релейный пневмо-гидропривод с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения

Формула изобретения

Релейный пневмогидропривод с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения, содержащий последовательно соединенные сумматор, первый вход которого является входом привода, релейный элемент, усилитель мощности, электромеханический преобразователь с якорем, распределительное устройство и исполнительный двигатель, выход которого является выходом привода и соединен через датчик обратной связи со вторым входом сумматора, отличающийся тем, что в нем электромеханический преобразователь выполнен нейтральным с временем срабатывания, определяемым из соотношения

где T_min - минимальный период линеаризирующих колебаний при максимальной частоте линеаризирующих колебаний;

- коэффициент команды, определяемый постоянной составляющей разложения в ряд Фурье сигнала на выходе релейного элемента, пропорциональный ошибке управления между заданной и измеренной выходной координатой привода, выбираемый равным К=0,6-0,7 из условий обеспечения требуемой точности отработки сигналов управления привода при ограниченном быстродействии преобразователя;

t₁, t₂ - длительности положительного и отрицательного импульсов на выходе релейного элемента,

и обеспечивающим работу якоря по упорам в режиме широтно-импульсной модуляции на максимальных частотах линеаризирующих колебаний при отработке сигнала управления привода в диапазоне частот управления.

Описание изобретения к патенту

изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и установок вооружения и наиболее целесообразно может быть использовано в пневматических и гидравлических приводах систем управления ракет и установок вооружения, в которых привод является исполнительным элементом систем управления.

Известны пневматический [1, рис.1-5, в), с.12-13; 2, рис.XI,2, а)] и гидравлический [1, рис.1-5, а), с.12-13; 2, рис.VIII.21, с.433] привода, принятые в качестве аналога, являющиеся силовыми исполнительными элементами систем автоматического управления (СДУ). Пневматический привод состоит из усилителя, электромеханического преобразователя, золотника, силового механизма, охваченных отрицательной обратной связью с помощью потенциометра обратной связи. Выход привода связан с объектом управления. Гидравлический привод состоит из усилителя, электромеханического преобразователя, гидравлического усилителя, золотника, силового механизма, кинематической передачи, охваченных отрицательной обратной связью с помощью потенциометра обратной связи. Выход привода связан с объектом управления.

Двигатель гидравлического привода является двухкаскадным. Первый каскад составляет электромеханический преобразователь (ЭШ) и гидроусилитель (ГУ), а второй золотник (З) и силовой механизм (СМ). Угол поворота ЭШ преобразуется в перемещение h золотника. Электрическая обратная связь реализуется с помощью потенциометра обратной связи (ПОС) на валу органа управления или на штоке силового механизма. Электромеханический преобразователь управляется электронным усилителем (УС).

Пневматический привод, в котором вместо рабочей жидкости используется газ, строится аналогично гидравлическому. Электромеханический преобразователь, гидроусилитель (или пневмоусилитель), золотник и силовой механизм выполняются как единая конструкция, которая обычно называется гидравлической (пневматической) машиной. Эта машина по существу является двигателем.

По такой же принципиальной типовой схеме выполнены известные электропневматический рулевой привод и гидравлический, применяемые в качестве исполнительного устройства систем управления летательными аппаратами [3, фиг.13.2; 4, рис.2.5; 5, рис.2.1; 6, рис.3, 4].

Гидравлические машины гидравлических приводов по виду устройства и распределения мощности потока рабочей жидкости могут быть с дроссельным и объемным управлением скорости двигателя [1, с.26, 1-й абзац снизу; с.27-38]. В гидроприводах с гидравлическими машинами объемного типа регулирование скорости двигателя производится изменением объема жидкости, вырабатываемой насосом, с помощью механизма управления путем изменения угла наклона люльки или шайбы [1, с.37 1-й абзац сверху]. В маломощных гидроприводах насос подает постоянный объем жидкости, а регулирование скорости гидродвигателя производится при помощи дросселя (золотника). Преимуществом машин объемного типа является возможность получения КПД до 0,7 вместо 0,273 в дроссельных машинах [1, c.38 1-й абзац сверху, с.109 1-й абзац снизу; 7].

В рулевых приводах чаще всего применяются гидроприводы с дроссельным регулированием скорости гидродвигателя [6, с.30, 2-й абзац сверху], мощность не более 400-500 Вт [1, с.27]. На большие мощности эти машины не используются из-за низкого КПД.

В приводах наведения и стабилизации установок вооружения на большие мощности (свыше 0,5 кВт) применяются гидроприводы с объемным регулированием скорости.

В большинстве гидроприводов с дроссельным регулированием для управления золотником применяется электрогидравлический усилитель (ЭГУ), имеющий в своем составе электромеханический преобразователь малой мощности. Конструктивные схемы ЭГУ отличаются разнообразием. Распространение получили ЭГУ с позиционным электромагнитом и гидроусилителем типа сопло-заслонка [7, кн. 2, с.204, рис.13.II].

Это относится также и к гидроприводам с объемным регулированием скорости [3, с,335, 346].

Отличительной особенностью известных [1-7] пневмогидроприводов является наличие в первом каскаде усиления мощности позиционного электромеханического преобразователя, элемента, во многом определяющего быстродействие и точность работы привода, габариты и массу привода, особенно это касается рулевых приводов малогабаритных управляемых снарядов и ракет, простоту в производстве и удобство эксплуатации, надежность привода, трудоемкость изготовления и стоимость.

Известные [1-7] пневмогидроприводы относятся к непрерывным системам автоматического управления и регулирования [8, с.57; 2, с.394], в которых сигналы на входе и выходе всех элементов системы представляют собой непрерывные функции времени, в которых непрерывному изменению входной (задающей) величины соответствует пропорциональное изменение выходной регулируемой величины.

Известные приводы [1-7] представляют собой замкнутые автоматические системы, в которых реализован известный способ управления по ошибке, основанный на измерении выходной координаты привода, сравнении измеренного значения с заданным и формировании управляющего сигнала, подаваемого на привод, путем пропускания сигнала ошибки управления выходной координатой через усилитель.

