Совершенствование динамических стендов авиационных тренажёров на базе гидроприводов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Прошин И.А., Прошкин В.Н., Тимаков В.М. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СТЕНДОВ АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЁРОВ НА БАЗЕ ГИДРОПРИВОДОВ

Одно из приоритетных направлений развития науки и техники - тренажеростроение обусловливается настоятельной необходимостью повышения качества подготовки лётного состава, обеспечения безопасности и надёжности полётов при сокращении затрат на подготовку, обучение и тренировку лётных экипажей. Авиационные тренажёры - имитаторы полёта и работы самолётного оборудования с помощью вычислительных и моделирующих систем позволяют отрабатывать навыки в пилотировании самолета, аэронавигации и обслуживании всего комплекса его оборудования, а для военных самолетов обеспечивают возможность совершенствовать действия экипажа в полете на боевое применение.

Комплексный тренажёр представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов: кабины самолёта со всем штатным оборудованием, установленной на динамическом стенде; вычислительного устройства; навигационных приборов;

задатчиков условий полета и устройства ввода отказов имитируемых приборов и систем; агрегатов системы имитации визуальной обстановки; динамического стенда (ДС),

обеспечивающих систематическую тренировку лётного состава независимо от метеорологических условий, наличия и состояния самолетов данного типа, а также вне связи с воздушной обстановкой и ограничениями воздушного движения. Особенно важно, что тренажеры позволяют в совершенно безопасных наземных условиях обучать экипажи действиям в различных аварийных ситуациях, при которых возникают высокие перегрузки и сложные пространственные перемещения самолета.

Динамический стенд является основным элементом тренажёра, формирующим акселерационные воздействия, подобные тем, которые человек испытывает в реальных условиях, находясь на движущемся объекте (самолете, танке и т.д.), и одновременно сам представляет собой систему взаимосвязанных элементов, объединяющих:

подвижную платформу с удерживающими кинематическими звеньями; кабину тренажера; проекционный экран;

проектор телевизионной аппаратуры; имитатор визуальной обстановки; исполнительный электрогидравлический привод.

В данной работе основное внимание уделено рассмотрению динамических стендов и, прежде всего, совершенствованию законов управления вертикальной перегрузкой, а также исследованию одного из основных элементов ДС - гидропривода.

Законы управления вертикальной перегрузкой. Силовое - акселерационное воздействие (АВ) на пилота становится определяющим при выработке навыков пилотирования и осуществляется перемещением кабины тренажера, установленной на динамическом стенде (рис. 1), создавая «полетные» перегрузки, удары, тряску при посадке и взлете, вибрации от силовой установки и на критических режимах полета, а также эффекты при стрельбе из ствольного и реактивного оружия.

Динамические стенды при массе кабины тренажера и всех подвижных частей до 9 т. должны обеспечивать:

скорости перемещения до 1.2 м/сек;

возможность создания перегрузок в полосе частот от 0.05 Гц до 15 Гц; запаздывания в имитации начала движения не более 0.15 сек; высокую плавность перемещения.

При этом имитация перегрузок должна осуществляться в ограниченных конструкцией стенда пределах для угловых и линейных перемещений. Очевидно, что с увеличением диапазона перемещений кабины тренажера появляется возможность более качественно воспроизводить ощущения движения близкие к полетным. Однако увеличение диапазонов перемещения кабины тренажера приводит к росту стоимости динамического стенда пропорционально кубу отношения перемещений, поэтому увеличение диапазона перемещений приводит к резкому увеличению стоимости всего тренажера.

Исследования отечественных и зарубежных ученых [1 - 6] показывают, что особой необходимости

создавать условия, в которых ускорения действуют длительно, нет. В соответствии с этими работами акселерационная информация воспринимается человеком не столько от действия установившихся значений ускорений, сколько от их изменения.

Подобие акселерационной информации, воспроизводимой на тренажере, зависит как от качественных характеристик и размеров динамического стенда, так и выбора закона управления движением платформы, и определяется возможностями и характеристиками привода.

Текущее значение высоты на промежутке времени от ^ до *2 при переменном ускорении определяется выражением

а г2 12

к = /*о + v0í + — -*" / / /1)

2 <1

где к0 , у0 , а0- начальные значения высоты, скорости и ускорения в момент изменения перегрузки; * - время.

Из анализа уравнения (1) с учётом психофизиологических особенностей человека следует, что наиболее информативным ингредиентом, несущим полезную акселерационную информацию, является последнее слагаемое правой части, требующее наименьшего диапазона перемещений стенда для его реализации по сравнению с другими компонентами уравнения.

