CC BY
65
УДК 62-83
РУЛЕВОЙ ПРИВОД С ВНУТРЕННИМ УПРАВЛЯЕМЫМ
ГЕНЕРАТОРОМ
А.Б. Никаноров, Б.А. Никаноров, А.А. Васильев
Рассматривается возможность использования рулевого привода, предназначенного для управления положением летательного аппарата (ЛА) в пространстве посредством отклонения аэродинамических рулей в соответствии с сигналом управления бортовой аппаратуры на больших высотах и в течение длительного времени (более 10 мин).
Ключевые слова: рулевой привод, летательный аппарат, внутренний управляемый генератор, электропривод.
Разработка новых видов ЛА, которые летят со сверхзвуковыми скоростями в разряженных слоях атмосферы, ставит перед разработчиками их элементов две основные задачи [2]:
- сохранение работоспособности в условиях интенсивного кинетического нагрева внешней оболочки ЛА, аэродинамических органов управления и стабилизации;
- обеспечение минимального энергопотребления при управлении
ЛА.
Проведенный анализ возможностей различной типовой реализации привода, который должен функционировать в высокоразреженной среде, показал, что для стабилизированного по крену ЛА перспективным представляется применение электропривода с высокоэнергоемким источником питания. При этом используется релейный усилитель мощности, обладающий значительно меньшими габаритами и технологичностью изготовления по сравнению с пропорциональным усилителем.
Для реализации пропорционального управления применяются приводы, для которых формируют контуры управления: автоколебательный или с внешним генератором высокочастотных колебаний, суммирующихся с входным сигналом [1].
В работе рассматривается электропривод, выполненный в виде системы электродвигатель - редуктор (рис. 1), охваченный отрицательной обратной связью и с установленным в цепи ошибки внутренним управляемым генератором высокой частоты [3].
Привод аэродинамических рулей состоит из системы электродвигатель-редуктор 3, охваченной отрицательной обратной связью и установленным в цепи ошибки внутренним управляемым генератором высокой частоты 2, выполненного на базе релейного элемента 1 (рис. 2).
Рис. 1. Структурная схема электропривода
Внутренний управляемый генератор прямоугольных импульсов 2 выполняет роль преобразования сигнала ошибки переменной амплитуды в модулированный широтно-импульсный высокочастотный сигнал переменной скважности и частоты. Генератор настроен на частоту линеаризации таким образом, что период высокочастотных колебаний значительно меньше электрической постоянной времени электродвигателя. Последнее позволяет линеаризовать все нелинейности контура управления приводом на уровне электрических процессов и, тем самым, получить пропорциональное ошибке изменение развиваемого приводом.
Данный режим работы контура управления обеспечивает минимальное энергопотребление при отработке команд управления и действующей аэродинамической нагрузке.
Математическое описание двигателя с редуктором.
Согласно схеме контура привода (рис. 2), сигнал ошибки:
А = и
вх
к
ос
_3_
л''
т т и вх
и вх —■
и
где Л - ошибка рассогласования; и вх - относительное напряжение на входе привода; ивх - напряжение на входе привода; итах - максимальное напряжение на входе привода; кос - коэффициент передачи по обратной свя-
3 , 3т - текущий и максимальный углы поворота рулей. Напряжение итах соответствует максимальному углу поворота руля
зи;
3т
зом:
Система дифференциальных уравнений выглядит следующим обра-
^ т (иу " и ном rротi ce о);
dt l
'PO
M,
"М
М
тр Е
i при \i | < I т;
4 ■ щп (0 при \i |> 4;
M
M 0(1 + M 0) + к
тр
н
dО
dt J
■(Мш -М
qf
M
тр Е
н
SUM
qp
sign(О) + cV (1 + cv) О;
M уп );
dt qP
m уп _
_ \с упора (| 8 | - 8п ) ■ 818п 8 + упора ■ о
0
при \81 > 8m; при 181 < 8п,
где г - электрический ток; Ьро - индуктивность ротора; ином - напряжение питания; RPOт - сопротивление ротора; су - коэффициент вязкого трения; О - скорость двигателя; JSUM - суммарный момент инерции; МДВ - движущий момент; 1т - максимальный ток; МТР Е - суммарный момент трения; qр - передаточное число редуктора; МН - момент нагрузки на рулях; супора - коэффициент жесткости упора; Иупора - коэффициент демпфирования во время прихода на упор; Муп - момент упора.
Максимальный ток:
I
и
ном
я
рот
Математическое описание внутреннего управляемого генератора.
В системе рулевого привода на выходе внутреннего управляемого генератора формируется линеаризованный высокочастотный сигнал. Данный сигнал, изменяющийся по частоте и скважности в зависимости от амплитуды и скорости входного сигнала позволяет практически ликвидировать высокочастотную составляющую колебаний рулей на выходе привода.
Согласно схеме контура привода (см. рис. 2), сигнал ошибки внутреннего генератора:
а но _ кш а + к0(и у - и ап ^
где кш - коэффициент передачи по системе; к0 - коэффициент передачи фильтра; иап - сигнал с выхода апериодического звена внутреннего управляемого генератора.
