CC BY
10
УДК 621.313.3
АЛГОРИТМЫ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОРУЖИЯ ЗЕНИТНОГО КОМПЛЕКСА
Е.В. Александров, С.М. Мизарев, И. А. Сучков, Д.В. Тихонов
Представлены алгоритмы программного обеспечения стенда и методики определения параметров привода оружия при проведении комплекса испытаний: снятия рабочих механических и тепловых характеристик электропривода. Численные значения результатов испытаний используются для аттестации привода при проведении предъявительских, приемо-сдаточных и других видов испытаний, а также могут использоваться в математических моделях АД и привода.
Ключевые слова: алгоритм, электропривод, испытания, методика, фильтр.
1. Предварительные замечания
Для проведения полномасштабных испытаний привода оружия зенитного комплекса используется автоматизированный стенд, описанный в [1, 2]. Обмен входными и выходными данными между цифровым приводом вооружения (ЦПВ) и стендом контроля проводится с частотой обмена информацией 100±1 Гц. Стенд выполняет роль контроллера канала, а ЦПВ - оконечного устройства. В течение одного такта прием и передача сообщений между устройствами выполняются в последовательности.
В одном цикле обмена для такта п регистрируются все сигналы протокола обмена. В качестве исходных данных используются:
Фз [пТ], Фз[пТ] - значения задающих угла (град.) и скорости (град./с). Направление передачи данных от стенда к ЦПВ;
Фт[(п-1)Т],фт[(п-1)Т] - значения текущих угла (град.) и скорости (град./с), соответствующих положению ЦПВ на такте (п-1). Направление передачи данных - от ЦПВ к стенду;
8ф[(п - 1)Т] - ошибка отработки ЦПВ задающего воздействия, сформированного на такте (п -1).
Для исключения влияния временных факторов, связанных с приемом и передачей информации по каналу М2, ошибка положения вычисляется в соответствии с формулой
5ф[(п - 1)Т] = (фз[(п - 1)Т] - фТ[(п - 1)Т]^ф (2) = фУ [(п - 1)Т] • Wф (2), (1)
где 8^У [(п-1)Т] - значение ошибки положения ЦПВ, вычисленной в БУ на такте п(-1), мрад; Wф (2) - передаточная функция цифрового сглаживающего фильтра, представленная на рис.1.
Рис. 1. Последовательность приема и передачи сообщений
Алгоритм расчета передаточной функции цифрового сглаживающего фильтра реализован в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема цифрового сглаживающего фильтра
Фильтрация сигналов осуществляется звеном
W(p ) = ■ К
(2)
Т 2 р 2 + 2^Тр +1 где Т = 0.016, £ = 0,6, К = 1.
Структурная схема аналогового эквивалента цифрового фильтра, представленная в форме удобной для программирования, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема сглаживающего фильтра
Определение параметров цифровых фильтров осуществляется путем пересчета параметров непрерывного фильтра с использованием для численного интегрирования обратного метода Эйлера. Каждое отдельное слагаемое в операторной функции (рис. 3) заменяется его дискретным эквивалентом с их последующим параллельным суммированием.
2. Алгоритмы расчета основных характеристик ПН [3,4]
2.1. Расчет времени отработки угла рассогласования (переброса)
Параметр определяется как время, прошедшее от момента задания на ЦПВ угла рассогласования до момента, с которого абсолютное значение ошибки положения не превышает максимально заданного значения до окончания переходного процесса. Определение параметра проводится на основе двух массивов значений ошибки положения привода.
Массивы значений получают в результате проведения двух контрольных замеров при задании на привод воздействия типа «Скачок». В первом тесте - движение привода в положительном направлении, во втором тесте - в отрицательном направлении. Время регистрации составляет не более 10 с, что обеспечивает завершение переходного процесса до окончания процесса регистрации.
Задающее воздействие на привод ф з ^) (град.) формируется в соответствии с формулой
Фз к) = Фн ± А, (3)
где Фн - начальное угловое положение привода, град.; А - амплитуда входного воздействия (определяется техническими условиями на привод), град.
