Глава 1. Анализ методов управления приводами автоматики

1.1 Уровень науки и техники

Надежность средств, с помощью которых человек достигает космоса высокая, но не идеальна. РН -- сложная конструкция, и даже в нормальном полете отказ может случиться в любой момент. Поэтому с самого начала освоения космоса особое внимание уделяется системе САС, которая должна работать безупречно именно в тех случаях, когда остальное оборудование отказывает. Работа САС корабля «Союз» представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Работа САС корабля «Союз»

Если полет проходит в штатном режиме, система САС не работает. Но если случится серьезный отказ или авария РН, САС -- единственный шанс экипажа на спасение. Многие, видели «башенку» замысловатой формы, расположенную на самой вершине РН. Но не все знают, что «башенка» -- это ДУ САС, которая представляет собой установку из твердотопливных ракетных двигателей трех типов. Силовым исполнительным органом любой твердотопливной двигательной установки является РП.

Первоочередной задачей при проектировании РП изделий ракетно-космической техники является достижение максимальных характеристик при минимальных габаритах и массе, ограниченных конструкцией изделия в составе которого они применяются. Для этого необходим наукоемкий подход к созданию систем с использованием максимально возможных параметров составных элементов привода. В зависимости от типа двигателя используемого в приводе различают газовые, гидравлические и электромеханические РП.

Воздушно-динамический (газовый) РП - привод, использующий для управления автономным объектом его кинетическую энергию движения, не имеет специального бортового источника питания, т. к. энергоносителем служит воздушный поток, который забирается в зоне высокого давления и сбрасывается в зоне низкого давления общего поля, распределенного по корпусу объекта. То есть пока движется объект, в воздушно-динамический РП с воздушным потоком поступает энергия для перемещения рулей, и тем самым снимается ограничение на время управляемого участка полета, которое существует при наличии бортового источника питания (БИП) с конечным временем работы.

Чаще других приводов в современных летательных аппаратах применяются гидравлические РП. Они обеспечивают высокое быстродействие, надежны, точны и практически безынерционны. С ростом мощности гидравлических приводов их относительная масса уменьшается.

В плане экономии веса при потребности значительной мощности эти приводы наиболее выгодны.

Но в отличие от других типов приводов гидравлические РП более сложные, более дорогие и требуют нескольких видов источников энергии. Трудности связаны и с обеспечением длительного хранения рабочих жидкостей приводов из-за их химического разложения.

Электрогидростатический привод, по сути, является электромеханическим приводом с гидравлической передачей от электродвигателя к выходному звену, которое осуществляет поступательные перемещения [13]. В эксплуатации он аналогичен электромеханическому приводу.

Электромеханические РП по структуре аналогичны газовым и гидравлическим приводам, однако превосходят гидравлические по быстродействию и удельным энергетическим характеристикам. Важно и то, что электрический привод работает от одного источника энергии и не требует построения дополнительных пневмо- и гидромагистралей.

Привод представляет собой следящую систему, состоящую из исполнительного механизма, преобразующего электрическую энергию в механическую, усилительно-преобразовательных устройств и элементов обратной связи, отслеживающих рассогласование угла поворота выходного вала с требуемым значением. Габаритные размеры и масса привода в основном определяются элементами энергетического канала, который включает в себя источники питания, исполнительный электродвигатель, силовой редуктор и выходные цепи усилителей мощности. Канал управления обеспечивает движение органа управления с заданными угловыми скоростями и ускорениями при реальных моментах сопротивления нагрузки.

В таблице 1 приведены технические характеристики электромеханического РП 11К25.6Д1100 разработанного в корпорации «Энергия».

Таблица 1 Характеристики электромеханического РП 11К25.6Д1100

Методика математического описания, анализа и синтеза цифровой системы управления приводом автоматики 11К25.6Д1100 представлена в литературе. Она основана на методе пространства состояния. В ней описаны методы математического моделирования на ПК, основанные на использовании численного интегрирования. Математическая модель цифровой системы управления включает модель ПК, представленную в виде передаточной функции метода численного интегрирования.

Важным достоинством представленной методики математического описания цифровой системы управления приводом является использование графового метода. Непосредственно из дискретного графа с помощью формул Мэсона составляются уравнения состояния цифровой системы. Эти уравнения обеспечивают математическое описание цифровой системы в пространстве состояния.

Эта методика позволяет на единой математической основе решать задачи описания, анализа и синтеза процессов управления.

Практика расчета и проектирования современных цифровых следящих систем управления электромеханическими РП автоматики сложившаяся в РКК «Энергия» и НПО «Электроприбор» [4, 5, 8] предусматривает:

- разработку математической модели привода автоматики;

- введение в управление приводом упреждения на снятие управляющего сигнала до совпадения кодов (кода обратной связи и задающего кода) с последующей подачей коротких импульсов обеспечивающих движение выходного вала привода в заданное положение;

- применение режимов меняющих динамику РП (режим динамического торможения и режим реверса);

- моделирование процесса управления на ПК.