Недостатками известных пневмогидроприводов непрерывного действия [1-7] являются следующие:

1. Низкое быстродействие и точность работы, что обусловлено непрерывным режимом работы привода и его элементов и применением в схеме управления привода позиционного электромеханического преобразователя, обладающего сравнительно большой инерционностью [9, 10].

2. При непрерывном режиме работы пневмогидропривода и его элементов не обеспечивается линеаризация нелинейностей в приводе и его элементах, например, таких как люфт и трение в механической системе привода, выход привода-нагрузки и выход привода-выхода датчика обратной связи, нелинейностей статических характеристик элементов привода, приводящих к снижению точности работы привода, снижению надежности работы привода и ухудшению технико-экономических показателей приводов. При работе, например, гидропривода при отрицательных температурах окружающей среды, приводящей к повышению вязкости рабочего тела (жидкости) привода и снижению вследствие этого боеготовности установки вооружения, так как в этом случае требуется дополнительное время на прогрев жидкости.

3. Сравнительно большая трудоемкость изготовления в производстве, так как элементы приводов должны иметь линейные статические характеристики, которые необходимо обеспечивать и контролировать в процессе производства.

4. Необходимость обеспечения устойчивости замкнутого контура привода накладывает ограничение на величину его добротности и связанные с этим технические трудности обеспечения при этом высокой добротности по скорости привода, необходимой для обеспечения заданной точности работы привода, чем выше точность, тем труднее обеспечить устойчивость.

В последнее время в рулевых приводах и автопилотах управляемых снарядов и ракет комплексов высокоточного оружия наибольшее распространение получил не имеющий аналогов в мировой практике вновь созданный тип рулевого привода - воздушно-динамический (ВДРП), в котором используется энергия набегающего воздушного потока. Это позволило предельно упростить конструкцию привода и сократить массу, объем и трудоемкость изготовления привода за счет исключения источника питания [11, с.12-14; 12, с.54-56].

Использование единого воздушного потока, нагружающего аэродинамические рули и одновременно являющегося энергоносителем для их перемещений, обеспечивает стабильность динамических характеристик при определенной конструктивной реализации и соотношениях параметров элементов силовой системы управления.

Достигнутый прогресс в разработке высококачественных ВДРП управляемых снарядов и ракет и их признание в нашей стране и за рубежом не мог быть получен без совершенствования элементной базы приводов, таких как, например, электромеханический преобразователь, пневмодвигатель, и без повышения качества закона управления, одним из которых является релейный с вибрационной линеаризацией, а именно автоколебательный и режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), применительно к особенностям их использования в составе объекта управления на борту этих летательных аппаратов.

Автоколебательные пневматические рулевые приводы имеют целый ряд существенных преимуществ по сравнению с непрерывными приводами, таких как высокое быстродействие и точность работы, обладают из-за наличия автоколебаний свойствами стабилизации характеристик привода по отношению к изменяющимся параметрам [13, с.233-2431, отсутствует проблема обеспечения устойчивости контура привода при обеспечении его максимальной добротности, меньшие вес и габариты, более простая настройка, низкая стоимость. Поэтому в последнее время такие приводы стали находить широкое применение в системах управления ракет, установок вооружения и других объектах.

Известна релейная система автоматического регулирования [14, с.9, рис.XIII.I, с.25, раздел 3.2], содержащая суммирующее устройство, релейный элемент и объект управления (линейная часть), охваченные отрицательной обратной связью.

В управляющей части релейной системы или в ее усилительно-исполнительной части всегда можно выделить нелинейный (релейный) элемент, функциональная связь между входом и выходом которого определяется какой-либо переключательной или релейной функцией.

Релейные системы автоматического регулирования нашли широкое применение в современных автоматических системах, так как в них удается достигнуть более высокие технико-экономические показатели по сравнению с непрерывными системами автоматического регулирования, а именно повысить быстродействие и точность работы, снизить массу и габариты аппаратуры, повысить надежность работы, снизить трудоемкость изготовления и стоимость и др.

В релейных системах используются более простые элементы, что является одним из их достоинств. Усилитель мощности, электромагнит, распределитель привода функционируют в двухпозиционном или трехпозиционном режиме. Релейным системам, как правило, свойственны автоколебания. Релейная автоколебательная система не требует обеспечения устойчивости, а в релейной системе с внешним генератором вследствие выбранной линеаризации нелинейностей устойчивость легко обеспечивается. Релейные системы с широтно-импульсной модуляцией имеют колебательную составляющую, величина которой будет зависеть от частоты модуляции. В случае ее недопустимости требуется выбор системы непрерывного действия.

В системах автоматического управления широко распространен релейный привод с вибрационной линеаризацией, в котором помимо предельной простоты усиления мощности достигается предельное использование мощности двигателя, так как при любом сигнале управления двигатель включается на полную мощность и обеспечивается максимальное ускорение нагрузки [1, с.280].

Как справедливо отмечается [1, с.280], многочисленные варианты релейных приводов весьма просты по своей структуре, они широко представлены в технической литературе и в простейшем случае принципиальная структурная схема релейного привода имеет вид, приведенный на рис.9-7 источника информации [1, с.280, рис.9-7], принятая авторами за прототип. Схема содержит последовательно соединенные сумматор, первый вход которого является входом привода, релейный элемент и двигатель с передаточной функцией W_g(p), выход которого является выходом привода и соединен через датчик обратной связи со вторым входом сумматора. Конечно, под общим понятием "двигатель" здесь понимается двигатель электрический, пневматический, гидравлический [1, с.12-13, рис.1-5].

В известном релейном приводе [1, с.282] специально формируются высокочастотные колебания для вибрационной линеаризации привода или за счет вынужденных колебаний, когда на вход релейного элемента от внешнего источника подаются высокочастотные колебания, или за счет создания в приводе путем выбора параметров привода или создания внутреннего генератора, например, за счет охвата релейного элемента отрицательной обратной связью через апериодическое звено, линеаризирующих автоколебаний высокой частоты.

