Системы управления беспилотными летательными аппаратами

Редуктор с достаточной степенью точности можно описать пропорциональным звеном [3].
.

3.1.2 Передаточная функция датчика угла
Датчик положения и схема сопряжения будут подобраны таким образом, чтобы с достаточной степенью точности их можно было представить на структурной схеме в виде сумматора напряжений. Передаточная функция датчика положения с учетом дополнительного усиления в схеме суммирования имеет вид:

3.2 Структурная схема

Рисунок 3.2.1 - Структурная схема следящей системы
Структурная схема следящей системы представлена на рисунке 3.2. Передаточная функция двигателя
.
К двигателю подсоединен редуктор, с передаточной функции(ПФ )

а уже к редуктору подсоединяется объект управления и параллельно с ним датчик угла поворота с ПФ

Для представления единичной обратной связи ОС в структурной схеме добавляем на выходе дополнительное корректирующее звено с ПФ [3]

4 Синтез системы
4.1 Синтез регулятора методом ЛАЧХ
Требуется спроектировать регулятор, включенный последовательно с неизменяемой частью системы в контуре ошибки с передаточной функцией Wрег(s), который обеспечивает в замкнутой следящей системе с единичной обратной связью заданный набор показателей качества [3].



Рисунок 4.1.1 - Структурная схема проектируемой следящей системы
(где G(p) – задающее воздействие, E(p) – рассогласование, U(p) – управляющее воздействие, Y(p) – выходное воздействие, Wрег(p) – передаточная функция регулятора, Wнч(p) – передаточная функция неизменяемой части)
Параметры системы: передаточная функция неизменяемой части , максимальное ускорение , максимальная скорость , допустимая ошибка слежения , показатель колебательности М=1.2

Рисунок 4.1.2 – Асимптотическая ЛАХ неизменяемой части системы

По рисунку 4.2, где представлены ЛАХ неизменяемой части системы, можно сделать вывод, что система устойчива, но заданные показатели качества не выполняются, поэтому необходимо построить регулятор.
4.1.1 Построение желаемой ЛАХ
Для того чтобы система отрабатывала входное воздействие с постоянной ошибкой, не превышающей , в области низких частот желаемая характеристика системы должна проходить над или через точку, с координатами (), с наклоном - 20 дБ/дек.





Точке пересечения второй асимптоты с осью нуля децибел соответствуют координаты ()



В области средних и высоких частот асимптоты ЛАХ вычисляют по формулам:




Частота среза желаемой ЛАХ определяется по формуле:


а вторая сопрягающая частота желаемой ЛАХ:


В области верхних частот параметры регулятора практически не влияют на систему, поэтому желаемая ЛАХ совпадает с ЛАХ неизменяемой части и имеет наклон -40 дБ/дек.

Так как асимптотические ЛАХ в точках перегиба могут отличаться от реальных на 3дБ, желаемую ЛАХ дополнительно поднимаем вверх на 3 дБ.
Для определения запрещенной зоны для ЛАХ используем следующие формулы


тогда h=11 и µmax=0.98

Рисунок 4.1.1.1 – Желаемая ЛАХ

На рисунке 4.1.1.1 представлены желаемая ЛАХ , получаемая при включении в цепь неизменяемой части регулятора, удовлетворяющие заданным показателям качества.
4.1.2 Вычисление передаточной функции регулятора
Так как передаточная функция желаемой системы связана с передаточными функциями регулятора и неизменяемой части следующим соотношением
,
то по желаемой ЛАЧХ можно определить ЛАЧХ регулятора

По имеющимся ЛАЧХ составляем таблицу 4.1.2.1
Таблица 4.1.2.1 - Наклоны асимптот
w (0;13,3] [13,3;20] [20;28,8] [28,8; 63,25] [63,25; 316,22] [316,22; +∞) Lнч(w) -20 -20 -40 -40 -40 -40 Lж(w) -20 -40 -40 -20 -20 -40 Lрег(w) 0 -20 0 +20 +20 0 В соответствии с таблицей синтезируем передаточную функцию регулятора на основе минимальных фазовых звеньев




Рисунок 4.1.2.1– ЛАХ неизменяемой части, регулятора и желаемой системы
Передаточная функция регулятора имеет бесконечный запас устойчивости по фазе, благодаря чему передаточная функция всей системы получает дополнительный запас устойчивости по фазе.
4.1.3 Моделирование системы
Схема моделирования представлена на рисунке 4.1.3.1.

