Проектирование газовой силовой системы управления, работающей в пропорциональном режиме

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

http: ///

Содержание

Техническое задание

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

1. Общие сведения

2. Устройство исполнительных двигателей

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

4. Принципиальная схема рулевого тракта

5. Проектирование газовой силовой системы управления

6. Моделирование

Литература

Техническое задание

Спроектировать газовую силовую систему управления, работающую в пропорциональном режиме. Входной сигнал гармонический с частотой в диапазоне. В диапазоне частот входного сигнала во всех режимах работы система должна обеспечивать отработку полезного сигналя с амплитудой не менее д0 при фазовых сдвигах, не превышающих фазовые сдвиги апериодического эвена с постоянной времени ТГССУ.

Основные исходные данные:

а)коэффициент передача системы;

б)максимальный угол отклонения рулевых органов дт;

в)расчетное время функционирования;

г)величины, характеризующие динамические свойства системы; в простейшем варианте сюда входят значения предельной частоты входного сигнала щ0, амплитуда д0 отрабатываемого приводом сигнала на частоте щ0 (величина обычно задается в пределах 0,8 … 1,0), значение постоянной времени эквивалентного апериодического звена ТГСУ;

д)нагрузки на рулевых органах — инерционная нагрузка, задаваемая моментом инерции нагрузки JН;

— коэффициент трения f;

-коэффициент шарнирного момента тш.

Если коэффициент тш. изменяется во времени, то может быть задан график его изменения во времени. В простейшем случае задают экстремальные значения этого коэффициента. Обычно максимальное значение отрицательной нагрузки соответствует начальному моменту функционирования; в конечный момент пропорциональная нагрузка зачастую положительная и тоже имеет экстремальную жесткость.

Таблица начальных параметров моделирования

№ варианта

7

Параметры ТЗ

Момент нагрузки, Нм

-25.0 — 4. 0

Угол максимальный, рад

0. 314

Амплитуда Отклонения Р О, рад

0. 267

Максимальная частота входного сигнала, Гц/амплитуда, в

15/6

Коэффициент трения Н*с/м

0. 1

Масса подвижных частей РО кг

0. 02

Давление газа в ИСГ бар

25.0 — 40. 0

Температура газа в ИСГ град С

600.0 — 800. 0

К

1. 2

R дж/кг*К

360

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

рулевой двигатель пневматический газовый

1. Общие сведения

Пневматические и газовые исполнительные устройства находят широкое применение в системах управления малогабаритными летательными аппаратами. Альтернативой традиционным системам с первичными источниками энергии исполнительных устройств — систем с газобаллонными источниками сжатых газов и систем с предварительной газификацией различных веществ, явилось создание устройств, относящихся к принципиально новому семейству — систем воздушно-динамических рулевых приводов.

Исполнительные устройства данного класса являются сложными следящими системы автоматического управления, которые в составе изделия в процессе хранения, транспортировании и эксплуатации подвергаются существенному воздействию климатических, механических других внешних воздействий. Отмеченные выше особенности условий применения и режимов эксплуатации, учет которых обязателен при разработке новых систем позволяют отнести их к классу мехатронных систем.

При выборе типа и определении параметров системы рулевого привода БУЛА обычно исходят из двух способов управления: аэродинамического и газодинамического. В системах управления, реализующих первый способ, управляющее усилие создается за счет активного воздействия на аэродинамические рули скоростного напора набегающего потока воздуха. Рулевые приводы предназначены для преобразования электрических сигналов управления в механическое перемещение аэродинамических рулей, жестко связанных с подвижными частями исполнительных двигателей приводов.

Исполнительный двигатель преодолевает действующие на рули шарнирные нагрузки, обеспечивая необходимую скорость и необходимое ускорение при отработке заданных входных сигналов с требуемой динамической точностью.

К системам управления, реализующим второй способ, относятся:

— автономные газореактивные системы автоматического управления;

— системы управления вектором тяги (СУВТ).

В настоящее время для первого способа управления широко применяются устройства, в которых в качестве источника энергии используется газ высокого давления. К данному классу устройств, например, можно отнести:

— системы рулевых приводов с газобаллонными источниками сжатого воздуха или воздушно-газовой смеси;

— системы с пороховыми аккумуляторами давления или с другими источниками рабочего тела, являющегося продуктом предварительной газификации твердых и жидких веществ.

Такие системы обладают высокими динамическими характеристиками. Отмеченное достоинство вызывает к таким системам рулевых приводов большой интерес со стороны разработчиков и делают их важными объектами теоретического и экспериментального исследования.

