Разработка системы автоматического управления наведением наземных пусковых установок ЗРК «Круг»

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Техническое задание

2. Расчет устойчивости системы

3. Построение логарифмической характеристик САУ

3.1 Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ САУ

3.2 Построение желаемой ЛАЧХ и ЛФЧХ

4. Синтез корректирующих звеньев

4.1 Синтез параллельного корректирующего звена

4.2 Синтез программного корректирующего устройства

4.3 Выбор корректирующего устройства

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсового проекта является разработка системы автоматического управления наведением наземных пусковых установок ЗРК «Круг».

Эпоха боевой электроники уже наступила. В высокотехнологичных войнах XXI века ударной силой станут роботизированные комплексы.

Уже во Второй мировой войне для своевременного обнаружения самолетов противника и наведения на них зенитной артиллерии начали применяться новые средства — радиолокационные станции (РЛС), что сразу же позволило резко повысить эффективность поражения самолетов противника. Это вынудило искать средства нейтрализации РЛС, что привело к разработке и производству самолетных станций помех, а также аппаратуры постановки так называемых пассивных помех в виде выброса металлизированных лент-диполей, которые «ослепляли» экраны РЛС, нарушая их нормальную работу.

Однако радикальное противостояние между авиацией и средствами ПВО возникло с появлением зенитно-ракетных средств и комплексов, как стационарных, так и подвижных, способных действовать и прикрывать не только важные государственные и военные объекты, но и группировки войск. Резко возросли зоны поражения (высота и дальность стрельбы), а главное — эффективность поражения целей. Для наведения (самонаведения) ракет на самолеты противника стали использоваться не только РЛС широкого спектра частот, но и ракеты с инфракрасными (тепловыми) головками самонаведения.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Зенитный ракетный комплекс «КРУГ» предназначен для противовоздушной обороны войсковых группировок и объектов. Он способен поражать самолеты армейской, тактической и стратегической авиации, вертолеты огневой поддержки, крылатые ракеты и дистанционные пилотируемые летательные аппараты, летящие на малых и средних высотах со скоростью до 600 м/с.

Необходимо разработать систему автоматического управления, позволяющая осуществлять наведение наземных пусковых установок ЗРК «Круг». Структурная схема данной системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема САУ наведения ЗРК «Круг».

В состав САУ входят следующие основные устройства:

— микропроцессорная система (МПС);

— усилитель напряжения (У);

— двигатель постоянного тока (Дв);

— редуктор (Р);

— датчик обратной связи (Д) — тахогенератор;

Работает система следующим образом.

Значение переменной со-стояния объекта с помощьюдатчика угла поворота вводится в микроконтроллер, сравнивается с заданным зна-чением. Микроконтроллер в соответствии с алгоритмом управления формирует переменное управление U, которое через усилитель (предназначен для преобразования маломощного сигнала управления с МК до необходимого уровня) воздей-ствует на скорость вращения двига-теля и через редуктор скорость вращения платформы.

Параметры регулируемой системы:

— скорость вращения в нагрузке ЩН = 22 с-1;

— ускорение в нагрузке еН =2,1 с-2;

— скорость ускорения в нагрузке gH =0,9 с-3;

— момент инерции нагрузки JН = 6,3 кг? м2;

— вращающий момент в нагрузке MН = 8103 Н? м;

— максимальный интервал обновления данных (период дискретности)

T0 = 1 сек;

— масса платформы m=320 кг.

— скорость поворота платформы, град./с 36

Требования к проектируемому регулятору:

Время регулирования tp 0.5 c;

Колебательность М 1,2;

Перерегулирование 20%;

Максимально допустимое отклонение регулируемой величины в установившемся режиме 4%;

2. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ Подставим найденные передаточные функции в структурную схему системы (рисунок 4).

Рисунок 4 — Структурная схема САУ наведения ЗРК «Круг».

Передаточная функция замкнутой системы:

(24)

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

(25)

Т.е., (26)

График переходного процесса приведен на рисунке 5

Рисунок 5 — График переходного процесса САУ По полученному переходному процессу определим показатели качества САР:

Установившееся значение hуст=4.55

Тогда 5% интервал отклонения от установившегося значения будет соответствовать следующей величине.

Перерегулирование

(27)

3) Время переходного процесса tп=3 с.

Время нарастания регулируемой величины tн=5,7 c.

5) Время первого согласования (время, когда регулируемая величина в первый раз достигает своего установившегося значения) t1=5,7 c.

Период колебаний Т=?.

Частота колебаний .

Колебательность (число колебаний за время колебательного процесса) n=0.

Декремент затухания .

Определим косвенные оценки качества. Для этого построим амплитудно-частотную характеристику (рисунок 6).

Рисунок 6 — амплитудно-частотная функция САУ

1) Резонансная частота (частота при которой АЧХ достигает своего максимального значения) щР=0

2) Показатель колебательности. (29)

3) Частота среза — частота, при которой АЧХ достигает значения, равного 1. Следовательно ср=4.

