Система стабилизайии платформы с антенным блоком бортовой РЛС

Министерство  образования Республики Беларусь

 

Учреждение  образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

Факультет  информационных технологий и управления

 

Кафедра  систем управления

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту

на тему

 

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛАТФОРМЫ С АНТЕННЫМ БЛОКОМ БОРТОВОЙ РЛС

 

БГУИР КП 1-53 01 07 125 ПЗ

 

 

Студент

Shara

Руководитель 

Доманов А.Т.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 5

1 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 6

1.1 Принцип действия системы 6

1.2 Параметры и исходные данные системы стабилизации платформы с антенным блоком бортовой РЛС 8

2 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА И УСТОЙЧИВОСТИ ИСХОДНОЙ СИСТЕМЫ 9

2.1 Структурная схема системы управления 9

2.2 Расчет точности исходной системы 9

2.3 Анализ устойчивости исходной системы 10

3. СИНТЕЗ ЖЕЛАЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ПО ЗАДАННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ КАЧЕСТВА 12

4. СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 14

5 КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ 16

    5.1. Работа системы  в режиме качки ……………………………………………………….19

    5.2. Работа системы при переменном возмущении………………………………………..20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 23

 

 

РЕФЕРАТ

 

СИСТЕМА  СТАБИЛИЗАЦИЯ  КОРРЕКЦИЯ  ПАРАМЕТРЫ  АНАЛИЗ СХЕМА ПИД РЕГУЛЯТОР СИНТЕЗ

 

В курсовой работе рассмотрены вопросы расчета  основных параметров и проектирования системы стабилизации платформы  с антенным блоком бортовой РЛС. По функциональной схеме и техническим  требованиям к системе построена  структурная схема, рассчитан желаемый коэффициент усиления и проведен анализ устойчивости исходной системы  управления. Рассмотрены вопросы  реализации последовательной коррекции. Было произведено компьютерное исследование скорректированных систем.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Радиолокационные системы имеют повсеместное распространение в военной и гражданской авиации и флоте. Они  устанавливаются на современных скоростных пассажирских самолетах и кораблях для повышения безопасности их полета и плавания в сложных метеорологических условиях. Они снабжены системами стабилизации платформы с антенным блоком РЛС (радиолокационной стации).

Радиолокационная станция (РЛС) — система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности и геометрических параметров.

В основе устройства радиолокационной станции лежат три компонента: передатчик, антенна и приёмник.

Антенна выполняет фокусировку  сигнала передатчика и формирование диаграммы направленности, а также приём отражённого от цели сигнала и передачу этого сигнала в приёмник. В зависимости от реализации приём отражённого сигнала может осуществляться либо той же самой антенной, либо другой, которая иногда может располагаться на значительном расстоянии от передающего устройства.

Платформа предназначена  для размещения радиоэлектронной аппаратуры.

Анализ функционирования корабельных РЛС показывает, что  во время качки станция с нестабилизированным  по качкам антенным постом имеет значительно  меньшую дальность обнаружения  низколетящих воздушных и надводных  целей, а при углах качки, близких  к максимальным, наблюдаются пропуски в обнаружении целей.

Также система стабилизации используется в режиме висения, когда  есть необходимость длительное время  точно выдерживать высоту над  уровнем моря.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Принцип действия системы

 

Радиолокационные  системы, устанавливаемые на современных  скоростных пассажирских самолетах  и кораблях для повышения безопасности их полета и плавания в сложных  метеорологических условиях, снабжают системами стабилизации платформы  с антенным блоком РЛС (радиолокационной стации).

Платформа с антенным блоком представляет собой  механический узел, закрепленный в  двойном карданном подвесе (рисунок 1.1), положения осей которого и управляются с помощью двух идентичных следящих систем.

 

 

Рисунок 1.1-Узел стабилизации платформы РЛС

 

  На рисунке 1.2 приведена функциональная схема системы,     осуществляющей поворот оси платформы на угол , противоположный изменению угла крена.  На рисунке обозначено: ТС – вращающийся трансформатор – датчик крена корабля; ТЕ – вращающийся трансформатор – приёмник системы; А1 – устройство управления электроприводом платформы; А2 – электропривод; А3 – платформа с антенным блоком РЛС, закрепленная в карданном подвесе по оси х, совпадающей с направлением движения корабля; – угол крена корабля;  – угол следящей оси системы. В идеальном случае .

Статор  датчика ТС жестоко соединен с  корпусом корабля, а ротор нагружен физическим маятником. Собственные  колебания маятника гасятся электромагнитным демпфером (на рисунке 2.2 не показаны).

 

 

 

Рисунок 1.2-Функциональная схема системы

 

Достоинствами схемы являются линейная зависимость  фазы от рассогласования , высокая точность и стабильность преобразования.

Сигнал U поступает в устройство А1, которое содержит фазочувствительный преобразователь, корректирующее звено, линейный усилитель и формирует сигнал управления  приводом.

В приводе  применяют как асинхронные двигатели  переменного тока типа АДП, ДКМ и  другие, так и двигатели постоянного  тока типа ДПР, Д и т.п.

Двигатель, отрабатывая сигнал управления , сообщает оси х угловое перемещение , противоположное углу крена корабля, осуществляя стабилизацию в плоскости горизонта платформы при кренах корабля.

 

1.2 Параметры и исходные  данные системы стабилизации       платформы с антенным блоком бортовой РЛС

 

Технические условия для системы автоматической стабилизации платформы с антенным блоком бортовой РЛС:

  • режим работы системы -качка по гармоническому закону с углом крена и периодом качки Тk;

 

Исходные  данные:

  • амплитуда качки =5 град;
  • период качки =8 с;
  • статический момент сопротивления, приведенный к валу двигателя =12 Н·мм;
  • коэффициент наклона механической характеристики =6.7 (с·н·м)-1
  • показатель колебательности  М=1.4;
  • допустимая максимальная ошибка = 3.8 угл.мин;
  • постоянная времени привода с нагрузкой =0.02 с;
  • передаточный коэффициент гироскопа по углу стабилизации (3град) kг = 100;
  • постоянная времени гироскопа Тг = 0.0025 с;
  • коэффициент передачи электропривода kэп = 0,4 рад/с;
  • крутизна датчика угла прецессии kд = 32 В/рад;
  • электромагнитная составляющая =0,01с.
    •  

2 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА И УСТОЙЧИВОСТИ ИСХОДНОЙ     СИСТЕМЫ

2.1 Структурная схема системы  управления

 

Структурная схема системы (рис. 2.1) разработана на основе функциональной схемы (рис. 1.2) путем замены каждого функционального элемента его математической моделью, описываемой с помощью соответствующей передаточной функции.

Рисунок 2.1- Структурная схема системы

 

На схеме  приняты следующие обозначения:

  •   - угол крена;
  • - коэффициент преобразования двигателя;
  •   - устройство преобразования фаза-напряжение ;
  •   - коэффициент усиления;
  • - коэффициент передачи двигателя по моменту;
  • q – передаточное число редуктора.

2.2 Расчет точности исходной системы

 

Суммарная ошибка , действующая в системе, определяется выражением:

 

(2.1)


где – статическая ошибка;

  – ошибка по положению;

  – ошибка по скорости;

  – ошибка моментной составляющей.

В данной системе управления ошибка по положению  отсутствует, т. е. т. к. система управления с астатизмом 1-го порядка.

Допустимая максимальная ошибка системы определяется по формуле:

 

(2.2)


2.3 Анализ устойчивости исходной системы

Рассчитаем желаемый коэффициент усиления системы:

 

,

(2.3)


 

где - скорость крена платформы:

 

.         (2.4)

 

Построим  модель исходной системы в среде  MATLAB Simulink для определения устойчивости системы:

Рисунок 2.1 – Модель исходной системы

 

Определим устойчивость системы, используя критерий Найквиста. Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой системы по виду логарифмических частотных характеристик разомкнутой системы.

 

Рисунок 2.2 – Логарифмические амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики

 

Из графиков видно, что система устойчива, запас по фазе составляет 9,47 градуса , что подтверждается графиком переходного процесса на рисунке 2.3

 

 

Рисунок 2.3- Переходный процесс нескорректированной системы

 

В системе  имеет место значительное перерегулирование, порядка 75%, следовательно система требует коррекции.

3. СИНТЕЗ ЖЕЛАЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ПО    ЗАДАННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ КАЧЕСТВА.

 

Целью разработки систем автоматического управления является синтез системы, удовлетворяющей  функциональному назначению и заданным показателям качества.

Желаемая  передаточная функция определяется видом передаточной функции проектируемой системы , состоящей из функционально необходимых элементов:

 

      (3.1)

 

Вид желаемой передаточной функции для типовой  системы управления с астатизмом первого порядка приведен в справочном материале [1]:

 

(3.2)

 

Вычислим значение контрольной частоты:

 

=   (3.3)

 

Вычислим значение скорости крена:

 

(3.4)

 

Вычислим значение ускорения:

 

                            (3.5)

 

Вычислим  добротность по скорости:

 

              (3.6)

 

Вычислим  условную добротность по ускорению:

 

   (3.7)

Вычислим  значение базовой частоты:

 

(3.8)

 

Для построения запретной области существует три  метода, воспользуемся одним из них. Выбираем следующим образом:

 

                                  (3.9)

 

     Чтобы на сопрягающей частоте реальная частотная характеристика не попадала в запретную область необходимо выбрать согласно неравенству:

 

                           (3.10)

 

Тогда базовая  частота будет найдена из формулы:

 

=                    (3.11)

 

По ниже приведенным формулам,  полученным на основе известных связей параметров  с параметрами желаемой асимптотической ЛЧХ , вычислим ,:

 

 (3.12)

 

(3.13)

 

Сделаем проверку:

 

 

6 принадлежит  интервалу [6,12] из этого следует, что постоянные времени рассчитаны верно.

 

Запишем выражение желаемой передаточной функции:

 

(3.14)

4 СИНТЕЗ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

 

Чтобы придать  исходной системе желаемые динамические свойства, используем аналоговое корректирующее устройство, которое включаем последовательно  с функционально необходимыми элементами. Передаточную функцию корректирующего  устройства    находим из равенства:

 

,      (4.1)

 

где  и заданы выражениями (3.1) и (3.2) соответственно:

 

,   (4.2)

 

Рисунок 4.1- Структурная схема системы управления

с последовательной коррекцией

 

Для коррекции  охватим передаточную функцию электропривода, местной отрицательной обратной связью. Запишем передаточную функцию:

 

,  (4.3)

 

Чтобы скомпенсировать постоянную времени электропривода, примем:

 

      (4.4)

 

 

 

 

Отсюда вычислим :

 

(4.5)

 

Условно примем однако физически реализовывать коррекцию этого звена не будем.

После всех преобразований получим:

 

      (4.6)

Для физической реализации последовательной коррекции с помощью операционных усилителей приведем передаточную функцию коррек-тирующего устройства к виду:

 

 ,                             (4.7)

 

 

где =0.386

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРРЕКТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

 

Введем  в схему моделирования корректирующие звенья:

 

Рисунок 5.1- Модель системы с коррекцией

 

 

Рисунок 5.2- Переходный процесс скорректированной системы

 

Параметры данного переходного процесса не удовлетворяют требованиям системы. Для уменьшения перерегулирования системы введем форсирующее звено, компенсирующее постоянную времени гироскопа. Переходный процесс новой системы представлен на рисунке 5.3:

 

 

 

Рисунок 5.3- Переходный процесс системы после коррекции

 

Параметры данного переходного процесса:

– перерегулирование ;

– время регулирования ;

          – число колебаний за время регулирования m=1.

Видим, что  данный процесс удовлетворяет соотношениям между качественными показателями, приведенным в справочном материале.

 

Исследуем систему в установившемся режиме. Для нахождения ошибки по скорости на вход системы подадим воздействие вида , а возмущающее воздействие примем равным =0 Н·мм. Согласно рисунку 5.4 установившееся значение ошибки по скорости равно:

угл.мин   (5.1)

 

Рисунок 5.4-Сигнал в канале ошибки

Для нахождения ошибки по возмущению входное воздействие примем равным нулю, а в качестве возмущения возьмем =18 Н·мм. Согласно рисунку 5.5 установившееся на выходе системы значение ошибки по возмущению равно:

угл.мин   (5.2)

 

Рисунок 5.5-Сигнал в канале ошибке

Суммарная ошибка системы по скорости и моментной составляющей составляет:

 

       угл.мин

(5.3)


Это значение не превышает  допустимую максимальную ошибку системы.

Следовательно, скорректированная система удовлетворяет заданным критериям точности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1 Работа системы  в режиме качки

 

На вход системы  подается гармоника с параметрами:

  • амплитуда качки θmax=5 град;
  • период качки Тк=8 с;

 

Рисунок 5.6- Система в режиме качки

 

Снимается значение ошибки.

 

Рисунок 5.7- Ошибка системы в режиме качки

 

5.2 Работа системы  при переменном возмущении

Для анализа  работы системы в данном режиме введем нелинейный элемент “двухпозиционное реле”  система изображена на рисунке 5.8

 

Рисунок 5.8 –  Система с нелинейным элементом

 

На выходе нелинейного элемента  имеем сигнал изображенный на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – Сигнал на выходе реле

 

Изменяя амплитуду данного сигнала, пронаблюдаем за влиянием данного возмущения на выходной сигнал системы. Так, при амплитуде возмущения, равной амплитуде сигнала, выходной сигнал не искажается значительно

 

Рисунок 5.10 -  Сигнал в канале ошибки

Максимальное  значение ошибки составляет около 1% от амплитуды сигнала.

Существенное  искажение сигнала произойдет лишь при значительном увеличении возмущения, на рисунке 5.11 изображен выходной сигнал при возмущении превышающем амплитуду сигнала на 2 порядка

 

Рисунок 5.11 – Выходной сигнал системы

 

Таким образом  можно сделать вывод о устойчивости системы к внешним возмущениям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Рассмотрена система стабилизации платформы с антенным блоком бортовой РЛС. Данная система предназначена для повышения безопасности движения объектов, а также для определения их дальности и геометрических параметров. Произведен анализ рассмотренной системы. В ходе выполнения курсового проекта получены следующие результаты:

По заданной функциональной схеме построена структурная схема. Произведен математический расчет элементов, а также  анализ устойчивости и точности исходной  системы. По заданным требованиям точности определен желаемый коэффициент усиления =189.505. По критерию Найквиста определили, что система устойчива, однако требует коррекции в связи с высоким перерегулированием.

     Рассмотрена последовательная коррекция. Для улучшения характеристик переходного процесса скомпенсирована постоянная времени гироскопа. Компьютерные исследования показали, что при таком виде коррекции система стала устойчива и суммарная ошибка не превышает значение ошибки в задании. Перерегулирование составила 31%. Врем переходного процесса уменьшилось до 0,13 секунд, что является хорошим результатом, соответствующим заданным параметрам.

Подав на вход системы гармонику с параметрами, заданными по варианту, проанализировали работу системы стабилизации в режиме качки. Анализ показал, что ошибка системы в этом режиме не превышает заданную максимальную ошибку и не превышает 0,002 части от входного воздействия.

Была  достигнута устойчивость системы к  внешним возмущениям за счет введения местной отрицательной жесткой  обратной связи.

 

 

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

 

1. Антипова М.А., Доманов А.Т. Теория автоматического управления: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. — Мн.: БГУИР, 2004. — 54 с.

2. Конспект лекций по практическим занятиям по курсу ТАУ/А.Т.Доманов.-БГУИР,2008

3. Конспект лекций по дисциплине «Теория автоматического управления»/С.В.Лукьянец.-БГУИР,2008

4. Доманов А.Т., Н.И.Сорока. Предварительный стандарт предприятия. Общие требования. – Мн.:БГУИР,2009.-175с.

 

 

 

 

 

 
 
 
Обозначение

Наименование

Дополни-тельные

сведения

 

Текстовые документы

  
     

БГУИР КП 1-53 01 07 125 ПЗ

Пояснительная записка

23с.

     
 

Графические документы

  
     

БГУИР.421414.001 Э1

Схема электрическая

Формат А1

 

структурная

  
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

БГУИР КП 1-53 01 07 125 П3

         
         

Разраб.

  Мороз

    

Система стабилизации платформы с  антенным блоком бортовой РЛС

 

Ведомость курсового проекта

Лит

Лист

Листов

Провер.

Доманов

          

24

24

       

 

Кафедра СУ

гр. 922404