Размещено на http://allbest.ru/

Содержание

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

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 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

№ 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.

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:

P, бар	T ,К	Dкал ,мм	L, мм	Dp ,мм	Xm ,мм	Dpr ,мм	Ds ,мм	tср ,мс
30	600	122	25	12	8	2.888	2.310	12

Повысим температуру:

P, бар	T ,К	Dкал ,мм	L, мм	Dp ,мм	Xm ,мм	Dpr ,мм	Ds ,мм	tср ,мс
30	750	122	25	12	8	2.888	2.310	11



Понизим давление:

P, бар	T ,К	Dкал ,мм	L, мм	Dp ,мм	Xm ,мм	Dpr ,мм	Ds ,мм	tср ,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. 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)

Размещено на Allbest.ru