Следует отметить, что существующая методика математического моделирования ориентирована только на привод автоматики. Модель не включает фиктивные устройства (квантователь и фиксатор), поэтому рассматривается как непрерывная система. Методика не учитывает влияния временных задержек в ЭВМ, связанных с обработкой сложных алгоритмов. При описании цифровых систем управления необходимо учитывать влияние ЭВМ на работу всей системы управления, так как на устойчивость системы, её статическую погрешность и качество переходных процессов влияют период квантования, разрядность машинных слов и сложность алгоритмов управления. Кроме того, использование досылочных импульсов для позиционирования вала привода можно рассматривать как широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). А теория управления блок ШИМ рассматривает нелинейным элементом с нелинейностью типа «зона насыщения». В этом случае систему необходимо дополнительно исследовать, определяя области устойчивых состояний и автоколебаний.

Опыт управления двигателем 11Д122А на второй ступени РН «Энергия» по вышеописанной методике показал следующие результаты:

- при времени квантования ЭВМ t=0.2сек. максимальное перерегулирование по угловому положения составило 10 %;

- точность установки выходного вала привода регулятора по угловому положению составила 3,75⁰.

Следовательно, существующая методика проектирования цифровой системы управления приводами автоматики в составе двигателя 11Д122А требует совершенствования для улучшения характеристик системы управления в части обеспечения требуемой точности позиционирования выходного вала привода и качества переходного процесса.

В литературе [15] Описан разрабатываемый ЗАО «НИИ МЕХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ» электропривод рулевого управления. Представлены перспективы построения цифрового следящего электропривода рулевого управления с пиковыми характеристиками. Технические характеристики привода приведены в таблице 2.

Таблица 2 Технические характеристики цифрового следящего электропривода

В литературе [6, 7, 10] представлен обзор систем следящего шагового привода, приведен расчет динамики систем следящего шагового привода, описана цифровая система управления регулированием двигателя КВД-1.

Устойчивость системы с постоянным и переменным интервалом дискретности исследуется прямым методом Ляпунова, который позволяет задачу анализа устойчивости системы свести к исследованию свойств пробной функции и её первой разности. Математические модели представлены в форме дифференциальных уравнений, описывающих динамическую модель системы. Решение дифференциальных уравнений основывается на методе Рунге-Кутты.

В литературе [1, 2] описаны устройства, предназначенные для повышения быстродействия работы электроавтоматики ДУ. Данные устройства значительно повышают быстродействие срабатывания электропневмо клапана, что в свою очередь ведет к повышению динамики и обеспечению более высокого запаса устойчивости подвижного объекта. В устройствах, описанных в литературе [1], применены схемотехнические решения направленные на компенсацию фазового сдвига в блоке преобразования интерфейсов (БПИ), который осуществляет управление электропневмо клапаном. Данные решения устраняют влияние реактивных составляющих сопротивления нагрузки на запасы устойчивости усилителя БПИ изменением глубины обратной связи усилителя.

Литература [3, 9] является учебно-методическим пособием по теории многосвязных систем управления летательными аппаратами и их силовыми установками. Пособие разработано Московским авиационным институтом

им. С. Орджоникидзе и в нем показано современное состояние многосвязного управления с учетом отечественного и зарубежного опыта.

Рассматриваемые в пособии методы управления хорошо формализованы и ориентированы на применение ЭВМ на этапе проектирования системы автоматического управления.

Литература [11, 15] является систематизированным курсом теории и практики проектирования цифровых систем управления, который изучают в Иллинойском университете в США. В этой литературе более полно рассмотрено математическое описание, анализ и синтез цифровых систем управления. Приведены примеры описания систем управления с помощью графов.

Литература [12] это учебно-методическое пособие по теории и практике проектирования цифровых систем управления, изданное Токийским политехническим институтом. Пособие включает в себя теорию систем цифрового управления, анализ и синтез систем цифрового управления.

Анализируя рассмотренную литературу и приведенные примеры РП можно сделать вывод, что существует проблема в обеспечении требований предъявляемых к ЭМП ПТДУ и его системе управления (таблица 3).

Таблица 3 Требования предъявляемые к ЭМП ПТДУ

Поэтому в курсовой работе мной было проведено математическое моделирование ЭМП ПТДУ и выполнен расчет электромеханизма (ЭМ). Так же в работе проведено математическое моделирование движения ЭМП для различных напряжений питания и нагрузке на валу 4 кгс•м.

Поскольку задача управления приводом с такими характеристиками является абсолютно новой и решается впервые, то и исследования влияния больших пусковых токов ЭМ на работу элементов системы управления не проводились, не исследовались тепловые режимы ЭРИ работающие в таких жестких условиях.

На основании проведенного анализа проблемы исследования представляется целесообразным определить в диссертации следующие задачи:

1) разработка математической модели блока управления приводами автоматики космического корабля нового поколения;

2) проведение теплового моделирования МК;

3) экспериментальные исследования при помощи математической модели тепловых режимов ЭРИ, для различных режимов работы блока управления.

