоточувствительного элемента фоторезистора.

2.1.1 Выбор светодиода Источник излучения в фотоуправляемом резисторе служит для создания лучистого потока, используемого для управления сопротивлением резистора. При этом характеристики используемого в фотоуправляемом резисторе источника излучения должны достаточно хорошо сочетаться с характеристиками выбранного фоторезистора. В качестве источника излучения для фотоуправляемого резистора используется светодиод.

Светоизлучающий диод У-17 имеет четкую направленность излучения, спектр излучения лежит в основном в инфракрасной области.

Технические характеристики:

Тип У-17

Максимально допустимый постоянный прямой ток, м А 22

Постоянное прямое напряжение, В 1.7

Интервал рабочих температур,С -35…+85

Мощность излучения, мВт 1.5

Максимум спектрального распределения длин волн 0.95

2.1.1 Расчет передаточной функции датчика движения. Определим по вольтамперной характеристики фоторезистора (рисунок 3) значение фототока, при заданном рабочем напряжении U = 12В. Из графика получили, что I = 52мкА =52·10А.

Удельной чувствительностью фоторезистора называется отношение фототока к произведению величины освещенности фоторезистора световым потоком на приложенное к нему напряжение.

, (1)

где I – фототок; L- уровень освещенности фоторезистора; U – рабочее напряжение.

Определим уровень освещенности фоторезистора из световой характеристики фоторезистора (рисунок 4), которая показывает зависимость тока (выходной величины фоторезистора) от уровня освещенности (входной величины фоторезистора), при I=52·10А. Получили, чтоL = 150 лк.

Подставив полученные значения в выражение (1), получили:

мкА/лк·В (2)

Значит, передаточная функция фоторезистора будет иметь вид передаточной функции пропорционального звена:

, (3)

где k соответствует удельной чувствительности фоторезистора.

. (4)

2.2 Выбор двигателя

В соответствии с техническим заданием двигатель должен обладать малым весом и малыми габаритными размерами, т.к. само устройство имеет небольшие размеры.

Выберем электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением, который устойчиво работает при любых частотах вращения, имеет линейные механические характеристики и линейные регулировочные характеристики. По массе и габаритам электродвигатель постоянного тока в 2-3 раза меньше асинхронных микродвигателей. Регулирование частоты вращения в нем осуществляется достаточно просто и экономично.

Технические характеристики выбранного двигателя:

Тип МП29

Номинальное напряжение Uн, В 12

Вращающийся момент М, Н·м ,04

Частота вращения n, об/мин 50

Номинальная активная мощность Р, Вт 10

Номинальный ток I, А 0,15

Электромеханическая постоянная времени , мс 40

Пусковой момент , Нм 0,164

Коэффициент полезного действия ,% 65

Момент инерции ротора , 10кгм2 0,025

2.1.2 Расчет передаточной функции Передаточной функцией двигателя постоянного тока называется отношение преобразования Лапласа выходной величины – углового перемещения вала или угловой скорости- к преобразованию Лапласа входной величины – напряжения:

, , (5)

где - коэффициент управления по скорости;- угловая скорость при холостом ходе; Т- электромеханическая постоянная времени.

(6)

, (7)

где - момент инерции ротора двигателя;-пусковой момент.

Вычислим передаточную функцию, определив коэффициенты: k, Тм.

Исходя из технических характеристик двигателя Тм=4,0мс=410с,=0,02510кгм2, =0,164 Нм, выражение (7) примет вид:

410=. (8)

Вычислим из полученного выражения :

= 55 рад/сек. (9)

Следовательно, подставив полученное значение = 55 рад/сек в выражение получим:

==4,58 (10)

Получим передаточную функцию двигателя:

W(p)= . (11)

2.3 Выбор редуктора

Для того чтобы произвести выбор редуктора необходимо провести расчет передачи вращательного движения. Передачи вращательного движения служат для передачи энергии от двигателей к рабочим устройствам, обычно с преобразованием скоростей, сил и крутящих моментов. Будем использовать зубчатую передачу, т.к. она является наиболее распространенной, имеет высокий КПД, высокую надежность компактность, простоту в эксплуатации, постоянство передаточного числа.

2.3.1 Расчет зубчатой цилиндрической передачи Материал для обоих зубчатых колес – сталь 40Х с объемной закалкой и отпуском до твердости НRС48.