В качестве начального положения привода принимается любое значение углового положения привода, задаваемое оператором, или текущее значение угла положения. Начальное положение с учетом амплитуды входного воздействия должно удовлетворять диапазону наведения качающимся и вращающимся частям установки. При автоматическом контроле начальное положение привода задается системой контроля автоматически. За окончательное значение принимается больший из двух результатов, полученных для прямого и обратного направления движения.
Форма сигналов ошибки при задающем воздействии типа «Скачок» представлена на рис. 4, а, формы сигналов текущего угла, скорости и ускорения - на рис. 4, б.
а б
Рис. 4. Эпюры текущих значений ошибки положения, угла,
скорости, ускорения
2.2. Порядок расчета максимальной скорости
Расчет максимальной скорости фт (град./с) определяется как максимальный по модулю элемент массива значений, полученных в результате преобразования массива значений текущей скорости привода фт в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 5. В качестве окончательного варианта принимается меньший из двух результатов, полученных для прямого и обратного направления движения.
Рис. 5. Алгоритм определения максимальной скорости привода
2.3. Порядок расчета максимального ускорения при разгоне и торможении
Контроль параметра совмещают с контролем по п. 2.3. Параметр определяется как максимальный по модулю элемент массива значений текущего ускорения за время разгона и торможения. Временем разгона счи-
370
тается время с момента задания управляющего воздействия на ЦПВ до момента достижения текущей скоростью привода максимального значения. Временем торможения считается время с момента снятия управляющего воздействия до достижения скоростью привода нулевого значения.
Максимальное ускорение Фт (град./с2) рассчитывается на основе значений массива текущего ускорения, полученного путем преобразования значений массива текущей скорости Фт (град./с) в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 6.
Рис. 6. Алгоритм для определения максимального ускорения при разгоне и торможении
Для оценки значения ускорения принимается меньший из двух результатов, полученных для прямого и обратного направления движения.
2.4. Порядок расчета времени регулирования
Время регулирования - время в секундах, прошедшее от момента задания на привод угла рассогласования до момента, начиная с которого абсолютное значение ошибки положения не превышает 4 мрад до окончания переходного процесса.
Расчет параметра проводится на основе двух массивов значений ошибки положения привода. Массивы значений получают в результате проведения двух контрольных тестов. Задающими воздействиями являются углы рассогласования +50 мрад в первом направлении и -50 мрад - во втором.
Время регистрации составляет 2.. .3 с, что обеспечивает завершение переходного процесса до окончания регистрации.
Задающее воздействие формируется в соответствии с выражением
Ф з (г ) = Фн ± 50, (4)
где Фз (1) - текущее значение задающего воздействия, мрад; Фн - начальное угловое положение привода.
В качестве Фн принимается любое значение угла положения, удовлетворяющее (с учетом амплитуды входного воздействия) диапазону наведения качающейся и вращающейся частей, задаваемое оператором, или текущее значение угла положения.
В качестве окончательного значения времени регулирования принимается больший из двух результатов, полученных для прямого и обратного направлений.
2.5. Порядок определения статической ошибки Контроль параметра совмещают с контролем по п. 2.4. Параметр определяется как максимальное значение ошибки положения привода 8ф (мрад) в последнюю секунду регистрации.
2.6. Порядок расчета относительного перерегулирования
Контроль параметра совмещают с контролем по п.2.4. Расчет перерегулирования производится по формуле
о = 8т , (5)
А
л ^ст
где о - относительное перерегулирование, %; 8т - максимальное отклонение сигнала ошибки от значения 8ст после последнего изменения величины (8(?)-8ст), мрад; А - начальное значение угла рассогласования; 8ст - статическая ошибка, мрад.
Параметр равен нулю, если сигнал не пересекает значение 8ст.
2.7. Расчет числа полных колебаний
Контроль параметра совмещают с контролем по п. 2.4. Расчет числа колебаний проводится по формуле
п = Е{р/2}, (6)
где Е{р/2} - целая часть числа р/2; п - число полных колебаний; р -количество выходов абсолютного значения ошибки положения привода 8(1) за пределы допустимого интервала, например, |8^оп| = 4 мрад. Количество переходов определяется как число изменений знака величины /(?) = |б(1)- 8доп в течение времени регулирования, деленное на два.
В качестве окончательного принимается больший из двух результатов, полученных для прямого и обратного направления движения.
