Проектирование газовой силовой системы управления, работающей в пропорциональном режиме

Техническое задание Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

1. Общие сведения

2. Устройство исполнительных двигателей

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

4. Принципиальная схема рулевого тракта

5. Проектирование газовой силовой системы управления

6. Моделирование

Техническое задание

Спроектировать газовую силовую систему управления, работающую в пропорциональном режиме. Входной сигнал гармонический с частотой в диапазоне. В диапазоне частот входного сигнала во всех режимах работы система должна обеспечивать отработку полезного сигналя с амплитудой не менее д₀ при фазовых сдвигах, не превышающих фазовые сдвиги апериодического эвена с постоянной времени Т_ГССУ.

Основные исходные данные:

а)коэффициент передача системы ;

б)максимальный угол отклонения рулевых органов д_т;

в)расчетное время функционирования;

г)величины, характеризующие динамические свойства системы; в простейшем варианте сюда входят значения предельной частоты входного сигнала щ₀, амплитуда д₀ отрабатываемого приводом сигнала на частоте щ₀ (величина обычно задается в пределах 0,8 … 1,0), значение постоянной времени эквивалентного апериодического звена Т_ГСУ;

д)нагрузки на рулевых органах — инерционная нагрузка, задаваемая моментом инерции нагрузки J_Н;

— коэффициент трения f;

— коэффициент шарнирного момента т_ш.

Если коэффициент т_ш. изменяется во времени, то может быть задан график его изменения во времени. В простейшем случае задают экстремальные значения этого коэффициента. Обычно максимальное значение отрицательной нагрузки соответствует начальному моменту функционирования; в конечный момент пропорциональная нагрузка зачастую положительная и тоже имеет экстремальную жесткость.

Таблица начальных параметров моделирования

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

рулевой двигатель пневматический газовый

1. Общие сведения

Пневматические и газовые исполнительные устройства находят широкое применение в системах управления малогабаритными летательными аппаратами. Альтернативой традиционным системам с первичными источниками энергии исполнительных устройств — систем с газобаллонными источниками сжатых газов и систем с предварительной газификацией различных веществ, явилось создание устройств, относящихся к принципиально новому семейству — систем воздушно-динамических рулевых приводов.

Исполнительные устройства данного класса являются сложными следящими системы автоматического управления, которые в составе изделия в процессе хранения, транспортировании и эксплуатации подвергаются существенному воздействию климатических, механических других внешних воздействий. Отмеченные выше особенности условий применения и режимов эксплуатации, учет которых обязателен при разработке новых систем позволяют отнести их к классу мехатронных систем.

При выборе типа и определении параметров системы рулевого привода БУЛА обычно исходят из двух способов управления: аэродинамического и газодинамического. В системах управления, реализующих первый способ, управляющее усилие создается за счет активного воздействия на аэродинамические рули скоростного напора набегающего потока воздуха. Рулевые приводы предназначены для преобразования электрических сигналов управления в механическое перемещение аэродинамических рулей, жестко связанных с подвижными частями исполнительных двигателей приводов.

Исполнительный двигатель преодолевает действующие на рули шарнирные нагрузки, обеспечивая необходимую скорость и необходимое ускорение при отработке заданных входных сигналов с требуемой динамической точностью.

К системам управления, реализующим второй способ, относятся:

— автономные газореактивные системы автоматического управления;

— системы управления вектором тяги (СУВТ).

В настоящее время для первого способа управления широко применяются устройства, в которых в качестве источника энергии используется газ высокого давления. К данному классу устройств, например, можно отнести:

— системы рулевых приводов с газобаллонными источниками сжатого воздуха или воздушно-газовой смеси;

— системы с пороховыми аккумуляторами давления или с другими источниками рабочего тела, являющегося продуктом предварительной газификации твердых и жидких веществ.

Такие системы обладают высокими динамическими характеристиками. Отмеченное достоинство вызывает к таким системам рулевых приводов большой интерес со стороны разработчиков и делают их важными объектами теоретического и экспериментального исследования.

Создание высокотехнологичных рулевых приводов систем управления БУЛА традиционно связано с поиском новых схемных и конструктивных решений. Особым, радикальным решением проблемы создания высокотехнологичных рулевых приводов явилось использование для управления энергии, обтекающего ракету воздушного потока. Это привело к созданию нового, особого класса исполнительных устройств — воздушно-динамических рулевых приводов (ВДРП), использующих в качестве первичного источника энергии, энергию набегающего потока газа, т. е. кинетическую энергию БУЛА.