Рассчитаем угловую скорость шестерни:

(12)

==78.5 с(13)

Рассчитаем угловую скорость колеса по формуле (12):

=15.7 с(14)

Передаточное число привода (общее передаточное отношение):

(15)

. (16)

Передаточная функция редуктора:

, (17)

где и- углы поворота валов;i – передаточное число редуктора.

. (18)

Рассчитаем зубья передачи на контактную прочность и изгиб. Для этого рассчитаем мощность, передаваемую колесом:

, (19)

где - коэффициент полезного действия одноступенчатой зубчатой передачи (для цилиндрической передачи 7-ой степени точности=0,98).

Вт (20)

Крутящий момент, передаваемый колесом:

(21)

Нм (22)

Примем коэффициент ширины зуба =0.25. Тогда коэффициент ширины венца:

=0.5(i+1) (23)

=0.50.25(5+1)=0.75. (24)

Примем коэффициент неравномерности распределения нагрузки по длине контактных линий =1.

Допускаемое контактное напряжение [] вычислим по формуле:

[]=, (25)

где - предел контактной усталости поверхностей зубьев;- коэффициент, учитывающий шероховатость сопряженных поверхностей зубьев;- коэффициент, учитывающий окружную скорость передачи; К- коэффициент долговечности;S- коэффициент безопасности.

Примем S=1,1; ; К=0,9;=1;=0,95.

=18+150=1014 МПа (26)

[]= (1014/1,1) 0,9510,9=790 МПа (27)

Межосевое расстояние передачи:

(28)

= 44 мм (29)

В соответствии с ГОСТ, примем =50 мм.

Модуль зубьев:

m=(0.01…0.02) (30)

m=0.0250=1 мм. (31)

Сумма зубьев шестерни и колеса:

(32)

Угол наклона зубьев =0 (для прямозубой передачи)

(33)

Число зубьев шестерни:

(34)

(35)

Число зубьев колеса:

(35)

(37)

Допускаемое напряжение на изгиб:

, (38)

где =1 – коэффициент долговечности;=1 – коэффициент, учитывающий влияние двустороннего приложения нагрузки на зубья;=1,7 – коэффициент безопасности;=500 МПа – предел изгибной выносливости зубьев.

1,7=74 МПа (39)

Проведем проверочный расчет зубьев на изгиб:

(40)

где коэффициент =0,94;=3.7 – коэффициент формы зубьев.

=3,7 0,94[20000,6/(2890.751)]=53 МПа (41)

Получили, что < [], следовательно, расчет выполнен, верно, и зубья передачи прочны на изгиб.

2.4. Выбор усилителя

К175В2А - представляет собой универсальную усилительную схему, предназначенную для усиления сигналов преимущественно постоянного тока.

Параметры:

Напряжение питания, В 12

Ток потребления, мА3

Максимальный выходной ток, мА220

Остаточное напряжение при , В0,7

Ток срабатывания , мкА 20…50

Передаточная функция усилителя будет иметь вид передаточной функции пропорционального звена:

, (42)

где k=сonst – коэффициент усиления.

(43)

. (44)

2.5 Выбор датчика угла поворота

2.5.1 Классификация датчиков угла поворота Датчики угла поворота по принципу действия делятся на (рисунок 5):

- емкостной датчик угла поворота;

- резистивный датчик угла поворота;

- волоконно-оптический датчик угла поворота;

- потенциометрический датчик угла поворота;

Датчики угла поворота

Емкостной

Резистивный

Волоконно-оптический

Потенциометричекие

Односекционный

Двухсекционный

Трехсекционный

Рисунок 5 - Классификация датчика угла поворота по принципу действия

Для того чтобы выбрать датчик угла поворота для разрабатываемой системы необходимо рассмотреть каждый датчик из классификации отдельно.

2.5.1.1 Емкостной датчик угла поворота В качестве чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота используется дифференциальный конденсатор. Его конструкция может быть достаточно произвольной (рисунок 6.). Емкость каждого из плеч может быть достаточно малой - единицы пикофарад, но необходимо, чтобы относительное изменение емкостей было как можно большим.

1 - крепежный винт, 2 - статор (стеклотекстолит), 3 - обкладки статора (медная фольга), 4 - изолирующая прокладка (полиэтиленовая пленка толщиной 0.1 мм), 5 – обкладки ротора, соединенные перемычкой (медная фольга), 6 - ротор (стеклотекстолит), 7 - гайка

Рисунок 6 - Конструкция чувствительного элемента емкостного датчика угла поворота

Электронный преобразователь емкостного датчика угла поворота собран по электронной схеме.