Для реализации составляющей Н

А/г (/^) = ]* ]* ^¿кЛг’

*1

на динамическом стенде при моделировании процессов реального объекта решается обратная задача

- вычисляется сигнал, пропорциональный третьей производной от вертикального перемещения, троекратное интегрирование которого в реальном масштабе времени, позволяет определить сигнал, пропорциональный текущему значению высоты к ) в заданном интервале времени.

А// — / / /сміі — Сх + С*2 + + А/^2 г (2)

а /2

где С , С , С - постоянные интегрирования, причем С = “0- ; С = ^ ; С = ^ •

Не вводя постоянные интегрирования в решение уравнения (2), получаем искомый закон изменения

для реализации, которого требуются наименьшие перемещения его подвижной платформы.

При предлагаемом способе воспроизведения акселерационной информации на вход следящего привода, при воспроизведении, например, ускорения, подается сформированный сигнал, пропорциональный перемещению от действия ускорения по времени. При идеальной работе привода его исполнительное звено (шток гидроцилиндра) будет двигаться по квадратичной зависимости от времени в соответствии с изменением управляющего сигнала, воспроизводя тем самым реальные ускорения исполнительного звена. При этом следящий привод должен удовлетворять высокой точности отработки входного сигнала, быстродействию и плавности движения.

Структура гидропривода с компенсацией веса нагрузки. Существенным недостатком известных динамических стендов является влияние веса подвижной платформы и установленного на ней оборудования на работу следящего привода.

В связи с тем, что при движении вниз сила веса подвижных частей складывается с формируемой гидроприводом силой, а при движении вверх противодействует ей, создается асимметрия механической характеристики привода, приводящая, в конечном счете, к искажению процесса отслеживания входных электрических сигналов. Особенно этот недостаток проявляется при отработке высокочастотного входного сигнала.

Для устранения этого недостатка в следящий гидропривод трёхстепенного динамического стенда с вертикальным расположением гидроцилиндров введен гидродинамический компенсатор статической нагрузки (ГДКСН). Принцип действия гидропривода и системы компенсации поясняется структурной схемой изображенной на рис. 1. Исполнительным звеном следящего привода является трехполостной гидроцилиндр ГЦ, две полости которого рабочие и одна компенсационная. В компенсационной полости ГЦ поддерживается постоянное давление, уравновешивающее статический вес груза, воздействующий на продольную ось штока ГЦ. Такая конструкция гидроцилиндра обеспечивает расширение функциональных возможностей и симметрию характеристик гидропривода. Гидроцилиндр управляется через распределительный золотник РЗ и электрогидравлический усилитель ЭГУ от управляющего устройства УУ. Исполнительный гидропривод ИГП включает в себя также датчик перепада давлений ДПД.

Движение штока гидроцилиндра создается за счет разности давления в рабочих полостях Рраб1 и Рраб.2, получаемого за счет управления потоком рабочей жидкости с помощью ЭГУ на вход которого, через регулятор давления управляющего устройства УУ1, подается сигнал, пропорциональный разности задающего сигнала формирователя управляющих воздействий ФУВ и сигнала с датчика положения ДП отрицательной обратной связи. Как видно из рис. 1 датчик положения ДП, регулятор давления, электро-гидравлический усилитель и гидроцилиндр ГЦ образуют следящую систему с отрицательной обратной связью по положению, которая позволяет воспроизводить градиенты ускорений методом задающих воздействий.

Математическое моделирование и экспериментальные исследования гидропривода. Гидропривод с позиций системного подхода - это система взаимосвязанных элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к сумме свойств отдельных частей и включающая в себя целый ряд функциональных компонент (рис. 1) . Поэтому математическая модель всей гидросистемы может быть представлена как взаимосвязанная совокупность звеньев - математических моделей отдельных элементов и, прежде всего, моделей исполнительного гидропривода и гидроусилителя, составляющих неизменяемую часть системы и объединяющих следующие линеаризованные уравнения:

движения массы нагрузки т , приведённой к оси гидроцилиндра

Ш 2х / ч Шх

т—Т = ск(хп -х)-сш •х-Ь— -р; (3)

ш ш

движения поршня гидроцилиндра с массой т

координаты кст (і) динамического стенда г2

расхода жидкости в гидроприводе

скорости перемещения золотника

іі Л3

движения якоря электрогидравлического усилителя

обмотки управления электромеханического преобразователя гидроусилителя

= и -Ш - К— . іі іі

(8)

Здесь х - координата

перемещения платформы, [ х] = м; хп - координата перемещения поршня гид-

роцилиндра, [ хп] = м; Сщ - коэффициент позиционной (шарнирной) нагрузки

ЛП ра

бочая площадь поршня, [Л ] = м2 ; АР = р - Р2 - перепад давлений в гидроцилиндре, [АР] = Па ; Г -

сила тяжести подвижной части динамического стенда, [Г ] = Н; Ь - координата перемещения золотни-