Создание высокотехнологичных рулевых приводов систем управления БУЛА традиционно связано с поиском новых схемных и конструктивных решений. Особым, радикальным решением проблемы создания высокотехнологичных рулевых приводов явилось использование для управления энергии, обтекающего ракету воздушного потока. Это привело к созданию нового, особого класса исполнительных устройств — воздушно-динамических рулевых приводов (ВДРП), использующих в качестве первичного источника энергии, энергию набегающего потока газа, т. е. кинетическую энергию БУЛА.

Настоящие указания посвящены вопросам устройства, применения и методам исследования и проектирования исполнительных мехатронных модулей систем управления малогабаритных БУЛА. В нем отражены сведения, которые в первую очередь могут быть полезными для студентов специальностей «Мехатроника» и «Системы автоматического управления летательными аппаратами».

2. Устройство исполнительных двигателей

Системы рулевого привода включают следующие функциональные элементы.

1. Устройства, обеспечивающие создание силового воздействия на органы управления:

— источники питания — первичные источники энергии (источники сжатых газов и источники электрической энергии — батареи и турбогенераторные источники электрической энергии);

— исполнительные двигатели, кинематически связанные с органами управления, и элементы энергетических магистралей — например, воздушные и газовые фильтры, обратные и предохранительные клапаны, регуляторы давления газа систем с газобаллонными источниками сжатого газа, регуляторы скорости горения пороховых аккумуляторов давления, устройства забора и сброса воздуха ВДРП и т. п.

2. Функциональные элементы, которые устанавливают соответствие формируемого в системе управления управляющего сигнала и необходимого силового воздействия — преобразователи и усилители электрических сигналов, электромеханические преобразователи, различного вида датчики.

Для конкретизации областей исследования задач, стоящих при разработке рулевых приводов, в их составе выделяют силовую и управляющую системы (рис. 1. 2).

Рис. 1.2. Схема рулевого привода летательного аппарата

Силовая система объединяет функциональные элементы рулевого привода, которые непосредственно участвуют в преобразовании энергии источника питания в механическую работу, связанную с перемещением позиционно нагруженных органов управления. Управляющую систему составляют функциональные элементы рулевого привода, которые обеспечивают изменение регулируемой величины (координаты положения органов управления) по заданному или выработанному в процессе полета ЛА закону управления. Несмотря на несколько условный характер выделения силовой и управляющей систем, что связано с необходимостью включения ряда функциональных: элементов рулевого привода как в силовую, так и в управляющую систему, практическая полезность такого обособления заключается в возможности разнопланового представления рулевого привода при решении различных задач в процессе разработки.

В системе газового рулевого привода можно выделить следующие подсистемы:

— первичный источник энергии;

— исполнительный двигатель;

— газораспределительное устройство с управляющим электромеханическим преобразователем;

— электрическая управляющая система — усилители, корректирующие устройства, генераторы вынуждающих колебаний и т. п. ;

— первичные преобразователи — датчики линейных и угловых перемещений подвижных частей механических подсистем.

Для классификации систем газовых рулевых приводов, в общем случае, могут быть использованы следующие классификационные признаки:

— тип силовой системы, т. е. тип первичного источника энергии;

— принцип управления аэродинамическими рулями;

— тип контура управления для устройств с пропорциональным движением рулевых органов;

— тип исполнительного двигателя;

— тип распределительного устройства и управляющего электромеханического преобразователя.

1. Системы с газобаллонным источником сжатого газа. Источником газа высокого давления является воздушно-арматурный блок, в состав которого помимо баллона со сжатым воздухом или воздушно-гелиевой смесью входит предохранительная, запорно-распределительная и регулирующая газовая арматура и арматура для заправки и контроля давления в баллоне. В технической литературе такие системы часто называют «пневматическими».

2. Системы с пороховым аккумулятором давления. Источником газа высокого давления в данном случае является твердотопливный пороховой заряд специальной конструкции, обеспечивающий постоянную производительность рабочего тела — продуктов горения заряда, имеющих высокую температуру. В состав таких систем помимо непосредственно источника газа и устройства включения источника газа в работу, могут входить регуляторы скорости горения топлива и предохранительные устройства. В технической литературе при описании таких систем часто используется термин «горяче-газовые» или просто «газовые».

3. Электромагнитные рулевые приводы. Основой таких устройств обычно является электромеханический преобразователь нейтрального типа, который непосредственно осуществляет заданное движение аэродинамических рулевых органов.

Исполнительный двигатель — устройство преобразующее энергию сжатого газа в перемещение рулевых органов, преодолевающее усилие, создаваемое воздушным потоком обтекающего БУЛА.

