CC BY
6СОДЕРЖАНИЕ
УДК 621.396.6: 629.7.062
ГРНТИ 78.01.81: 78.25.13: 45.41.33
СТЕНД ОПЫТНОЙ ОТРАБОТКИ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАНЕВРЕННОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
И.В. ЗАХАРОВ, кандидат технических наук, доцент
ФГБОУВО «МАИ(НИУ)» (г. Москва)
Ю.А. СИНЯВСКАЯ, кандидат технических наук
ФГБОУВО «МАИ(НИУ)» (г. Москва)
Предложено решение для снижения стоимости экспериментальных исследований уникальных объектов, среди них - электрический рулевой привод из состава бортовой системы управления ракеты, а также программно-аппаратный комплекс его функционального контроля. Реализация решения основана на декомпозиции контуров электрического рулевого привода и детального исследования его элементов с использованием более простого оборудования в рамках стенда опытной отработки. Для опытной отработки выполнен углубленный инженерный анализ особенностей конструкции и функционирования электрического рулевого привода, его функциональной, электрической и структурной схем, а также особенностей его функционирования в различных режимах. Приведена математическая модель объекта исследования, включающая основные проверяемые параметры. Для выполнения экспериментов функционального контроля электропривода разработано программно-аппаратное обеспечение, как составная часть стенда функционального контроля. Приведены результаты полунатурного моделирования работы автономного контура электропривода в статическом и динамическом режимах. В статическом режиме на электрический рулевой привод подавался нулевой сигнал, проверялось нулевое положение рулей, а также проверялся сигнал с датчика обратной связи. В динамическом режиме на электропривод подавался сигнал в виде низкочастотных гармонических колебаний, а также проводилась регистрация сигналов для последующей идентификации параметров электропривода. Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность, функциональное удобство разработанного стенда, а также точность полученных экспериментальных данных.
Ключевые слова: электрический рулевой привод, стенд опытной отработки, метод функционального контроля, программно-аппаратный комплекс, бортовая система управления ракеты, информационно-измерительная система.
Введение. Современные управляемые авиационные ракеты и их бортовое оборудование являются уникальными и дорогостоящими объектами исследований. При проведении научноисследовательских и проектных работ по формированию технического облика информационноизмерительной системы (ИИС) программно-аппаратного комплекса (ПАК) функционального контроля (ФК) [1, 2], а также при сопряжении измерительного контура ИИС с исполнительными элементами контура системы управления ракеты (СУР), авторы столкнулись с проблемой высокой стоимости экспериментальных исследований. Это обусловлено не только уникальностью объекта исследования - СУР и ее электрического рулевого привода (ЭРП), но и уникальностью используемого дорогостоящего измерительного оборудования ИИС. Кроме того, при выполнении детальных исследований отдельных контуров ЭРП шла наработка всего изделия и оборудования ИИС.
Для решения указанных проблем на основе современных информационных технологий была проведена опытная отработка частных элементов ИИС программно-аппаратного комплекса
СОДЕРЖАНИЕ
функционального контроля и их сопряжение с ЭРП. В рамках опытной отработки выполнен углубленный инженерный анализ особенностей конструкции, электрических и структурных схем некоторых элементов СУР и их контуров, а также особенностей их функционирования в различных режимах.
Кроме того, был препарирован один ЭРП и было изготовлено специальное оборудование для обеспечения нормального функционирования ЭРП, а также его сопряжения с используемой контрольно-измерительной аппаратурой при подаче и съеме рабочих сигналов.
Актуальность. Предложенный подход на основе применения стенда опытной отработки элементов ФК ЭРП позволяет более избирательно осуществлять построение конфигурации аппаратного оснащения и программного обеспечения ПАК ФК, а также гибко строить план проведения экспериментов с объектом ФК. Кроме того, предложенный подход позволяет снизить суммарные затраты на проведение экспериментальных исследований объекта ФК и дает возможность широкого привлечения к проведению экспериментов персонала с менее высоким уровнем квалификации.
Анализ объекта исследования. Электрический рулевой привод является исполнительным устройством основных каналов системы управления маневренного беспилотного крестокрылого летательного аппарата (БПЛА) с Х-Х ориентацией органов управления в пространстве. Конструктивно ЭРП рассматриваемого маневренного БПЛА выполнен в виде единого отсека -блока рулевых приводов (БРП). Он построен по дифференциальной схеме, включает четыре независимых электрических рулевых привода и четыре канала управления ими. Они отклоняют аэродинамические (АД) рули каналов управления маневренного БПЛА по сигналам Цгдз бортовой системы управления (БСУ). При отклонении АД рулей они совместно с оперением и корпусом БПЛА создают управляющий момент и управляющую силу, изменяющие пространственное положение БПЛА, и формируют траекторию наведения его на цель. Поэтому рулевые приводы в совокупности с другими элементами контура наведения определяют конечный результат решения задачи наведения БПЛА на цель - промах.