Глава 2. Методика управления ЭМП ПТДУ. Разработка математической модели

2.1 Разработка электрической схемы (выбор элементной базы, обоснование выбора)

Для обеспечения требований предъявляемых к системе управления представленных в таблице 3, предлагается схема блока управления представленная на рисунке 2, представляющая из себя двухканальное устройство, каждый канал в котором состоит из модуля управления (МУ) и МК.

Рисунок 2- Функциональная схема блока управления

МУ содержит оконечное устройство приёмо-передачи команд управления работой блока и статусной информации о текущем положении вала привода ЭМ, арифметически-логиеское устройство (АЛУ), реализующее логику управления ЭМ и контроль состояния силовой мостовой схемы управления электродвигателем, а, также, телеметрические согласующие устройства (ТСУ) контроля состояния блока управления.

МК блока управления содержит мостовую схему управления электродвигателем с элементами управления ключами моста, токовые датчики контроля состояния ключей моста и ТСУ контроля параметров работы МК.

АЛУ блока управления предлагается организовать на основе ПЛИС на базе микросхемы APA300 CQ208M PQFP 208 производства фирмы ACTEL США.

Команды управления электродвигателем ЭМ через гальваническую развязку подаются на мостовую схему управления приводом. В момент совпадения значения требуемого программного угла положения вала с значением текущего угла положения вала ЭМ формируется команда динамического торможения ЭМ. Динамическое торможение ЭМ применено для уменьшения перерегулирования при движении привода и реализуется путем открытия плечей верхней половины мостовой схемы управления.

Мостовая схема управления приводом обеспечивает возможность изменения полярности управляющего напряжения, приложенного к входу управления электродвигателем ЭМ. Исходя из соображений минимизации последствий возможного отказа элементов (ключей) мостовой схемы, каждое плечо моста предлагается выполнить из последовательного включения двух ключей. Такая схема обеспечит надежное (при отказе одного ключа типа не закрытие) отключение ЭМ от мостовой схемы управления и возможность перехода на управление от резервного (второго) канала блока управления.

Электрическая схема блока управления представлена на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Электрическая схема блока управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве верхних ключевых элементов, обеспечивающих в открытом состоянии протекание тока через электродвигатель, предлагаются полевые транзисторы типа 2П829Д, имеющие в открытом состоянии сопротивление между «стоком» и «истоком» транзистора не более 10 МОм при среднем токе через транзистор не более 25 А, максимальное рабочее напряжение - 100 В, максимальный постоянный ток не менее 50 А и максимальный импульсный ток не менее 150 А при длительности импульса до 300 мкс. В качестве нижних ключевых элементов эпитаксиально-планарные структуры n-p-n переключательных транзисторов 1НТ251А предназначенные для применения в переключающих устройствах.

Ключи предлагается выполнить по схеме параллельного подключения транзисторов. Управление транзисторами осуществлять трансформаторами, обеспечивающими гальваническую развязку цепей управления от силовых цепей. Вторичные обмотки управляющего трансформатора соединить таким образом, что транзисторы будут открываться последовательно, когда один транзистор открыт, второй - закрыт. Частота управления транзисторами ключа 100 кГц, форма управляющего сигнала - меандр. Управление двумя ключами каждого плеча мостовой схемы осуществлять синхронно. Данная схема управления ключами и параметры выбранных транзисторов позволят обеспечить минимальное тепловыделение мостовой схемы, щадящий режим работы ключей и высокую надежность схемы.

В качестве управляющих элементов предлагается использовать малогабаритные импульсные трансформаторы типа ТИ5-54В, формирующие управляющий сигнал длительностью до 100мкс.

В силовые цепи ключей предлагается включить токовые датчики предназначенные для фиксации факта открытия и закрытия транзисторов по напряжению, наводимому во вторичной обмотке датчиков. Данная информация будет поступать в АЛУ блока управления где она будет сравниваться с информацией об управлении транзисторами ключей и, при невыполнении условий правильного функционирования хотя бы одного из транзисторов ключей мостовой схемы, формируется команда на закрытие всех транзисторов всех ключей, то есть происходит отключение мостовой схемы управления от электродвигателя. При этом прекращается отработка управляющего сигнала и в системе управления бортовым комплексом (СУБК), в общем случае, по его запросу будет выдана информация не соответствующая прогнозу. В результате этого СУБК перейдёт на управление приводом по другому каналу.

В блоке управления фидера слаботочного электропитания через развязывающие диоды и ограничивающие резисторы предлагается связать с электромагнитными реле в источниках силового электропитания (ИТ), обеспечивающих сильноточным электропитанием электродвигатели ЭМ. При подаче слаботочного электропитания на любой канал блока управления будут срабатывать реле в ИТ, коммутирующие через свои контакты напряжение ИТ на силовые электромагнитные реле, входящие в состав ИТ. Контакты силовых электромагнитных реле подключат ИТ к мостовым схемам управления электродвигателями ЭМ.