ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта является разработка системы автоматического управления велотренажера космического комплекса. Разработка данной автоматической системы управления необходима для управления велотренажером космического комплекса, а также для получения и накопления информации, позволяющей следить за физическим состоянием космонавтов. Проектируемая система должна отвечать всем заданным в техническом задании параметрам.

Велотренажер – это универсальное устройство позволяющее поддерживать свой организм в хорошей физической форме. Он укрепляют сердечно - сосудистую систему, увеличивают выносливость организма, укрепляют дыхательную систему, укрепляют мышечную ткань ног и спины.

На космических станциях наличие велотренажеров просто необходимо, так как космонавты ведут малоподвижный образ жизни из-за гравитации. Им необходимо тренировать опорно-двигательный аппарат, чтобы после длительного нахождения в космосе мышцы не атрофировались. Наличие велотренажера на космическом комплексе позволит значительно уменьшить срок реабилитации космонавтов после их прибытия на Землю.

Внешний вид велотренажера приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Велотренажер

САУ велотренажера космического комплекса – это электромеханическая система управления, которая предназначена для управления велотренажером, контроля и диагностирования физического состояния космонавтов.

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

САУ велотренажера космического комплекса – это электромеханическая система управления, которая предназначена для управления велотренажером, контроля и диагностирования физического состояния космонавтов.

Входным сигналом системы является число оборотов за единицу времени, выходным сигналом является нагрузка, прикладываемая к педалям.

Состав системы:

1) М - маховик;

2) Т - тормоза;

3) П - падали;

4) ДН – датчик нагрузки;

5) Дв - двигатель;

Функциональная схема системы приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы

Принцип работы системы состоит в следующем: механический сигнал поступает на маховик, под действием которого маховик совершает вращения. С маховика сигнал передается на тормоз, который предназначен для регулировки нагрузки путем создания сопротивления вращения маховика, что приводит к приложению большего усилия к педалям. С тормоза сигнал поступает на педали, к которым прикладывается сила. Датчик нагрузки обратной связи передает сигнал о силе нагрузки. Двигатель выполняет роль преобразователя, преобразуя электрический сигнал в механический.

Технические характеристики системы:

- габариты, см 80×63×120.

- масса в сборе, кг 28;

- диапазон температур, ˚С 18;

- перерегулирование, % 30%;

- время регулирования, мин 5;

- быстродействие, мин 5;

- наработка на отказ, с^-1 10^-5.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор маховика

Маховик играет одну из важных ролей в велотренажере, так как именно от него зависит максимально возможная нагрузка (чем больше вес маховика, тем больше нагрузка), а так же плавность вращения педалей.

Технические характеристики маховика:

- вес, гр 1660;

- размеры, мм 280×24;

- материал алюминий.

Расчет передаточной функции маховика. Передаточная функция маховика имеет вид:

(1)

(2)

2.2 Выбор тормоза

В качестве тормозной системы выбраны гидравлические ободные тормоза Magura HS - 33, так как у них есть интегрированная настройка износа колодок, что позволит обеспечить большую надежность системы.

Передаточная функция тормоза:

(3)

где (4)

Передаточная функция тормоза примет вид:

(5)

2.3 Выбор педалей

Выбор педалей обоснован наличием на них фиксаторов под обувь.

Передаточная функция гидропривода имеет вид:

(6)

где i – число передачи педалей

(7)

(8)

2.4 Выбор датчика нагрузки

В качестве датчика обратной связи выбираем датчик нагрузки, который предназначен для измерения динамических нагрузок. Одним из таких датчиков является FT100, он имеет высокую степень защиты, а также компактен и его можно легко расположить на педали. Внешний вид датчика FT100 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Датчик нагрузки FT100

Технические характеристики датчика нагрузки:

- интервал измерений, Н от 0 до 20;

- максимальное отклонение от номинала, % 0,25;

- вид защиты IP53;

- выход, В 2.

Передаточная функция датчика нагрузки имеет вид:

(9)

(10)

где k –коэффициент передачи.

(11)

2.5 Выбор двигателя

В данной системе двигатель выполняет роль преобразователя электрического сигнала в механический. К двигателю предъявляется ряд требований: малая мощность, небольшая номинальная частота вращения. Один из таких двигателей ДГ – 5ТА.

Технические характеристики двигателя:

Номинальная мощность, Вт 5;

Напряжение трогания, В 0,5;

Электромеханическая постоянная времени, с 0,1;

Частота вращения, мин^-1 600.