Функционально в БРП входит электромеханическая часть и электронный блок управления приводом (БУП). Электромеханическая часть БРП включает четыре исполнительных механизма, в свою очередь состоящих из электродвигателя постоянного тока и зубчатого редуктора.
Общая функциональная схема ЭРП представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Общая функциональная схема ЭРП
В состав функциональной схемы одного канала исследуемого электропривода входят:
- устройство управления (УУ);
- электродвигатель (ЭД);
- силовой редуктор (Рд1);
- аэродинамический руль (АР);
СОДЕРЖАНИЕ
- устройство жесткой обратной связи (УОС);
- редуктор (Рд2) устройства обратной связи (при наличии).
Кроме того, в состав ЭРП часто включают источник питания (ИП), вместе с тем он может быть и внешним по отношению к ЭРП, например, источник питания бортового оборудования маневренного БПЛА.
Устройство управления представляет собой суммирующий усилитель, на вход которого подается управляющий сигнал Uy на отклонение руля, а также сигнал жесткой отрицательной обратной связи (ЖОС) Uoc по положению руля. С выхода УУ снимается сигнал Ua(I), равный
U„ (I)=К„ (и, (!) - U„ (t)). (1)
Источником крутящего момента в ЭРП является электродвигатель. В исследуемом электроприводе применен малогабаритный коллекторный двигатель постоянного тока.
Электродвигатель преобразует электрический сигнал Ua во вращение (вращательное движение) вала ЭД в ту или иную сторону, в зависимости от полярности сигнала +Ua, определяющее момент_МДв(1) двигателя
±M„ (t) = f (+U4 (t)). (2)
Для передачи крутящего момента двигателя МДв(1) к выходному валу аэродинамического руля применяется понижающий редуктор (Рд1), который преобразует момент двигателяМдв^) в момент редуктораМ(!) через передаточное число qi
M (t) = qxM^ (t). (3)
Под воздействием момента редуктора поворачивается на угол <5(t) аэродинамический руль. С АР и выходным валом кинематически связано устройство обратной связи - УОС.
Устройство обратной связи выполнено в виде радиального проволочного потенциометра. УОС преобразует угловое перемещение <5(t) выходного вала АР в напряжение Uoc и формирует тем самым жесткую обратную связь по положению руля
Uoc (t) = КждЦ), (4)
где Кос - коэффициент передачи по обратной связи контура ЖОС [В/град].
Учитывая особенности конструкции используемого потенциометра и особенности его размещения у выходного вала, может быть использован дополнительный редуктор Рд2 с коэффициентом передачи q2, так что
Uoc (t) = Kocq2S(t). (5)
В исследуемом ЭРП кинематическая связь УОС с выходным валом АР осуществляется одноступенчатым зубчатым зацеплением с передаточным отношением q2, обеспечивающим использование всего рабочего угла поворота вала радиального проволочного потенциометра. Для обеспечения точности ЖОС кинематическая зубчатая передача выполнена безлюфтовой.
Аэродинамический руль, как объект управления ЭРП, характеризуется геометрическими параметрами и массой, он определяет в контуре ЭРП инерционную составляющую как объекта управления.
Электрокоммуникации элементов БРП обеспечены внутренними электроразъемами и одним внешним разъемом, выполняющим контрольные функции. С помощью внешнего
СОДЕРЖАНИЕ
контрольного разъема можно подавать управляющие сигналы Uyi-4(t) и наблюдать основные рабочие сигналы всех четырех каналов ЭРП Uoci-4(t), Um-4 (t), Un, Unyoci-4. В случае организации функционального контроля препарированного БРП можно использовать внутренние разъемы и контрольный разъем, при этом можно наблюдать практически все рабочие сигналы. А в случае организации функционального контроля БРП в составе БПЛА используют основной бортовой разъем и контрольный разъем и наблюдают только ограниченное множество рабочих сигналов.
Процедура функционального контроля (ФК) ЭРП проводится замыканием схемы ФК с использованием метода дублирования (рисунок 2). Объектом ФК является реальный объект -ЭРП, а замыкание схемы ФК производится через идеальный объект - математическую модель ЭРП [3-5].
Рисунок 2 - Схема функционального контроля ЭРП
Мера расхождения свойств этих объектов А определяется с помощью устройства сравнения (УС) по реакции реального Y и идеального Ум объектов на единое входное воздействие А
A(t) = У (0 - YM(f). (6)
Математическая модель ЭРП и устройство сравнения реализованы в информационноизмерительной системе на базе ПК, кроме того, для замыкания схемы ФК через сигналы X(t), Y(t) и YM(t) использованы многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Рассмотрим имитационную математическую модель исследуемого привода и программное обеспечение ИИС функциональной диагностики.