Рисунок 4.1.3.1 – Схема моделирования системы с регулятором



Рисунок 4.1.3.2 – Переходная функция системы с регулятором


Рисунок 4.1.3.3 – Математическое моделирование, гармоническое воздействие и ошибка
Как видно по рисунку 4.1.3.2 M=1.06 и переходная функция удовлетворяет заданным показателям качества.
Регулятор на основе построения пожелаемой ЛАХ обеспечивает время переходного процесса tп=0.22 c и перерегулирование σ=13%, ошибка слежения системы с таким регулятором emax(t)=2.4*10-3.
Преимущество регулятора на основе ЛАХ заключаются в низкой инерционности полученной следящей системы, в силу отсутствия дополнительных контуров обратных связей, и хорошей точности отработки входного воздействия.
Регулятор, построенный на основе метода желаемых ЛАЧХ, продемонстрировал сходные показатели качества, формируя при своем включении систему второго порядка.


5 Экономическая часть
5.1 Выбор аналога
Аналог объекта разработки – это объект, имеющий аналогичное функциональное назначение и являющийся лучшим по своим технико-эксплуатационным характеристикам на данный момент времени. Согласно этому определению аналогом объекта является технологический процесс-аналог, то есть процесс, позволяющий получить тот же объект производства, что и объект разработки. Разработка является некоммерческой, выполняется с целью получения нового метода, который по своим характеристикам превосходит существующие аналоги [4].
5.2 Определение товарного типа
Товарный тип объекта разработки устанавливается путем анализа рыночной цели его создания. Согласно классификации все объекты разработок делятся на пять товарных типов. Разрабатываемое изделие относится к разработке 5ого типа – разработке, выполняемой с некоммерческой целью.
5.3 Расчет сметы затрат на разработку
В состав сметной стоимости разработки входят следующие статьи затрат:
материалы, покупные изделия и полуфабрикаты,
специальное оборудование для проведения разработки,
основная заработная плата разработчиков,
дополнительная заработная плата,
отчисления на социальные нужды,
затраты на электроэнергию для технологических целей,
затраты на командировки,
контрагентские работы,
прочие затраты,
накладные расходы.
Сметная стоимость определяется методом сметного калькулирования или укрупненными методами.
Метод сметного калькулирования основан на прямом определении затрат по отдельным статьям. Стоимость материалов, покупных изделий, полуфабрикатов (Ci) оценивается по действующим рыночным ценам с учетом величины транспортно-заготовительных расходов по формуле
,
где n ― число позиций применяемых материалов;
m ― номенклатура примененных покупных изделий и полуфабрикатов;
- норма расхода материала, кг;
- цена материала, руб/кг;
- норма реализуемых отходов, кг;
- цена отходов, руб/кг;
- количество покупных изделий, полуфабрикатов j-ого вида;
- цена покупного изделия, полуфабриката j-ого вида, руб.;
- величина транспортно-заготовительных расходов, ;
Расчеты сведены в таблицу 5.3.1.







Таблица 5.3.1 – Расчет сметы

№
п.п Наименование материалов, покупных изделий,
п/фабрикатов Ед. Измерения Кол-во Цена
Единицы
(руб.) Сумма
(руб.) Транс-портно-
загото-
вительные
расходы Итого
Матер.
Затрат
(руб.)
1.


1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6

1.7
1.8
1.9
1.10
1.11 Покупные изделия и полуфабрикаты
Бумага
Авторучка
Карандаш
Линейка
Флеш-накопитель
Пакет“MatLab
for Windows 6.5”
Двигатель
Контроллер
Редуктор
Энкодер
Видеокамера



Лист
Шт.
Шт.
Шт.
Шт.
Шт.