Проверим устойчивость САУ по критерию Шур-Кона.

Для того, чтобы импульсная САУ была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы определители Шур-Кона с четным индексом были положительны, а с нечетным — отрицательны.

Проведем z-преобразование передаточной функции САУ.

(30)

Для этого разложим передаточную функцию замкнутой системы на элементарные дроби:

Для каждой дроби запишем соответствующие z-преобразования, получим:

(31

их сумму умножим на, и после подстановки времени дискретизации Т=1 с и упрощений получим следующий вид передаточной функции:

(32)

Таким образом, получили характеристическое уравнение в z — форме вида:

Или (33)

Составим определители Шур-Кона Так как нечетный определитель отрицателен, а четный со знаком плюс, следовательно, система является устойчивой.

3. ПОСТРОЕНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САУ

3.1 Построение ЛАЧХ и ФЧХ САУ Для дальнейшего исследования, передаточную функцию разомкнутой системы подвергаем z — преобразованию.

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Wр (p) = (34

Запишем для каждой дроби соответствующее z-преобразование и умножим на при Т=1,2 с, получим:

(35)

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

Упростив выражение, получим:

(36)

Определим точки излома ЛАЧХ.

(37)

где Т1=0,5, ;

(38)

где Т2=0,43, ;

20lg (0.94)= -0.53 дБ — ордината начальной точки ЛАЧХ.

Полученная ЛАЧХ приведена на рисунке 7

Рисунок 7 — ЛАЧХ разомкнутой системы

Построение ЛФЧХ производят по выражению:

ЛФЧХ разомкнутой системы приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 — ЛФЧХ разомкнутой системы управления

3.2 Построение желаемой ЛАЧХ Желаемой называют асимптотическую ЛАЧХ разомкнутой системы, имеющей желаемые (требуемые) статические и динамические свойства. ЖЛАЧХ состоит из трех основных асимптот: низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной. Среднечастотная асимптота ЛАЧХ разомкнутой системы и ее сопряжение с низкочастотной определяют динамические свойства системы — устойчивость и показатели качества переходной характеристики.

Поскольку в исходной САУ присутствует дискретное устройство, построение желаемой ЛАЧХ (ЖЛАЧХ) ведется методом запретных зон.

Построение ЖЛАЧХ начинаем с построения запретной зоны, геометрия которой определяется положением рабочей точки.

Частота рабочей точки определяется выражением.

lg (0.43)= -0.4(с-1) (40)

Значения (=0,9 — скорость обработки сигнала; =2,1 — ускорение) заданы в техническом задании.

Найдем значение амплитуды рабочей точки:

(41)

Определим координаты рабочей точки:

20lоg (Aр)=21 (дБ) Следовательно, рабочая точка имеет координаты (0,4; 21). Через полученную точку Ар проводим прямую с наклоном -20 дБ/дек. Данная прямая ограничивает сверху «запретную зону».

По номограмме Солодовникова (Рисунок 9) и желаемому перерегулированию, колебательности (М=1,2) и времени регулирования (tр=0.5 c) определяем частоту среза:

где b=2,5. (42)

lg (15.7)=1.2 (с-1).

Рисунок 9 — Номограмма Солодовникова Определим среднечастотную область, с верхней границей (дБ) и с нижней границей (дБ).

Наклон ЖЛАЧХ в среднечастотной области равен -20 дБ/дек. Наклон ЖЛАЧХ в высокочастотной области должен быть близким к наклону исходной ЛАЧХ. ЖЛАЧХ приведена на рисунке 10.

Построенная желаемая ЛАЧХ лежит выше точки Ар, то есть не попадает в запретную область.

Передаточная функция полученной желаемой ЛАЧХ запишется в виде:

(43)

Рисунок 10 — ЛАЧХ, ЖЛАЧХ разомкнутой системы ЖЛФЧХ разомкнутой системы приведена на рисунке 10

Рисунок 11 — ЖЛФЧХ разомкнутой системы

4. СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЗВЕНЬЕВ

4.1 Синтез параллельного корректирующего звена

Коррекция динамических свойств САР осуществляется для выполнения требований по точности, устойчивости и качеству переходных процессов.

Коррекция применяется также как средство обеспечения устойчивости неустойчивой системы или расширения области устойчивости, а также повышения качества переходного процесса.

Осуществляется коррекция с помощью введения в систему специальных корректирующих звеньев с особо подобранной передаточной функцией. Принципиально корректирующие звенья могут включаться либо последовательно с основными звеньями САУ, либо параллельно им (существуют и комбинированные способы включения). Соответственно, по способу включения в систему корректирующие звенья делятся на последовательные и параллельные.

Для обеспечения необходимой точности наведения зенитной установки в разомкнутую цепь необходимо параллельно включить корректирующее устройство, т. е. необходимо произвести синтез параллельного корректирующего устройства.

