Синтез цифро-аналогового газового рулевого привода беспилотного летательного аппарата мониторинга энергообъектов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.511

СИНТЕЗ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ГАЗОВОГО РУЛЕВОГО ПРИВОДА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МОНИТОРИНГА ЭНЕРГООБЪЕКТОВ

А.А. ВАРЁНОВ *, В.В. КИСЕЛЁВ **, Н.А. МАЛЁВ **, М.Н. МУБАРАКШИН *, О.В. ПОГОДИЦКИЙ **

*Казанское высшее артиллерийское командное училище (военный институт) имени маршала артиллерии М.Н. Чистякова **Казанский государственный энергетический университет

В работе проведено исследование газового рулевого привода (ГРП) с применением моделирующих программ. Разработана структурная схема динамической модели аналогового привода, синтезирован регулятор в основном аналоговом позиционном контуре на основании требований к динамической точности. Получен алгоритм работы цифрового регулятора в виде разностных уравнений. Произведено детальное исследование характеристик ГРП в среде ЫМЬаЬ с анализом показателей качества процесса управления. Разработанная структура цифро-аналогового ГРП и методика расчёта позволяют использовать полученные результаты при выполнении эскизного проекта газового рулевого привода современного беспилотного летательного аппарата мониторинга энергообъектов.

Ключевые слова: газовый рулевой привод, динамическая модель, программная реализация, беспилотный летательный аппарат.

В настоящее время для проведения мониторинга энергообъектов особой важности (особенно для энергетической инфраструктуры, находящейся в местности, труднопроходимой транспортными средствами) широкое применение находят беспилотные летательные аппараты (БЛА), позволяющие оперативно информировать о состоянии этого объекта.

Такие БЛА имеют различные системы управления (командные, лучевые и

т. п.).

В составе командных и лучевых систем управления летательных аппаратов (ЛА) имеются рулевые приводы, которые используют электрическую энергию, энергию сжатого воздуха и горячего газа и воздушно-динамические рулевые приводы.

Вопросам исследования электромагнитных, пневматических и газовых приводов посвящён ряд работ известных авторов. Однако достаточного описания динамических свойств системы с газовым рулевым приводом (ГРП) в открытой печати не имеется.

С целью более глубокого и систематизированного описания работы газового рулевого привода и исследования его с применением моделирующих программ авторами проведена:

- разработка структурной схемы динамической модели аналогового привода с синтезом регулятора в основном аналоговом позиционном контуре на основании требований к динамической точности;

- программная реализация цифрового регулятора с получением алгоритма работы в виде разностных уравнений;

- детальное исследование характеристик ГРП в среде МаЛаЬ с анализом показателей качества процесса управления.

© А.А. Варёнов, В.В. Киселёв, Н.А. Малёв, М.Н. Мубаракшин, О.В. Погодицкий Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

На рис. 1 показана расчётная структурная схема динамической модели ГРП с последовательной коррекцией с помощью аналогового регулятора Wр (я), который

обеспечивает точность работы контура положения. Главная обратная отрицательная связь контура положения образована потенциометрическим датчиком с коэффициентом передачи Кос = 5 В/рад. Расчётные значения параметров схемы получены в предположении, что неизменяемая часть, включающая электромеханический преобразователь (ЭМП) и силовой механизм (СМ), синтезирована из условия минимума динамической погрешности.

Рис. 1. Структурная схема динамической модели ГРП Особенностью схемы является наличие внутреннего контура с гибкой

г рад•см 2

обратной связью с коэффициентом передачи К • г = 54,02 -, которая

Н

обусловлена вязким трением в газовом приводе с клапанным распределением. В прямой цепи внутреннего контура приводится передаточная функция СМ с

рад•см 2

коэффициентом Ксм = 5-. Постоянная времени газового привода с

Н

клапанным распределением Тр = 0,04 с, а силовой механизм имеет параметры Тм = 0,01 с и относительный коэффициент затухания = 0,7. К внутреннему

1 2

контуру через звено - (¥п = 1 см - площадь поршня, г = 1см - плечо

^п •г

качалки) приложен момент статической нагрузки М н = 0,05 Н-см. Передаточная функция колебательного звена, включенного между регулятором Wр (я) и внутренним контуром, описывает динамику ЭМП с параметрами Н

Кэмп Кр = 36750-, Тэмп = 0,001 с, | = 0,7 и учитывает перепад давления на

В • см

Н

поршнях ГРП с коэффициентом К р = 73500-.

см 2

Решение характеристического уравнения неизменяемой части:

4• 10-12 ж5 + 6,26• 10-9 ж4 + 2,75078• 10-4 ж3 + 0,3789ж2 + 270,1554ж +1 = 0 даёт корни

700,0428 - 714,0997 • г"

- 700,0428 + 714,0997 • г

- 82,4553 - 8217,7739 • г .

- 82,4553 + 8217,7739 • г

^ - 0,0037 ,

Видно, что последний корень в скобках составляет тысячные доли единицы

(ж 5 = 0,0037...), а нескорректированная система близка к границе устойчивости.

Это приводит к тому, что логорифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) неизменяемой части, приведённая на рис. 2, на низких частотах имеет наклон -20 дБ/дек, что подтверждает наличие в этой системе астатизма первого порядка. В этой связи обеспечения требуемой точности можно достичь с применением интегро-дифференцирующего регулятора основного контура.

Рис. 2. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика неизменяемой части

Для проведения синтеза были заданы значения: максимальной

установившейся ошибки 5 {¡^х = 10 угл. мин; максимальной угловой скорости и ускорения поворота руля ГРП соответственно 11 с-1 и 700 с-2 ; показателя колебательности М = 1,1.