Имитационное моделирование является широко применяемым методом в задачах проектирования и функциональной диагностики сложных систем [6].
Имитационная модель электропривода включает в свой состав:
- модель устройства управления;
- модель электродвигателя;
- модель источника питания;
- модель кинематического механизма (редуктора);
- модель УОС;
- модель объекта управления.
Каждый из указанных объектов может быть представлен различными моделями, которые будут отличаться степенью детализации в математическом описании физических процессов, протекающих в электроприводе [7, 8].
Математическая модель электродвигателя является основой имитационной модели электропривода. Выбор варианта математической модели электродвигателя зависит от типа электродвигателя в ЭРП. Для варианта коллекторного электродвигателя его математическую модель представляют линейной моделью двигателя постоянного тока с параметрами, соответствующими второму закону Кирхгофа [9]
СОДЕРЖАНИЕ
т я® + 7 (t)=-L Г и (0_ cd^
я dt R дв е dt
(7)
Данная математическая модель также является адекватной для электродвигателя постоянного тока любого типа при условии определения точных параметров для второго закона Кирхгофа. Структурная схема, соответствующая (7), представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Линейная математическая модель электродвигателя
На рисунке 3 ив формуле (7) используются обозначения:
U№(i) - напряжение двигателя [В];
Яя - активное сопротивление [Ом];
Тя- электрическая постоянная времени двигателя [с];
Се - коэффициент противо-ЭДС двигателя [Вс/рад];
7 - ток двигателя [А];
См - коэффициент момента двигателя [Нм/А];
Мдв(0 - момент электродвигателя [Нм];
Тдв - момент инерции двигателя [Нмс2/рад];
£дв(0 - угол поворота выходного вала двигателя [рад].
Общий вид стационарной линейной модели электропривода на базе модели двигателя постоянного тока представлен структурной схемой на рисунке 4.
Рисунок 4 - Линейная математическая модель электропривода
В структурной схеме (рисунок 4) используются обозначения: q - общее передаточное число кинематического механизма (редуктора) [б/р];
Jmq - момент инерции, приведенный к выходному валу электропривода, учитывающий инерцию электродвигателя и кинематического механизма [Нмс2/рад];
СОДЕРЖАНИЕ
Wcy - оператор математической модели системы управления электроприводом;
^дос - оператор математической модели датчика обратной связи (датчика угла).
Оператор WCy может быть представлен коэффициентом усиления и произвольным количеством корректирующих динамических звеньев [7]. В текущей версии программного обеспечения реализован вариант линейной коррекции электропривода на базе звеньев первого порядка и модель ПИД-регулятора
u (t) = kvd{t) + k I 0{t) dt + kd
0
d0{t)
(8)
где kp - коэффициент пропорциональности; kl - интегральный коэффициент;
kd - дифференциальный коэффициент; в - сигнал ошибки.
Оператор Жд0С является математической моделью датчика угла. В текущей версии программного обеспечения в качестве датчика обратной связи рассматривается потенциометр. Стационарная линейная модель потенциометра описывается коэффициентом обратной связи Кос [В/рад].
С целью выполнения диагностики сигнала потенциометра реализована модель формирования шума потенциометра в виде суммы гармонической и высокочастотной случайной составляющих. Параметры блока формирования шума потенциометра можно подстраивать для идентификации возможных неисправностей потенциометра.
Момент MH (t) является моделью объекта управления, описывающей момент
аэродинамической нагрузки, создаваемый аэродинамическим рулем. Общий линейный закон аэродинамической нагрузки имеет вид
M (t) = J ^d£± + К„ ^ + М») + М„ (t), (9)
где Jp - моментинерцииаэродинамического руля(объектауправления) [Нмс2/рад]; S(t) - угол поворота аэродинамического руля [рад]; Кш - коэффициент вязкого трения [Нмс/рад]; Мsm - коэффициент шарнирного момента по углу поворота аэродинамического руля [Нм/рад]; М0(t) - внешний момент [Нм], который может задаваться в виде постоянного значения или гармонического сигнала.
Уравнение (9) описывает состав момента аэродинамической нагрузки, включающий:
J„
d 2S(t) dt2
инерционную составляющую нагрузки;
v dS(t)
авт —— - диссипативную составляющую нагрузки; вт dt
MsJ(t) - позиционную составляющую нагрузки.
