книги / Системы управления летательными аппаратами и их силовыми установками
..pdfный гидроусилитель. Рабочим телом является жидкость, подаваемая от ис точника / под высоким давлением. Как правило, в полете в качестве рабо чего тела используется горючее двигателя ракеты (несимметричный диметилгидразин), поступающее из турбонасосного агрегата, а при регламент ных проверках - масло.
От источника высокого давления 1 жидкость поступает по двум кана
лам:
-по каналу а через распределительный золотник 7 в полость цилинд
ра 8\
-по каналу б через редукционный клапан 2, служащий для пониже ния и стабилизации давления жидкости, на вход первого каскада гидро усилителя.
Первый каскад гидроусилителя представляет собой гидравлический мост, состоящий из дросселей 3 (постоянные гидравлические сопротивле ния) и сопел 4 (переменные гидравлические сопротивления), сопротивле ния истечению жидкости которых изменяются при перемещении заслонки 5 преобразователя сигналов 6. Преобразователь сигналов 6 пред ставляет собой поляризованный электромагнит с пропорциональным угло вым перемещением якоря и устойчивым средним положением.
Входным сигналом для первого каскада усиления является перемеще
ние заслонки 5. Перепад давлений в диагонали гидромоста (полости А и Б )- это выходной сигнал данного каскада. Узел распределительного зо лотника 7 представляет собой второй каскад усиления.
При отсутствии управляющего сигнала, подаваемого в обмотку пре образователя сигналов б, заслонка 5 одинаково перекрывает сопла 4. Вследствие этого гидравлические сопротивления в соответствующих пле
чах моста одинаковы и мост сбалансирован, а следовательно, одинаковы давления в полостях А и Б распределительного золотника. Золотник нахо дится в среднем положении, дроссельные щели одинаково открыты. В ре зультате перемещение поршня рабочего цилиндра не происходит.
При поступлении электрического сигнала на преобразователь сигна лов заслонка 5, перемещаясь, прикрывает одно из сопел 4 и приоткрывает другое. В результате изменения сопротивлений истечению жидкости гид равлический мост разбалансируется, при этом в полостях А и Б устанавли ваются неодинаковые давления. Под воздействием разности этих давлений распределительный золотник перемещается. Дроссельные щели оказыва ются перекрытыми неодинаково. Вследствие этого появляется разность давлений жидкости в полостях рабочего цилиндра гидроусилителя. Гидро двигатель преобразует разность давлений жидкости в полостях рабочего цилиндра в перемещения поршня со штоком.
Достоинствами рулевых машин с внешним источником рабочего тела являются значительные силы машины на валу при сравнительно малых ве се и габаритах, быстродействие в достаточно широкой полосе частот и большая чувствительность,
К недостаткам следует отнести необходимость наличия специальных источников питания жидкостью при регламентных проверках и сложность конструкции.
Данные рулевые машины нашли широкое применение в системах ста билизации движения первых ступеней ДА, где в качестве рулевых органов используются камеры сгорания маршевого двигателя либо рулевые двига тели.
Упрощенная схема электрогидравлической рулевой машины с авто номным источникомрабочего тела представлена на рис. 4.3.
5 6
Рис. 4.3
Рабочее тело, которым является масло, находится в специальном ре зервуаре, откуда с помощью шестеренчатого насоса (ШН), приводимого во вращение электродвигателем (ЭД), оно прокачивается в каналы 1. Далее через дроссельные отверстия 2 жидкость поступает обратно в резервуар с маслом и параллельно в полости рабочего цилиндра (РЦ), где находится поршень 5, связанный через рычаг б с выходным валом 7.
Входной сигнал поступает на узел управления (УУ), представляющий собой поляризованный электромагнит, якорь которого 3 механически свя зан с поршеньками золотникового механизма 4. При отсутствии входного сигнала якорь У У находится в исходном положении и поршеньки пере крывают отверстия 2 в одинаковой степени. Давление в полостях рабочего цилиндра одинаково, и поршень 5находится в исходном положении.