Передаточная функция двигателя имеет вид:

(12)

(13)

(14)

3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Принцип действия датчика нагрузки основан на изменении изгиба плоской пружины. В этом случае, пружину необходимо рассчитать по коэффициенту запаса текучести.

Материал пружины – кремнистая сталь;

–максимальная нагрузка, Н;

- максимальный ход пружины, мм;

- модуль упругости, Н/мм²;

- придел текучести, Н/мм²;

- коэффициент запаса текучести.

1) Определим допустимое напряжение .

(15)

Н/мм².

2) Вычисляем соотношение .

(16)

где k – коэффициент.

мм.

3) Зададимся значением .

где - длина пружины,

- толщина пружины.

, так как это отношение считается самым оптимальным.

4) Определим ширину пружины b.

(17)

мм.

5) Исходя из расчетов b подбираем соответствующую ему h.

Ширине в 10 мм соответствует толщина 0,08 мм, то есть h=0,08 мм.

6) Вычисляем длину пружины.

(18)

мм.

4 Исследование устойчивости системы

Структурная схема системы имеет следующий вид:

Рисунок 4 – Структурная схема САР велотренажера космического комплекса

Передаточные функции блоков имеют вид:

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

Передаточная функция разомкнутой системы:

(24)

(25)

Передаточная функция замкнутой системы:

(26)

(27)

Корни характеристического уравнения:

(28)

По методу Ляпунова если корни характеристического уравнения замкнутой системы вещественные части, то такая система асимптотически устойчива.

Построим переходный процесс замкнутой САУ. Для этого проведем обратное преобразование Лапласа от передаточной функции САУ.

(29)

(30)

График переходного процесса приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Переходный процесс замкнутой системы

По полученному переходному процессу замкнутой системы определим прямые показатели качества:

Установившееся значение:

=0,002;

Найдем 5% трубку:

Тогда 5% интервал отклонения от установившегося значения заключен в пределах от 0,0019 до 0,0021.

Перерегулирование:

(31)

Время регулирования t_р=4 с.

Время нарастания регулируемой величины (время достижения максимума) t_н=0,04 c.

Время первого согласования (время, когда регулируемая величина в первый раз достигает своего установившегося значения) t₁=0,0001 c.

Колебательность (число колебаний за время колебательного процесса) n=1.

Определим косвенные показатели качества замкнутой системы по графику АЧХ замкнутой системы (рисунок 6).

Рисунок 6 – Амплитудно-частотная характеристика замкнутой системы

Резонансная частота (частота при которой АЧХ достигает своего максимального значения) ω_р=6.

Показатель колебательности:

(32)

Полоса пропускания частот (), характеризующая наилучшее время пропускания сигнала (5; 11).

Были определены прямые и косвенные оценки качества САУ велотренажера космического комплекса. По результатам расчетов можно сделать вывод, что замкнутая система устойчива.

5 ПОСТРОЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САУ

Для дальнейшего исследования, передаточную функцию разомкнутой системы проводим z - преобразование.

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

(33)

Разложим передаточную функцию на элементарные дроби для проведения z-преобразования и разделим на p.

(71)

Для каждой из дробей найдем соответствующее z-преобразование. Тогда в общем виде для данной передаточной функции, учитывая, что :

(72)

(73)

(79)

Таким образом передаточная функция дискретной системы имеет вид:

(80)

Заменим z на выражение от псевдочастоты : z=, где, получим:

(81)

(82)

Полученная ЛАЧХ приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы от псевдочастоты

По полученной ЛФЧХ и ЛАЧХ определяем запасы устойчивости по фазе и амплитуде. Опустив точку пересечения ЛАЧХ с осью lg(ω), получили, что запас устойчивости по фазе составляет 77,8⁰. Запас устойчивости по амплитуде бесконечен, так как график фазочастотной характеристики не пересекает ось 180⁰. Полученное значение запаса устойчивости по фазе и амплитуде достаточны, следовательно, данная система устойчива.

Фактически система устойчива, имеет запасы устойчивости, небольшой коэффициент усиления, обеспечивающий заданную точность, и будет корректно работать. Но для нашей системы автоматического управления важны среднечастотные и высокочастотные области работы, которые данная система не отрабатывает. Для улучшения системы в среднечастотной области произведем коррекцию системы.