При диагностике электропривода в составе изделия в лабораторных условиях учитывается только инерционная составляющая объекта управления
MH (t) = Jp
d 2S(t) dt2
(10)
Математическая модель системы управления WCy может быть представлена коэффициентом усиления Ку прямой цепи электропривода, содержать элементы
СОДЕРЖАНИЕ
корректирующих цепей, учитывать влияние задержки сигнала управления в виде настраиваемого элемента задержки e T~s и реализовывать модель дискретизации по времени и по уровню выходного сигнала датчика обратной связи, вызванной применением АЦП в цепи обратной связи [10]. В виду того, что элемент e T~s оказывает влияние на устойчивость замкнутого контура, с его помощью можно идентифицировать некоторые причины возникновения колебательных процессов в электроприводе [7, 11].
Для варианта Wcy = Ку и ЖДОс = Кос математическая модель электропривода может быть представлена в следующем виде [12]:
(t) = К, (Ц, (I) - Ц, (I)),
гШ.+1 (t)=+ я dt R
ит (t)-ц • ч ■
d8(t)' dt
M (t) = ■ q ■ i (t),
J„ • q2 • ^ = M (t) - M, (t),
m, (t)=Jf • dd?ei+K„ dd+мiS(t)+M0 (r),
Uo. (t) = ).
(11)
Данная математическая модель относится к классу линейных стационарных моделей. Дополнение данной системы уравнений моделями нелинейных элементов и законами изменения значений параметров (аналитическими или табулированными) преобразует данную модель к классу нелинейных нестационарных и позволит выполнять функциональную диагностику ЭРП в более широком спектре возмущающих воздействий.
Программное обеспечение информационно-измерительной системы функциональной диагностики. На основе математической модели (11) разработано программное обеспечение моделирования и диагностики рулевого электропривода как подсистемы автоматизированного комплекса функциональной диагностики БПЛА. Базовой частью данного программного обеспечения является «Программа математического моделирования электропривода маневренного БПЛА на основе линейной модели с элементами линейной коррекции» [13]. Программное обеспечение разработано в среде Embarcadero C++ Builder.
Главное окно пользовательского интерфейса программы представлено на рисунке 5. Интерфейс программы включает окна визуализации фазовых координат функционального контроля, а также панели пользовательских настроек, среди них:
- панель настройки параметров элементов ввода математической модели канала ЭРП;
- панель настройки параметров входных сигналов ЭРП, задающих режим функционального контроля;
- панель настройки служебных параметров, определяющих особенности численного интегрирования уравнений математической модели ЭРП;
- панель настройки вывода элементов визуализации фазовых координат процесса функционального контроля ЭРП.
Панель настройки параметров элементов ввода математической модели канала ЭРП.
Расположение элементов ввода распределено согласно функциональному составу системы автоматического управления:
- система управления;
- исполнительное устройство;
- объект управления.
СОДЕРЖАНИЕ
\
Окна визуализации фазовых координат функционального контроля ЭРП
Панели настройки параметров элементов модели ЭРП
sclpta
(14 ЭЭЭЭЭЭв Ннс2
Параметры мхепн Объекта Управае*ыя
J н 100040000i Нмс2 кщ
к..|0 I Нис/род
Вмешмы ьимеит U McomJ LJ а
Нм/рад
Вхацисм с*гнал Реакция мам iv
ПАЧ< ЛФЧК
Масштаб гю У
П Затекавший
U
Q Перюакмес»»*« ыклульмый
Количество периодов Длительность нуля Максимум сигнала _
Панель настройки параметров входных сигналов, задающих режим функционального контроля ЭРП
Панель настройки служебных параметров, определяющих особенности численного интегрирования уравнений математической модели ЭРП
Панель настройки вывода элементов визуализации фазовых координат процесса функционального контроля ЭРП
15 00
1200
9 00
600
300
•300
-600
-9 00
-1200
-15 00
”. ..... • 1111 1111 Д4-Ы- Г Е ■5^3 + ZZZZZZ
^ Г7—
f .—JZ- +
1 / 1
Рисунок 5 - Окно пользовательского интерфейса программы
В панели «Параметры модели Системы Управления» задаются значения коэффициента обратной связи, общего коэффициента усиления прямой цепи, параметры ПИД - регулятора (таблица 1) и модель линейной коррекции. При выборе линейной коррекции отображается форма, в которой можно задать передаточную функцию корректирующей цепи, состоящую из интегрирующих, апериодических и форсирующих звеньев.
Таблица 1 - Параметры модели исполнительного устройства
Параметр Наименование Размерность
кос коэффициент обратной связи В/рад
Ку коэффициент усиления в прямой цепи б/р
u вхтах максимальная величина командного сигнала В
kp пропорциональный коэффициент ПИД-регулятора б/р
ki интегральный коэффициент ПИД-регулятора б/р
К дифференциальный коэффициент ПИД-регулятора б/р
Панель «Параметры модели Исполнительного Устройства» включает параметры электродвигателя в форме параметров двигателя постоянного тока и параметр кинематического механизма (редуктора) q (таблица 2).