По конструктивному исполнению, можно выделить следующие группы исполнительных двигателей.

1. Поршневые — одностороннего и двухстороннего действия. Устройства, наиболее часто применяемые, как в специальной технике, так и в системах автоматизации технологических процессов.

Рис. 1. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа — поршневой, с одним силовым цилиндром.

Рис. 2. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа — с двумя силовыми цилиндрами.

Работой исполнительного двигателя управляет газовое распределительное устройство (ГРУ).

Назначение ГРУ заключается в попеременном сообщении рабочих полостей исполнительного двигателя привода с источником сжатого газа либо с окружающей средой (атмосферой бортового отсека привода). По характеру решаемой коммутационной задачи, ГРУ в общем случае делятся на устройства:

— с управлением «на входе» — изменяются площади впускных отверстий в рабочие полости;

— с управлением «на выходе» — изменяются площади выпускных отверстий из рабочих полостей;

— с управлением «на входе и выходе» — изменяются площади как впускных, так и выпускных отверстий.

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

При математическом моделировании системы рулевого газового привода (СРГП), как элемента системы управления БУЛА, функционирующего в обтекающем его потоке воздуха, областью исследований является совокупность геометрических, электромеханических параметров и параметров рабочего тела — воздуха или другого сжатого газа, а также функции состояния электромеханических, аэрогазодинамических процессов и процессов управления, протекающих во всем многообразии причинно-следственных связей. При имеющих место преобразованиях одних видов энергии в другие, наличии распределенных полей и структурно — сложного представления реальных механизмов в рассматриваемой физической области исследований создание математических моделей, обеспечивающих требуемую степень достоверности инженерных расчетов, достигается за счет введения теоретически и экспериментально обоснованных идеализаций. Уровень идеализации определяется целями создаваемого математического обеспечения.

Математическая модель рулевого привода:

,

,

,

,

где

p1, р2 — давление газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

SП — площадь поршня рулевого привода,

Т1, Т2 — температура газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

Тсп — температура стенок рулевого привода,

V — скорость поршня рулевого привода,

Fпр — сила поджатия пружины,

h — коэффициент вязкого трения,

— коэффициент шарнирной нагрузки,

М — приведенная масса подвижных частей.

Рис. 3 Типовые графики переходных прочцессов.

4. Принципиальная схема рулевого тракта

Рулевой тракт газовой силовой системы управления может строиться с механической, кинематической, электрической обратной связью или не иметь главной обратной связи. В последнем случае привод обычно работает в релейном режиме («да — нет»), а при наличии обратной связи — в пропорциональном. В настоящей разработке будут рассматриваться рулевые тракты с электрической обратной связью. Сигнал рассогласования в этих трактах может усиливаться либо линейным, либо релейным усилителем.

Принципиальная схема рулевого тракта с линейным усилителем дается на рис. 5.

Рис. 4. Схема рулевого тракта

На схеме обозначено: WФ(р), WЗ(р), Wп(р), Wос(р) -передаточные функции корректирующего фильтра, электромеханического преобразователя, привода, цепи обратной связи соответственно. Коэффициент усиления линейного усилителя в данной схеме входит множителем в коэффициент первачи ЭМП.

Выбор параметров привода производится таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот и амплитуд отрабатываемого сигнала не имело место ограничение по координатам х и Х. В связи с этим нелинейности в виде ограничений по этим величинам при формировании рулевого тракта не учитываются.

5. Проектирование газовой силовой системы управления

Методика проектирования

Выбирается тип исполнительного привода и принципиальная схема рулевого тракта. Тип привода определяют исходя ив требований и условий эксплуатации. При длительном времени функционирования и высоких значениях температуры Тр предпочтительнее схема привода с регулированием на выходе. Для выбора принципиальной схемы целесообразно провести предварительную проработку различных схем, оценить приближенно их возможности (эксплуатационные, динамические, массу, габариты) и выбрать наилучший вариант. Такая задача, состоящая в приближенном расчете характеристик ГССУ различных схем, должна решаться на начальном этане разработки системы. В некоторых случаях тип принципиальной схемы может быть однозначно выбран уже на начальной стадии работ и оговорен в техническом задании.

Рассчитываются обобщенные параметры привода. Методика этого расчёта определяется типом выбранной принципиальной схемы рулевого тракта. Здесь излагается методика применительно к рулевому тракту с электрической обратной связью:

а) выбирается величина нагрузочного коэффициента у:

,

где;

— максимальное значение коэффициента шарнирной нагрузки;

Мт — максимальный момент, создаваемый приводом,

,

где l — плечо механической передачи.

