Анализ методов управления приводами автоматики, Уровень науки и техники - Математическая модель блока управления приводами автоматики космического корабля нового поколения

Уровень науки и техники

Надежность средств, с помощью которых человек достигает космоса высокая, но не идеальна. РН -- сложная конструкция, и даже в нормальном полете отказ может случиться в любой момент. Поэтому с самого начала освоения космоса особое внимание уделяется системе САС, которая должна работать безупречно именно в тех случаях, когда остальное оборудование отказывает. Работа САС корабля "Союз" представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Работа САС корабля "Союз"

Если полет проходит в штатном режиме, система САС не работает. Но если случится серьезный отказ или авария РН, САС -- единственный шанс экипажа на спасение. Многие, видели "башенку" замысловатой формы, расположенную на самой вершине РН. Но не все знают, что "башенка" -- это ДУ САС, которая представляет собой установку из твердотопливных ракетных двигателей трех типов. Силовым исполнительным органом любой твердотопливной двигательной установки является РП.

Первоочередной задачей при проектировании РП изделий ракетно-космической техники является достижение максимальных характеристик при минимальных габаритах и массе, ограниченных конструкцией изделия в составе которого они применяются. Для этого необходим наукоемкий подход к созданию систем с использованием максимально возможных параметров составных элементов привода. В зависимости от типа двигателя используемого в приводе различают газовые, гидравлические и электромеханические РП.

Воздушно-динамический (газовый) РП - привод, использующий для управления автономным объектом его кинетическую энергию движения, не имеет специального бортового источника питания, т. к. энергоносителем служит воздушный поток, который забирается в зоне высокого давления и сбрасывается в зоне низкого давления общего поля, распределенного по корпусу объекта. То есть пока движется объект, в воздушно-динамический РП с воздушным потоком поступает энергия для перемещения рулей, и тем самым снимается ограничение на время управляемого участка полета, которое существует при наличии бортового источника питания (БИП) с конечным временем работы.

Чаще других приводов в современных летательных аппаратах применяются гидравлические РП. Они обеспечивают высокое быстродействие, надежны, точны и практически безынерционны. С ростом мощности гидравлических приводов их относительная масса уменьшается.

В плане экономии веса при потребности значительной мощности эти приводы наиболее выгодны.

Но в отличие от других типов приводов гидравлические РП более сложные, более дорогие и требуют нескольких видов источников энергии. Трудности связаны и с обеспечением длительного хранения рабочих жидкостей приводов из-за их химического разложения.

Электрогидростатический привод, по сути, является электромеханическим приводом с гидравлической передачей от электродвигателя к выходному звену, которое осуществляет поступательные перемещения [13]. В эксплуатации он аналогичен электромеханическому приводу.

Электромеханические РП по структуре аналогичны газовым и гидравлическим приводам, однако превосходят гидравлические по быстродействию и удельным энергетическим характеристикам. Важно и то, что электрический привод работает от одного источника энергии и не требует построения дополнительных пневмо - и гидромагистралей.

Привод представляет собой следящую систему, состоящую из исполнительного механизма, преобразующего электрическую энергию в механическую, усилительно-преобразовательных устройств и элементов обратной связи, отслеживающих рассогласование угла поворота выходного вала с требуемым значением. Габаритные размеры и масса привода в основном определяются элементами энергетического канала, который включает в себя источники питания, исполнительный электродвигатель, силовой редуктор и выходные цепи усилителей мощности. Канал управления обеспечивает движение органа управления с заданными угловыми скоростями и ускорениями при реальных моментах сопротивления нагрузки.

В таблице 1 приведены технические характеристики электромеханического РП 11К25.6Д1100 разработанного в корпорации "Энергия".

Таблица 1 Характеристики электромеханического РП 11К25.6Д1100

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	21...33
Максимальный угол отклонения вала привода, о	±160
Скорость вала привода при моменте нагрузки 1,5 кгс-м, не менее, О/с	60±10
Номинальный рабочий ток электродвигателя	2 А
Пусковой ток электродвигателя длительностью 60 мс	10 А
Время безотказной работы в течение гарантийного срока при доверительном уровне 0,9	0,997

Методика математического описания, анализа и синтеза цифровой системы управления приводом автоматики 11К25.6Д1100 представлена в литературе. Она основана на методе пространства состояния. В ней описаны методы математического моделирования на ПК, основанные на использовании численного интегрирования. Математическая модель цифровой системы управления включает модель ПК, представленную в виде передаточной функции метода численного интегрирования.

Важным достоинством представленной методики математического описания цифровой системы управления приводом является использование графового метода. Непосредственно из дискретного графа с помощью формул Мэсона составляются уравнения состояния цифровой системы. Эти уравнения обеспечивают математическое описание цифровой системы в пространстве состояния.

Эта методика позволяет на единой математической основе решать задачи описания, анализа и синтеза процессов управления.

Практика расчета и проектирования современных цифровых следящих систем управления электромеханическими РП автоматики сложившаяся в РКК "Энергия" и НПО "Электроприбор" [4, 5, 8] предусматривает:

- разработку математической модели привода автоматики; - введение в управление приводом упреждения на снятие управляющего сигнала до совпадения кодов (кода обратной связи и задающего кода) с последующей подачей коротких импульсов обеспечивающих движение выходного вала привода в заданное положение; - применение режимов меняющих динамику РП (режим динамического торможения и режим реверса); - моделирование процесса управления на ПК.