В разрабатываемой системе емкостный датчик угла поворота использовать не желательно, так как он отличаются сложностью электронной схемы и дорогостоимостью.

2.5.1.2 Волоконно-оптический датчик угла поворота Волоконно-оптический датчик угла поворота представляет собой систему, состоящую из источника излучения, прямо предающего волоконно-оптического канала и фотоприемника. Здесь поток излучения от источника вводится в предающий световод и на его выходе формируется расходящийся поток излучения в виде конуса, ограниченного апертурой оптических волокон. При падении потока на поверхность объекта часть его отражается и попадает в приемный световод, проходит по нему в фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал. Питание волоконно-оптического датчика осуществляется от источника питания.

2.5.1.3 Потенциометрический датчик угла поворота Потенциометры прецизионные непроволочные (на основе проводящих пластмасс) предназначены для использования в качестве датчиков угла поворота или перемещения в автоматических системах управления в различных отраслях техники: авиационной, ракетно-космической, корабельной, в различных промышленных системах и т. д. Потенциометрические датчики выпускаются трех типов: односекционные, двухсекционные, трехсексионные.

Таблица 1 - Технические характеристики потенциометрических датчиков

Тип

Конструкция

Функциональная характеристика

Допускаемые отклонения от функциональных характеристик, %

Размеры, мм

СП4-8-1

односекционный

линейная

±0,2; ±0,5

30х21

СП4-8-2

двухсекционный

линейная

±0,2; ±0,5

30х28

СП4-8-3

трехсекционный

линейная

±0,2; ±0,5

30х35

2.5.1.4 Резистивный датчик угла поворота Угловые датчики являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах. Имеющие довольно высокие метрологические характеристики, при высокой эксплуатационной надежности и низкой стоимости. В настоящее время начат серийный выпуск четырех типов угловых резистивных датчиков, имеющих одинаковые размеры и конструкцию и позволяющие охватить диапазоны измерения углов от 2° (ДУП-1А1) до 360° (ДУП-1А4). Это датчики с абсолютным отсчетом. Технические характеристики приборов приведены в таблице.

Таблица 2 - Технические характеристики резистивных датчиков угла поворота

Тип прибора

ДУП-1А1

ДУП-1А2

ДУП-1А3

ДУП-1А4

Диапазон рабочих температур, °С 

 -30 ...  +60

-30 ...  +60

-30 ...  +60

-30 ...  +60

Дополнительная температурная погрешность

0.015%/°С

0.015%/°С

0.015%/°С

0.015%/°С

Дополнительная температурная погрешность шкалы 

0.08%/°С

0.08%/°С

0.08%/°С

0.03%/°С

Полоса пропускания

(-3dB) ,Гц 

50

50

50

50

Напряжение питания, В 

±5 ... ±15

±5 ... ±15

±5 ... ±15

±5 ... ±15

Потребляемый ток, мА

3

3

3

6

Выходной сигнал, В

от 0...±2 до 0...±10

от 0...±2 до 0...±10

от 0...±2 до 0...±10

от 0...±2 до 0...±10

Вес, г

62

62

62

58

Материал корпуса

алюминий

алюминий

алюминий

алюминий

Из рассмотренных выше датчиков угла поворота был выбран потенциометрический датчик угла поворота типа ПП-1А4, так как он обладает наиболее подходящими для разрабатываемой системы техническими характеристиками.

Технические характеристики датчика угла поворота:

Тип ПП-1А4

Диапазон измерения рабочего угла, 320

Сопротивление реостата, Ом 25

Допустимая мощность рассеяния, Вт 5

Число витков обмотки на 11…3

Максимальному углу поворота соответствует полный диапазон выходного напряжения, поэтому коэффициент преобразования датчика рассчитывается по формуле (45).

, (45)

где - выходное напряжение;- максимальный угол поворота.

В/рад. (46)

Следовательно, передаточная функция датчика угла поворота будет иметь вид передаточной функции пропорционального звена:

(47)

. (48)

2.6 Выбор реле

Электроконтактное реле представляет собой электромеханическое устройство, в котором при изменении условий в одной электрической цепи замыкаются и (или) размыкаются контакты, которые управляют работой другого устройства в тоже или другой электрической цепи. В разрабатываемой САР реле необходимо для выключения двигателя постоянного тока.