Настоящие указания посвящены вопросам устройства, применения и методам исследования и проектирования исполнительных мехатронных модулей систем управления малогабаритных БУЛА. В нем отражены сведения, которые в первую очередь могут быть полезными для студентов специальностей «Мехатроника» и «Системы автоматического управления летательными аппаратами».

2. Устройство исполнительных двигателей

Системы рулевого привода включают следующие функциональные элементы.

1. Устройства, обеспечивающие создание силового воздействия на органы управления:

— источники питания — первичные источники энергии (источники сжатых газов и источники электрической энергии — батареи и турбогенераторные источники электрической энергии);

— исполнительные двигатели, кинематически связанные с органами управления, и элементы энергетических магистралей — например, воздушные и газовые фильтры, обратные и предохранительные клапаны, регуляторы давления газа систем с газобаллонными источниками сжатого газа, регуляторы скорости горения пороховых аккумуляторов давления, устройства забора и сброса воздуха ВДРП и т. п.

2. Функциональные элементы, которые устанавливают соответствие формируемого в системе управления управляющего сигнала и необходимого силового воздействия — преобразователи и усилители электрических сигналов, электромеханические преобразователи, различного вида датчики.

Для конкретизации областей исследования задач, стоящих при разработке рулевых приводов, в их составе выделяют силовую и управляющую системы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема рулевого привода летательного аппарата Силовая система объединяет функциональные элементы рулевого привода, которые непосредственно участвуют в преобразовании энергии источника питания в механическую работу, связанную с перемещением позиционно нагруженных органов управления. Управляющую систему составляют функциональные элементы рулевого привода, которые обеспечивают изменение регулируемой величины (координаты положения органов управления) по заданному или выработанному в процессе полета ЛА закону управления. Несмотря на несколько условный характер выделения силовой и управляющей систем, что связано с необходимостью включения ряда функциональных: элементов рулевого привода как в силовую, так и в управляющую систему, практическая полезность такого обособления заключается в возможности разнопланового представления рулевого привода при решении различных задач в процессе разработки.

В системе газового рулевого привода можно выделить следующие подсистемы:

— первичный источник энергии;

— исполнительный двигатель;

— газораспределительное устройство с управляющим электромеханическим преобразователем;

— электрическая управляющая система — усилители, корректирующие устройства, генераторы вынуждающих колебаний и т. п.;

— первичные преобразователи — датчики линейных и угловых перемещений подвижных частей механических подсистем.

Для классификации систем газовых рулевых приводов, в общем случае, могут быть использованы следующие классификационные признаки:

— тип силовой системы, т. е. тип первичного источника энергии;

— принцип управления аэродинамическими рулями;

— тип контура управления для устройств с пропорциональным движением рулевых органов;

— тип исполнительного двигателя;

— тип распределительного устройства и управляющего электромеханического преобразователя.

1. Системы с газобаллонным источником сжатого газа. Источником газа высокого давления является воздушно-арматурный блок, в состав которого помимо баллона со сжатым воздухом или воздушно-гелиевой смесью входит предохранительная, запорно-распределительная и регулирующая газовая арматура и арматура для заправки и контроля давления в баллоне. В технической литературе такие системы часто называют «пневматическими».

2. Системы с пороховым аккумулятором давления. Источником газа высокого давления в данном случае является твердотопливный пороховой заряд специальной конструкции, обеспечивающий постоянную производительность рабочего тела — продуктов горения заряда, имеющих высокую температуру. В состав таких систем помимо непосредственно источника газа и устройства включения источника газа в работу, могут входить регуляторы скорости горения топлива и предохранительные устройства. В технической литературе при описании таких систем часто используется термин «горяче-газовые» или просто «газовые».

3. Электромагнитные рулевые приводы. Основой таких устройств обычно является электромеханический преобразователь нейтрального типа, который непосредственно осуществляет заданное движение аэродинамических рулевых органов.

Исполнительный двигатель — устройство преобразующее энергию сжатого газа в перемещение рулевых органов, преодолевающее усилие, создаваемое воздушным потоком обтекающего БУЛА.

По конструктивному исполнению, можно выделить следующие группы исполнительных двигателей.

