Разработка сервопривода руля высоты самолета

      Сервопривод со скоростной обратной связью - это такой привод, в котором сигналы ошибок представляют собой разность между напряжениями, пропорциональными угловым скоростям на его входе и выходе. Эти сигналы используются для управления угловой скоростью серводвигателя и нагрузки. Рассматривая рисунок 1.2, можно заметить, что данная система отличается от позиционной тем, что в ней серводвигатель приводит также в движение устройство, называемое тахогенератором. 
 
 

Рисунок 1.2 – Сервопривод со скоростной обратной связью (1 – датчик ошибки, 2 – усилитель, 3 – серводвигатель, 4 – тахогенератор, 5 – нагрузка)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
     Когда требуется привести в действие нагрузку, двигатель управляется усиленным напряжением сигнала ошибки по углу и разгоняет ее до заданной скорости. Одновременно двигатель вращает тахогенератор, выходным сигналом которого является напряжение , пропорциональное скорости вращения двигателя и нагрузки выходное напряжение подается на вход усилителя по цепи обратной связи, уменьшая, таким образом, напряжение ошибки замкнутого контура. При этом выходное напряжение усилителя будет равным . Таким образом, серводвигатель такого типа привода управляется разностным напряжением и, будет ускорять или замедлять движение до тех пор, пока эта разность не станет равной нулю.

      В техническом задании систематизированы:

      – постановка задачи проектирования сервопривода;

      – исходные данные;

      – функции, возлагаемые на сервопривод;

      – принцип построения сервопривода;

      – состав изделия;

      – требования к качеству управления;

      В техническом задании в качестве прототипа был задан сервопривод руля высоты среднего самолета ТУ-134 со следующими диапазонами изменения пилотажных параметров:

      – максимальная высота полета, м                                                                        11 000; 11 000;

      – максимальная эксплуатационная скорость, км/ч                                               800; 800;

            – максимальная нормальная эксплуатационная перегрузка, ед.g                2,5;

                  – тангаж, град                                                                              от -15 до +20;   
           Прежде, чем приступить к непосредственному решению поставленной задачи, необходимо анализировать требования технического задания и пути решения.

      Для устойчивости системы необходимо обеспечить следующие требования к качеству: время переходного процесса при единичном входном сигнале сервопривода не должно превышать 1,5 с, перерегулирование 5%, время нарастания переходной функции не более 0.5с.

      Для обеспечения необходимой точности и качества сервопривод должен представлять собой замкнутую систему управления по углу поворота выходного вала. Требования ТЗ о высокой устойчивости сервопривода может быть обеспечено введением дополнительной скоростной обратной связи, которая реализуется с помощью тахогенератора, установленного на валу двигателя.

      Поскольку по условию ТЗ суммирование сигналов, поступающих на вход усилителя сервопривода, должно быть гальванически развязано, то оно должно осуществляться либо на магнитном усилителе либо на электронном усилителе с ёмкостной развязкой. Из - за того, что магнитный усилитель вносит запаздывание в систему, будем использовать электронный усилитель.

      Проектируемый сервопривод должен работать в заданном диапазоне температур. Поэтому надо проверить работу всех его элементов в различных климатических условиях и определить изменение их параметров.

      Требования  по надежности могут быть обеспечены за счет Зх-кратного резервирования.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ  ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ  СЕРВОПРИВОДА РУЛЯ  ВЫСОТЫ СРЕДЕНЕГО  САМОЛЕТА 

      2.1 Функциональная схема сервопривода 

      В соответствии с требованиями ТЗ, функциональную схему разомкнутого сервопривода в  общем виде можно представить  как, показано на рисунке 2.1. 

      

 

      Рисунок 2.1 – Общая функциональная схема сервопривода 

      Для обеспечения необходимой точности и качества сервопривод должен представлять собой замкнутую систему управления по углу поворота выходного вала . Требование ТЗ о высокой устойчивости сервопривода может быть обеспечено видением дополнительной (скоростной) обратной связи, которая реализуется с помощью  тахогенератора (ТГ), установленного на валу двигателя. Напряжения переменного тока скоростной и жесткой (по углу ) обратных связей могут быть усилены усилителями низкой частоты (УНЧ) с последующим преобразованием их в постоянное напряжения с помощью фазочувствительных выпрямителей (ФЧВ). Эти две цепи (усиления и преобразования сигнала) можно выполнить на одних и тех же элементах, что соответствует требованиям ТЗ по унификации и взаимозаменяемости блоков, выполняющих одни и те же функции.

      Поскольку по условию ТЗ суммирование сигналов, поступающих на вход усилителя сервопривода (УСП) должно быть гальванически развязано, то оно должно осуществлятсья либо на магнитном усилителе (сигналы постоянного тока) (УC), либо на электронном усилителе с емкостной развязкой.