Шт.
Шт.
Шт.
Шт.
Шт.


100
2
2
1
1
1

1
1
1
1
1


0.5
10
5
2
500
2500

2400
9900
7200
3300
12000


50
20
10
2
500
2500

2400
9900
7200
3300
12000



2.5
1
0.5
0.1
0.75
125

100
75
75
85
225



52.5
21
10.5
2.1
15.75
2625

2500
9975
7275
3385
12225
2.
Итого
37817,5
37882
689,85
38086,85
При использовании наличного оборудования в смету включаются только амортизационные отчисления по нормативам. Они рассчитываются по формуле:,
где HA― годовая норма амортизационных отчислений;
tn ― время использования оборудования для исследования (работы), число лет;
Цоб – цена единицы i-ого оборудования [4].
При данной разработке использовался один персональный компьютер. Время использования оборудования для разработки 46 дней (0,12 лет).
Годовая норма амортизационных отчислений 25%. Стоимость персонального компьютера 25 000 руб. Тогда по приведенной формуле получаем:
Соб=0,25*25000*0,12=750 руб.
Основная заработная плата разработчиков СОС.
Основная заработная плата разработчиков определяется по формуле: ,
где - количество категорий разработчиков;
- количество рабочих данной категории;
- среднечасовая заработная плата категории рабочих, руб.;
- продолжительность работы, выполняемой работником, час.;
Затраты по видам операций сведены в таблицу 5.3.2.
Таблица 5.3.2 - Затраты по видам операций
№
п.п Наименование
этапов разработки Исполнитель этапа разработки Длительность этапа разработки, рабочих дней. Количество человек Трудоемкость этапа разработки, чел.-ч. Зарплата, руб./мес. Среднечасовая зарплата, руб./ч. Затраты, руб 1. Анализ техни-ческого задания Руко-водитель проекта - 1 40 25000 142 5680 Инженер-
програм-мист - 1 40 20000 114 4560 Всего для этапа 1 5 2 80 - - 10240 2. Проек-
тирование Инженер-
програм-мист - 1 664 20000 114 75696 Всего для этапа 2 83 1 664 - - 75696 3. Итого 88 - 744 - - 85936
Дополнительная заработная плата.
К данной статье расходов относятся выплаты за неотработанное время, оплата отпусков, выплата вознаграждений за выслугу лет и т.д.. Дополнительная заработная плата () определяется по формуле:
,
где d – норматив затрат на дополнительную зарплату от основной, d=10..15%.
Таким образом, дополнительная заработная плата составит:
руб.
Отчисления на социальные нужды.
Отчисления в социальные внебюджетные фонды определяются по формуле:
,
где r – суммарная величина отчислений в социальные внебюджетные фонды 26% .
Таким образом, отчисления в социальные внебюджетные фонды составят:
руб.
Затраты на электроэнергию для технологических целей (СЭН) определяются по формуле:
,
где l ― количество единиц оборудования, используемого для разработки;
Wi ― мощность i-го оборудования по паспорту, кВт;
Ti ― время использования i-го оборудования для проведения разработки, ч;
Ckr ― стоимость одного кВт-час электроэнергии, руб.;
KWi ― коэффициент использования мощности i-го оборудования (KWi < 1).
При разработке использовался 1 персональный компьютер, мощностью 0,45кВт при стоимости одного кВт-час 2,81 руб. Коэффициент использования мощности его 0,9. Разработка длилась 46 дней (368 ч). Тогда по формуле получаем:
.
Затраты на освещение, отопление и т. п. учитываются в накладных расходах.
Затраты на командировки (CКОМ) включают расходы, связанные с проведением данной разработки: количество командировок, их продолжительность, стоимость проезда в оба конца, суточные, квартирные и другие связанные с командировками затраты [4]. Их общая величина вычисляется по формуле:
,
где k ― количество видов командировочных затрат;
Ci ― суммарная величина затрат по i-му виду затрат.
При данной разработке затрат на командировки не осуществлялось. СКОМ=0.
Контрагентские работы, т.е. работы, выполняемые сторонними организациями непосредственно для данной разработки, складываются из затрат на работы и услуги вычислительных центров, опытных заводов, испытательных стендов и т. п. Сторонние организации не привлекались.
К статье «Прочие затраты» (Сn) относятся затраты, связанные с оплатой экспертиз, консультаций, получением патентной информации, арендой помещений и т. п. Эти затраты определяются на основе статистической информации и задаются в процентах к суммарной величине предыдущих статей (не более 10%) или оговаривается их конкретная договорная стоимость. Затраты определяются на основе статистической информации в процентах от статей 2,3; 2,4; 2,5 (но не более 5%) и в данной курсовой работе составят:
*0,05%,
(18000+1800+7227)*0,05=1351 руб.
Накладные расходы (СН) начисляются в процентах к основной заработной плате (от 70 до 100%). В данную статью следует включить расходы на управление и хозяйственное обслуживание, которые в равной степени относятся к выполняемым расходам. Это зарплата аппарата управления, общехозяйственных служб, затраты на содержание и ремонт зданий и т.д. В данной курсовой работе величина накладных расходов принята равной 70% от основной заработной платы:
*70%,
18000*0,7=12600 руб.
Полученные в результате расчетов данные сведем в таблицу 6.3.
Общая сметная стоимость разработки (Ср) определяется суммированием ее составляющих:
.