Желаемая передаточная функция ГРП

*8 (T2 ж « +1) W. (s) = 6

ж (Т1 ж ж + 1)(Т3ж ж +1)

имеет параметры: К ^ = 66 с-1; Т1 ж = 0,2 с; Т2 ж = 0,0512 с; Т3 ж = 0,202 с.

При последовательной коррекции передаточная функция регулятора основного контура

жр (ж) = 1ГП'

При моделировании в среде МаЛаЬ последнего выражения получены ЛАЧХ интегро-дифферецирующего регулятора основного контура, показанные на рис. 3.

Bode Diagram

— 1 1 : 1 : 1 1 i ■jfr

1 f-j I ■ ■ ■: / : :

j /

: /

"tern =v> : : : I ->v-::: Y ГЧ 1 112

; | M а; г it ud cl j.i Ji 1 vaqnrj: edJ) :/

■i..... .. Frtv.i-t - '¿y rem 3 -1 59e-0 agHude(dLi - s .L. : '"i

S/stem ; 1 recierc^ MQj-iti.de icB -40 5 <

1 1 1 1 1 I i 1 1 i i I ! i i ; ; ; 1 1 ! ! !

10j 10"' 10° 1CI1 m2 10э 10* 10s

Frequency (rad/sec)

Рис. 3. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика регулятора положения Полученная ЛАЧХ аппроксимирована пятью асимптотами с наклонами: 0, -20, 0, 20, 0 дБ. Частоты сопряжения ш 1 p = 112 c-1; ш 2 p = 682 c-1 ;

ш3p = 4590 c-1; ш4p = 105 c-1. С учётом полученных значений частот передаточная функция интегро-дифференцирующего регулятора

К рп (Т2р s +1)(Т 3р s +1) 0,0195(0,0015s +1)(2,1786 • 10 -4 s +1)

Wp ( s) =

(Т 1р s +1)(Т 4р s +1) (0,0089s +1)(10 -5 s +1)

Для программной реализации цифрового регулятора была применена формула трапеции

-1 Т0 г +1

Ж и--

2 г -1

© Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

и получены разностные уравнения методом последовательного программирования с периодом квантования То = 0,001 с:

'*i[(* + Од) ]

+ W]

di - ¿ill"xi(ÄJo) di II x2(kT0)

"цр (kT0) = [d2 - ¿2 d

d2 di - ¿ill" 0 di J|

- 4

* K

+ л Il K* J

xi(kT0) x2(kT0)

A"(ÄT0);

[k * Ja"(ÄT0),

где K = 5,84 • 10

-3.

Ь1 = 0,5; Ь2 =-0,393; й1 = 0,894; й 2 = -0,961.

На рис. 4 приведена структурная схема моделирования синтезированного ГРП в среде МгПЬаЬ.

y(n^Cj<n)<-Du(n) ► Л ► 36750 5 I I

1e-00es2+0.00145+1 4e-00Bs3+B.6 e-004s2+270.154sf1

Discrete State-Space Zero-Order TransferFcn2 Transfer Fcn3 Scope

Pulse S со pel

Generator

Рис. 4. Структурная схема моделирования

Результаты моделирования показаны на рис. 5, 6 и 7. При отработке ступенчатого воздействия ивх = 1 В (рис. 5) перерегулирование не превышает 6%, время нарастания ¿н < 0,05 с. При отработке линейно возрастающего сигнала установившаяся ошибка не превышает 9,9 угл. мин, что соответствует заданным требованиям.

0.2 0 „1

0.02 0.04 0. 06 0 08 0.1 0.12 0.14 0. В 0.1 S 0

t, c

Рис. 5. Переходная характеристика управляемой величины © Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

Аб, рад

^ с

Рис. 6. График реакции системы на линейно возрастающее входное воздействие

5м, рад

, c

Рис. 7. График моментной составляющей ошибки

Из графика на рис. 7 определяем значение ошибки контура ГРП при отработке момента нагрузки Мн = 0,05 Н-см, которая составляет 1,17-10-4 рад.

Разработанная структура цифро-аналогового ГРП, его математическая модель, а также методика расчёта позволяют использовать полученные результаты при выполнении эскизного проекта современного ЛА с применением моделирующих программ, обеспечивающих наглядность инженерных расчётов.

Summary

The scientific research touches upon the problems of a gaseous steering gear with an application of the modeling programs. A structural scheme of the dynamic model of an analog gear was worked out. According to demands of a dynamic accuracy, the controller in a major analog position loop was synthesized. The algorithm of work of the digital controller in the form of the different equations was presented. A detailed research of the characteristics of the gaseous steering gear in the MatLab with an analysis of the indexes of quality of the process of control was made. The structure of the digital-analogue gaseous steering gear and the method

of calculation give an opportunity to use the achieved results in carrying out the conceptual design of a steering gear of modern pilotless flying vehicles of energy objects monitoring.

Поступила в редакцию 28 августа 2008 г.

Вареное Александр Андреевич - канд. техн. наук, профессор Казанского высшего артиллерийского командного училища (КазВАКУ). Тел. 8 (843) 295-27-09.

Киселев Владимир Васильевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-917-8596545.

Малёв Николай Анатольевич - магистр техники и технологии, ст. преподаватель кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-906-1108690.

Мубаракшин Марат Наилевич - адъюнкт Казанского высшего артиллерийского командного училища (КазВАКУ). Тел. 8-927-4182255.

Погодицкий Олег Владиславович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8-917-2985998.