Проектирование газовой силовой системы управления, работающей в пропорциональном режиме
Содержание
Техническое
задание
Проектирование
исполнительного двигателя системы газового рулевого привода
1.
Общие сведения
2. Устройство
исполнительных двигателей
.
Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов
.
Принципиальная схема рулевого тракта
.
Проектирование газовой силовой системы управления
.
Моделирование
Литература
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 δ0 при
фазовых сдвигах, не превышающих фазовые сдвиги апериодического эвена с постоянной
времени ТГССУ.
Основные
исходные данные:
а)коэффициент
передача системы ;
б)максимальный
угол отклонения рулевых органов δт;
в)расчетное
время функционирования;
г)величины,
характеризующие динамические свойства системы; в простейшем варианте сюда
входят значения предельной частоты входного сигнала ω0,
амплитуда δ0
отрабатываемого приводом сигнала на частоте ω0
(величина обычно задается в пределах 0,8 ... 1,0), значение
постоянной времени эквивалентного апериодического звена ТГСУ;
д)нагрузки
на рулевых органах - инерционная нагрузка, задаваемая моментом инерции нагрузки
JН;
коэффициент
трения f;
коэффициент
шарнирного момента тш.
Если
коэффициент тш. 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
№ варианта
|
7
|
Параметры ТЗ
|
|
Момент нагрузки, Нм
|
-25.0 - 4.0
|
Угол максимальный, рад
|
0.314
|
Амплитуда Отклонения РО, рад
|
0.267
|
Максимальная частота входного сигнала, Гц/амплитуда,в
|
15/6
|
Коэффициент трения Н*с/м
|
0.1
|
Масса подвижных частей РО кг
|
0.02
|
Давление газа в ИСГ бар
|
25.0 - 40.0
|
Температура газа в ИСГ град С
|
600.0 - 800.0
|
К
|
1.2
|
R дж/кг*К
|
360
|
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.
. 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.
. 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:
- 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.
. 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».
. 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».
. 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.
. 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.
. 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,
SП - площадь поршня рулевого привода,
Т1,
Т2 - температура газа в полости 1 или 2 рулевого привода,
Тсп
- температура стенок рулевого привода,
V - скорость
поршня рулевого привода,
Fпр - сила поджатия пружины,
h - коэффициент
вязкого трения,
h - 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: WФ(р), WЗ(р), Wп(р), Wос(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 Тр 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 σ:
,
где
;
-
максимальное значение коэффициента шарнирной нагрузки;
Мт
- максимальный момент, создаваемый приводом,
,
где
l - плечо механической передачи.
От
выбора величины σ зависит потребная мощность привода. Оптимальное
значение σопт,
соответствующее минимуму потребной мощности привода может быть определено как
решение кубического уравнения
;
Численное
значение σопт 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
α0 -
амплитуда движения якоря ЭМП для рулевого тракта с линейный усилителем
принимается равной σм, 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 σ вычисляется максимальный момент, развиваемый приводом:
в)
определяется необходимое значение угловой скорости Ωт,
обеспечиваемой приводом.
Величина
Ωт
находится из условий отработки газовым приводом гармонического сигнала частотой
ωт и
амплитудой δ0.
Амплитуда движения якоря ЭМП α0 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 Ωmax:
.
Рассчитываются
конструктивные параметры приводов.
Определяются
плечо механической передачи l, диаметр поршня силового цилиндра DП, величина свободного хода привода Хт..
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 = Хт 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 Δртах зависит от величины рр,
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 Δртах = (0,55 ÷ 0,65) рр, при использовании струйникого
распределителя Δртах = (0,65 ÷ 0,75) рр.
При
расчете величины l величина Δртах должна соответствовать режиму I.
При
относительно малых значениях δтах
;
.
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 Ωт - 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 Тр 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 μ = 0,75 … 0,85.
Согласно
рекомендациям, выработанным инженерной практикой, целесообразно назначать
следующие соотношения геометрических размеров струйникового распределителя: dc = (0,7 … 0,8) dn; Δ = 0,08 dc; Δз = 0,2 dc.
Величина
максимального перемещения конца струйной трубки , а
длинна струйной трубки .
При
известном значении xm 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 Тр и q соответствуют режиму I.
Рис.
7 Расчетная схема газораспределителя «сопло-заслонка».
Диаметр
сопла dc выбирается таким образом, чтобы эффективная площадь была не менее чем в 2 раза больше максимальной
площади выпускного отверстия:
, т.е. .
При
выбранном значении dc находят величину b: b = μπdc; вычисляют максимальное значение координаты хт 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 ω0:
φз (ω0) = arctg ω0 ТГССУ.
При
известном значении величины фазового сдвига для разомкнутого контура φр (ω0),
определенного в результате построения частотных характеристик, и определенном
значении φз (ω0) находим
требуемое значение амплитудной характеристики Ар(ω0)
разомкнутой системы на частоте ω0. 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 Кр.
Поскольку
в контур еще не введен корректирующий фильтр, величина Кр
определяется зависимостью Кр = kэ Kn koc. Величина коэффициента
обратной связи может быть определена по коэффициенту передачи замкнутого
контура: . Тогда можно вычислить значение коэффициента kэ: , 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:
P, бар
|
T ,К
|
Dкал ,мм
|
L, мм
|
Dp ,мм
|
Dpr ,мм
|
Ds ,мм
|
tср ,мс
|
30
|
600
|
122
|
25
|
12
|
8
|
2.888
|
2.310
|
12
|
Повысим температуру:
P, барT ,КDкал ,ммL, ммDp ,ммXm ,ммDpr ,ммDs ,ммtср ,мс
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30
|
750
|
122
|
25
|
12
|
8
|
2.888
|
2.310
|
11
|
Понизим давление:
P, барT ,КDкал ,ммL, ммDp ,ммXm ,ммDpr ,ммDs ,ммtср ,мс
|
|
|
|
|
|
|
|
|
25
|
600
|
122
|
25
|
12
|
8
|
2.888
|
2.310
|
15
|
Повысим температуру (при пониженном давлении)
P, бар
|
T ,К
|
Dкал ,мм
|
L, мм
|
Dp ,мм
|
Xm ,мм
|
Dpr ,мм
|
Ds ,мм
|
tср ,мс
|
25
|
750
|
122
|
25
|
12
|
8
|
2.888
|
2.310
|
15
|
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.
<http://library.tsu.tula.ru/cgi-bin/zgate.exe?ACTION=follow&SESSION_ID=5540&TERM=%D0%9F%D1%83%D0%BF%D0%BA%D0%BE%D0%B2,%20%D0%9A.%D0%90.%5B1,1004,4,101%5D&LANG=rus>
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.)
. Чемоданов, Б.К.
<http://library.tsu.tula.ru/cgi-bin/zgate.exe?ACTION=follow&SESSION_ID=5020&TERM=%D0%A7%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2,%20%D0%91.%D0%9A.%5B1,1004,4,101%5D&LANG=rus>
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)
. 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)