Введение

Бурное развитие автоматики, электроники и вычислительной техники привело к внедрению автоматики во все области деятельности человека. Автоматика и автоматизация стали главным направлением развития всей техники.

Роль человека при этом сводится к организации работы автоматических систем и средств вычислительной техники. Такому их проектированию, соединению и использованию, которое обеспечивает получение необходимых результатов с наименьшими затратами.

Локальные систему управления – это автоматические модули, используемые для решения одной функциональной задачи, для управления одним устройством, для регулирования или сигнализации одного параметра.

Применение систем автоматического управления (САУ) на производстве позволяют повысить эффективность ведения технологических процессов; сократить количество обслуживающего персонала на том или ином объекте; повысить производительность автоматизированных устройств и объектов и повысить их экономичность. А также с внедрением таких систем появилась возможность вести требуемый процесс в условиях и местах, недоступных и агрессивных для человека.

В торпедных аппаратах нового поколения также предусмотрена автоматическая подача снаряда в пусковой аппарат, что . Таким образом, целью курсовой работы является проектирование системы автоматического управления торпеды, т.е. обеспечения необходимой силы выталкивания снаряда из пускового аппарата для развития торпедой необходимой скоростью.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Состав локальной системы автоматического управления

Необходимо разработать систему автоматического управления, позволяющая осуществлять выстрел торпедой. Структурная схема данной системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема системы автоматического

управления торпедой

где Д1 – датчик давления;

МП – микропроцессор;

У – усилитель;

ДВ – электродвигатель

Р – редуктор;

Гт – гидротурбина;

Д2 – датчик перемещения

Система управляет торпедой. Датчик Д1 измеряет давлений внутри пусковой камеры и передает соответствующий электрический сигнал U на микропроцессор МП.

Датчик Д2 передает электрический сигнал U₄, пропорциональный положению заслонок, на микропроцессор МП.

Микропроцессор МП обрабатывает значение электрического сигнала U₁ и значение U₄ и выдает соответствующий управляющий сигнал, в зависимости от давления внутри камеры и положения заслонок. Этот сигнал, усиленный усилителем У, приводит в движение двигатель ДВ, который вращает в нужную сторону через редуктор Р регулирующий орган – гидротурбину Гт. В результате этого изменяется (увеличивается или уменьшается) величина давления внутри камеры для обеспечения необходимой выталкивающей силы.

1.2 Технические характеристики САУ

Габариты, мм 533,4Х8200

Вес снаряда, кг 2700

Эффективная дальность стрельбы, км 7

Скорость выпущенного снаряда, 90-100

Время срабатывания, с 30

Характеристика рабочей среды. Условие работы системы:

Рабочая среда вода

Температура окружающей среды, °С +20 – 0

Давление при погружении на 10 м, Па 10⁵

Требования к проектируемому регулятору:

Время регулирования не более tp, с 2

Колебательность М 1,2

Перерегулирование , % 20 – 30

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор микропроцессора

Среди устройств автоматики наиболее широкое распространение получили МПК серий К580, К588, К1800. При выборе МПК кроме критериев технической, экономической и технико-экономической эффективности следует руководствоваться следующими соображениями:

1. Допустимое время обработки информации.

2. Высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ.

3. Возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени.

4. Возможность программной коррекции.

5. Малое энергопотребление.

6. Совместимость с другими микросхемами.

7. Доступность элементов.

8. Достаточно мощная и гибкая система команд МП.

9. Достаточно высокий уровень выходного сигнала ЦАП, для дальнейшего его использования без необходимости предварительного усиления.

10. Наличие встроенных ЦАП и АЦП.

11. Для сложных систем управления также необходимо несколько каналов ввода-вывода информации.

На основании вышеперечисленных критериев выбор был остановлен на МП серии К1813ВЕ1 [10]. Это однокристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 16-ти разрядным ПЗУ (емкостью 192х24 бит, ОЗУ (емкостью 40х25 слов), 25-ти разрядным ALU, четырьмя входными и восемью выходными аналоговыми каналами, разрешением 0,5% (8 двоичных разрядов и знак).

Выбранный микропроцессор обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции локальных систем управления, совместим с БИС, имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени, благодаря встроенным АЦП и ЦАП и доступен.

Энергопотребление МПК можно принять допустимым, учитывая потребляемую мощность встроенных ЦАП и АЦП (суммарная мощность МПК с отдельными микросхемами ввода-вывода информации практически не отличается от мощности данного МПК, хотя непосредственно для МП существуют микросхемы с более низким энергопотреблением). Исходя из времени преобразования сигнала ЦАП, АЦП и тактовой частоты МП время обработки сигнала можно считать малым.

Достаточно высокий уровень выходных сигналов (1-2В, 0,4-2 мА) позволяет использовать данный сигнал в маломощных системах управления без предварительного дополнительного усиления.

Технические характеристики МП К1813ВЕ1:

1. 25-ти разрядное ALU.