К

коэффициент передачи золотника по расходу

, [К8Ь ]=м%; Кдр

коэффициент

скольжения по расходу

, [ Квр ] =

КЕ = У0/2 • Е

коэффициент, учитывающий сжимаемость жидкости

с приведенным значением модуля объемной упругости Е , КЕ =м с

^0 = 1,2 • ЛП • Хтах

объем рабочей

камеры гидроцилиндра; Крі = (д% )0

= Н/ к _ІдЄд/

току, [Кгі ] = На ; Кбь

'дЬ

- коэффициент передачи электромеханического преобразователя по коэффициент передачи гидравлического мостика сопло - заслонка

по расходу

, [К8Ь ] = м%; бд

расход в гидроцилиндре, [бд ] = м/С ; [0Д]

коэффициент передачи

электромеханического преобразователя по перемещению заслонки в рабочей точке, [КГЬ ] =

- Н/ - кг/

КР

коэффициент, учитывающий гидродинамическое воздействие струй жидкости на заслонку,

[Кк] = = ^^2 ; К - коэффициент противо-ЭДС, [К] = В*; Я - эквивалентное активное сопро-

тивление обмоток управления ЭМП, [Я] = Ом ; Ь - индуктивность обмоток управления ЭМП, [Ьэ ] = Гн ;

коэффициент жёсткости силовой проводки, [ск ] =

- Н/ =кг/

коэффициент вязкого трения,

^ОС - коэффициент жёсткости пружины обратной связи гидроусилителя, [сос] = =К^2 ; ‘

коэффи-

циент вязкого трения

, [ь] = Н с

= кг/ м /с

коэффициент вязкого демпфирования якоря ЭМП,

[‘я ]-Н?м - ж/с; т

- приведенное к оси сопла значение массы якоря электромеханического преоб-

разователя и заслонки

, [™я ] = кг ; Лз

площадь поперечного сечения золотника

, [ аз ] = м2; ь

ордината перемещения заслонки, [Ь] = м; и -напряжение на обмотке преобразователя, [и ] = в ток управления ЭМП, [I ] = А .

- ко-

I -

Рис. 1 Структурно-функциональная схема следящего гидропривода с компенсаций статической нагрузки: ГА - гидроаккумулятор; ГКСН - гидрокомпенсатор статической нагрузки; ГЦ - гидроцилиндр; Др.1, Др.2, Др.5, Др.6 - сопловые дроссели; Др.3, Др.4, Др.7, Др.8 - калиброванные гидравлические дроссели; ДД - датчик давления; ДП - датчик перемещений; ДПД - датчик перепада давления; ДС - датчик скорости; ДТ - датчик тока; ЗКВ - задатчик компенсационных воздействий; ИГП - исполнительный гидравлический привод; ИИС - информационно-измерительная система; ПК - предохранительный клапан; ПОС - позиционная (пружинная) обратная связь; РЗ 1, РЗ 2 - распределительный золотник; СА 1, СА 2 -сопловой аппарат; УУ 1, УУ 2 - управляющее устройство; ФУВ - формирователь управляющего воздействия; ЭГУ - электрогидравлический усилитель; ЭПМ - электромеханический преобразователь

кг

ь

с

К

2

м

ь

Я

Полная математическая модель гидропривода с учётом нелинейности отдельных элементов кроме (1)

- (8) включает в себя ряд функциональных зависимостей, учитывающих взаимосвязь между отдельными

переменными, насыщение по расходу и давлению, трение, запаздывание.

С учётом того, что в следящем гидроприводе с компенсацией статической нагрузки диапазон изменения управляющих воздействий значительно снижается, при исследовании законов управления гидроприводом с достаточной для практики точностью может быть принята линеаризованная математическая модель.

Как объект управления гидропривод представим преобразователем, за выходную (управляемую) координату которого примем перемещение массы нагрузки х . Управляющее воздействие щ - напряжение на

сила тяжести подвижной части

обмотке преобразователя и , основные возмущающие воздействия , 2^

динамического стенда и силы, обусловленные движением и изменениями нагрузки.