СОДЕРЖАНИЕ
Таблица 2 - Параметры модели системы управления
Параметр Наименование Размерность
сопротивление якоря двигателя Ом
T электрическая постоянная времени двигателя с
Се коэффициент противо-ЭДС двигателя Вс/рад
Cm коэффициент момента двигателя Нм/А
момент инерции двигателя Нмс2/рад
q передаточное число редуктора б/р
U n напряжение источника питания В
^max допустимый максимальный ток двигателя А
Панель «Параметры модели аэродинамического руля» (таблица 3), являющиеся составляющими момента нагрузки.
Таблица 3 - Параметры модели объекта управления
Параметр Наименование Размерность
III момент инерции аэродинамического руля Нмс2/рад
К вт коэффициент вязкого трения Нмс/рад
К - м5ш коэффициент шарнирного момента по углу поворота аэродинамического руля Нм/рад
<Ршах максимальный угол поворота выходного вала привода градусы
В случае возникновения расхождения результатов моделирования и реальных законов движения объекта управления можно дополнить модель аэродинамической нагрузки моделью внешнего момента в виде постоянного значения и в виде гармонического закона (таблица 4).
Таблица 4 - Параметры модели внешнего момента
Параметр Наименование Размерность
M const значение постоянного момента Нм
а амплитуда гармонического сигнала момента нагрузки Нм
0 частота гармонического сигнала момента нагрузки рад/с
Панель настройки параметров входных сигналов ЭРП. Входные сигналы на систему ЭРП определяются режимом функционального конроля ЭРП. Предусмотрены следующие типы задающих воздействий:
- Скачкообразный закон движения: u = const [В].
- Гармоничесий закон движения: w (t) = a • sin®t, где а - амплитуда сигнала [В], W - круговая частота [рад/с].
- Линейный закон движения: uynp(t) = V• t, где v - коэффициент [В/с].
- Затухающий гармонический закон движения: Мупр(t) = Ae~a sin{<Dt + ф),
где А - величина начального скачкообразного импульса [В], а - скорость затухания сигнала, W - круговая частота гармонического сигнала [рад/с], ф - сдвиг по фазе гармонического сигнала
[рад].
СОДЕРЖАНИЕ
- Периодический импульсный закон движения конечной длительности:
и
упр
Umax ^ о^ 1Л л
0, t1 < t < t2,
Umax V Vi 04
0, t3 ^ t < tn ■
График функции периодического импульсного закона изображен на рисунке 6.
Рисунок 6 - График функции периодического импульсного закона Параметры периодического импульсного закона движения представлены в таблице 5. Панель служебных параметров.
К параметрам панели служебных параметров относятся: tk - интервал интегрирования модели; h - шаг интервал интегрирования модели;
масштаб по Г - масштаб по оси ординат для графиков промежуточных фазовых координат (напряжение, ток, момент, ошибка).
Таблица 5 - Параметры импульсного релейного закона движения
Параметр Наименование Расчетная формула
k Количество периодов Задается пользователем
A Длительность нуля Задается пользователем
Umax Величина скачка Задается пользователем
t0 Начало периода to =V = 0 [nt0, t > ntn0, n - номер периода
t1 Длина одного импульса t1 = tn0 ~ 2Л 12
^n 0 Длина одного периода ^1 ^ ll о s
tk Интервал интегрирования Задается пользователем
СОДЕРЖАНИЕ
Панель настройки вывода элементов визуализации фазовых координат функционального контроля.
К элементам визуализации относятся:
- основные фазовые координаты - входной сигнал и выходной сигнал системы ЭРП, которые отображаются в верхнем окне визуализации;
- промежуточные фазовые координаты - напряжение, ток, момент, сигнал ошибки, которые отображаются в нижнем окне визуализации.
Входной и выходной сигналы отображаются по умолчанию, а для вывода промежуточных фазовых координат нужно установить переключатель возле наименования фазовый координаты.
Стенд опытной отработки элементов функционального контроля ЭРП. В рамках экспериментальной отработки элементов функционального контроля ЭРП разработан облик стенда. Функциональная схема стенда для ФК одного канала ЭРП представлена на рисунке 7. Состав стенда включает объект ФК, собственно ЭРП, пульт контроля с кабелями электрокоммуникаций, источник питания с требуемыми видами напряжений постоянного тока, совокупность измерителей, представленных комбинированными приборами, аналогоцифровыми преобразователями, цифровым осциллографом и персональный компьютер.
На рисунке 7 показана функциональная схема стенда опытной отработки элементов ФК для одного канала ЭРП.