1. Поршневые — одностороннего и двухстороннего действия. Устройства, наиболее часто применяемые, как в специальной технике, так и в системах автоматизации технологических процессов.

Рис. 1. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа — поршневой, с одним силовым цилиндром.

Рис. 2. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа — с двумя силовыми цилиндрами.

Работой исполнительного двигателя управляет газовое распределительное устройство (ГРУ).

Назначение ГРУ заключается в попеременном сообщении рабочих полостей исполнительного двигателя привода с источником сжатого газа либо с окружающей средой (атмосферой бортового отсека привода). По характеру решаемой коммутационной задачи, ГРУ в общем случае делятся на устройства:

— с управлением «на входе» — изменяются площади впускных отверстий в рабочие полости;

— с управлением «на выходе» — изменяются площади выпускных отверстий из рабочих полостей;

— с управлением «на входе и выходе» — изменяются площади как впускных, так и выпускных отверстий.

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

При математическом моделировании системы рулевого газового привода (СРГП), как элемента системы управления БУЛА, функционирующего в обтекающем его потоке воздуха, областью исследований является совокупность геометрических, электромеханических параметров и параметров рабочего тела — воздуха или другого сжатого газа, а также функции состояния электромеханических, аэрогазодинамических процессов и процессов управления, протекающих во всем многообразии причинно-следственных связей. При имеющих место преобразованиях одних видов энергии в другие, наличии распределенных полей и структурно — сложного представления реальных механизмов в рассматриваемой физической области исследований создание математических моделей, обеспечивающих требуемую степень достоверности инженерных расчетов, достигается за счет введения теоретически и экспериментально обоснованных идеализаций. Уровень идеализации определяется целями создаваемого математического обеспечения.

Математическая модель рулевого привода:

где

p₁, р₂ — давление газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

S_П — площадь поршня рулевого привода, Т₁, Т₂ — температура газа в полости 1 или 2 рулевого привода, Т_сп — температура стенок рулевого привода,

V — скорость поршня рулевого привода,

F_пр — сила поджатия пружины,

h — коэффициент вязкого трения,

— коэффициент шарнирной нагрузки, М — приведенная масса подвижных частей.

Рис. 3 Типовые графики переходных прочцессов.

4. Принципиальная схема рулевого тракта

Рулевой тракт газовой силовой системы управления может строиться с механической, кинематической, электрической обратной связью или не иметь главной обратной связи. В последнем случае привод обычно работает в релейном режиме («да — нет»), а при наличии обратной связи — в пропорциональном. В настоящей разработке будут рассматриваться рулевые тракты с электрической обратной связью. Сигнал рассогласования в этих трактах может усиливаться либо линейным, либо релейным усилителем.

Принципиальная схема рулевого тракта с линейным усилителем дается на рис. 5.

Рис. 4. Схема рулевого тракта На схеме обозначено: W_Ф(р), W_З(р), W_п(р), W_ос(р) -передаточные функции корректирующего фильтра, электромеханического преобразователя, привода, цепи обратной связи соответственно. Коэффициент усиления линейного усилителя в данной схеме входит множителем в коэффициент первачи ЭМП.

Выбор параметров привода производится таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот и амплитуд отрабатываемого сигнала не имело место ограничение по координатам х и Х. В связи с этим нелинейности в виде ограничений по этим величинам при формировании рулевого тракта не учитываются.

5. Проектирование газовой силовой системы управления

Методика проектирования Выбирается тип исполнительного привода и принципиальная схема рулевого тракта. Тип привода определяют исходя ив требований и условий эксплуатации. При длительном времени функционирования и высоких значениях температуры Т_р предпочтительнее схема привода с регулированием на выходе. Для выбора принципиальной схемы целесообразно провести предварительную проработку различных схем, оценить приближенно их возможности (эксплуатационные, динамические, массу, габариты) и выбрать наилучший вариант. Такая задача, состоящая в приближенном расчете характеристик ГССУ различных схем, должна решаться на начальном этане разработки системы. В некоторых случаях тип принципиальной схемы может быть однозначно выбран уже на начальной стадии работ и оговорен в техническом задании.