Следует отметить, что существующая методика математического моделирования ориентирована только на привод автоматики. Модель не включает фиктивные устройства (квантователь и фиксатор), поэтому рассматривается как непрерывная система. Методика не учитывает влияния временных задержек в ЭВМ, связанных с обработкой сложных алгоритмов. При описании цифровых систем управления необходимо учитывать влияние ЭВМ на работу всей системы управления, так как на устойчивость системы, ее статическую погрешность и качество переходных процессов влияют период квантования, разрядность машинных слов и сложность алгоритмов управления. Кроме того, использование досылочных импульсов для позиционирования вала привода можно рассматривать как широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). А теория управления блок ШИМ рассматривает нелинейным элементом с нелинейностью типа "зона насыщения". В этом случае систему необходимо дополнительно исследовать, определяя области устойчивых состояний и автоколебаний.

Опыт управления двигателем 11Д122А на второй ступени РН "Энергия" по вышеописанной методике показал следующие результаты:

- при времени квантования ЭВМ t=0.2сек. максимальное перерегулирование по угловому положения составило 10 %; - точность установки выходного вала привода регулятора по угловому положению составила 3,750.

Следовательно, существующая методика проектирования цифровой системы управления приводами автоматики в составе двигателя 11Д122А требует совершенствования для улучшения характеристик системы управления в части обеспечения требуемой точности позиционирования выходного вала привода и качества переходного процесса.

В литературе [15] Описан разрабатываемый ЗАО "НИИ МЕХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ" электропривод рулевого управления. Представлены перспективы построения цифрового следящего электропривода рулевого управления с пиковыми характеристиками. Технические характеристики привода приведены в таблице 2.

Таблица 2 Технические характеристики цифрового следящего электропривода

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	48...68
Ток потребления - не более, А	30
Максимальный вращающий момент, Нм	60...250
Максимальная угловая скорость, °/с	380
Угол поворота выходного вала, °	±35
Масса канала - не более, кг	1,5...2
Время непрерывной работы, мин	3

В литературе [6, 7, 10] представлен обзор систем следящего шагового привода, приведен расчет динамики систем следящего шагового привода, описана цифровая система управления регулированием двигателя КВД-1.

Устойчивость системы с постоянным и переменным интервалом дискретности исследуется прямым методом Ляпунова, который позволяет задачу анализа устойчивости системы свести к исследованию свойств пробной функции и ее первой разности. Математические модели представлены в форме дифференциальных уравнений, описывающих динамическую модель системы. Решение дифференциальных уравнений основывается на методе Рунге-Кутты.

В литературе [1, 2] описаны устройства, предназначенные для повышения быстродействия работы электроавтоматики ДУ. Данные устройства значительно повышают быстродействие срабатывания электропневмо клапана, что в свою очередь ведет к повышению динамики и обеспечению более высокого запаса устойчивости подвижного объекта. В устройствах, описанных в литературе [1], применены схемотехнические решения направленные на компенсацию фазового сдвига в блоке преобразования интерфейсов (БПИ), который осуществляет управление электропневмо клапаном. Данные решения устраняют влияние реактивных составляющих сопротивления нагрузки на запасы устойчивости усилителя БПИ изменением глубины обратной связи усилителя.

Литература [3, 9] является учебно-методическим пособием по теории многосвязных систем управления летательными аппаратами и их силовыми установками. Пособие разработано Московским авиационным институтом

Им. С. Орджоникидзе и в нем показано современное состояние многосвязного управления с учетом отечественного и зарубежного опыта.

Рассматриваемые в пособии методы управления хорошо формализованы и ориентированы на применение ЭВМ на этапе проектирования системы автоматического управления.

Литература [11, 15] является систематизированным курсом теории и практики проектирования цифровых систем управления, который изучают в Иллинойском университете в США. В этой литературе более полно рассмотрено математическое описание, анализ и синтез цифровых систем управления. Приведены примеры описания систем управления с помощью графов.

Литература [12] это учебно-методическое пособие по теории и практике проектирования цифровых систем управления, изданное Токийским политехническим институтом. Пособие включает в себя теорию систем цифрового управления, анализ и синтез систем цифрового управления.

Анализируя рассмотренную литературу и приведенные примеры РП можно сделать вывод, что существует проблема в обеспечении требований предъявляемых к ЭМП ПТДУ и его системе управления (таблица 3).

Таблица 3 Требования предъявляемые к ЭМП ПТДУ

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	23...34
Максимальный угол отклонения вала привода, о	±33
Скорость вала привода при моменте нагрузки 4 кгс-м, не менее, О/с	132
Номинальный рабочий ток электродвигателя	9 А
Пусковой ток электродвигателя длительностью 4 мс	67 А
Пусковой ток электродвигателя при реверсе (по результатам математического моделирования)	105 А
Время безотказной работы в течение гарантийного срока при доверительном уровне 0,95	0,999

Поэтому в курсовой работе мной было проведено математическое моделирование ЭМП ПТДУ и выполнен расчет электромеханизма (ЭМ). Так же в работе проведено математическое моделирование движения ЭМП для различных напряжений питания и нагрузке на валу 4 кгс-м.

Поскольку задача управления приводом с такими характеристиками является абсолютно новой и решается впервые, то и исследования влияния больших пусковых токов ЭМ на работу элементов системы управления не проводились, не исследовались тепловые режимы ЭРИ работающие в таких жестких условиях.

На основании проведенного анализа проблемы исследования представляется целесообразным определить в диссертации следующие задачи:

1) разработка математической модели блока управления приводами автоматики космического корабля нового поколения; 2) проведение теплового моделирования МК; 3) экспериментальные исследования при помощи математической модели тепловых режимов ЭРИ, для различных режимов работы блока управления.

Уровень науки и техники

Похожие статьи