Для проведения исследований были использованы 2 ЭРП. Один из них препарирован для определения параметров модели. Второй был установлен на стапель с сохранением целостности его электрокоммуникаций. Данный привод был использован для полуфизического моделирования процессов функционального контроля.
Рисунок 7 - Функциональная схема стенда
Для управления экспериментом и контроля параметров функционирования привода был использован пульт контроля ПК-ЭРП. Пульт ПК-ЭРП является основой схемы функционального контроля привода ЭРП. Пульт ПК-ЭРП обеспечивает коммутацию всех связей схемы контроля, в том числе, реализует транзитные цепи питания У ОС привода от блока питания стенда и цепь управляющего сигнала Uy. Кроме того, пульт обеспечивает съем рабочих сигналов Uy, Uoc с привода и измерение параметров питающего напряжения.
Для преобразования электрических сигналов в цифровой вид использованы многоканальные аналого-цифровые преобразователи, среди которых отечественные ADClabUSB-100E и другие, например, USB-6009 и USB-6210.
СОДЕРЖАНИЕ
При проведении экспериментов предусмотрено управление приводом в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме управляющий сигнал Uy на привод подается от потенциометра «Задатчик ±Uy». Однако в качестве основного используется режим автоматического отклонения привода от внешнего источника управляющего сигнала (синусоидальный и пилообразный сигналы, сигнал в виде прямоугольных импульсов). Для реализации таких режимов, питание потенциометра-задатчика отключается, а на гнезда Uy подается сигнал от генератора стандартных сигналов.
Реализация экспериментов полунатурного моделирования функционирования контура ЭРП с разработанным стендом. Для проверки реализованных решений были проведены эксперименты полунатурного моделирования функционирования одного канала ЭРП с использованием разработанного стенда и генератора гармонических сигналов (ГГС).
Для проведения экспериментов препарированный ЭРП подключался к коммуникациям стенда. После включения питания стенда комбинированным прибором измерялись напряжения питания УУ ЭРП и ПОС, а также измерялись входные нулевые статический сигналы Uy(tq)=0 и нулевые выходные реакции Uoc(tq)=0 при условии нахождения руля в положении 5=0.
Далее, в момент времени ti на вход ЭРП с ГСС подавался синусоидальный гармонический сигнал вида
Uy=6sin 4,7it (В). (13)
ЭРП совершал гармонические колебания. С момента времени ti аппаратурой ИИС стенда проводилась регистрация:
- входного сигнала Uy(t) (с генератора ГС);
- реакции ЭРП, выходного сигнала Uoc(t) с потенциометра ОС;
- выходного сигнала Uoc(t) сглаженного в УУ.
На рисунке 8 показаны сигналы с реального ЭРП, зарегистрированные аппаратурой ИИС стенда.
Кроме того, с момента времени ti проводилось интегрирование уравнений математической модели ЭРП и выполнялась регистрация вычисленных сигналов.
Входной сигнал/Реакция системы [в (с)]
12 00 1 I
9.60 I 1 I
7.20 1 Г i
1
4,80 1
240 /УГ 1 \л] /у | ЧЯ, 1 1 | v^i t
1 N^n_ 1 /f 1 N
-2.40 V\1 1 У л i
1 1 ууР i
-4.80 1 i
-720 -4 1 г 1 I 1 1
-9.60 1 т 1 1
-12.00 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00
Рисунок 8 - Сигналы ЭРП как ОФК (реальный объект) с пульта контроля ЭРП:
— входной сигнал Uy (t) (с генератора ГС) с АЦП;
---выходной сигнал Uoc(t) с потенциометра ОС (с АЦП);
— выходной сигнал Uoc(t) сглаженный в УУ (с АЦП).
На рисунке 9 представлены результаты математического моделирования идеального ЭРП.
СОДЕРЖАНИЕ
Рисунок 9 - Реакция идеального объекта на гармонический сигнал (13):
— входной сигнал Uy(t) (с АЦП);
— выходной сигнал Uoc(t) (математическая модель ЭРП).
На рисунке 10 показан сигнал рассогласования A(t) реакции реального ЭРП и реакции его математической модели на сигнал входного воздействия Uy(t) вида (13).
Ошибка [в]
1.00 'tet I 1 1 I
0.80 -I - I А 1 А I - А - I
0.60 1 т Г - 1 -
0.40 J . 1 ± 1 1_ | _ _| . |
0.20 -1 1 т 1 1 —1— - А -
-0.20 1 1 I 1 •+ 1 1 , I I 1 I
-0.40 1 1 1 1 I I I
-0.60 -1 -1 А 1 А 1 - А -I
-0.80 "А 1 т 1 Г' [ А I
-1.00 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00
Рисунок 10 - Сигнал рассогласования A(t) реакции реального ЭРП и математической модели ЭРП
Внешний вид и параметры сигналов, показанных на рисунках 8, 9, 10, совпадают с формой и параметрами полученных ранее сигналов, с использованием реального изделия и уникального оборудования ПАК ФК [1].
