Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Концепция построения систем автоматизации испытаний изделий авиационной и ракетной техники на ротационныхстендах .
1.1. Особенности процесса стендовых испытаний изделий авиационной и ракетной техники на воздействие перегрузок
1.2. Циклограммы перегрузок и критерии адекватности испытанийизделий на ротационных стендах
1.3. Аппроксимация и интерполяция циклограмм перегрузок
1.4. Функциональные структуры систем автоматизации ротационных стендов
1.5. Проектирование систем автоматизации испытаний на основесистемного подхода .
1.6. Выводы по главе 1 .
Глава 2. Основные задачи кинематики и предельные динамические возможности ротационных испытательных стендов .
2.1. Классификация ротационных стендов и методов испытанийизделий
2.2. Синтез кинематических структур ротационных стендов
2.3. Прямые задачи кинематики стендов о перегрузках испытуемых изделий
2.3.1. Метод решения прямых задач кинематики стендов .
2.3.2. Стенды с одной степенью подвижности механическойконструкции
2.3.3. Стенды с двумя степенями подвижности механическойконструкции
2.3.4. Стенды с тремя и более степенями подвижности механическойконструкции
2.4. Обратные задачи кинематики стендов о перегрузках изделий
2.5. Определяющие параметры и критерии подобия ротационныхиспытательных стендов
2.6. Предельные динамические возможности ротационныхиспытательных стендов
2.7. Оценка мощности электроприводов стендов по критериюперегрузочной способности
2.8. Выводы по главе 2 .
Глава 3. Математические модели ротационных испытательных стендов как объектов управления
3.1. Центробежные испытательные стенды
3.2. Стенды с поворотными испытательными платформами
3.3. Стенды с радиально перемещаемой испытательной платформой .
3.4. Стенды со сложным движением испытательной платформы
3.5. Ротационные стенды как нестационарные объекты управления
3.6. Динамическое уравновешивание механических подсистемстендов
3.7. Ротационные стенды с разворотом платформы под действиемнеуравновешенной массы
3.8. Выводы по главе 3
Глава 4. Синтез электромеханических систем управления ротационных испытательных стендов
4.1. Анализ состояния и общая постановка задачи синтеза электромеханических систем управления ротационных испытательных стендов
4.2. Функциональная схема стационарной ЭМСУ
4.3. Метод синтеза стационарных дискретно-непрерывных систем управления с апериодическими регуляторами состояния .
4.3.1. Синтез свободного управляемого движения
4.3.2. Синтез вынужденного управляемого движения
4.3.3. Специфика синтеза многомерных ЭМСУ ротационных испытательных стендов
4.4. Инженерная методика синтеза дискретно-непрерывных ЭМСУ .
4.5. Исследование стационарных ЭМСУ
4.5.1. Система регулирования скорости несущей конструкции стенда
4.5.2. Система регулирования положения испытательной платформы
4.6. Выводы по главе 4
Глава 5. Синтез адаптивных электромеханических систем управления ротационных испытательных стендов .
5.1 Характеристика нестабильных параметров и постановка задачисинтеза цифровых адаптивных ЭМСУ ротационных стендов
5.2. Функциональные схемы адаптивных ЭМСУ
5.3. Синтез эталонных моделей .
5.4. Синтез алгоритмов адаптации .
5.5. Анализ адаптивных ЭМСУ ротационных стендов
5.6. Выводы по главе 5
Глава 6. Экспериментальные исследования систем автоматизации испытаний изделий авиационной и ракетной техники на ротационных стендах .
6.1. Эволюция программно-аппаратурных средств САИ .
6.2. Экспериментальные исследования ЭМСУ ротационных стендов .
6.2.1. Этапы экспериментальных исследований и описание установки
6.2.2. Процедура и результаты экспериментальных исследований подсистем ЭМСУ ротационных стендов
6.3. Аппаратурный состав испытательного комплекса
6.3.1. Характеристики и технические требования к САИ
6.3.2. Структура и функции САИ
6.4. Структура программного обеспечения САИ
6.5. Выводы по главе 6
Заключение
Библиографический список .
- Циклограммы перегрузок и критерии адекватности испытанийизделий на ротационных стендах
- Прямые задачи кинематики стендов о перегрузках испытуемых изделий
- Стенды с радиально перемещаемой испытательной платформой
- Метод синтеза стационарных дискретно-непрерывных систем управления с апериодическими регуляторами состояния
Введение к работе
Актуальность темы. Для испытаний изделий авиационной и ракетной техники (А и РТ) в наземных условиях применяют различного рода испытательные комплексы, имитирующие реальные условия их эксплуатации. В числе факторов, оказывающих существенное влияние на качество и надежность функционирования изделий А и РТ, являются траекторные перегрузки, причем как длительно действующие на изделия в процессе полета (в течение нескольких секунд или десятков секунд), так и кратковременно – в течение долей секунды.