2. 16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов).

3. Разрешение 0,5% (8 двоичных разрядов и знак).

4. Нелинейность ЦАП и АЦП <0,1%.

5. Время преобразования не более 50 мкс.

6. Диапазон рабочих температур 0т –10 до 70 0С.

7. Тактовая частота 5 МГц.

8. Опорное напряжение 2 В.

9. Потребляемая мощность (с учетом потребления ЦАП и АЦП) 1,75 Вт.

10. Входное сопротивление (выборка) не менее 1,5 кОм.

11. Входное аналоговое напряжение не более 2 В.

12. Выходное сопротивление (хранение) не менее 100 кОм

13. Выходной ток 0,4 - 2 мА.

14. Входной ток не более 2 мА.

15. Ток потребления не более Icc - 50 мА.

I_BB – 150 мА.

Передаточную функцию МП принимаем равной единице

W(p)=1 (1)

2.2 Выбор термоизмерительного датчика давления

Выбираем термоэлектрический датчик давления типа ТХК с хромель-копелевыми термоэлектродами для диапазона измерений от 1 до 1000 атм..

На вход термоэлектрического термометра от объекта контроля (давление внутри камеры) поступает сигнал давления. С выхода снимается сигнал термо-ЭДС.

Термоэлектрический датчик давления представляет собой инерционное звено.

Передаточная функция звена имеет вид:

(2)

где Кt = 0.7 -коэффициент передачи термопары [9];

Tt = 0.5-постоянная термопары [9];

Подставляя известные коэффициенты в формулу (2), получим, что передаточная функция термоэлектрического датчика давления имеет вид:

. (3)

2.3 Выбор двигателя и редуктора

Двигатель выбираем исходя из необходимой для управления заслонкой мощностью, наличием реверсивности и экономичностью.

Ртреб=2 _н (Мн + Jн _н) = 0,261 (кВт). (4)

Выбираем двигатель серии МИ-22 с паспортными данными [8]:

1. Мощность на валу двигателя Рном = 0,37 кВт.

2. Частота вращения nном = 3000 об/мин.

3. Напряжение питания Uном = 110 В.

4. Ток якоря Iа = 4,4 А.

5. Индуктивность якоря La=210 мГн.

6. Сопротивление обмотки якоря Rа =0,546 Ом.

7. Момент номинальный Мном =1,2 Н м.

8. Момент инерции двигателя Jд =40,8 кг м2.

Определяем оптимальное передаточное число редуктора:

i_o = =121,04 (5)

Округляем его до ближайшего по ГОСТ стандартного значения для редукторов 125.

Редуктор предназначен для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу системы и согласования скоростей вращения.

Так как передаточное число достаточно велико, то выбираем червячный редуктор РМЧ – 125 (как наиболее отвечающий массогабаритным требованиям к проектируемому устройству при данном передаваемом моменте)[14].

Червячные редукторы этого типа предназначены для изменения крутящего момента от 125 до 3500 Н.м с передаточным числом от 75 до 135.

Технический данные редуктора:

1. Радиус шестерни 21,5 мм.

2. Длина червяка 46 мм.

3. Допускаемый крутящий момент на тихоходном валу - 125 Н м.

4. КПД - 0.8.

5. Частота вращения максимальная и минимальная 3000 и 125 об/мин.

Проверяем выбранный двигатель на соответствие по скорости:

_ном =  n_ном/30 =314,15 (рад/с) (6)

_треб = i_o _н = 92,75 (рад/с) (7)

Так как _ном > _треб, то выбранный двигатель по скорости проходит.

Проверяем выбранный двигатель на соответствие по моменту:

М_треб = Мн /( i_o) + (Jд +Jн /i_o2) _н i_o=2,117 (Н м) (8)

Так как Мтреб< 2Мном, то выбранный двигатель по моменту проходит.

Определим передаточную функцию выбранного двигателя.

Рассмотрим динамические свойства электродвигателя постоянного тока. Поведение двигателя в переходных режимах, связанных с изменением угловой скорости, можно описать с помощью уравнений.

Уравнение электрического равновесия:

U = Се + Iа (Ra + Lp), (9)

где Се - коэффициент противоЭДС, В.с/рад;

U - напряжение управления, В;

 - угловая скорость якоря, рад/с;

Iа - ток, протекающий по цепи якоря, А;

Ra - активное сопротивление якоря, Ом;

L - индуктивность обмотки якоря, Гн.

Уравнение механического равновесия:

Jp=Cм Ia - Mн/i, (10)

где р – оператор Лапласа;

J - полный момент инерции на нагрузке, кг м2;

См - коэффициент момента, Н м/А;

Мн - момент нагрузки, Н м;

i - передаточное число редуктора.

Уравнение, связывающее угол поворота вала двигателя с угловой скоростью:

 = /р (11)

Решая совместно уравнения (9) – (11), получим:

k_U=(ТэТмр2+Тмр+1)+RaMн(Тэр+1)/(СеСмi), (12)

где k - коэффициент передачи двигателя по скорости, 1/В с;

Тэ - электрическая постоянная времени, с;

Тм - механическая постоянная времени, с.