Формы сигналов ошибки и текущего угла представлены на
рис. 7.
2.8. Определение ошибки цифрового привода при отработке гармонического задающего воздействия
Расчет ошибки проводится на основании массива значений ошибки положения привода 8ф. В качестве окончательного принимается больший
из текущих результатов, полученных для прямого и обратного направления движения. Формы сигналов ошибки и текущего угла представлены на рис. 8.
Задающее воздействие фз (1) (град. (рад)) формируется в соответствии с формулой
фз (г) = фн + А - А • со<2/ • г), (7) где фн - начальное положение, град. (рад); А - амплитуда входного воздействия, град. (рад); / - частота входного воздействия, Гц.
Привод приводится в начальное положение
Фн =Ф^ - А , (8)
где ф^ - угол, относительно которого выдается входное воздействие; А - амплитуда входного воздействия.
а б
Рис. 7. Эпюры ошибки цифрового привода (а) и текущего угла (б)
В качестве фн может быть задано значение текущего угла на начало контрольного теста.
Форма входного сигнала и ошибки при гармоническом задающем воздействии показана на рис. 8.
♦ с
* и с
Рис. 8. Эпюры входного сигнала и ошибки привода при гармоническом задающем воздействии
373
2.9. Расчет скорости изменения ошибки
Контроль параметра совмещают с контролем по п. 2.10.
Расчет проводится в течение последних пяти периодов гармонического входного воздействия. Общая длительность входного воздействия не менее 6.8 с.
Параметр определяется как максимальный по модулю элемент массива текущей скорости изменения ошибки положения Ф ф (мрад/с), полученного путем дифференцирования значений ошибки положения привода фф, измеренной в мрад, звеном с передаточной функцией, аналоговым эквивалентом которой является
W(p )= Т11
Т2 р 2 + 2С72 р +1
(9)
где Т = 0,064 с, Т2 = 0,016 с.
Алгоритм расчета скорости изменения ошибки представлен на
рис. 9.
Рис. 9. Алгоритм расчета скорости изменения ошибки привода
2.10. Расчет среднеквадратического значения ошибки
Расчет среднеквадратического значения ошибки проводится на основе значений ошибок, полученных путем пересчета элементов массива ошибок положения 5ф (мрад), звеном с передаточной функцией, аналоговым эквивалентом которой является
К (р +1)2 _
2^Т2 р +1)'
где К = 0,0031, Т = 0,033 с, Т2 = 0,045 с, £ = 0,5.
На основе полученных значений рассчитывается среднеквадратиче-ское значение ошибки (мрад) в соответствии с формулой
W(p)
Т12 р 2 + 2£Т1 р+Ф22 р 2 +:
(10)
о =
1
I (6ф (1 )-$ф)2 1=1
N-1
374
(11)
где Ъф (/) и 8ф - значение составляющих ошибки и среднее значение ошибки с частотой от 1,5 до 10,0 Гц на интервале измерения А1, мрад; N -
количество точек на интервале измерения А1, N = ~, Т = 0,01 с.
Расчет среднеквадратического значения ошибки проводится в течение последних пяти периодов гармонического воздействия.
Цифровая реализация передаточной функции (11) для расчета значений среднеквадратической ошибки представлена на рис. 10.
Рис. 10. Алгоритм расчета среднеквадратической ошибки
цифрового привода
2.11. Расчет ошибки слежения на постоянной скорости
Параметр определяется как количество элементов:
- со значениями от 0 до 2.5 мрад (не включая элементы со значениями более 2.5 мрад), причем отношение времени слежения с ошибкой не более 2,5 мрад к общему времени слежения должно быть не менее 75 %;
- со значениями от 3 до 5 мрад (в процентном отношении к общему количеству элементов в массиве измерений ошибки положения - не более 25 %).
Расчет проводится на основе двух массивов значений ошибки положения привода Ъ.
Массивы значений получают в результате проведения двух контрольных тестов. Задающими воздействиями являются: в первом тесте -постоянная скорость движения привода в положительном направлении, во втором - постоянная скорость движения в отрицательном направлении.