Передаточная функция параллельного корректирующего устройства находится по выражению:

Wk (л)=1/Wж (л) (44)

Это значит, что ЛАЧХ параллельного корректирующего звена может быть получена из ЖЛАЧХ домножением ее на минус 1.

(45)

Следовательно, получаем передаточную функцию параллельного корректирующего звена в виде:

(46)

Построим ЛАЧХ корректирующего устройства.

Рисунок 12 — ЛАЧХ параллельного корректирующего устройства По найденной Wк подбирается соответствующее корректирующее устройство, представленное на рисунке 13.

Рисунок 13 — Параллельное корректирующее устройство Рассчитаем параметры корректирующего устройства:

С = 10мкФ;; Ом;

Ом

4.2 Синтез программного корректирующего устройства Для того чтобы синтезировать программное корректирующее устройство запишем передаточную функцию последовательного корректирующего устройства в виде z — разностных уравнений, проведем обратное z — преобразование и вычислим коэффициент ошибки управления.

Введем замену, получим

(48)

Введем следующую замену, получим функцию вида

(49

Домножим числитель и знаменатель на 1/z, тогда:

(50)

Запишем разностное уравнение в реальном масштабе времени:

(51)

Для реализации выражения в виде программы МПС необходимо коэффициенты при входных и выходных сигналах записать в ПЗУ. При включении МПС происходит чтение выходного Y и входного Х сигналов за два и два такта машинного времени соответственно. Имея постоянные коэффициенты и входные и выходные сигналы программа вычисляет выходную величину Y в k-ый такт машинного времени. После чего программа выдаёт корректирующий сигнал на выходной порт МПС. Далее программа считывает новые значения Yk-1 и Xk-1 и опять формирует корректирующий сигнал.

Блок-схема программы дискретного КУ приведён на рисунке 15.

Рисунок 15 — Блок-схема программы дискретного КУ

4.3 Выбор корректирующего устройства

Параллельные корректирующие устройства получили широкое распространение в САУ, за счет того, что они позволяют корректировать точность работы системы. И за счет того, что:

Во-первых, обратную связь, как правило, легче реализовать из-за того, что на ее вход поступает более мощный сигнал, чем уровень мощности в той точке системы, куда подключен выход цепи обратной связи.

Во-вторых, зачастую не надо корректировать всю систему в целом, а достаточно скорректировать влияние какого-то конкретного звена, что существенно упрощает реализацию корректирующего устройства.

Третье преимущество относится к цепям с коррекцией по отрицательной обратной связи — они уменьшают отрицательное влияние нелинейностей в системе, а также нестабильность ее параметров.

К основным достоинствам этого вида коррекции относят:

Уменьшение динамических показателей переходного процесса или исключение влияния звеньев системы ухудшающих переходный процесс;

Снижение чувствительности системы к флуктуациям и помехам;

Высокая эффективность коррекции;

Наряду с достоинствами параллельная коррекция имеет ряд недостатков, таких как возможность перегрузки цепи, охваченной корректирующим контуром, более сложная схема включения и необходимость применять согласующих элементов.

Но так как в САУ изначально присутствует микропроцессорное устройство, то применение аналогового корректирующего устройства экономически нецелесообразнее, так как добавляются новые элементы. Одним из достоинств программной коррекции является точное выполнение зависимостей корректирующего устройства, тогда как для аналоговых корректирующих устройств трудно добиться точности, так как трудно точно подобрать номинал элементов в соответствии с расчетным. Поэтому целесообразнее написать программу коррекции для МП.

Заключение

В результате анализа технического задания осуществлён подбор элементов для проектируемой локальной системы наведения наземного зенитно-ракетного комплекса «Круг»; произведён анализ работы дискретной ЛСАУ. Выявленные недостатки первоначально спроектированной ЛСАУ устранены путём ввода в систему рассчитанного КУ. Произведена разработка алгоритма программы дискретного КУ на базе МПС.

Технические характеристики спроектированной локальной системы совпадают с техническими требованиями.

Список литературы

автоматическое управление пусковая установка

1 Анфимов М. И. Редукторы. М.: Машиностроение — 1975 г.-105 с.

2 Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования., M.: Наука — 1972 г. -768 с.

3 Гурин М. Т. Электрические машины., М.: Энергия -1987 г.-356 с.

4 Дикарева А. А., Мирская М. И. Справочник по радиоэлектронным приборам., М.: Энергия — 1989 г.-143с.

5 Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование., М.: Наука — 1973 г.-324с.

6 Сорокин П. В. Вычислительные комплексы. М.: Высшая школа — 1992 г.-323с.

7 Топчеев Ю. И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования., М.: Машиностроение -1989 г.-752с.: ил.

8 Хвощ С. Т. Микропроцессоры и микроЭВМ в САУ: Справочник/ С. Т. Хвощ, Н. Н. Варлинский, Е. А. Попов; Под ред. С. Т. Хвоща. — Л: Машиностроение, 1987.

9 Чиликин М. Г. Общий курс электропривода., М.: Энергия — 1971 г.-432 с.: ил.