1
Рис. 2. Структурная схема электропривода с внутренним управляемым
генератором:
1 - релейный элемент; 2 - внутренний управляемый генератор; 3 - электродвигатель с редуктором
Сигнал с выхода внутреннего генератора:
Uy =
иТР • sign(AНО -bz) при
dA
но
иТР • sign(AНО + bz) при
т ^^ = k иУ - и ,
ап dt an ап
dt dA
> 0;
но
dt
< 0;
b
где bz = —2— относительная зона триггера; /НО - сигнал ошибки внутрен-
m
него управляемого генератора; Tan - постоянная времени апериодического звена.
Математическая модель реализована в виде специализированной программы, разработанной в среде Delphi. Результаты моделирования представлены на рис. 3.
На рис. 3 Ubx - относительный входной сигнал, иВЫХ_ТР - сигнал с
выхода внутреннего управляемого генератора, 3 - относительный угол поворота аэродинамического руля.
1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8
-1
Время, с
Частота = 3,0 Гц; вход - «Входной сигнал» амплитуда = 1,0; не нуль = 0,0; выход - «относительный угол поворота рулей» амплитуда = 1,0; фаза = - 4,05 град; коэффициент передачи = 1,0.
Рис. 3. Результаты математического моделирования
Для установления целесообразности применения рассматриваемого контура управления приводом был проведен сравнительный анализ его характеристик с автоколебательным контуром (рис. 2 без внутреннего генератора, заменяемого релейным элементом). В результате проведенного моделирования было установлено, что выходные динамические характеристики рулевого привода с внутренним управляемым генератором за счет вносимого в контур управления опережения по фазе близки к автоколебательным, тогда как высокочастотная составляющая рулей значительно ниже по амплитуде и выше по частоте.
Таким образом, схема с внутренним управляемым генератором позволяет значительно снизить амплитуду линеаризующего сигнала на выходе рулевого привода с сохранением динамических характеристик аналогичных автоколебательному приводу.
Список литературы
1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. 768 с.
2. Никаноров Б.А., В.С. Фимушкин, А.Г. Шипунов. Концепция разработки воздушно-динамических приводов ракет комплексного высокоточного оружия. М.: Ин-т пробл. управл., 1999. С.12-15.
3. Прошин В.М. Электротехника. М.: Академия, 2015. 284 с.
Никаноров Андрей Борисович, начальник отдела, [email protected], Россия, Тула, АО «Тулаточмаш»,
Никаноров Борис Александрович, канд. техн. наук, начальник сектора, [email protected], Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения имени академика А.Г. Шипунова»,
Васильев Александр Анатольевич, канд. техн. наук, инженер-исследователь 1-й категории, [email protected], Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения имени академика А. Г. Шипунова»
STEERING DRIVE WITH INTERNAL CONTROLLED GENERATOR A.B. Nikanorov, B.A. Nikanorov, A.A. Vasiliev
The possibility of using a steering drive for controlling the position of the aircraft in space by an movement of aerodynamic control surfaces according to the onboard equipment control signal at high altitudes for a long time (more than 10 minutes).
Key words: steering drive, aircraft, internal controlled generator, electric drive
Nikanorov Andrey Borisovich, Head of the Department, [email protected], Russia, Tula, Tulatochmash,
Nikanorov Boris Alexandrovich, Candidate of Engineering Sciences, Head of Sector, alexander5l5l@ ramhler.ru, Russia, Tula, KBP named after academician A. Shipunov,
Vasiliev Alexandr Anatolievich, Candidate of Engineering Sciences, research engineer of 1st category, [email protected], Russia, Tula, KBP named after academician A. Shipunov
УДК 621.313.333
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО КАТАЛОЖНЫМ ДАННЫМ
О.В.Горячев, А.О. Степочкин
Рассматриваются алгоритмы, позволяющие определить параметры схемы замещения по минимальному набору каталожных данных. На основании полученных результатов выполняется моделирование прямого пуска двигателя.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, Г-образная схема замещения асинхронного двигателя;каталожные данныеасинхронного двигателя, модель прямого пус-каасинхронного двигателя в Simulink
Как для учебного процесса, так и для прикладных и исследовательских задач очевидна потребность в эффективной методике моделирования режимов работы асинхронного двигателя на основе его математической модели и известных каталожных данных. Система МАТЬАВ с пакетом расширения БтиНпк дает широчайшие возможности для анализа и синтеза систем управления и их элементов.
Математическая модель асинхронной машины хорошо известна. Она включает в себя модель электрической части, которую можно представить в виде модели пространства состояний четвертого порядка и модель механической части в виде системы второго порядка. Но, вместе с тем, задача выбора простой и точной методики расчета параметров схемы замещения асинхронного двигателя остаётся по-прежнему актуальной, несмотря на большое количество публикаций на эту тему. В данной статье рассматриваются различные алгоритмы такого расчета в применении к конкретной модели асинхронного двигателя, а на основе полученных результатов выполняется визуальное имитационное моделирование прямого пуска двигателя в пакете БтиНпк.
В каталогах, как правило, приводятся следующие данные двигателя:
- номинальная механическая мощность Рном, кВт;