Рассчитываются обобщенные параметры привода. Методика этого расчёта определяется типом выбранной принципиальной схемы рулевого тракта. Здесь излагается методика применительно к рулевому тракту с электрической обратной связью:

а) выбирается величина нагрузочного коэффициента у:

где ;

— максимальное значение коэффициента шарнирной нагрузки;

М_т — максимальный момент, создаваемый приводом,

где l — плечо механической передачи.

От выбора величины у зависит потребная мощность привода. Оптимальное значение у_опт, соответствующее минимуму потребной мощности привода может быть определено как решение кубического уравнения

;

Численное значение у_опт обычно лежит в пределах 0,55 … 0,7. При атом величина назначается в диапазоне 1,2? 1,3. Величина отношения и зависят от типа выбранного исполнительного привода. Так. для приводов с газораспределителем типа сопло — заслонка,; для приводов со струйной трубкой, .

Параметр q в зависимости для величины должен соответствовать режиму I. Его величина определяется либо по результатам теплового расчета, либо по данным экспериментов с аналитичными устройствами. Здесь будем полагать, что закон изменения параметра q по времени задан в виде аппроксимирующей зависимости для различных значений температуры окружающей среды.

Величина б₀ — амплитуда движения якоря ЭМП для рулевого тракта с линейный усилителем принимается равной у_м, т. е., а для систем с релейным усилителем, работающих в режиме ШИМ на распределительном устройстве величина принимается в диапазоне 0,7? 0,8;

б) при выбранном значении величины у вычисляется максимальный момент, развиваемый приводом:

;

в) определяется необходимое значение угловой скорости Щ_т, обеспечиваемой приводом.

Величина Щ_т находится из условий отработки газовым приводом гармонического сигнала частотой щ_т и амплитудой д₀. Амплитуда движения якоря ЭМП б₀ при этом принимается такой же, как в предыдущем расчете.

В области низких частот () динамика привода при относительно малой инерционности механического звена может быть описана апериодическим звеном. Можно получить следящие выражения :

где

;

Для апериодического звена

.

Из последней зависимости после преобразований получим формулу для расчета потребного значения Щ_max:

.

Рассчитываются конструктивные параметры приводов.

Определяются плечо механической передачи l, диаметр поршня силового цилиндра D_П, величина свободного хода привода Х_т..

Рис. 5 Конструктивная схема ИД.

При определении плеча l нужно задаться соотношением между свободным ходом поршня и его диаметром.

Из соображений компактности разрабатываемой конструкции силового цилиндра можно рекомендовать соотношение .

При Х = Х_т максимальный момент, создаваемый приводом, должен в раз превосходить максимальный момент от нагрузки, т. е.

.

С учетом принятого соотношения из последнего равенства получим зависимость

.

Максимальный перепад давлений в полостях силового цилиндра Др_тах зависит от величины р_р, типа и соотношений геометрических размеров распределительного устройства, а также от интенсивности теплообмена в полостях. При расчетах величины l можно ориентировочно принимать для приводов с газораспределителем типа сопло-заслонка Др_тах = (0,55? 0,65) р_р, при использовании струйникого распределителя Др_тах = (0,65? 0,75) р_р.

При расчете величины l величина Др_тах должна соответствовать режиму I.

При относительно малых значениях д_тах

;

.

В процессе расчетов все линейные геометрические размеры должны округляться в соответствии с требованиями стандартов.

Рассчитываться параметры газораспределительного устройства привода. Этот расчет ведется из условия, чтобы в наихудшем случае, т. е. в режиме I, обеспечивалась скорость привода не ниже, где Щ_т — значение угловой скорости. Здесь будут даны методики расчетов геометрических параметров для двух конструктивных разновидностей газораспределителей: со струйной трубкой и с соплом и заслонкой. Первый из названных распределителей реализует регулирование газового потока по принципу «на входе и выходе». В этом случае максимальная установившаяся скорость привода определяется зависимостью

.

Из чего следует

.

При расчетах по зависимости значения Т_р и q должны соответствовать режиму I.

Учитывая характерные для данного распределителя соотношения размеров, принимают, .

Рациональное соотношение площадей с и, а обеспечивает наилучшие энергетические возможности привода и лежит в пределах. Из этих соображений находится величина С. Рассчитав величины а, с,, следует определить основные геометрические размеры распределителя.

Рис. 6. Расчетная схема газораспределителя «струйная трубка».

Диаметр приемного окна распределителя определится из условия

откуда

где коэффициент расхода м = 0,75 … 0,85.