Таблица 5.3.3 – Расчет общей сметной стоимости

№ п.п.
Статьи затрат
Условные
Обозначения
Величина
Затрат (руб.)
Доля затрат
(%)
1.

2.

3.


4.


5.

6.

7.
8.
Материалы, покупные изделия,
Отчисления на социальные нужды
Основная заработная плата разработчиков
Дополнительная заработная плата
разработчиков
Амортизационные
отчисления
Затраты на электро- энергию
Прочие затраты
Накладные расходы
С

С

С

С


С

С
С
С

38086,85


7227

18000

1800


3127


80
1351
12600

46,42


8,24

22,52

2,06


3,27


0,9
1,54
15,05
Общая сметная стоимость С
82771 100
Экономические показатели разработки приведены в таблице 5.3.4.
Таблица 5.3.4 - Экономические показатели разработки
Показатели Ед. изм. Разработка Экономические показатели Трудоемкость разработки чел.-дн. 46 Число разработчиков чел. 2 Сметная стоимость разработки руб. 44350


Заключение
В процессе разработки курсового проекта была достигнута цель технического задания - разработать систему управления положением видеокамеры на подвижном основании, осуществляющую удержание неподвижного объекта в поле зрения видеокамеры, отвечающую заданным требованиям.
Общие характеристики системы:
Максимальная скорость
Диапазон изменения угла
Максимальная ошибка слежения
Электропривод
Сигнал задания
Базовый источник питания
34 град/с
0-40 град
0,2 град
Постоянного тока
Шина USB
42 В
Система способна обеспечивать заданное положение видеокамеры с ошибкой не превышающей 0,2 градуса. Масса разработанной системы не превышает 5 кг, что позволяет использовать ее в качестве полезной нагрузки БПЛА класса «мини». Стоимость разработки системы не превышает 40,000 руб., т.е. система обладает большим экономическим потенциалом.
В результате можно сделать вывод о том, что разработанное устройство обладает высокой практической применимостью и экономической эффективностью.






Литература
Синдеев И.М., Савелов А.А. Системы электроснабжения воздушных судов: учеб. для вузов, М.: Транспорт, 1990, 296 с.
http://www.ptero.ru/ – сайт проекта Ptero E4 компании ООО «АФМ-Cерверс».
Н.А. Бабаков, А.А. Воронов Теория автоматического управления: учеб. для вузов по спец. ”Автоматика и телемеханика” - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. , 1986. 504 с

















Wрег(p)

Wнч(p)

G(p)


E(p)


U(p)


Y(p)


-180

φнч(ω)

φж(ω)

tп

Δ=5%


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

НАТК.221000.300 ПЗ