CC BY
21
УДК 62-522.6-501.72:681.323.06
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВОГО УСТРОЙСТВА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПРИВОДА НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЕНИЯ
А.Б. Кондратьев
Приведены экспериментальные данные исследования вихревых устройств (ВУ), используемых как управляющие элементы газодинамического привода.
Ключевые слова: газодинамический привод, вихревой элемент, предельные характеристики управления, параметры вихревого устройства.
Системы ориентации и стабилизации (СОиС) десантируемых объектов используют газодинамические приводы различного типа, применяющие в качестве управляющих элементов в том числе и вихревые элементы [1]. Известны работы, в которых приведены математические модели таких устройств, с различной степенью допущений [2, 3]. Однако при использовании их в случае необходимости реализации оптимального управления СОиС, например, по быстродействию или расходу, возникает необходимость в более точном определении влияния различных параметров на характеристики выбранного управляющего элемента. Конструкция ВУ, описание работы и обозначения аналогичны приведённым в работе [2].
К параметрам ВУ относятся геометрические размеры и конструктивно-технологические коэффициенты, характеризующие конфигурацию каналов и состояние обтекаемых поверхностей ВУ. Первая группа параметров включает относительные размеры внешней зоны / гс и вихревой камеры (её радиус гс / г^ и высоту Н / гс), относительные площади поперечных сечений каналов питания Ап / А и управления Ау / Аь. Ко второй группе параметров относятся коэффициенты расходов питающего Цп , управляющего ц у и выходного Ць каналов ВУ, а также трения потока газа о стенки камеры Сус и Су .
К параметрам рабочего тела следует отнести давление Рп и относительное значение температуры □ в канале управления. Окружающая среда характеризуется безразмерными параметрами давления Рср / Рп и температуры Тср / Тп. Некоторые результаты исследований влияния параметров
вихревого устройства на выходные расходные характеристики приведены в [4]. Дополнить полученные результаты должно исследование влияние параметров вихревого устройства на предельные характеристики управления.
За предельные характеристики управления были приняты относительные значения расхода О у тах и давления Ру тах в канале управления,
соответствующие моменту запирания канала питания. Безразмерные параметры О и Р отнесены соответственно к максимальному расходу ВУ Оьтах и его давлению питания Рп. Рассмотрим влияние перечисленных параметров на эти характеристики. Здесь и ниже в расчетах значения Сус и
С у принимаются равными по величине.
На рис. 1 представлена зависимость предельных характеристик управления ВУ от площади поперечного сечения питающего канала. Из рисунка видно, что с увеличением параметра Ап / Аь монотонно убывает максимальная величина расхода газа в канале управления и незначительно меняется максимальное значение давление управления. С ростом отношения Ап / Аь ослабевает связь между максимальным расходом управления и размером канала питания.
Рис.1. Зависимость предельных характеристик ВУ от площади поперечного сечения питающего канала
На рис. 2, а и 2, б показано влияние высоты цилиндрической камеры Н / гси размера внешней зоны к / гс на предельные характеристики управления ВУ. Кривые изменения расхода и давления запирания ВУ носят практически монотонный характер. С уменьшением отношений Н / гс
и Гк / С уменьшаются максимальные значения расхода и давления в канале управления. Аналогичное изменение предельных характеристик управления ВУ можно наблюдать и при других значениях радиуса вихревой камеры. То же самое можно сказать о характеристиках, полученных при других значениях параметра Ау / Л^.
а
Рис. 2. Влияние на предельные характеристики: а - высоты цилиндрической камеры; б - размера внешней зоны
На рис. 3 представлены характеристики, показывающие влияние высоты вихревой камеры на расход и давление запирания ВУ для трех значений параметра Ау / Л^.
Оценим теперь зависимость расхода и давления запирания ВУ от площади поперечного сечения канала питания. Здесь следует заметить, что увеличение площади проходного сечения канала питания приводит, с одной стороны, к увеличению максимального выходного расхода и, с другой стороны, к снижению эффективности управляющего потока питания. С помощью известной модели [2] можно учесть эти изменения, если принять расстояния, на котором расположены каналы питания и управления, рав-
ными между собой. Тогда легко устанавливается связь между площадью канала питания и размером внешней зоны ВУ, а также определяется связь расхода и давления запирания ВУ от площади проходного сечения канала питания с учетом изменения параметра г^ / гс .