При подаче исходного сигнала определенной величины и полярности якорь У У отклоняется на определенный угол. Пропорциональность угла поворота якоря входному сигналу обеспечивается специальной пружиной, создающей противодействующий момент (на рисунке пружина не показа на). Одно из дроссельных отверстий 2 приоткрывается, другое - призакрывается. Неравномерное перекрытие дроссельных отверстий приводит к пе рераспределению гидравлических сопротивлений, что, в свою очередь, создает определенный перепад давлений в полостях рабочего цилиндра. Под воздействием этого перепада давлений поршень рабочего цилиндра 5 перемещается, поворачивая через рычаг б выходной вал 7.
Достоинства рулевых машин с автономным источником рабочего те ла - отсутствие внешнего источника рабочего тела, сравнительно неболь шой вес и габариты.
Недостатки РМ - меньшие, чем у РМ с внешним источником рабочего тела, развиваемые силы и моменты, необходимость наличия на борту дос таточно мощного источника электроэнергии для питания электродвигате лей насосов.
Такие рулевые машины применяются преимущественно в системах стабилизации вторых ступеней ДА.
Основными элементами электрической рулевой машины являются электродвигатель, редуктор и в ряде случаев электромагнитная муфта сце пления, обеспечивающая реверс. При отсутствии муфты в состав рулевой машины входят два электродвигателя, вращающие выходной вал в разные стороны.
Особенностью электрической РМ является то, что для управления ее работой используется сигнал ШИМ либо релейный сигнал, т.е. сигналы, полезная информация в которых содержится в длительности импульсов.
Достоинства электрических РМ - простота конструкции, удобство в эксплуатации.
Недостатки электрических РМ - сравнительно малые моменты, разви ваемые на валу, при равных габаритах и весе с электрогидравлическими РМ.
Применяются электрические РМ на вторых ступенях ракет, где для управления рулевыми органами не требуются значительные усилия.
Рулевые мамины дискретного действия. Из рулевых машин дис кретного действия наибольшее применение находит РМ с использованием шаговых двигателей (рис. 4.4). Шаговый двигатель (Ш Д) представляет собой синхронный двигатель переменного тока с асинхронным пуском. Металл, из которого выполнен ротор, обладает остаточным намагничи ванием за счет наличия петли гистерезиса. Такие двигатели называются гистерезисными.
Рис. 4.4
На шаговый двигатель поступает сигнал в виде унитарного кода. ШД воздействует на золотниковый механизм (ЗМ) гидроусилителя (ГУ), в ре зультате чего происходит перераспределение давлений в рабочем цилинд ре (РЦ), что обусловливает перемещение выходного вала РМ.
В данных рулевых машинах применяется механическая жесткая отри цательная обратная связь (МОС).
Достоинства данных РМ - значительные развиваемые силы и момен ты, хорошее быстродействие, упрощение реализации преобразователя, со гласующего РМ с БЦВМ, так как цифровой код преобразуется в унитар ный код, а не в аналоговый сигнал. Рулевые машины дискретного действия нашли широкое применение на первых и вторых ступенях ракет.
4.3. Передаточные функции рулевых машин
Получим дифференциальное уравнение рулевой машины, а затем оп ределим передаточную функцию РМ при различных условиях. Запишем уравнение моментов РМ:
где А/р - момент, развиваемый РМ;
Мц - инерционный момент;
Л/д- демпфирующий момент;
Мс - статический момент.
Как правило, рулевые машины работают на линейном участке мо-
ментной характеристики, поэтому можно записать, что |
|
Л/р = К1у. |
(4.2) |
здесь /у- ток на выходе усилителя. |
|
Л/„=/5, |
(4.3) |
где /- приведенный к выходному валу момент инерции подвижных частей РМ и рулевых органов;
5 - угловое ускорение выходного вала РМ. |
|
Л/д =Л:Д5, |
(4.4) |
где Кд - коэффициент демпфирования; |
|
8 - угловая скорость выходного вала РМ. |
|
МС=КШЬ, |
(4.5) |
где Кш- коэффициент статического или, как его обычно называют, шар нирного момента РМ, зависящего от угла поворота вала РМ (5) и от силы воздействия воздушной или газовой струи на рулевой орган.
Подставив зависимости (4.2)-(4.5) в (4.1), получим
|
|
|
К1у =1Ь+ КДЬ + КШ&. |
(4.6) |
|||
Из выражение (4.6) найдем передаточную функцию РМ: |
|||||||
|
|
IV |
(р)= |
U p ) |
= |
к |
(4.7) |
|
|
PMW |
, 2 |
„ |
i |
||
|
|
|
|
У |
Ip |
+ КдЬ +Кщ |
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
(г?)- |
2 |
2 |
|
(4.8) |
|
|
PMW |
|
’ |
|||
|
|
|
?РМ Р |
+ 27рм ^РМ Р +1 |
|||
„ |
К |
|
|
|
|
|
|
где Лрм =-р— ; |
Г т ~ ][к ш* |
* РМ~2т1/Кш ' |
|||||
|
л ш |
||||||
Рассмотрим следующие частные случаи:
1. Рулевые органы представляют собой газодинамические рули. В этом случае основной нагрузкой на РМ является статическая нагрузка,
обусловленная шарнирным моментом. Тогда можно записать, что
Мш» Ми, т.е. можно пренебречь инерционным моментом. При учете дан ного допущения передаточная функция рулевой машины запишется в виде
|
КрМ |
(4.9) |
|
r m (p )~ |
|
|
Трм Р+1' |
|
где |
Кп |
|
Тт = -р— ■ |
|
2. Рулевые органы представляют собой камеры маршевого либо руле
вого двигателя. В таком случае шарнирный момент мал и им можно пренебречь. Передаточная функция РМ запишется в виде
Wm(p) = |
РМ |
|
|
Р(-Т т Р + Ъ |
(4.10) |
||
|
|||
где |
|
|
|
Ярм |
Т т = Т , - |
|
|
Л д |
|
||
Если не учитывать инерционность РМ, то передаточная функция |
|||
примет вид |
|
|
|
Тш (р) = ^ |
|
||
|
|
(4.11) |
|
т.е. в этом случае рулевая машина представляет собой интегрирующие звено.
4.4. Передаточная функция рулевого привода
Представим структурную схему рулевого привода (рис. 4.5), исполь зуя зависимость для передаточной функции РМ вида (4.10). На рис. 4.5 обозначено: К\ - коэффициент передачи усилителя в прямой цепи; К2 -
коэффициент передачи усилителя в цепи обратной связи; KQQ - коэффи циент передачи цепи обратной связи.
Определим передаточную функцию РП:
йрм ( Р) = |
Р(Т?м Р + 1) |
* 1 * Р М |
1t К2К0СКШ |
2 |
Р(Т?мР + 1)
Рис. 4.5
Wn( р ) = — |
|
---------------- , |
( 4 . 1 3 ) |
Г ПУ |
+ 2 |
7 ^ + 1 |
|
к _ |
* 1 . |
|
|
&2к ОС |
|
( 4 . 1 4 ) |
|
г „ - 1 |
Г р м |
; |
( 4 . 1 5 ) |
i K m K2Koc |
|
||
р - |
1 |
|
( 4 . 1 6 ) |
2^1Т?МКРМК2КОС
Итак, рулевой привод представляет собой колебательное звено (при £п< 1). Как видно из уравнения (4.14), коэффициент передачи РП не за висит от коэффициента передачи рулевой машины.
Зависимость (4.15) показывает, что замыкание контура привода жест кой отрицательной обратной связью приводит к уменьшению инерци онности рулевого привода при выполнении условия
* 2 * О С * Р М > 1 . |
(4.17) |
Определим пределы изменения коэффициента усиления в цепи обрат ной связи К2. С помощью зависимости (4.17) можно найти нижний предел коэффициента К2. Верхний предел можно определить, задавшись значени ем коэффициента демпфирования
Sn^0,5. (4.18)
Учитывая (4.16), (4.17), (4.18), получим зависимость для выбора/^-
1 |
1 |
(4.19) |
<К 2 < |
|
ЯрМ^ОС^РМ ^ОС^РМ
В заключение можно отметить, что обратная связь в РП реализуется с помощью датчиков обратной связи потенциометрического либо индук ционного типа.
4.5.Влияние инерционности рулевого привода на динамику
системы угловой стабилизации
Влияние инерционности РП рассмотрим на примере аналогового кана ла рысканья СУС с учетом того, что передаточная функция корректиру ющего контура представлена зависимостью (3.24).
Структурная схема канала рысканья изображена на рис. 4.6. Проанализируем устойчивость СУС без учета и с учетом инерци
онности РП. Используем для решения данной задачи метод логарифми ческих частотных характеристик (ЛЧХ).
Рис. 4.6
Запишем передаточную функцию разомкнутой системы без учета инерциальносги рулевого привода W](p) и с учетом инерциальности Wz(pY
W\{p) = КгКкКпЬуЛ «Л^ + \ |
\— = Ко |
---------Т*1 P + 1 — . |
к2 p + l р |
+ ьw |
(Гк2 р+1){Т2рр2+1) |
Здесь |
|
|
TP = J j r - i К0 =К гКкКп.
А10\у\|/
Тк\ Р + 1
(Г к1 р + \)(Т2рр2-\)(т1р2 +2Тп^пр + \)
Построим ЛЧХ для данных двух случаев, считая ЛА статически неус тойчивым и учитывая, что Гр >ТК\> ? >ТП.
ЛЧХ приведены на рис. 4.7. Как видно из рисунка, инерционность РП ухудшает качество процесса регулирования СУС, так как уменьшаются за пасы по амплитуде и фазе.
АА\ > АА2, Аф1> Дф2-
В связи с вышеизложенным в системах стабилизации ЛА применяют ся рулевые приводы, обладающие малой инерционностью (Гп = = 0,02...0,05 с).
Глава 5
СТАБИЛИЗАЦИЯ УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ПРИ УЧЕТЕ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ КОРПУСА
5.1. Влияние упругих колебаний корпуса на угловое движение летательного аппарата
Решение данной задачи наиболее актуально для такого летательного аппарата, как баллистическая ракета. Современная баллистическая ракета представляет собой удлиненный цилиндр с тонкими стенками. Поэтому рассматривать ЛА как абсолютно жесткое тело можно только в первом приближении. В действительности корпус ЛА подвержен упругим дефор мациям. Ввиду незначительной вязкости материала корпуса потери энер гии при упругих деформациях невелики, и такие деформации имеют коле бательный характер. Форма упругой линии представляет собой сложную пространственную кривую. Обычно сложную форму раскладывают на сумму гармоник, которые называются тонами упругих колебаний (рис. 5.1). Упругие колебания корпуса оказывают влияние на полет ЛА главным образом потому, что данные колебания измеряются гироприбо ром, преобразуются в электрические сигналы, проходят через автомат ста билизация на рулевые приводы, которые воздействуют на рулевые орга ны ЛА.
I тон
Рис. 5.1
В ряде случаев это воздействие может обусловливать возбуждение упругих колебаний, что приводит к их неустойчивости. Следствием данно го процесса является потеря устойчивости всей системы угловой стабили зации, а также деформация и разрушение корпуса ракеты. Все это недо пустимо.
На динамику углового движения ракеты при учете упругих колебаний корпуса оказывает существенное влияние место установки гироприборов.
Рассмотрим качественную картину влияния упругих колебаний на уг ловое движение ракеты на примере первого тона упругих колебаний и при переднем и заднем расположении гироприбора (рис. 5.2).
х\п - программное положение продольной оси ЛА. Под воздействием внешних возмущений Л А отклонился на угол рысканья, и его продольная