Модель (3) - (8) с учётом предлагаемой структуры гидропривода представим в пространстве состояний. За переменные состояния примем: V, У6 - токи управления ЭМП гидроусилителей; У2, - скоро-

сти перемещения заслонок

йк

йі

координаты перемещения заслонок

к

координаты перемещения золотников

Ь ;

10

перепад давлений АР = р — Р2 , и компенсирующее дав-

ление в компенсационной полости трехполостного гидроцилиндра йх йі с = ГО

скорость перемещения массы

12

координата перемещения массы нагрузки

X

координаты перемещений массы нагрузки х и поршня хп гидроцилиндра совпадают х=х

нагрузки

При С^- —^ координаты перемещений массы нагрузки х и поршня хд

а динамическое состояние гидропривода с компенсацией статической нагрузки может быт задано в пространстве состояний вектора V — ] моделью блочно-матричной формы

■п ,

4

5 х 5

0000 0 0000 0 0000 0 0000 0 0000 0

00 00 00 00 А „

"0000 0'

0000 0

А

0000 0

5 х 5

0000 0

0000 0

_ _

кЕ

0

0

0

0

АП

К 2

0000 Ап1 т

0000 0

0000^-

т

0000 0

С 0 Сш т

0

1

1 ЬУ1 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 1 ЬУ2 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 1 т

(9)

Матрицы [4] и А ] представляют собой модели электрогидравлических усилителей и расходов жидкостей исполнительного гидропривода и гидродинамического компенсатора статической нагрузки, имеют одинаковую структуру и размерность

5 х 5

Я’ Ьу кЭ Ьу 0 0 0

Ки --Е КЕк + КЯ + сО С С о| с 1 0

тя тя тя тя

А, ] = 0 1 0 0 0

0 0 0 КЯк А 0

0 0 0 Кдь КЯР

КЕ КЕ

На основе разработанной математической модели (9) в программной среде Mathcad проведены исследования отработки гидроприводом управляющих воздействий по перемещению, задаваемому выражением

У (і ) = а0-v ’ 2

(10)

при равноускоренном движении с различными ускорениями и, задаваемому выражением *2

Y(t) = ^^adti (11)

К

при постоянной перегрузке в соответствии с предлагаемым способом.

V

На рис. 2, а приведены временные характеристики перемещений, скоростей и ускорений при отработке постоянных ускорений а0 = 0.5^ по закону (10) гидроприводом без компенсации и с компенсацией

веса платформы, а на рис. 3, б - временные характеристики абсолютных погрешностей (в) при отработке заданного закона управления перемещением.

Рис. 3 отражает те же характеристики при движении платформы с постоянной скоростью изменения ускорения, численно равной 0.5^ по закону (11).

Здесь обозначено g, va, хю,х - ускорение свободного падения

ускорение

(g);

скорость

и перемещение

(м) , соответственно. Цифрой 0 помечены переменные системы с компенсацией

платформы.

а)

80

в

б)

Рис. 2 Временные характеристики параметров движения платформы динамического стенда при отработке перемещений по закону (10)

а)

8 0

б)

Рис. 3. Временные характеристики параметров движения платформы динамического стенда при отработке перемещений по закону (11)

Сравнительный анализ приведенных характеристик показывает, что при отработке законов управления (10) и (11) в системах гидропривода автоматически задаются законы управления скоростями и ускорениями платформы.

В системах без компенсации веса платформы на начальных участках переходных характеристик наблюдаются большие переходные процессы и задержки в отработке управляющих воздействий. Точность отработки управляющих воздействий в системах гидропривода с компенсацией веса платформы выше. Об этом же свидетельствует экспериментальная частотная характеристика, показанная на рис. 4.

Рис. 4 Экспериментальные логарифмические частотные характеристики гидропривода с компенсацией и без компенсации веса платформы динамического стенда

8

Практическое использование разработанных способов, систем и моделей при создании динамических стендов авиационных тренажёров для подготовки лётного состава самолётов Ил-7 6, Су-25, Миг-25, Як-18, Ту-144, Ту-154, Ту-160, Ми-24, Ми-8, противолодочного вертолёта В-14 показало их высокую эффективность, выразившуюся в более точном воспроизведении акселерационных воздействий, повышении управляемости и надёжности тренажёров.

Литература

1. Хилдстон Х.Ф. Требования к движению кабины для имитации полёта// Отчёт NASA № 363, 1963.

2. Стенли Ф., Ш. Конрад, Б. Конрад. Сигналы управления движением для пилотажного имитатора полёта// Отчёт ассоциации аналитической механики исследовательского центра им. Эймса, 1968// Перевод КИИГА, 197 4 г.

3. Ворона А.А., Гандер Д.В., Пономаренко В.А. Теория и практика психологического обеспечения лётного труда. М: Воениздат, 2003. 278 с.

4. Сотников Д.А., Кваша М.М., Тимаков В.М. Создание технических средств и технологий динамической имитации полёта // Тренажёрные технологии и обучение: Новые подходы и задачи // Сборник докладов второй научно-технической конференции, г. Жуковский: ЦАГИ, 2003. С. 44 - 50.

5. Гератеволь Э. Психология человека в полёте. М. 1956.

6. Ворона А.А., Гандер Д.В., Пономаренко В.А. Психолого-педагогические основы профессиональной подготовки лётного состава. М: МАЧАК, 2000. 340 с.