Основу электромеханического преобразователя (узла управления) пневматических и гидравлических приводов составляет управляющий электромагнит, якорь которого нагружается первыми каскадами машины. В этом узле управляющий ток i_y преобразуется в угол поворота валика или в перемещение h золотника, иглы, струйной трубки, заслонки, клапанов и др. [1, с.173].

Наибольшее распространение в электромеханических преобразователях пневмогидроприводов получили пропорциональные управляющие электромагниты [1, с.175; с.27-35; 2-7].

В порядке уточнения выбранного прототипа можно привести известный электропневматический рулевой привод летательного аппарата [6, с.116-117, рис.3,4]. Очевидно, что при увеличении коэффициента усиления усилителя (К_у ) этот привод становится релейным.

Электропневматический рулевой привод летательного аппарата [6, с.116-117, рис.3, 4] представляет собой замкнутую автоматическую систему. Привод содержит последовательно соединенные усилитель мощности, первый вход которого является входом привода, пропорциональный электромеханический преобразователь, распределительное устройство и исполнительный двигатель в виде пневмоцилиндра, выход которого является выходом привода и соединен через датчик обратной связи в виде потенциометрического датчика обратной связи со вторым входом усилителя, и систему пневмопитания в виде баллона со сжатым газом, пиропневмозатвора и редуктора давления.

Электромеханический преобразователь, распределительное устройство, исполнительный двигатель и датчик обратной связи выполняются в виде одного конструктивно законченного блока под названием рулевая машина (пневматическая или газовая).

Нагрузкой усилителя является ток i_у в обмотках управления электромеханического преобразователя, а входным сигналом напряжение U, равное разности сигнала управления привода U_у и сигнала с выхода датчика обратной связи U_ОС, U=U_V-U_ОС.

При появлении в обмотках управления тока i_y 0 возникает магнитный поток, образуемый ампервитками обмотки управления, который, взаимодействуя с поляризованным магнитным полем постоянных магнитов, создает электромагнитную силу, поворачивающую якорь электромагнитного преобразователя, а следовательно, и управляющий элемент распределительного устройства на угол , пропорциональный току

i_y=i_y1-i _y2.

Недостатками известного релейного автоколебательного рулевого пневмопривода системы управления летательного аппарата [1] и релейной системы автоматического регулирования [14] являются следующие:

1. Низкое быстродействие и точность работы из-за большой инерционности позиционного электромеханического преобразователя и большой амплитуды автоколебаний вследствие низкой частоты автоколебаний и малого демпфирования привода.

2. Малая информативность из-за отсутствия ясности, как качественно и количественно связаны параметры (частота, амплитуда) автоколебаний на различных режимах работы привода, соответствующих предельным параметрам автоколебаний, по шарнирной нагрузке, давлению питания, температуре рабочего тела и окружающей среды и др. с параметрами сигнала управления, с допустимой максимальной и минимальной амплитудой автоколебаний на выходе привода с точки зрения реализации высококачественного автоколебательного привода. Ведь реально ВДРП работает в условиях большого разброса давления питания на входе ВДРП и знакопеременной шарнирной нагрузки на рулях, вызванных изменениями в широких пределах скорости полета снаряда и ракеты в течение времени управляемого полета, в условиях больших температур рабочего тела на входе ВДРП из-за кинетического нагрева, особенно сверхзвуковых и гиперзвуковых ракет. Все это приводит к изменениям в больших пределах по времени управляемого полета параметров автоколебаний. Пределы изменения будут еще больше на параметры автоколебаний с учетом допусков на изготовление привода, на старение с учетом погрешностей измерительных средств стандартной контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) и КПА специальной разработки.

Из анализа известных источников информации нет ясности, как и из каких физически обоснованных соображений можно допустить полученные предельные параметры автоколебаний по амплитуде и частоте для обеспечения работы релейного автоколебательного привода и релейной автоколебательной системы управления с требуемыми характеристиками точности и быстродействия, как и чем обеспечить необходимые параметры автоколебаний в этих условиях.

3. Нет ясности с типом электромеханического преобразователя, пропорциональный (позиционный) или нейтральный и почему, какой предпочтительнее из них применить в схеме управления релейного автоколебательного привода.

В известных источниках информации, например, при рассмотрении релейных систем автоматического регулирования и управления, в том числе и автоколебательных, система рассматривается состоящей из релейного элемента и линейной части, охваченных отрицательной обратной связью [14, рис.ХIII.I; II, рис.5.5)]. А как быть в случае, если линейная часть на самом деле не является линейной, как, например, в случае применения в ней нейтрального электромеханического преобразователя, имеющего нелинейную статическую характеристику, со своим ограниченным быстродействием якоря преобразователя. Ответа на этот вопрос нет. А ведь реальный релейный привод с электромеханическим преобразователем представляет собой одну из разновидностей релейной системы автоматического управления.

4. Нет ясности с привязкой параметров динамики электромеханического преобразователя с периодом, а следовательно, и частотой автокобеланий. А ведь реально такого не может быть, поскольку электромеханический преобразователь является в динамике одним из инерционных элементов привода, поэтому такая связь обязательно существует и должна быть установлена и особенно это касается в случае применения в релейном автоколебательном приводе нейтрального электромеханического преобразователя, якорь которого должен работать по упорам в режиме широтно-импулъсной модуляции на частотах автоколебаний при отработке сигналов управления заданной частоты. И особенно критичным в этом случае является время срабатывания преобразователя для отработки узких импульсов.