Выводы. Предложен подход и представлено описание программно-аппаратного комплекса, позволяющее оптимизировать методику проведения процедуры функционального контроля элементов ЭРП. Данное решение позволяет более детально проводить эксперименты по исследованию свойств функционирования автономного контура ЭРП в различных режимах без дополнительной наработки всего изделия и дорогостоящей аппаратуры ПАК ФК и значительно упрощает методику проведения экспериментов по ФК элементов ЭРП без внесения в них значительных аппаратных изменений.
В процессе отработки программно-аппаратного комплекса были получены приемлемые по точности экспериментальные данные.
Изменение математической модели ЭРП до класса нелинейной и нестационарной и реализация более широкого перечня задающих воздействий расширит экспериментальные возможности ПАК ФК и повысит точность функционального контроля ЭРП.
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров И.В., Трубников А.А., Решетников Д.А. Технический облик и методическое обеспечение программно-аппаратного комплекса функционального контроля системы наведения управляемой авиационной ракеты класса «воздух-воздух» малой дальности // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 4. С. 103-110.
2. Захаров И.В., Трубников А.А., Решетников Д.А. Модель задающей части программноаппаратного комплекса функционального контроля // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 2. С. 69-78.
3. Мироновский Л.А. Функциональное диагностирование линейных динамических систем // Автоматика и телемеханика. 1979. Выпуск 8. С. 120-128.
4. Жирабок А.Н., Шумский А.Е., Павлов С.В. Диагностирование линейных динамических систем непараметрическим методом // Автоматика и телемеханика. 2017. Выпуск 7. С. 3-21.
5. Кузьмин А.Б. Функциональное диагностирование технической системы управления // Автоматикаителемеханика. 1994. № 5. С. 183-189.
6. Строгалев В.П., Толкачева И.О. Имитационное моделирование: учебное пособие / Строгалев В.П., Толкачева И.О. 2-е изд., испр. и доп. М.: Издательство МЕТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. 295 с.
7. Динамика следящих приводов / под редакцией д.т.н. Рабиновича Л.В. М.: Машиностроение. 1982. 496 с.
8. Норинская И.В., Спирин А.А., Шабашов А.А. Имитационное моделирование рулевого привода в составе адаптивной системы стабилизации беспилотного летательного аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 10. С. 80-89.
9. Электропривод летательных аппаратов: учебник для авиационных вузов / Полковников В.А., Петров Б.Н., Попов Б.Н., Сергеев А.В., Сперанский А.Н.; Под общей ред. ПолковниковаВ.А. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1990. 351 с.
10. Самохвалов Д.В. Об учете квантования сигналов микроконтроллера в методике проектирования усилительно-преобразовательного устройства вентильного двигателя // Известия СПбЕЭТУ «ЛЭТИ». 2008. № 9. С. 33-44.
11. Попов И.А., Ермолаев М.Б. Модели с запаздыванием как инструмент исследования динамических систем // Сборник научных трудов вузов России «Проблемы экономики, финансов иуправления производством». 2021. № 49. С. 131-134.
12. Моделирование и основы автоматизированного проектирования приводов: учебное пособие для втузов / Стеблецов В.Е., Сергеев А.А., Новиков В.Д., Камладзе О.Е. М.: Машиностроение, 1989. 223 с.
13. Программа математического моделирования электропривода маневренного БПЛА на основе линейной модели с элементами линейной коррекции: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023667698 Российская Федерация / Синявская Ю.А., Захаров И.В.; заявитель и правообладатель ФЕБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)». № 2023667698 от 10.08.2023.
REFERENCES
1. Zaharov I.V., Trubnikov А.А., Reshetnikov D.A. Tehnicheskij oblik i metodicheskoe obespechenie programmno-apparatnogo kompleksa funkcional'nogo kontrolya sistemy navedeniya upravlyaemoj aviacionnoj rakety klassa «vozduh-vozduh» maloj dal'nosti // Vestnik Moskovskogo aviacionnogo instituta. 2016. T. 23. № 4. pp. 103-110.
2. Zaharov I.V., Trubnikov A.A., Reshetnikov D.A. Model' zadayuschej chasti programmno-apparatnogo kompleksa funkcional'nogo kontrolya // Vestnik Moskovskogo aviacionnogo instituta. 2017. T. 24. №2. pp. 69-78.
СОДЕРЖАНИЕ
3. Mironovskij L.A. Funkcional'noe diagnostirovanie linejnyh dinamicheskih sistem // Avtomatika i telemehanika. 1979. Vypusk 8. pp. 120-128.