Согласно рекомендациям, выработанным инженерной практикой, целесообразно назначать следующие соотношения геометрических размеров струйникового распределителя: d_c = (0,7 … 0,8) d_n; Д = 0,08 d_c; Д_з = 0,2 d_c.

Величина максимального перемещения конца струйной трубки, а длинна струйной трубки .

При известном значении x_m вычисляют величины b и d.

Газораспределительное устройство типа «сопло — заслонка» реализует регулирование газового потока «на выходе» .

Для этого случая

.

Из этого следует:

.

При расчетах следует принимать отношение. Величины Т_р и q соответствуют режиму I.

Рис. 7 Расчетная схема газораспределителя «сопло-заслонка».

Диаметр сопла d_c выбирается таким образом, чтобы эффективная площадь была не менее чем в 2 раза больше максимальной площади выпускного отверстия:

т. е. .

При выбранном значении d_c находят величину b: b = мрd_c; вычисляют максимальное значение координаты х_т и величину

.

После разработки конструкции газораспределительного устройства определяются нагрузки на его подвижных частях и проектируются или выбираются ЭМП. Определяется также потребный расход рабочего тела, что необходимо для проектирования (или выбора) источника питания.

При известных конструктивных и эксплуатационных параметрах привода могут быть определены по зависимости (I) параметры его струйной схемы как для режима I, так и дал режима II, после чего возможно формирование рулевого тракта.

Формирование контура рулевого тракта проводится с учетом экстремальных режимов его работы. На первом этапе формирования строятся частотные характеристики разомкнутого контура в режиме I (величина коэффициента k₃ временно неизвестна).

Исходя из требования по динамической точности замкнутого контура находим допустимую величину фазового сдвига на частоте щ₀:

ц_з (щ₀) = arctg щ₀ Т_ГССУ.

При известном значении величины фазового сдвига для разомкнутого контура ц_р (щ₀), определенного в результате построения частотных характеристик, и определенном значении ц_з (щ₀) находим требуемое значение амплитудной характеристики А_р(щ₀) разомкнутой системы на частоте щ₀. Для этой цели удобно использовать номограмму замыкания. После этого амплитудная характеристика контура в режиме I оказывавшей однозначно определенной, а следовательно, определяется и значение коэффициента разомкнутого контура К_р.

Поскольку в контур еще не введен корректирующий фильтр, величина К_р определяется зависимостью К_р = k_э K_n k_oc. Величина коэффициента обратной связи может быть определена по коэффициенту передачи замкнутого контура:. Тогда можно вычислить значение коэффициента k_э:, а в дальнейшем рассчитать и требуемое значение коэффициента усиления усилителя напряжения

6. Моделирование

Используя данные из таблицы, проведём моделирование системы сначала в программе PROEKT_ST.pas. Рассчитав таким образом пригодность параметров системы, продолжим моделирование в PRIVODKR. pas и рассчитаем в ней время срабатывания.

Заполним таблицы на основании полученных параметров:

Повысим температуру:

Понизим давление:

Повысим температуру (при пониженном давлении)

Основная литература

1. Горячев О. В. Основы теории компьютерного управления: учеб. пособие / О. В. Горячев, С. А. Руднев. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008 .— 220 с.(10 экз.)

2. Пупков, К. А. Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник для вузов: в 5 т. Т.5. Методы современной теории автоматического управления / К. А. Пупков [и др.]; под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: МГТУ им. Баумана, 2004. — 784 с.(12 экз.)

3. Чемоданов, Б. К. Следящие приводы: в 3 т. Т.2. Электрические следящие приводы / Е. С. Блейз, В. Н. Бродовский, В. А. Введенский и др. / Под ред.Б. К. Чемоданова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. — 878с. (25 экз)

4. Электромеханические системы: учеб. пособие/Г.П. Елецкая, Н. С. Илюхина, А. П. Панков. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2009.-215 с.

5. Геращенко, А. Н. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учеб. пособие для вузов / А. Н. Геращенко, С. Л. Самсонович;под ред.А. М. Матвеенко .— М.: Машиностроение, 2006 .— 392с. (10 экз)

6. Наземцев, А. С. Гидравлические и пневматические системы. Ч.1, Пневматические приводы и средства автоматизации: Учеб. пособие / А. С. Наземцев .— М.: Форум, 2004 .— 240с. (7 экз)