О том, что эти вопросы в отношении параметров автоколебаний не решены и требуют своего разрешения для обеспечения высококачественного процесса регулирования или слежения в сервомеханизмах с релейным управлением, работающих в режиме автоколебаний, справедливо отмечается авторами в источнике информации [16, с.279-281]. Например, говорится на с.280 1-й абзац, что частоты автоколебаний сервомеханизма должны быть по возможности выше частот, из которых состоят воспроизводимые системой движения. Конечно это общая рекомендация. А сколько минимально допустимо в реальных автоколебательных сервомеханизмах, например в пневмогидроприводах систем управления ракет и установок вооружения без неоправданного завышения быстродействия элементов сервомеханизма. Или, например, на с.281 2-й абзац сверху отмечается, что само наличие автоколебаний высокой частоты и весьма малой амплитуды существенно улучшает процесс регулирования в системе автоматического регулирования в целом, поскольку при этом устраняется ряд вредных влияний со стороны таких нелинейностей, как зона нечувствительности, люфт, сухое трение и т.п. Конечно, эти общие рекомендации справедливы, но конкретно они не образмеренны и как их получить в системе не указано. А практически ведь нужны конкретные рекомендации. В реальном сервомеханизме с ограниченным быстродействием элементов, таких как, например, электромеханический преобразователь, работающий в режиме автоколебаний по упорам, на высоких частотах автоколебаний из-за несимметрии времени срабатывания преобразователя появится значительная средняя составляющая по выходной координате распределителя, что приведет к уходу нулевого положения выходной координаты привода, причем чем выше частота, тем больше уход, и он может быть получен недопустимым для нормального функционирования всей системы управления с таким приводом. Ничего не сказано об этом в упомянутом источнике информации [16]. Что значит "... наличие автоколебаний... весьма малой амплитуды... " для устранения влияния нелинейностей как люфт, зона нечувствительности. амплитуда автоколебаний для этого должна быть не "... весьма малой... ", как отмечается [15], a амплитуда автоколебаний в этом случае должна быть не менее вилки (величины зоны) люфта, зоны нелинейности для обеспечения желаемого эффекта.

Подводя итог отмеченному [16], можно отметить с учетом сказанного, что действительно в автоколебательном приводе систем управления минимальные и максимальные параметры (частота, амплитуда) автоколебаний должны обеспечиваться техническими средствами в определенных физически обоснованных границах, рекомендации по которым отсутствуют в известных источниках информации.

В связи с разработкой высококачественных систем автоматического регулирования возникает потребность в построении сервомеханизмов, обеспечивающих наибольшее быстродействие [16, с.277 1-й абзац снизу]. Новые более жесткие требования, предъявляемые к системам автоматического управления, обусловленные ростом чувствительности, быстродействия и точности их работы, накладывают более жесткие требования по быстродействию и к приводу, как исполнительному элементу системы, и к элементам привода, в частности, к электромеханическому преобразователю, статические и динамические свойства которого в ряде случаев приобретают даже решающее значение при проектировании систем автоматического управления и их элементов.

С этой точки зрения представляет большой практический интерес вопрос применения в релейных пневмогидроприводах и системах с вибрационной линеаризацией простого, надежного, быстродействующего нейтрального электромеханического преобразователя вместо широко применяемого в пневмо-гидроприводах, как отмечалось выше, пропорционального (поляризованного) электромеханического преобразователя, более сложного, с низким быстродействием, с линейной статической характеристикой вход-выход и трудностями ее обеспечения.

Нейтральные электромагниты постоянного тока [1, с.7, 99-130, 217-237] наиболее просты и экономичны. Действие таких электромагнитов в отличие от позиционных (поляризованных) не зависит от направления тока в обмотке. Они получили наиболее широкое распространение в других областях техники в электромагнитных механизмах, использующихся в качестве привода для осуществления необходимого перемещения [16, с.99], например, в электромагнитных приводах исполнительных механизмов трубопроводной арматуры [18].

В работе [10] излагаются теоретические основы математического описания электромеханических преобразователей следящих систем с поляризованными и нейтральными электромагнитами постоянного тока. Рассматриваются методы расчета параметров магнитных и электрических цепей преобразователей, работающих в релейных и пропорциональных режимах. Приводятся примеры анализа статики и динамики преобразователей. Под понятием электромеханический преобразователь следует понимать более широкое понятие, а именно речь идет о системе "усилитель мощности-управляющий электромагнит-нагрузка", в которой усилитель оказывает огромное влияние на работу электромеханического преобразователя в целом. Рассмотрение динамики электромагнита и усилителя в отдельности лишено смысла.

Публикация в статье [19, с.70-76] посвящена проектированию быстродействующего нейтрального электромеханического преобразователя пневматической силовой системы управления.

Информация о применении нейтральных электромагнитов постоянного тока в качестве управляющих элементов пневмогидроприводов практически отсутствует, а если есть, то очень скудная, недостаточная. Например, в работе [19, с.46-53] в схеме пневматического сервомеханизма на рис.3, а) о плоским золотником в качестве управляющего электромагнита изображен нейтральный электромагнит постоянного тока. Эта работа посвящена построению математических описаний функционирования электротепломеханических систем на основе метода цепей и в ней никак не прокомментировано применение в схеме сервомеханизма нейтрального электромагнита, нет математического описания магнита, нет ответа на вопросы, как, в каком режиме работает схема, почему и зачем применен в ней этот тип электромагнита, не ясно. Получается, что применение в схеме нейтрального электромагнита носит иллюстративный характер, для главной цели этой статьи с таким же успехом мог быть применен также и другой тип электромагнита, например пропорциональный.

В работе [19, с.76-79] отмечается, что автоколебательные газовые силовые системы управления (ГССУ) ввиду их высоких динамических характеристик, простоты в производстве и удобства в эксплуатации являются весьма перспективными, и что на характеристики системы весьма существенное влияние оказывает быстродействие электромеханического преобразователя, и что стремление повысить частоту автоколебаний, добиться высокой динамической точности часто приводит к тому, что требования к быстродействию ЭМП оказываются трудновыполнимыми. Задачу улучшения динамической точности авторы решают за счет применения предлагаемых ими корректирующих фильтров в цепи ошибки автоколебательной ГССУ. В выводах в конце статьи можно догадываться, что в качестве ЭМП в ГССУ не исключено использование нейтрального ЭМП. Четкого однозначного ответа на этот вопрос нет.

Можно привести другой пример, касающийся гидроприводов. Так, например, в книге [2, с.432-435, рис.VIII.21] рассмотрена схема и передаточная функция типового электрогидравлического сервомеханизма с двумя гидравлическими каскадами усиления мощности.

В подрисуночном тексте к рис.VIII.21 отмечено:

1 - электронный усилитель с большим выходным сопротивлением;

2 - электромагнитный управляющий элемент нейтрального типа. То есть, о одной стороны, в схеме якобы применен электромагнитный управляющий элемент нейтрального типа, как это следует из текста к рис.VIII.21. Но с другой стороны при рассмотрении передаточных функций элементов схемы рис.VIII.21 на с.433 отмечено, что передаточную функцию электронного усилителя можно записать в виде линейного динамического звена с коэффициентом передачи k_y. Отсюда видно, что усилитель - это не релейный элемент.

Здесь же на этой с.433 описываются динамические свойства электромагнитного управляющего элемента, где сказано, что i - управляющий сигнал, равный разности токов в катушках, а на с.434 приведена передаточная функция управляющего элемента в виде линейного колебательного звена с коэффициентом передачи k_м. А учитывая, что статическая характеристика нейтрального электромагнита принципиального является нелинейной из-за нелинейной зависимости тягового усилия электромагнита от перемещения (от зазора), нельзя утверждать, что это нейтральный электромагнит.

Тогда о каком же электромагнитном управляющем элементе нейтрального типа идет речь в этом источнике информации? Во-первых, нейтральный электромагнит имеет существенно нелинейную статическую характеристику, что не соответствует линейному звену с коэффициентом передачи k_м. Во-вторых, если это нейтральный электромагнит, то как он будет работать в схеме управления привода, где усилитель - линейное звено с коэффициентом усиления k_у. То есть все это сказанное не соответствует нейтральному электромагниту.

По сути дела в схеме [2] на самом деле применен конечно пропорциональный электромагнит, как это следует из анализа описания и динамики, а не нейтральный. Дополнительным доказательством в подтверждение сказанному является ссылка на с.433 при описании динамики электромагнитного управляющего элемента на источник информации литературы к этой главе, а именно книгу авторов: Козлов Н.П., Крассов И.М. Электромагнитные пропорциональные управляющие элементы. М.: Энергия, 1966, 112 с., которая, как это видно из названия, посвящена вся как раз пропорциональным электромагнитным управляющим элементам, а не нейтральным.

Поэтому понятие "элемент нейтрального типа", введенное в источнике [2, рис.VIII.21] следует понимать так, что при отсутствии входного сигнала (U_вх=0) якорь управляющего электромагнитного элемента будет находиться в нулевом положении”, то есть перемещение якоря при этом Х=0.

Известна [20, с.131-133] высокоточная силовая система управления объемного регулирования инерционного объекта, в которой для повышения точности управления инерционным объектом повышается быстродействие электромагнитного преобразователя, являющегося одним из наиболее инерционных элементов механизма управления гидропривода, линеаризуются трение и люфты в элементах механизма управления и силовой части системы, а также исключается нелинейность статических характеристик электромагнитного преобразователя и распределительного устройства сопла-заслонки.

Недостатком известной системы управления [20, с.131-133) является малая информативность по электромеханическому преобразователю, каким он выполнен в схеме, пропорционального или нейтрального (релейного) типа. Очевидно одно, что для обеспечения таких высоких характеристик точности системы управления введенных технических мероприятий по повышению быстродействия элементов системы и введения релейного режима работы невозможно осуществить без повышения быстродействия такого инерционного элемента системы управления как электромеханический преобразователь. Если оставить в схеме управления гидропривода известный позиционный электромеханический преобразователь, то получить достигнутые высокие динамические и точностные характеристики системы управления весьма проблематично и скорее всего невозможно. Ясно одно, что электромеханический преобразователь должен быть другим по быстродействию, каким именно, об этом ничего не говорится.

Таким образом, в результате анализа известных источников информации выявлена низкая информативность в части применения более простого, надежного и быстродействующего по сравнению с позиционным нейтрального электромагнита постоянного тока в электромеханических преобразователях в релейных автоколебательных схемах управления современных быстродействующих высококачественных пневмогидроприводов систем управления ракет и установок вооружения, в части выбора и обоснования из физических соображений минимальных и максимальных параметров (частоты, амплитуды) автоколебаний, в части выбора и обоснования быстродействия нейтрального электромеханического преобразователя с максимальной частотой автоколебаний и сигналом управления привода.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей релейных пневмогидроприводов с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения в части повышения быстродействия и точности работы, уменьшения массы и габаритов, повышения надежности работы, снижения трудоемкости изготовления и стоимости.

Это достигается тем, что в релейном пневмогидроприводе с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения, содержащем последовательно соединенные сумматор, первый вход которого является входом привода, релейный элемент, усилитель мощности, электромеханический преобразователь с якорем, распределительное устройство и исполнительный двигатель, выход которого является выходом привода и соединен через датчик обратной связи со вторым входом сумматора, преобразователь выполнен нейтральным с временем срабатывания, определяемым из соотношения

где T_min - минимальный период линеаризирующих колебаний при максимальной частоте линеаризирующих колебаний;

- коэффициент команды, определяемый постоянной составляющей разложения в ряд Фурье сигнала на выходе релейного элемента, пропорциональный ошибке управления между заданной и измеренной выходной координатой привода, выбираемый, равным K=0,6-0,7, из условий обеспечения требуемой точности отработки сигналов управления привода при ограниченном быстродействии преобразователя;

t₁ , t₂ - длительности положительного и отрицательного импульсов на выходе релейного элемента,

и обеспечивающим работу якоря по упорам в режиме широтно-импульсной модуляции на максимальных частотах линеаризирующих колебаний при отработке сигнала управления привода в диапазоне частот управления.

Максимальная частота линеаризирующих колебаний привода выбрана из условий получения минимальной амплитуды колебаний выходной координаты привода, достаточной для линеаризации трения и люфтов механической системы выход привода - нагрузка и выход привода - выход датчика обратной связи, и получения не более допустимого ухода нулевого положения выходной координаты привода, вызванного несимметрией его параметров, а минимальная частота линеаризирующих колебаний выбрана из условий получения амплитуды колебаний выходной координаты привода не более заданной и получения не менее пятикратного разноса частоты колебаний с максимальной частотой сигнала управления.

Линеаризирующие колебания в приводе обеспечены в виде высокочастотных автоколебаний привода путем соответствующего выбора параметров привода и релейного элемента, использования корректирующих цепей, обратных связей вокруг релейного элемента или в виде внешних высокочастотных колебаний путем подачи их на вход релейного элемента от внешнего источника и при этом подавления ими высокочастотных автоколебаний привода.

Требуемое время срабатывания якоря преобразователя обеспечено за счет максимального тягового усилия электромагнита при действующих нагрузках на якорь, достигнутого путем соответствующего рационального подбора материала и конструктивных параметров электромагнита в части магнитопровода и якоря минимальной инерционности, обмотки управления, жесткости возвратной пружины, схемы и параметров выходного каскада усилителя мощности, нагрузкой которого являются обмотки управления, в условиях действующих ограничений по массогабаритным показателям и минимальной потребляемой мощности.

На фиг.1 представлена статическая характеристика идеального двухпозиционного релейного элемента без зоны нечувствительности и без зоны неоднозначности; на фиг.2 - принципиальная схема нейтрального электромеханического преобразователя; на фиг.3 - статическая характеристика нейтрального электромеханического преобразователя; на фиг.4 - движение якоря нейтрального электромеханического преобразователя с упора на упор при отработке знакопеременных импульсов напряжения.

Нейтральный электромеханический преобразователь (фиг.2) содержит магнитопровод 1, обмотки 2 (W₁, W ₂), якорь 3, возвратную пружину 4, опоры 5 пружины 4. Обмотки W₁, W₂ подключены к выходу усилителя мощности 6.

На фиг.5 представлена принципиальная схема предлагаемого релейного пневмогидропривода с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения с нейтральным электромеханическим преобразователем, содержащая сумматор 7, релейный элемент 8, усилитель мощности 6, нейтральный электромеханический преобразователь 9, распределительное устройство 10, исполнительный двигатель 11, датчик обратной связи 12, рулевую машину 13, генератор 14.

На фиг.1-5 обозначено: U_y - сигнал управления привода, U_ос - сигнал обратной связи, U=(U_у-U_oc) - сигнал ошибки, - входной сигнал релейного элемента, U - выходной сигнал релейного элемента, U - выходной сигнал усилителя мощности, Х - перемещение якоря управляющего электромагнита нейтрального электромеханического преобразователя, - выходная координата привода, ±U_m , ±U_m, ±X_m - максимальные значения соответствующих сигналов, U_л - линеаризирующий сигнал на выходе генератора.

На фиг.6,7 представлены графики прохождения сигнала ошибки управления U с линеаризирующим сигналом в виде автоколебательной составляющей U_а через релейный элемент 8 для случаев =0 (фиг.6) и 0 (фиг.7). - средняя величина ошибки.

Устройство работает следующим образом. При автоколебаниях на выходе релейного элемента при отсутствии сигнала управления (U_y=0) возникает сигнал прямоугольной формы с 50% скважностью из наличия релейного элемента и отрицательной обратной связи (фиг.6). Этот сигнал после усиления усилителя мощности отрабатывается рулевой машиной, уровень сигнала ±U_m превышает зону ±U_o (фиг.3) статической характеристики нейтрального электромеханического преобразователя. Поскольку быстродействие преобразователя, определяемое временем t_ср при перемещении якоря по упорам, обеспечивается менее минимального периода автоколебаний, якорь перемещается с упора на упор (фиг.4, фиг.6,7). Поршень рулевой машины колеблется относительно нулевого положения с частотой автоколебаний. Поршень рулевой машины связан с входом датчика обратной связи. Сигнал автоколебаний с выхода датчика поступает через сумматор на вход релейного элемента. Учитывая, что линейная часть привода является фильтром низкой частоты, а частота автоколебаний в контуре привода обеспечивается достаточно высокой, колебания на выходе фильтра будут иметь форму, близкую к гармонической с амплитудой U _a и частотой f_a, равной , где Т - период автоколебаний.

При наличии на входе привода постоянного или медленно меняющегося по сравнению с частотой автоколебаний сигнала управления (U_y 0) ошибка U на выходе сумматора содержит кроме высокочастотной составляющей автоколебаний постоянную или медленно меняющуюся составляющую сигнала управления (фиг.7 сигналы и U_а).

Сигнал этих двух составляющих U_a и поступает на вход релейного элемента, скважность сигнала на выходе которого из-за наличия в его входном сигнале постоянной или медленно меняющейся составляющей отличается от 50% (фиг.7).

Сигнал с выхода релейного элемента, отличающийся от 50% скважности, отрабатывается нейтральным электромеханическим преобразователем. Так как нейтральный электромеханический преобразователь является быстродействующим элементом, который обеспечивает отработку по упорам якорем преобразователя минимальной ширины импульсов управления Т_min (фиг.7), то за счет этого якорь преобразователя работает в режиме широтно-импульсной модуляции, при которой время нахождения якоря на упорах будет определяться шириной импульсов, а среднее значение выходной координаты преобразователя будет пропорционально медленно меняющейся составляющей ошибки сигнала управления. При этом поршень рулевой машины перемещается с амплитудой автоколебаний _a относительно ненулевого положения в соответствии с медленно меняющимся сигналом управления привода.

Путем выбора и конструктивного и схемного обеспечения параметров привода и релейного элемента, использования (прямых, обратных или их комбинации) корректирующих цепей, обратных связей вокруг релейного элемента, подавления автоколебаний в приводе (в случае необходимости) внешними высокочастотными колебаниями минимальная частота автоколебании обеспечивается исходя из условий получения амплитуды колебаний _a выходной координаты привода не более заданной в технической документации на привод и получения для обеспечения приемлемой точности воспроизведения заданного сигнала управления необходимого разноса частот автоколебаний и управления. Как показали положительные результаты исследований динамики и точности работы привода на ЦВМ и в натуре, не менее пятикратного должен быть разнос частоты автоколебаний по сравнению с максимальной частотой сигнала управления. Максимальная частота автоколебаний обеспечивается исходя из условий получения минимальной амплитуды колебаний выходной координаты привода, достаточной для линеаризации трения и люфтов механической системы выход привода - нагрузка и выход привода - выход датчика обратной связи и получения не более допустимого ухода нулевого положения выходной координаты привода, вызванного несимметрией его параметров.

Несимметрия времени срабатывания нейтрального электромеханического преобразователя при движении якоря в ту и другую сторону (t_cp1, t_cp2 ) приводит к появлению среднего значения за период автоколебаний выходной координаты преобразователя, а следовательно, и к смещению нулевого положения выходной координаты привода. Величина до будет пропорциональна величине и обратно пропорциональна величине коэффициента усиления разомкнутого контура привода (величине добротности по скорости). Величина зависит от частоты автоколебаний. Чем выше частота автоколебаний, тем больше будет величина смещения , тем больше соответственно и смещение . Поэтому физически ограничение по максимальной частоте существует и должно быть учтено. Ясно также, что на максимальной частоте автоколебаний амплитуда колебаний должна быть не менее вилки люфта механической системы привода выход привода - нагрузка и выход привода - выход датчика обратной связи для эффективной линеаризации нелинейностей привода (люфты, трение) и повышения точности управления.

В случае невозможности выполнения условий по доведению частот автоколебаний (минимальных, максимальных) и амплитуд до допустимых значений используется известный способ подавления низкочастотных автоколебаний внешними высокочастотными колебаниями, когда в релейном автоколебательном приводе или системе устанавливается режим вынужденных колебаний высокой частоты. Этот способ реализуется с помощью генератора линеаризирующих колебаний на входе релейного элемента, что показано на схеме фиг.5 пунктиром (генератор Г).

Однако в любом случае предпочтительнее сохранить и обеспечить автоколебательный режим работы, чем режим захвата автоколебаний внешними высокочастотными колебаниями, так как во втором случае исключается эффект параметрической самонастройки, присущий автоколебательным приводам и системам, при наличии которого обеспечивается более высокая точность управления, что очень важно для объектов с изменяющимися в широких пределах параметрами, типичным представителем которых является рулевой привод систем управления ракет и привод систем наведения и стабилизации установок вооружения. Проще в реализации схема управления автоколебательного привода из-за отсутствия в ней дополнительного элемента - генератора линеаризирующих колебаний.

При отработке сигнала управления автоколебательным приводом за счет быстродействия нейтрального электромеханического преобразователя, определяемого временем срабатывания при перемещении якоря с упора на упор, равным

t_cр=t_тр+t_дв,

где t _cp - время срабатывания от момента поступления сигнала до прихода якоря на упор;

t_тр - время трогания от момента поступления сигнала до начала перемещения якоря;

t_дв - время движения от начала перемещения якоря до прихода на упор,

обеспечивается работа якоря преобразователя по упорам в режиме широтно-импульсной модуляции на частотах автоколебаний. Очевидно, что критическим моментом является обеспечение работы при этом на максимальной частоте автоколебаний, где ширина полупериода колебаний будет минимальной, да в добавок она будет еще больше уменьшаться при отработке сигнала управления.

С выхода релейного элемента для отработки якорем преобразователя поступает периодический двуполярный прямоугольный сигнал частотой, равной частоте автоколебаний, амплитудой, соответствующей максимальному перемещению якоря, и коэффициентом команды, определяемым по формуле

,

где K - коэффициент команды, определяемый постоянной составляющей разложения в ряд Фурье-сигнала на выходе релейного элемента, пропорциональный ошибке управления между заданной и измеренной выходной координатой привода, выбираемый равным К=0,6 - 0,7 из условий обеспечения требуемой точности отработки сигналов управления привода при ограниченном быстродействии преобразователя;

t₁, t₂ - длительности положительного и отрицательного импульсов на выходе релейного элемента;

T=(t₁+t₂) - период автоколебаний;

- частота автоколебаний.

Для отработки команды управления время срабатывания t_ср преобразователя должно быть равным не более части T_min полупериода Т/2 автоколебаний, то есть

t_ср T_min,

где T_min=t_1min=t_2min - минимальная ширина импульсов при отработке команды управления.

Двухпозиционный нейтральный электромеханический преобразователь отрабатывает входные сигналы, поступающие с выхода релейного элемента, с определенным коэффициентом К линейной команды.

При t₂=t _cp электромеханический преобразователь имеет наибольшую отрабатываемую линейную команду. При этом t₁=Т-t _ср. Тогда

Видно, что с повышением несущей частоты f широтно-импульсной модуляции, равной максимальной частоте автоколебаний f^max _a в релейном автоколебательном приводе, или частоте f внешних линеаризирующих колебаний при захвате или высокочастотных автоколебаний привода, значение коэффициента K_max максимальной линейной команды уменьшается.

Физически время срабатывания при перемещении якоря по упорам обеспечивается за счет максимального тягового усилия электромагнита преобразователя путем соответствующего подбора конструктивных параметров электромагнита в части магнитопровода и якоря минимальной инерционности, обмотки, жесткости возвратной пружины, схемы и параметров выходного каскада (выходного сопротивления) усилителя мощности, нагрузкой которого являются обмотки управления, в условиях действующих ограничений по массогабаритным показателям и минимальной потребляемой электрической мощности. При этом время срабатывания t_cp преобразователя зависит от ширины импульса, чем уже импульс, что эквивалентно повышению частоты, тем меньше t_ср. Это происходит за счет уменьшения времени трогания t_тр, которое в пределе может быть равным нулю, то есть при этом t^min _ср=t_дв.

Для 100%-ной отработки команды управления с выхода релейного элемента (для случая T_min=0) необходимо иметь преобразователь с быстродействием t_ср=0, что в практическом плане нереально, так как это требует бесконечно большой мощности электромеханического преобразователя. Поэтому за счет ограниченного быстродействия преобразователя будет наблюдаться некоторая непропорциональность между заданной (с выхода релейного элемента) и полученной (на выходе электромеханического преобразователя) командой управления в районе больших команд K 1,0. Допустимость этого предположения подтверждается положительными результатами по точности отработки заданных сигналов управления выходной координатой привода и допустимостью использования с точки зрения обеспечения заданной точности в составе системы управления ракеты и установок вооружения.

В качестве примера в подтверждение сказанному можно отметить, что время срабатывания нейтральных электромеханических преобразователей в результате достигнутого прогресса в разработке быстродействующих нейтральных электромеханических преобразователей в современных релейных автоколебательных пневмогидроприводах составляет около 2-3 м· с, из них время движения около 0,7-1,0 м· с.

Отсюда видно, что эквивалентная частота отработки якоря по упорам для узких импульсов составит около 500-700 Гц, то есть сравнительно с частотой автоколебаний это очень высокая частота и потеря в управлении практически очень незначительна.

За счет введения в релейный пневмогидропривод с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения (приводы наведения и стабилизации вооружения) предлагаемого технического решения, использующего в качестве преобразователя простой надежный быстродействующий малогабаритный нейтральный электромеханический преобразователь с временем срабатывания, обеспечивающим работу якоря преобразователя по упорам в режиме широтно-импульсной модуляции на максимальных частотах линеаризирующих колебаний при отработке сигнала управления в диапазоне частот управления, выбора и обеспечения в приводе технически обоснованных параметров линеаризирующих колебаний по частоте удалось обеспечить существенное повышение быстродействия и точности работы, уменьшить массу и габариты, повысить надежность работы, снизить трудоемкость изготовления и стоимость, повысить информативность известных технических решений.

Проведенные проверки и испытания опытных и серийных образцов релейных автоколебательных рулевых пневмоприводов управляемых снарядов и ракет и релейных автоколебательных гидроприводов систем наведения и стабилизации вооружения установок вооружения подтвердили с положительными результатами эффективность заложенных технических решений.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволило повысить технико-экономические показатели релейных автоколебательных пневмогидроприводов систем управления ракет и установок вооружения и может быть использовано также как для модернизации существующих, так и для разработки вновь создаваемых малогабаритных управляемых ракет, и снарядов комплексов управляемого вооружения, и гидроприводов систем наведения и стабилизации установок вооружения.

Все сказанное без исключения относится также не только к релейным пневмогидроприводам с вибрационной линеаризацией за счет автоколебаний, но и к релейным пневмогидроприводам, в которых вибрационная линеаризация осуществляется за счет захвата автоколебаний высокочастотными колебаниями от внешнего источника.

Многолетний опыт изготовления и испытаний пневмогидроприводов с вибрационной линеаризацией систем управления ракет и установок вооружения показал, что наиболее полно отвечают предъявляемым к ним требованиям предлагаемый релейный автоколебательный пневмогидропривод с простым надежным и быстродействующим нейтральным электромеханическим преобразователем в первом каскаде усиления мощности.

Источники информации

1. Мелкозеров П.С. Приводы в системах автоматического управления (энергетический расчет и выбор параметров). М.-Л.: Энергия, 1966 г.

2. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления./Под ред. Солодовникова В.В. Книга 3. Исполнительные устройства и сервомеханизмы. М.: Машиностроение, 1976 г.

3. Гидравлические и пневматические силовые системы управления./Под ред. Дж.Блэкборн, Г.Ритхоф, Дж.Д.Шерер. M.: ИИЛ, 1962 г.

4. Костин С.В., Петров Б.И., Гамынин Н.С. Рулевые приводы. М.: Машиностроение, 1973 г.

5. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. /Под ред. В.А.Чащина, М.: Машиностроение, 1987 г.

6. Крымов Б.Г., Рабинович Л.В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1987 г.

7. Следящие приводы. В 2-х книгах. Кн.1, 2./ Под ред. Б.К.Чемоданова. М.: Энергия, 1976 г.

8. Теория автоматического регулирования./Под ред. Солодовникова В.В. Книга I. Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1967 г.

9. Шорников Е.Е. К динамике электромеханического преобразователя. Известия ВУЗ, 1968, №6, с.684-689.

10. Электромеханические элементы следящих систем./Шорников Е.Е., Елецкая Г.П., Панков Л.П., Борисов В.К., Илюхина Н.С. Тула: ТПИ, 1982 г.

11. Шипунов А.Г., Фимушкин B.C., Никаноров Б.Л. Концепция разработки воздушно-динамических рулевых приводов ракет комплексов высокоточного оружия. Пневмогидроавтоматика-99, Всероссийская конференция. Тезисы докладов. Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова. Москва, 1999 г.

12. Шипунов А.Г., Дудка В.Л., фимушкин В.С., Никаноров Б.А. Рулевой привод для ракет комплексов высокоточного оружия. "Военный парад", 2000 г., 1.

13. Релейные автоколебательные системы управления для объектов с изменяющимися параметрами. В кн.: Петров Б.Н., Рутковский В.Ю., Крутова И.Н., Земляков С.Д. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления. М.: Машиностроение, 1972 г.

14. Релейная система автоматического регулирования. В кн.: Теория автоматического регулирования./Под ред. Солодовникова В.В. Книга 3. Часть II. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающихся систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1969 г.

15. Мелкозеров П.С. Энергетический расчет систем автоматического управления и следящих приводов. М.: Энергия, 1968 г.

16. Теория автоматического регулирования./Под ред. Солодовникова В.В. Книга 3. Часть I. Теория нестационарных, нелинейных и самонастроивающихся систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1969 г.

17. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. М.: Энергия, 1972 г.

18. Щучинский C.Х. Электромагнитные приводы исполнительных механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.

19. Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов: Сборник научных трудов. Тула, ТПИ, 1984 г.

20. Шорников Е.Е., Тошнов Ф.Ф., Коротков О.В. Высокоточная силовая система управления объемного регулирования. В сборнике научных трудов: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем, Тула, Тульский политехнический институт, 1980 г.