      В качестве жесткой обратной связи  сервопривода можно использовать, например, индукционный потенциометр  (ИП), ротор  которого через редуктор Р2 связан с  выходом валом рулевой машинки.

      Связь выходного вала двигателя (Д) с рулем  высоты самолета может быть реализована  через редуктор (Р1) и электронную  муфту (ЭММ).

      Для суммирования и предварительного усиления сигналов управления можно использовать усилитель постоянного тока (операционный усилитель ОУ).

      С учетом вышеизложенного, функциональную схему сервопривода можно представить  так (рисунке 2.2). 

 

Рисунок 2.2 –Полная функциональная схема сервопривода 

     2.2 Выбор моделей звеньев сервопривода руля высоты самолета 

      1. Усилитель сервопривода.

      Расчет  усилителя ведется по известным (по справочным данным) параметрам нагрузки, которой в данном случае является обмотка управления двигателя Д. Поэтому исходными данными, необходимыми для расчета усилителя могут быть: максимальный ток и сопротивление обмотки управления двигателя, напряжение и частота источника питания. Кроме указанных, могут задаваться некоторые другие параметры.

      Выбор схемы усилителя может производиться  исходя из требуемого коэффициента усиления, который рассчитывается по формуле 2.1:

       ,                                              (2.1)

      где  и   минимальный и максимальный ток нагрузки (обмотки управления двигателя),   максимальный входной ток усилителя. Если вместо токов заданы входные и выходные мощности, то:

       ,                                         (2.3)

      где        входное  сопротивление  усилителя,  сопротивление нагрузки (обмотки управления двигателя).

      В качестве усилителя сервопривода выберем  операционный усилитель со следующими параметрами :

       ;                                                (2.4)

            где   – коэффициент усиления усилителя;

                   – постоянная времени усилителя. 

        1. Рулевая машина.

      Рулевая   машина   выбирается   исходя   из   требований   ТЗ  по  нагрузке (М_нагр = 7,5 , I_пр = 0,2 ).   Этим   требованиям   удовлетворяет серийная рулевая  машина  РД-25ФА.

      Основные  технические характеристики рулевой машины РД-25ФА: 
Момент инерции, приведенный к выходному валу      ….

Мощность  двигателя ДГ-25Б  …………………………………..…………25 Вт

      КПД редуктора ……………………………………………………………0,7

      Пусковой  момент двигателя ………………………………

      Скорость  холостого хода:

          на валу рулевой машины …………………………...52град/с

                  на валу двигателя  ………………………….……..33400град/c

      Напряжение  на обмотке возбуждения  …………………..……200В, 400 Гц

      Напряжение  на обмотке управления двигателя  ……….....до 200В, 400Гц

      Напряжение  на обмотке возбуждения тахогенератора ……....36В, 400Гц

      Крутизна  выходного напряжения тахогенератора не менее….… 0,09В/град/с

      Крутизна  выходного напряжения индукционного  потенциометра 

      не  менее …………………………………………………….……….0,15 В/град

      Суммарный коэффициент передачи редуктора  Р1 ………………….…645

      Максимальное  значение угла отклонения руля определяется по формуле: 

       ;                                                    (2.5) 

      где [ ] коэффициент шарнирного момента руля; [ ] момент пересиливания.

      Динамические  характеристики рулевой машины определяются электромеханическими характеристиками двигателя ДГ-25Б и приведенным моментом инерции редуктора. Частотные испытания рулевой машины (на предприятии-изготовителе) позволили получить амплитудо-фазочастотные (АФЧХ), которые аппроксимируются передаточной функцией апериодического звена: 

       ,                                               (2.6)

      где = 0,16с постоянная времени рулевой машины. 

      2.3Анализ разомкнутой системы  

      Анализ  устойчивости разомкнутой системы  произведем в среде MATLAB, воспользовавшись утилитой LTI Viewer. Разомкнутая система будет включать в себя рулевую машину, предварительный усилитель и усилитель сервопривода  (рисунок 2.3).

      Рисунок 2.3 – Разомкнутая исследуемая система

      Построим  переходную характеристику для разомкнутой системы (рисунок 2.4).

      Рисунок 2.4 – Реакция исследуемой системы на единичное ступенчатое воздействие

      Из  полученной характеристики видно, что  система не устойчива. Для того, чтобы  система была устойчива, замкнем  ее и введем корректирующие звенья, если потребуется. Замкнутая система представлена на рисунке 2.5. 

      Рисунок 2.5 – Замкнутая система (сервопривод руля высоты самолета) 

      Построим  переходную характеристику замкнутой  системы (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Переходная характеристика замкнутой  системы 

      Система стала устойчива, но не удовлетворяет  поставленным в ТЗ показателям управления:

– время  нарастания с;

– время  переходного процесса с;

      – перерегулирование  %. 

      2.4 Построение структурной схемы сервопривода