Выберем электромагнитное реле типа РЭС32 в залитом кожухе, его технические характеристики:

Напряжение питания, В 12-60

Диапазон коммутируемых токов, А 510-3

Диапазон коммутируемых напряжений, В 0,05-220

Габариты, мм 20,5х30,5х43,3

2.6.1 Линеаризация нелинейного элемента (реле) с однозначной нечетной нелинейностью типа переключение по уровню У однозначной нелинейности связь между входным х и выходным у векторными сигналами зависит от формы статической характеристики F, то есть y=F(x).

Реле имеет нелинейную характеристику представленную на рисунке 8.

Y

В

X

Рисунок 7 - Статическая характеристика реле.

Данной статической характеристике соответствует линейная функция:

, (49)

где A – входной сигнал; В –коммутируемый ток.

Y

2

Рисунок 8 – Характеристика выходной величины

Входным сигналом для реле является ток с усилителя =510А, значения коммутируемого тока=0.15 А.

Значит А=510А, В=0.15 А, подставляя в формулу (49) данные значения получаем:

(50)

Следовательно, передаточная функция будет иметь вид передаточной функции пропорционального звена:

, (51)

где k=f(0.005)=38.2

W(p)=38.2. (52)

3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

В качестве датчика обратной связи в разрабатываемой системе применяется потенциометрический датчик угла поворота.

Потенциометрические датчики угла поворота являются наиболее простыми по конструкции, а значит более дешевыми.

Потенциометрический датчик угла поворота характеризуется углом поворота щетки от 270до 320.

Для расчета потенциометрический датчик угла поворота зададим точность поворота =1 угл. мин. На датчик угла поворота приходится от 30 до 50% общей ошибки, принимая значение 50%, получим= 0.5 угл.мин.

Примем для потенциометрический датчик угла поворота коэффициент нагрузки по мощности =0.5, тогда рассеиваемая мощность датчика:

(53)

Вт (54)

Потенциометрический датчик угла поворота допускается запитывать как постоянным, так и переменным напряжением. Так как в САУМ присутствует двигатель постоянного тока, то напряжение питания для датчика будет постоянным, и оно выбирается исходя из допустимой мощности рассеивания , которая является паспортной величиной.

(55)

(56)

В (57)

Максимальному углу поворота соответствует полный диапазон выходного напряжения, поэтому коэффициент преобразования датчика рассчитывается по формуле (58).

, (58)

где - выходное напряжение;- максимальный угол поворота.

Переведем значение максимального угла поворота из градусов в радианы:

рад (59)

рад

В/рад. (60)

4 РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ

Для определения устойчивости системы необходимо найти передаточную функцию системы управления мышеловкой:

, (61)

где ;;;;;.

. (62)

Определим устойчивость системы по критерию устойчивости Гурвица. Для того чтобы система была устойчива необходимо и достаточно, чтобы все определители Гурвица были положительными. Определители составляются из коэффициентов характеристического уравнения системы.

Характеристическое уравнение системы имеет вид:

10р+7.3=0 (63)

Составим определитель Гурвица:

(64)

Для того чтобы система была устойчива необходимо и достаточно, чтобы все определители Гурвица были положительны. Следовательно, система устойчива, поскольку определитель положительный.

Для того чтобы определить прямые оценки качества системы построим переходный процесс проектируемой системы.

Построение переходного процесса САР выполняется на основе обратное преобразования Лапласа от передаточной функции системы автоматического регулирования в замкнутой форме. Преобразование по Лапласу от передаточной функции системы автоматического регулирования в замкнутой форме осуществляется в программе MathCAD:

(65)

Графическое представление переходного процесса представлено на рисунке 9.

Рисунок 9- Переходный процесс САУМ

Прямые оценки качества:

- установившееся значение hУСТ=32.2;

- время переходного процесса tП=0.087 c;

- перерегулирование ;

- число колебаний или колебательность системы n=0;

- время нарастания регулируемой величины tН =0,125 с;

- время первого согласования t1 = 0,125 с;

- декремент затухания , т.к колебаний в системе нет.

Чтобы определить косвенные оценки качества системы необходимо построить амплитудно-частотную характеристику системы, для этого в передаточной функции заменим p=jω:

(66)

(67)

Амплитудно-частотная характеристика проектируемой системы имеет вид графика изображенного на рисунке 10.

Рисунок 10 – Амплитудно-частотная характеристика САУМ

Определим косвенные оценки качества:

- показатель колебательности M = AMAX/A0=32.87/32.87=1

- резонансная частота ωР = 0 Гц

- частота среза ωСР = 24 Гц

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Курсовые работы