4. Zhirabok A.N., Shumskij A.E., Pavlov S.V. Diagnostirovanie linejnyh dinamicheskih sistem neparametricheskim metodom // Avtomatika i telemehanika. 2017. Vypusk 7. pp. 3-21.
5. Kuz'min A.B. Funkcional'noe diagnostirovanie tehnicheskoj sistemy upravleniya // Avtomatika i telemehanika. 1994. № 5. pp. 183-189.
6. Strogalev V.P., Tolkacheva I.O. Imitacionnoe modelirovanie: uchebnoe posobie / Strogalev V.P., Tolkacheva I.O. 2-e izd., ispr. i dop. M.: Izdatel'stvo MGTU im. N.'E. Baumana. 2015. 295 p.
7. Dinamika sledyaschih privodov / pod redakciej d.t.n. Rabinovicha L.V. M.: Mashinostroenie. 1982. 496 p.
8. Norinskaya I.V., Spirin A.A., Shabashov A.A. Imitacionnoe modelirovanie rulevogo privoda v sostave adaptivnoj sistemy stabilizacii bespilotnogo letatel'nogo apparata // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogouniversiteta. Tehnicheskie nauki. 2021. № 10. pp. 80-89.
9. ' Elektroprivod letatel'nyh apparatov: uchebnik dlya aviacionnyh vuzov / Polkovnikov V.A., Petrov B.N., Popov B.N., Sergeev A.V., Speranskij A.N.; Pod obschej red. Polkovnikova V.A. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Mashinostroenie. 1990. 351 p.
10. Samohvalov D.V. Ob uchete kvantovaniya signalov mikrokontrollera v metodike proektirovaniya usilitel'no-preobrazovatel'nogo ustrojstva ventil'nogo dvigatelya // Izvestiya SPbG'ETU «L'ETI». 2008. № 9. pp. 33-44.
11. Popov I.A., Ermolaev M.B. Modeli s zapazdyvaniem как instrument issledovaniya dinamicheskih sistem // Sbornik nauchnyh trudov vuzov Rossii «Problemy 'ekonomiki, finansov i upravleniya proizvodstvom». 2021. № 49. pp. 131-134.
12. Modelirovanie i osnovy avtomatizirovannogo proektirovaniya privodov: uchebnoe posobie dlya vtuzov/ Steblecov V.G., Sergeev A.A., Novikov V.D., Kamladze O.G. M.: Mashinostroenie, 1989. 223 p.
13. Programma matematicheskogo modelirovaniya elektroprivoda manevrennogo BPLA na osnove linejnoj modeli s 'elementami linejnoj korrekcii: svidetel'stvo о gosudarstvennoj registracii programmy dlya 'EVM № 2023667698 Rossijskaya Federaciya / Sinyavskaya Yu.A., Zaharov I.V.; zayavitel' i pravoobladatel' FGBOU VO «Moskovskij aviacionnyj institut (nacional'nyj issledovatel'skij universitet)». № 2023667698 ot 10.08.2023.
© Захаров И.В., Синявская Ю.А., 2024
Захаров Илья Владимирович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 701, «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4, [email protected].
Синявская Юлия Адольфовна, кандидат технических наук, доцент кафедры 705Б, «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4, [email protected].
СОДЕРЖАНИЕ
UDK 621.396.6: 629.7.062
GRNTI 78.01.81: 78.25.13: 45.41.33
A TEST BENCH FOR THE ELEMENTS OF FUNCTIONAL CHECK OF THE
ELECTRIC DRIVE OF A MANEUVERABLE UNMANNED AERIAL VEHICLE
I.V. ZAKHAROV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Moscow Aviation Institute (National Research University) (Moscow)
Y.A. SINYAVSKAYA, Candidate of Technical Sciences
Moscow Aviation Institute (National Research University) (Moscow)
A solution has been proposed to reduce the cost of experimental studies of unique objects, among them an electric steering drive from the rocket's onboard control system, as well as a hardware and software complex for its functional control. The implementation of the solution is based on the decomposition of the contours of the electric steering drive and a detailed study of its elements using simpler equipment within the framework of the pilot testing stand. For experimental testing, an in-depth engineering analysis of the design and functioning of the electric steering drive, its functional, electrical and structural circuits, as well as the features of its operation in various modes was performed. A mathematical model of the research object is presented, including the main parameters to be checked. To carry out experiments of functional control of the electric drive, hardware and software has been developed as an integral part of the functional control stand. The experiments confirmed the operability, functional convenience of the developed stand, as well as the accuracy of the experimental data obtained.
Keywords: electric steering drive, experimental testing stand, functional check method, hardware and software complex, on-board missile control system, information and measurement system.