Вид предельных характеристик управления ВУ в зависимости от площади поперечного сечения канала управления представлен на рис. 4, а. Из характеристик следует, что с уменьшением отношения Ау / Л^ уменьшается максимальное значение расхода управления и увеличивается давление запирания ВУ. Наиболее сильное изменение параметра Ру тах приходится на участки характеристики, расположенные в области малых размеров канала управления.
Влияние на предельные параметры управления ВУ радиуса цилиндрической камеры гс / г^, показано на рис. 4, б. Уменьшение отношения
гс / Г) приводит к уменьшению максимального значения расхода и давления в канале управления.
Рис. 3. Характеристики, показывающие влияние высоты вихревой камеры на расход и давление запирания ВУ для трех значений
параметра Ау / Аь
Характеристики, представленные на рис. 4, а и 4, б были получены при определенных фиксированных значениях соответственно гс / г^ и Ау / Аь. Из рисунков видно, что характеристики претерпевают значитель-
ные изменения во всем рабочем диапазоне геометрических параметров. Характер изменения предельных параметров управления указывает на большую их зависимость от размеров канала управления и вихревой камеры. В этом случае полученных характеристик будет недостаточно. Необходимо рассмотреть поведение предельных характеристик управления при изменении одновременно двух указанных геометрических параметров ВУ.
а
б
Рис. 4. Предельные характеристики управления ВУ в зависимости: а - от площади поперечного сечения канала управления; б - от радиуса цилиндрической камеры
На рис. 5 представлена обобщенная характеристика параметров запирания ВУ.
Из характеристики видно, что с увеличением радиуса цилиндрической камеры растут максимальные значения расхода и давления. В то же время увеличение площади поперечного сечения канала управления приводит к уменьшению давления и увеличению расхода запирания ВУ. При этом характер изменения предельных характеристик ВУ не изменяется при увеличении отношения Ау / Л^, а характеристики запирания ВУ сохраняют
свой вид независимо от радиуса вихревой камеры. Из рис. 5 также следует, что условие монотонного изменения характеристик запирания выполняется не при всех значениях отношения Ау / Л^. Характеристики, изображенные на рисунке имеют минимальные значения расхода и давления запира-
ния, начиная с определенной величины отношения Ау / А^ (для случая, показанного на рис. 5 , Ау / Ль =0,13). Расположение минимума предельных
параметров управления и их значения зависят от площади поперечного сечения канала управления. С увеличением Ау / А^ растет минимальное
значение О у тах и уменьшается минимальная величина Ру тах . Из рис. 5
можно также видеть, что с увеличением площади поперечного сечения канала управления минимум параметров запирания смещается в область более высоких значений гс / г^.
3.....£ У $ 7 Т~ 3 "// 0'
П
Рис. 5. Обобщенная характеристика параметров запирания ВУ
Далее оценим влияние конструктивно-технологических коэффициентов на предельные характеристики управления ВУ. На рис. 6, а показана
зависимость расхода О у тах и давления Ру тах от параметра Ц п . Предельные характеристики управления слабо зависят от коэффициента расхода питающего канала. Наиболее точно это выполняется при более высоких значениях коэффициента Цп . Рис. 6, б позволяет оценить влияние параметра ц у на расход и давление запирания ВУ. Из характеристик следует, что увеличение коэффициента ц у приводит к уменьшению максимального значения давления управления и, в то же время, коэффициент ц У оказывает слабое влияние на расход запирания ВУ.
ИЗ
0.25-
0А
4/5
Ог^ тал ■ ■ /V 7а,х 3,5
% % = //3 * 5
л?ол \
о
к/гс Л/ Ф С/=$005 ¡С /Т-
а
¿р Ж у,
0/5
V/
С/¿735 1 / • ~1~л-
б
45 0,6 V? 0/
А
Рис. 6. Зависимость расхода и давления: а - от параметра цп ; б - от параметра ц у
Влияние коэффициента расхода выходного канала Ц и трения о стенки камеры ВУ Су на предельные характеристики управления показаны соответственно на рис. 7, а и рис. 7, б. Как видно эти параметры оказывают существенное влияние на максимальные значения расхода и давления управления. Из рис. 7, а следует, что с увеличением коэффициента Ц уменьшается расход и увеличивается давление запирания ВУ. По характе-
ристикам на рис. 7, б видно, что с увеличением коэффициента С у растут предельные параметры в канале управления.