Задающее воздействие фз (1) (град. (мрад)) формируется в соответствии с формулой
Ф з (1 ) = Фн + А ■ г, (12)
где фн - начальное угловое положение привода, град. (рад); А - амплитуда задающего воздействия, град. (рад).
В качестве фн принимается любое удовлетворяющее (с учетом амплитуды задающего воздействия) диапазону наведения качающейся (КЧ) и вращающейся части (ВЧ) значение угла положения, задаваемое оператором, или текущее значение угла положения.
Контроль параметра для привода вертикального наведения (ВН) проводится в диапазоне углов наведения от -1 до 84 град. в течение времени регистрации 1 = 10...20 с. При этом первые 1,5 с после начала формирования входного воздействия не учитываются.
Для привода горизонтального наведения (ГН) контроль параметра осуществляется в течение времени 1 = 20 с. При этом первые 1,5 с после начала формирования задающего воздействия в расчете не учитываются.
При расчете ошибки слежения не учитывается один выброс случайного характера до 6 мрад длительностью не более 0,1 с в течение времени регистрации. В качестве результата замера принимается больший из двух замеров, выполненных для прямого и обратного направления движения.
Выводы:
1. Для проведения полномасштабных испытаний привода оружия зенитного комплекса предложено использовать автоматизированный стенд с разработанными в статье алгоритмами программного обеспечения.
2. Приведенные выше алгоритмы:
- предусматривают автоматический или диалоговый режим работы с оператором. В первом случае процедурный алгоритм вводит все стандартные данные в систему, во втором - исходные данные и коэффициенты могут быть изменены. Для этого на дисплее печатается инструкция типа «Установить углы ограничения», «Установить коэффициенты регулятора» и т. п.;
- с требуемой точностью позволяют получать информацию о состоянии и поведении привода в различных режимах и на различных этапах отработки в виде характеристик и протоколов испытаний.
Список литературы
1. Новоселов Б.В. Основные принципы построения систем исследования, испытания и контроля следящих приводов // Сб. научн. тр. Владимирского регион. отд-я АЭН РФ. Владимир, 2001. 2001. С. 114 - 128.
2. Стенд для проведения испытаний автоматизированных электроприводов / Е.В. Александров [и др.] // Системы автоматического управления и их элементы: сб. науч. тр. Тула: ТулГТУ, 1994. С. 62 - 70.
3. Александров Е.В., Степаничев И.В. Экспериментальное определение параметров асинхронного электропривода зенитного комплекса // Системы управления эл.-технич. Объектами: сб научн. тр. Шестой Научно-практ. конф. «СУЭТО - 6». Тула: Изд-во ТулГТУ, 2012. Вып. 6. С.205 - 211.
4. Александров Е.В. Алгоритмы комплексного исследования характеристик асинхронного электропривода на универсальном стенде // Известия Тульского государственного. Технические науки, 2012. Вып. 12. Ч. 3. С.159 - 167.
Александров Евгений Васильевич, д-р техн. наук, проф., aleksandrov-e@yandex.ru, Россия, Тула, АО «КБП»,
Мизарев Сергей Михайлович, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
Сучков Иван Александрович, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
Тихонов Дмитрий Валерьевич, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»
COMPLEX RESEARCH ALGORITHMS OF AIR DEFENCE SYSTEM ARMAMENT ELECTRIC DRIVE
E. V. Alexandrov, S.M. Mizarev, I.A. Suchkov, D. V. Tikhonov
The article informs about algorithms of stand software and procedures of armament drive parameters determination during set of tests: reading of electric drive operating mechanical and thermal parameters. Numeric values of test results are used for drive certification in the scope of preliminary tests, acceptance tests as well as other types of tests; these values may be usedfor asynchronous motor and drive mathematical model.
Key words: algorithm, electric drive, tests, procedure, filter.
Aleksandrov Evgeniy Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, aleksan-drov-e@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»
Mizarev Sergei Mikhailovich, engineer, kbkedr@,tula. net. Russia, Tula, JSC «KBP»
Suchkov Ivan Aleksandrovich, engineer, kbkedr@,tula. net. Russia, Tula, JSC «KBP»
Tikhonov Dmitriy Valerievich, engineer, kbkedr@,tula. net. Russia, Tula, JSC «KBP»