От выбора величины у зависит потребная мощность привода. Оптимальное значение уопт, соответствующее минимуму потребной мощности привода может быть определено как решение кубического уравнения

;

Численное значение уопт обычно лежит в пределах 0,55 … 0,7. При атом величина назначается в диапазоне 1,2? 1,3. Величина отношения и зависят от типа выбранного исполнительного привода. Так. для приводов с газораспределителем типа сопло — заслонка ,; для приводов со струйной трубкой, .

Параметр q в зависимости для величины должен соответствовать режиму I. Его величина определяется либо по результатам теплового расчета, либо по данным экспериментов с аналитичными устройствами. Здесь будем полагать, что закон изменения параметра q по времени задан в виде аппроксимирующей зависимости для различных значений температуры окружающей среды.

Величина б0 — амплитуда движения якоря ЭМП для рулевого тракта с линейный усилителем принимается равной ум, т. е., а для систем с релейным усилителем, работающих в режиме ШИМ на распределительном устройстве величина принимается в диапазоне 0,7? 0,8;

б) при выбранном значении величины у вычисляется максимальный момент, развиваемый приводом:

;

в) определяется необходимое значение угловой скорости Щт, обеспечиваемой приводом.

Величина Щт находится из условий отработки газовым приводом гармонического сигнала частотой щт и амплитудой д0. Амплитуда движения якоря ЭМП б0 при этом принимается такой же, как в предыдущем расчете.

В области низких частот () динамика привода при относительно малой инерционности механического звена может быть описана апериодическим звеном. Можно получить следящие выражения:

где

;

Для апериодического звена

.

Из последней зависимости после преобразований получим формулу для расчета потребного значения Щmax:

.

Рассчитываются конструктивные параметры приводов.

Определяются плечо механической передачи l, диаметр поршня силового цилиндра DП, величина свободного хода привода Хт. .

Рис. 5 Конструктивная схема ИД.

При определении плеча l нужно задаться соотношением между свободным ходом поршня и его диаметром.

Из соображений компактности разрабатываемой конструкции силового цилиндра можно рекомендовать соотношение.

При Х = Хт максимальный момент, создаваемый приводом, должен в раз превосходить максимальный момент от нагрузки, т. е.

.

С учетом принятого соотношения из последнего равенства получим зависимость

.

Максимальный перепад давлений в полостях силового цилиндра Дртах зависит от величины рр, типа и соотношений геометрических размеров распределительного устройства, а также от интенсивности теплообмена в полостях. При расчетах величины l можно ориентировочно принимать для приводов с газораспределителем типа сопло-заслонка Дртах = (0,55? 0,65) рр, при использовании струйникого распределителя Дртах = (0,65? 0,75) рр.

При расчете величины l величина Дртах должна соответствовать режиму I.

При относительно малых значениях дтах

;

.

В процессе расчетов все линейные геометрические размеры должны округляться в соответствии с требованиями стандартов.

Рассчитываться параметры газораспределительного устройства привода. Этот расчет ведется из условия, чтобы в наихудшем случае, т. е. в режиме I, обеспечивалась скорость привода не ниже, где Щт — значение угловой скорости. Здесь будут даны методики расчетов геометрических параметров для двух конструктивных разновидностей газораспределителей: со струйной трубкой и с соплом и заслонкой. Первый из названных распределителей реализует регулирование газового потока по принципу «на входе и выходе». В этом случае максимальная установившаяся скорость привода определяется зависимостью

.

Из чего следует

.

При расчетах по зависимости значения Тр и q должны соответствовать режиму I.

Учитывая характерные для данного распределителя соотношения размеров, принимают, .

Рациональное соотношение площадей с и, а обеспечивает наилучшие энергетические возможности привода и лежит в пределах. Из этих соображений находится величина С. Рассчитав величины а, с,, следует определить основные геометрические размеры распределителя.

Рис. 6. Расчетная схема газораспределителя «струйная трубка».

Диаметр приемного окна распределителя определится из условия

,

откуда

,

где коэффициент расхода м = 0,75 … 0,85.

Согласно рекомендациям, выработанным инженерной практикой, целесообразно назначать следующие соотношения геометрических размеров струйникового распределителя: dc = (0,7 … 0,8) dn; Д = 0,08 dc; Дз = 0,2 dc.

Величина максимального перемещения конца струйной трубки, а длинна струйной трубки.

При известном значении xm вычисляют величины b и d.

Газораспределительное устройство типа «сопло — заслонка» реализует регулирование газового потока «на выходе».

Для этого случая

.