Коэффициент передачи двигателя по скорости определяется по следующей формуле:

k=1/Се (13)

Электромагнитная постоянная времени равна:

Тэ = L/Ra (14)

Механическая постоянная времени определяется через механические параметры двигателя:

Тм=J Ra/(СеСм) (15)

Из этого уравнения определяем передаточную функцию двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, полагая, что момент нагрузки постоянный:

W(p)=/U= (16)

Так как влияние электрической постоянной двигателя на его динамические свойства мало, ею можно пренебречь. Тогда

W(p)=, (17)

где Кд=1/Се==0,296 (рад/В с), (18)

Т=J/F==0.0035 (c). (19)

Таким образом,

W(p)== . (20)

2.4 Выбор усилителя мощности

При выборе усилителя мощности руководствуются следующим:

1. Вид входного и выходного сигнала, тип питания.

2. Требуемая мощность.

3. Надежность, независимость от внешних влияний (особенно коэффициента усиления), чувствительность, малые массогабариты.

Исходя из условия Р_усил>2Р_ном, выбираем в качестве усилителя тиристорный привод с системой импульсно-фазового управления со статическими преобразователями реверсивного типа БУ3609-21Г1У4 с управлением по якорной цепи. Его паспортные данные:

1. Напряжение питания 110 В.

2. Номинальный выпрямленный ток 10А.

3. Максимально допустимый ток перегрузки 12 А.

4. Суммарная погрешность частоты вращения к установленной не более 2%.

5. Погрешность частоты вращения к установленной при изменении нагрузки не более 0,5%.

6. Погрешность частоты вращения к установленной при изменении направления вращения не более 0,5%.

7. Постоянная времени тиристоров Т = 0,003 с.

Определим коэффициент усиления как:

К=U_{трог эд}/U_{min цап} = =53,6. (22)

Принимаем коэффициент усиления равным 55.

Передаточная функция усилителя запишется в виде:

W(p)= = . (23)

2.5 Выбор гидротурбины

В качестве гидротурбины выбираем гидротурбину типа РУЗ-76. При ее выборе руководствовались условиями технического задания и желательностью получения линейной характеристики (чего добиваются изготовлением гидротурбины сложной формы с линейным коэффициентом передачи за счет придания специального профиля проходному сечению). Ее параметры [11]:

1. Пропускная способность Q до 35 м³/с.

2. Допустимое давление до 50^.10⁵ Па.

3. Угловая погрешность при гармоническом сигнале для обеспечения 2% погрешности расхода через проходное сечение в установившемся режиме _гарм = 18^’.

Рассматривая гидротурбину как звено, у которого входной величиной является угол поворота выходного вала двигателя (с учетом редуктора), а выходной – угол поворота оси заслонки, получим что передаточная функция для заслонки имеет вид пропорционального звена :

W(p) = 1.

2.6 Выбор датчика перемещения

Существует довольно большое количество датчиков угла поворота, разнообразной конструкции и видов. Выбор датчика обусловлен, прежде всего:

1. Желаемой формой выходного сигнала (в данном случае желателен электрический выходной сигнал);

2. Высокой чувствительностью;

3. Допустимой инерционностью;

4. Малым или отсутствием влияния внешних условий;

5. Возможностью настройки на различные значения регулируемого параметра;

6. Малой энергоемкостью;

7. Приемлемыми массогабаритные показателями.

8. Сроком службы.

Для бесконтатктного измерения перемещения подвижных частей изделий в жестких условиях ракетно-космической техники широко используются оптические методы.

Рисунок 2 – Классификация датчиков перемещения

Может быть использован резистивный датчик. Однако резистивные датчики не обладают достаточной точностью, погрешности измерений резистивного датчика могут быть вызваны в частности жесткими температурными условиями работы. Оптоэлектронные датчики лишены таких недостатков, их показания не зависят от изменения температуры и вибрационных нагрузок. Абсолютный оптоэлектронный датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 предназначен для непрерывного преобразования значений координаты в унифицированный электрический сигнал в системах контроля и управления авиационной техники. Датчик ДЛП-120Ц-005 измеряет линейные перемещения и преобразует их в пропорциональный электрический сигнал. Технические характеристики датчика ДЛП-120Ц-005 [13]:

• диапазон изменения выходного сигнала 4 – 20 мА;

• диапазон измерения 1-1000 мм;

• потребляемая мощность 10 Вт;

• дискретность отсчета 1 мкм;

• габаритные размеры диам 45Х75 мм;

• диапазон температур -50 - +50°С

Датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 имеет передаточную функцию вида:

; (24)

где k₆ – коэффициент передачи датчика k₆=0,05;

Т₆ – постоянная времени датчика, Т₆=0,06 с.

Получим передаточную функцию вида:

. (25)