В последние два-три десятилетия в области испытаний изделий А и РТ вследствие экономических факторов сложилась устойчивая тенденция отказа от натурных (летных) испытаний и создание различного рода наземных испытательных комплексов, а доминирующим методом испытаний становится полунатурное моделирование (испытания с использованием моделей). Специфическим классом динамических испытаний изделий на моделирующих комплексах являются испытания на перегрузки. К числу изделий А и РТ, подверженных влиянию перегрузок, относятся газогенераторы ракетных систем, обнаружившие существенную зависимость внутрибаллистических характеристик твердотопливных составов при их горении от величины и направления воздействия вектора перегрузок, приборные устройства летательных аппаратов (ЛА), органы управления вектором тяги ЛА и др.
В качестве наземного инструментария для полунатурных испытаний изделий техники на воздействие перегрузок широкое применение нашли комплексы ротационных испытательных стендов (РИС), в основе которых лежит применение специализированных центрифуг. Спецификой РИС является неоднородность поля инерционных сил, в котором исследуются физико-механические, химические и иные свойства испытуемых изделий. При испытаниях крупногабаритных изделий А и РТ, таких как газогенераторы давления или расхода на твердом топливе, компоненты вектора перегрузок в разных точках изделий могут отличаться от имитируемых траекторных или условно-экстремальных перегрузок, причем при сгорании топлива перемещение поверхности горения образует семейство точек воспроизводимых перегрузок. Это потребовало существенного усложнения электромеханических систем управления (ЭМСУ) стендов и систем автоматизации испытаний (САИ), составляющих основу наземных испытательных комплексов. Наметившаяся в последние годы тенденция к комплексной автоматизации и интеграции САИ в единую АСУТП предприятия выдвигает проблему разработки методологии проектирования САИ в классе многоуровневых распределенных систем управления.
Формированию общей концепции развития и проектирования САИ изделий А и РТ посвящены работы Р. И. Адгамова, М. М. Берхеева, А. В. Чернышева, А. А. Шишкова и многих других. Развитию ротационных методов и средств испытаний изделий А и РТ посвящены работы А. Н. Евграфова, А. К. Каляева, Л. М. Самсонова и др. Проблемам теории проектирования сложных технических объектов и систем посвящены работы П. А. Арутюнова, В. Н. Нуждина, Ф. А. Уразбахтина, А. Х. Хайруллина и др. Проблемы синтеза оптимальных динамических систем управления рассмотрены в работах Р. Беллмана, В. А. Бесекерского, Р. Изермана, Б. Куо, Б. Н. Петрова и многих др. В развитие теории и практики построения сложных электромеханических, в том числе микропроцессорных систем управления, значительный вклад внесли А. В. Башарин, Ю. А. Борцов, А. Н. Ф. Ильинский, В. И. Ключев, Б. А. Петров и др.
Существенный вклад в развитие испытательной базы отрасли внесли научно-производственные коллективы Воткинского машиностроительного завода, ГРЦ-КБ им. академика В. П. Макеева, МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, МГТУ им. Н. Э. Баумана, НИИАС, НИИПМ, ОКБ “Темп” и др. Разработке вопросов методологии испытаний изделий А и РТ на воздействие перегрузок способствовали труды специалистов ИжГТУ, ЛПИ (С.-ПбГТУ), ПермГТУ, УАИ (УГАТУ) и др.
Вместе с тем, несмотря на значительный объем исследований в данных областях, САИ изделий А и РТ на ротационных стендах не являются совершенными в силу ряда факторов, к основным из которых относятся: применение жестких архитектур САИ, решающих частные задачи технологического уровня, и разнотипность программно-аппаратурного обеспечения подсистем САИ, исключающих или затрудняющих решение задач комплексной автоматизации испытаний и интеграции САИ в единую АСУТП предприятия; низкая степень автоматизации стадии подготовки испытаний, связанная с отсутствием или неразвитостью методологии решения задач кинематики и динамики стендов, отсутствием баз данных, математических моделей, моделирующих алгоритмов и программ, позволяющих автоматизировать технологический процесс настройки САИ на программу испытаний изделий и повысить производительность испытаний; низкие статические и динамические характеристики применяемых на практике аналоговых ЭМСУ РИС, затрудняющих программную настройку системы на объект испытаний, в том числе в условиях его нестационарности, и решение основной задачи САИ - моделирование в наземных условиях циклограмм вектора траекторных перегрузок изделия А и РТ с заданной динамический точностью.
Требования гибкости в решении задач подготовки и проведения испытаний изделий А и РТ на ротационных стендах и интеграции САИ в единую АСУТП предприятия предполагают применение распределенных многоуровневых информационно-управляющих систем и наличие развитых программно-аппаратурных средств, баз данных, позволяющих при сетевой поддержке осуществлять настройку САИ на объект и программы испытаний. Общетеоретические и методологические принципы проектирования таких САИ с учетом специфики испытаний изделий А и РТ на ротационных стендах не нашли должного отражения в научно-технической литературе.
Основными направлениями совершенствования САИ рассматриваемого класса следует считать развитие математических моделей технологического процесса испытаний, разработку компьютерных методов синтеза оптимального управления стендами и создание программно-аппаратурных средств САИ на основе современных средств управления. Единой методологической основой эффективного решения этих задач может служить векторно-матричный аппарат исследования объектов и систем с применением ЭВМ. Этим вопросам в настоящее время уделено крайне малое внимание, а отсутствие разработок методов синтеза высокодинамичных ЭМСУ РИС, удовлетворяющих специфике испытаний, требует разработки теоретических основ синтеза таких систем.
В целом анализ состояния испытательной базы отрасли показывает, что потребности интенсивного развития А и РТ в последние годы, наращивания ее тактико-технических и боевых показателей, с одной стороны, и заметное отставание испытательной базы - с другой, выдвигают одной из важных научно-технических проблем - проблему совершенствования САИ изделий на ротационных стендах, позволяющих сократить время на подготовку и проведение испытаний, обеспечить критерии адекватности наземных испытаний летным режимам функционирования изделий и, соответственно, сократить затраты на проектирование и ввод изделий в эксплуатацию.
Работы по теме диссертации выполнялись: в соответствии с НТП Минобразования РФ “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники”, подпрограммы 205 “Транспорт (ракетная техника)”; ОКР “Зарядье 2-58” (раздел 04) Министерства обороны РФ; в рамках госбюджетного финансирования (комплексной НТП “Университеты России”, грантов Минобразования, НИР по единым заказ-нарядам); в рамках нескольких НИОКР ПермГТУ и ОКБ “Темп” с НИИАС, НПО “Прибор” (г. Москва), НИИПМ (г. Пермь) в период 1978-2001г.г., а также в порядке личной инициативы.
Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы – разработки теоретических и методологических основ автоматизации испытаний изделий авиационной и ракетной техники на ротационных стендах в условиях воздействия программно изменяемых перегрузок, обеспечивающих эффективное решение задач проведения наземных испытаний.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- на основе системного подхода к задаче автоматизации испытаний разработать концептуальные основы построения САИ изделий А и РТ на ротационных стендах, обеспечивающих повышение производительности и качества испытаний, гибкость в решении задач подготовки и проведения испытаний, структурные условия комплексной автоматизации испытаний;
- на основе систематизации методов и средств испытаний изделий А и РТ на воздействие непериодических ортогональных перегрузок предложить решения основных задач кинематики стендов с несколькими степенями подвижности механических систем о перегрузках испытуемых изделий, а также разработать критерии функционального подобия стендов;
- разработать математические модели семейства ротационных стендов для испытания изделий А и РТ на воздействие непериодических ортогональных перегрузок как объектов автоматического управления, в том числе стендов, служащих для испытаний изделий с изменяющейся во времени массой;
- разработать теоретические основы структурно-параметрического синтеза дискретно-непрерывных ЭМСУ ротационных стендов, обеспечивающих минимум динамической погрешности отработки аддитивных задающих и возмущающих воздействий;
- разработать принципы построения дискретно-непрерывных ЭМСУ ротационных стендов, адаптивных к нестабильности параметров объектов управления;
- разработать программно-аппаратурное обеспечение и провести экспериментальные исследования основных подсистем САИ и применить их в практике стендовых испытаний.
Методы исследований. Поставленные в работе задачи решены с использованием положений теории автоматического управления, теоретической механики, теории подобия, теории графов, теории автоматизированного электропривода, методов планирования эксперимента и математического моделирования. Основные положения диссертационной работы подтверждены результатами имитационного моделирования и экспериментальными данными. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях подсистем управления ротационных стендов и на промышленных установках.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Впервые предложена концепция построения иерархической САИ изделий А и РТ на ротационных стендах, позволяющей существенно повысить производительность испытаний, а также создать необходимые структурные условия для решения задачи комплексной автоматизации испытаний и создания единой АСУТП предприятия.