Рис. 7. Зависимость предельных характеристик управления от: а - коэффициента расхода выходного канала ц ь ; б - трения о стенки камеры ВУ С у
В заключении рассмотрим влияние температуры п на предельные параметры управления ВУ. Из характеристик, приведенных на рис. 8, следует, что с увеличением температуры газа в канале управления максимальное значение расхода в нем уменьшается до значения Т=2, а затем, при дальнейшем увеличении температуры управляющего потока, остается практически без изменения. Противоположное влияние оказывает температура п на величину максимального значения давления управления. Если
до значения т=1 давление запирания ВУ не изменяется, то при П>1 можно наблюдать значительное увеличение предельной величины давления управления. Поэтому с целью получения невысоких значений предельных параметров управления ВУ следует по возможности выбирать температуру управляющего потока п=1-1,5.
Я*
/
7 6 5
4
J
~ 4/ / ^ 9 $
Рис. 8. Влияние температуры на предельные параметры
управления ВУ
Заключение.
Полученные экспериментальные данные позволяют уточнить существующую математическую модель ВУ, выбрать как параметры ВУ, так и параметры рабочего тела для реализации как релейных, так и пропорциональных выходных характеристик, а также реализовать критерии оптимальности газодинамического привода с ВУ как по быстродействию, так и по расходу рабочего тела.
Список литературы
1. Силовые системы управления парашютируемыми объектами / под ред. В.И. Толмачева. М.: Изд-во МАИ, 1995 г.
2. Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления // Математическая модель струйного вихревого устройства в неустановившемся режиме его работы: сб. науч. тр. / М.: Изд-во Машиностроение, 1987. Вып. 13.
3. Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления / Экспериментальное исследование струйного газораспределительного устройства с механическим управлением: сб. науч. тр. М.: Изд-во Машиностроение, 1986. Вып. 12.
4. Кондратьев А.Б. Влияние параметров вихревого устройства газодинамического привода на выходные расходные характеристики // Сб.
докладов Х Всероссийской НТК «Проблемы совершенствования робото-технических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» М., Изд-во МАИ, 2015 г.
Кондратьев Александр Борисович, канд. техн. наук, доц., kondr48@,mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)
THE INFLUENCE OF THE VORTEX DEVICE OF GAS-DYNAMIC DRIVE ON LIMIT
CONTROL FEATURES
A.B. Kondratev
The paper presents experimental study data of the vortex devices, which are used as the controls of gas-dynamic-drive.
Key words: gas-dynamic drive, vortex element, limit control features, vortex device.
Kondratev Alexander Borisovich, candidate of technical sciences, Associate Professor, kondr48@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 62.001.4:62-501.72
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМ МОМЕНТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРИ СВЕРХМАЛЫХ СКОРОСТЯХ
О.В. Горячев, В.В. Воробьев, А.Г. Ефромеев, О.О. Морозов, А. А. Огурцов
Рассмотрен подход к разработке прецизионного одностепенного стенда углового вращения, который реализован на базе вентильного электропривода. Стенд предназначен для лабораторных испытаний высокоточных информационно-измерительных устройств. Особенностью решаемой задачи являются жесткие требования по точности и немонотонности (плавности) воспроизведения угловой скорости платформы в широком диапазоне значений от десятых долей до тысяч градусов в секунду. Предложены методики проектирования и экспериментальной отработки высокоточного стенда углового вращения.
Ключевые слова: лабораторный стенд, вентильный электропривод, высокоточная система, цифровой регулятор, разрядность, широтно-импульсная модуляция, статистические испытания, идентификация, регрессионная модель.
Полунатурные лабораторно-стендовые испытания применяются на всех этапах разработки и создания технологического оборудования, от НИОКР до производства и контроля готовой продукции. Такие испытания позволяют перенести часть натурных (полигонных) испытаний в лабора-