Из этого следует:

.

При расчетах следует принимать отношение. Величины Тр и q соответствуют режиму I.

Рис. 7 Расчетная схема газораспределителя «сопло-заслонка».

Диаметр сопла dc выбирается таким образом, чтобы эффективная площадь была не менее чем в 2 раза больше максимальной площади выпускного отверстия:

, т. е..

При выбранном значении dc находят величину b: b = мрdc; вычисляют максимальное значение координаты хт и величину

.

После разработки конструкции газораспределительного устройства определяются нагрузки на его подвижных частях и проектируются или выбираются ЭМП. Определяется также потребный расход рабочего тела, что необходимо для проектирования (или выбора) источника питания.

При известных конструктивных и эксплуатационных параметрах привода могут быть определены по зависимости (I) параметры его струйной схемы как для режима I, так и дал режима II, после чего возможно формирование рулевого тракта.

Формирование контура рулевого тракта проводится с учетом экстремальных режимов его работы. На первом этапе формирования строятся частотные характеристики разомкнутого контура в режиме I (величина коэффициента k3 временно неизвестна).

Исходя из требования по динамической точности замкнутого контура находим допустимую величину фазового сдвига на частоте щ0:

цз0) = arctg щ0 ТГССУ.

При известном значении величины фазового сдвига для разомкнутого контура цр0), определенного в результате построения частотных характеристик, и определенном значении цз0) находим требуемое значение амплитудной характеристики Ар0) разомкнутой системы на частоте щ0. Для этой цели удобно использовать номограмму замыкания. После этого амплитудная характеристика контура в режиме I оказывавшей однозначно определенной, а следовательно, определяется и значение коэффициента разомкнутого контура Кр.

Поскольку в контур еще не введен корректирующий фильтр, величина Кр определяется зависимостью Кр = kэ Kn koc. Величина коэффициента обратной связи может быть определена по коэффициенту передачи замкнутого контура:. Тогда можно вычислить значение коэффициента kэ:, а в дальнейшем рассчитать и требуемое значение коэффициента усиления усилителя напряжения

6. Моделирование

Используя данные из таблицы, проведём моделирование системы сначала в программе PROEKT_ST. pas. Рассчитав таким образом пригодность параметров системы, продолжим моделирование в PRIVODKR. pas и рассчитаем в ней время срабатывания.

Заполним таблицы на основании полученных параметров:

P, бар

T, К

Dкал, мм

L, мм

Dp, мм

Xm, мм

Dpr, мм

Ds, мм

tср, мс

30

600

122

25

12

8

2. 888

2. 310

12

Повысим температуру:

P, бар

T, К

Dкал, мм

L, мм

Dp, мм

Xm, мм

Dpr, мм

Ds, мм

tср, мс

30

750

122

25

12

8

2. 888

2. 310

11

Понизим давление:

P, бар

T, К

Dкал, мм

L, мм

Dp, мм

Xm, мм

Dpr, мм

Ds, мм

tср, мс

25

600

122

25

12

8

2. 888

2. 310

15

Повысим температуру (при пониженном давлении)

P, бар

T, К

Dкал, мм

L, мм

Dp, мм

Xm, мм

Dpr, мм

Ds, мм

tср, мс

25

750

122

25

12

8

2. 888

2. 310

15

Основная литература

1. Горячев О. В. Основы теории компьютерного управления: учеб. пособие / О. В. Горячев, С. А. Руднев. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -- 220 с. (10 экз.)

2. Пупков, К. А. Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник для вузов: в 5 т. Т.5. Методы современной теории автоматического управления / К. А. Пупков [и др. ]; под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: МГТУ им. Баумана, 2004. -- 784 с. (12 экз.)

3. Чемоданов, Б. К. Следящие приводы: в 3 т. Т.2. Электрические следящие приводы / Е. С. Блейз, В. Н. Бродовский, В. А. Введенский и др. / Под ред.Б. К. Чемоданова. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. -- 878с. (25 экз)

4. Электромеханические системы: учеб. пособие/Г.П. Елецкая, Н. С. Илюхина, А. П. Панков. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. -215 с.

5. Геращенко, А. Н. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учеб. пособие для вузов / А. Н. Геращенко, С. Л. Самсонович;под ред.А. М. Матвеенко. -- М.: Машиностроение, 2006. -- 392с. (10 экз)

6. Наземцев, А. С. Гидравлические и пневматические системы. Ч. 1, Пневматические приводы и средства автоматизации: Учеб. пособие / А. С. Наземцев. -- М.: Форум, 2004. -- 240с. (7 экз)

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой