Разработка сервопривода руля высоты самолета

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный  аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”

“Харьковский авиационный институт” 

Факультет систем управления летательных аппаратов

Кафедра систем управления летательных аппаратов 
 
 

                                                        “УТВЕРЖДАЮ”

Заведующий  кафедрой

д. т. н., профессор

___________А. С. Кулик

     (Подпись)           (Ф.И.О.) 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

студента                            Зинченко Юрия Владимировича

1. Тема  работы   “Разработка сервопривода руля высоты самолета”

      утверждена  приказом по университету

      от  “     ”                     200   г., №________ 

2. Срок  сдачи студентом законченного  проекта

      “     ”                     200   г. 

3. Область  применения разработки: авиация, средний самолет. 

4. Исходные данные для объекта управления.

      4.1 Режим полета горизонтальный.

      4.2 Вид движения продольное.

  Начальные условия H=11км. Угол крена 0.

      4.3 Схема объекта управления нормальная аэродинамическая.

      4.4 Диапазон изменения пилотажных  параметров: максимальная высота полета 11000 м, максимальная эксплуатационная скорость 800 км/час, максимальная нормальная эксплуатационная  перегрузка 2,5 ед.g, угол тангажа от -15…+20.

      5. Требования к системе управления.

      5.1 Для устойчивости системы необходимо  обеспечить следующие показатели качества: время нарастания ( )не более 0.5 с, время переходного процесса ( ) не более 1 с, перерегулирование не более 5%.

      5.2 Показатели точности системы:  установившаяся ошибка по угловому положению вала сервопривода равна нулю при единичном задающем воздействии

      5.3 Другие требования: рулевая электрическая машинка должна соответствовать следующим требованиям: ограничения на отклонения руля высоты градусов, для размыкания цепи обмотки возбуждения двигателя в крайних положениях выходного вала рулевой машинки использовать концевые выключатели, момент инерции нагрузки, приведенный к выходному звену рулевой машинки, должен быть не более 0,2 , максимальный момент нагрузки , регулируемый выходной момент пересиливания

      6. Требования приборному составу  системы: автопилот с пропорционально-интегральным законом управления. В состав системы должны входить: рулевая машина руля высоты (РМ), усилитель электропривода (УЭП).

      7. Параметры оборудования системы.

            7.1 Требования по  конструктивному исполнению и  размещению модульное исполнение.

      8. Условия эксплуатации оборудования.

            8.1 Диапазон температур(-60…+60) С.

            8.2 Относительная  влажность: 20 …100%.

            8.3 Вибрации: 2 – 40 Гц.

      8.4 Другие параметры: климатическое исполнение в соответствии с ГОСТ 15150-69.

      9. Электрические параметры системы.

            9.1 Электропитание: электропитание сервопривода руля высоты самолета должно осуществляться от двух шин СЭС по каждому виду питания: постоянное напряжение +27В и переменное напряжение 36В, 400Гц. Мощность потребляемая сервоприводом руля высоты самолета по каждой шине, должна быть не более: по постоянному току 20Вт и по переменному току 30Вт.

      10. Требования к надежности.

            10.1 Средняя наработка  на отказ в полете: не менее 10 000 часов.

            10.2 Срок службы: 25 лет.

            10.3 Вероятность безотказной  работы: 0,99.

            10.4 Требования по  типовым элементам замены (ТЭЗ): ремонт оборудования или замена блоков во время полета не допускается.

      11. Требования безопасности: прибор должен быть пожаробезопасным и не должен являться источником взрыва или пожара; отказ в приборе не должен приводить повреждению других приборов аппаратуры СУ.

      12. Технологическая часть.

      12.1 Разработка технологического процесса: тех. процесс должен обеспечивать максимальный коэффициент загрузки оборудования, минимальную трудоемкость и максимальную материалоемкость.                

      12.2 Условия и требования:  технология прибора должна обеспечивать максимальную надежность; минимальный вес, удобства ремонтоспособности.                                                               

      12.3 Ожидаемый результат: тех. процесс, обеспечивающий оптимальный процесс проверки работоспособности прибора.

      13. Экономическая часть

      13.1. Разработать (рассчитать, получить): себестоимость и цену изготовления блока бортового вычислителя.                                                                                                               

      13.2. Условия и требования: при выборе ЭРИ должны учитываться возможности снижения себестоимости разработки и изготовления устройства. Применение ЭРИ, содержащих драгоценные материалы, должно быть технически обоснованным .              

      13.3. Ожидаемый результат: оценка экономичной  эффективности.

      14. Безопасность жизнедеятельности.

      14.1 Рассчитать (получить, спроектировать):  риск при производстве системы.                                                                                                                                                                     

      14.2 Условия и требования: снижение и устранение вредных факторов, влияющих на человека на производстве.                                                                                                                                                                         

      14.3 Ожидаемый результат: система мероприятий по защите человека от вредных производственных факторов.              

АННОТАЦИЯ

      Страниц – 68;

      Рисунков – 28;

      Таблиц  – 10;

     Количество  использованных источников – 10. 

      В данной работе спроектирован сервопривод руля высоты среднего самолета типа ТУ-134. В основной части работы разработана структурная и функциональная схемы модели сервопривода. Произведен выбор управления и анализ системы для обеспечения требуемого качества. Осуществлен анализ и синтез цифровой системы.

      В конструкторской части приведена  методика разработки управляющего вычислителя сервопривода руля высоты.

      Разработана технология изготовления печатной платы управляющего вычислителя.

      В экономической части приведен расчет себестоимости изготовления управляющего вычислителя 

      В части обеспечения БЖД были рассмотрены  вопросы работы в помещении с  ЭВМ. 

      РУЛЕВАЯ МАШИНА, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО  УПРАВЛЕНИЯ, ТАНГАЖ, ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ЗАКОН УПРАВЛЕНИЯ, ЗАДАЮЩИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ, СЕБЕСТОИМОСТЬ, СКОРОСТНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, ЖЕСТКАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, УСТОЙЧИВОСТЬ.  
 
 
 
 

      ВВЕДЕНИЕ 

      Системы автоматического управления полетом занимают важное место на современных летательных аппаратах. Без таких систем невозможно эффективное применение авиации, космических летательных аппаратов и баллистических ракет.

      Современный этап развития систем управления характеризуется  широким внедрением принципов адаптации, применением цифровых устройств для формирования алгоритмов управления и контроля, применением систем встроенного контроля состояния техники в полете, повышением надежности средств получения и переработки информации и исполнения команд управления.

      В данной работе рассматривается проектирование сервопривода руля высоты, который предназначен для отклонения руля высоты в соответствии с заданным законом управления.

      При управлении движением ЛА должны быть достигнуты: заданное качество переходного процесса, точность исполнения команд, слабая реакция на внешние возмущения, точное наведение на цели, оптимальность движения, безопасность полета. В техническом задании в качестве прототипа был задан сервопривод руля высоты среднего самолета типа Ту-134. 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 0,5 с.

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

 
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 
      Сервопривод представляет собой замкнутую систему автоматического управления, в которой входной сигнал малой мощности управляет выходным сигналом значительно большой мощности по пропорциональному закону. При применении такого привода для автоматического управления самолётом эта система должна непрерывно выполнять следующие функции:

    1) определять разность между входным и выходным сигналами (определение ошибки);

      2)  усиливать сигналы ошибки;

      3) контролировать состояние объекта управления (например, угловое положение управляющих поверхностей или скорость) с помощью цепи обратной связи.

      Существует  два главных типа сервоприводов:

1. с жесткой (позиционной) обратной связью;
2. со скоростной (тахометрической) обратной связью.

      Блок-схема  сервопривода с жесткой обратной связью показана на рисунке 1.1, из которой ясно, что нагрузку необходимо повернуть на выходной угол , соответствующий входному углу поворота управляющего вала . В этом примере управляющий вал механически соединён с движком потенциометра, выходной, сигнал которого после усиления подаётся на серводвигатель. 

Рисунок 1.1 – Сервопривод с жесткой обратной связью (1 – усилитель, 2 – серводвигатель, 3 – нагрузка )

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
      Угол  поворота нагрузки измеряется вторым потенциометром, движок которого механически связан с выходным валом. Потенциометры связаны между собой электрически так, что когда их движки занимают одинаковые угловые положения, сервопривод находится в "нулевом" состоянии или покое.

      Если  требуется отклонить нагрузку на угол , управляющий вал необходимо повернуть на такой же угол. Привод выйдет из состояния покоя, а на усилитель поступит сигнал ошибки, пропорциональный входному углу ,. По мере установки нагрузки в новое положение выходной вал поворачивает движок второго потенциометра, благодаря чему возникает сигнал пропорциональный углу .

      Этот  сигнал поступает на вход усилителя  по цепи обратной связи, уменьшая, таким образом, сигнал ошибки. Поэтому действительное значение выходного сигнала усилителя, поступающего на серводвигатель, равно .Когда нагрузка, наконец, достигнет требуемого положения, сервопривод перейдет в новое "нулевое" состояние.

      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