2. На основе анализа особенностей стендовых испытаний изделий А и РТ на ротационных стендах, систематизации методов и технических средств воспроизведения непериодических ортогональных перегрузок в наземных условиях впервые определены основные структурообразующие признаки кинематики стендов и синтезирован граф кинематических структур стендов, обеспечивающих полунатурное моделирование линейных и импульсных перегрузок изделий А и РТ.
3. Предложены аналитическое решение прямой задачи и алгоритмическое решение обратной задачи кинематики стендов о перегрузках испытуемых изделий, основанные на декомпозиции процедуры имитационного моделирования траекторных перегрузок на две основные процедуры: квазистатическую, решаемую на постоянном шаге интерполяции циклограмм перегрузок, и динамическую, решаемую в течение всего времени отработки программ испытаний;
4. Впервые на основе анализа определяющих параметров, характеризующих разнородные компоненты САИ изделий на ротационных стендах, разработаны критерии функционального подобия стендов для испытаний изделий А и РТ на воздействие осевых перегрузок;
5. Разработаны математические модели (с различной степенью детализации) семейства ротационных испытательных стендов с несколькими степенями подвижности механических конструкций как стационарных и нестационарных нелинейных объектов управления. При математическом описании стендов для испытаний газогенераторов ракетных систем предложено применение принципа “затвердевания” механических систем с изменяющейся массой звеньев.
6. Предложена оригинальная аналитическая процедура синтеза дискретно-непрерывных систем управления линейными объектами произвольного порядка, обеспечивающих апериодический характер переходных процессов. В концепции детерминированных цифровых систем управления предложенный метод синтеза обеспечивает предельные быстродействие и динамическую точность отработки векторов аддитивных задающих и возмущающих воздействий.
7. Обоснована структура адаптивной ЭМСУ РИС и предложен метод синтеза механизма цифровой сигнальной адаптации к вариациям нестабильных параметров ротационного стенда.
Разработаны оригинальные технические решения подсистем САИ изделий, направленные на достижение указанной выше цели диссертационной работы. Новизна основных технических решений (способов и устройств) подтверждена восемнадцатью изобретениями.
Практическая значимость работы.
На основе предложенных в работе теоретических подходов разработаны и внедрены в производство:
- проектно-конструкторская и рабочая документация на САИ изделий ракетных систем на ротационных стендах;
- программно-аппаратурное обеспечение САИ изделий на базе IBM-совместимых компьютеров и встраиваемых плат сбора и обработки данных;
- инженерные методики синтеза и анализа основных подсистем САИ, реализованные в виде пакетов прикладных программ;
- методические рекомендации по проведению метрологической аттестации САИ и программа тестирования САИ.
Использование результатов работы при создании САИ изделий на ротационных стендах позволит существенно повысить производительность процесса испытаний изделий А и РТ и динамическую точность имитации вектора траекторных перегрузок изделий в наземных условиях, что, в конечном счете, позволит обеспечить достоверность оценки показателей качества функционирования изделий в условиях реального полета и создать корректную базу данных для организаций-разработчиков испытуемых изделий.
На защиту выносятся:
- концепция (структурные и методологические основы) построения иерархической САИ изделий А и РТ на ротационных стендах, обеспечивающей повышение производительности и качества испытаний, а также создающей необходимые структурные условия для решения системных задач автоматизации испытаний, комплексной автоматизации испытаний и создания единой АСУТП предприятия;
- структурообразующие признаки кинематики ротационных стендов для испытаний изделий А и РТ на воздействие ортогональных непериодических линейных и импульсных перегрузок и методы решения прямых и обратных задач кинематики стендов, принадлежащих множеству структурно-допустимых, о перегрузках в базовой точке испытуемого изделия;
- математические модели семейства ротационных испытательных стендов с несколькими степенями подвижности механических конструкций, предназначенных для воспроизведения линейных и импульсных перегрузок изделий А и РТ в наземных условиях, как стационарных и нестационарных нелинейных многомерных объектов управления;
- метод и инженерная методика синтеза дискретно-непрерывных систем управления линейными объектами произвольного порядка с апериодическими регуляторами состояния, обеспечивающих предельное быстродействие и точность (в концепции детерминированных систем) отработки аддитивных задающих и возмущающих воздействий;
- метод синтеза цифровых адаптивных ЭМСУ ротационных стендов с сигнальной самонастройкой;
- комплекс алгоритмов и программ синтеза и анализа ЭМСУ, программно-технических модулей САИ изделий.
Внедрение результатов работы.
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы и методики синтеза и расчета подсистем САИ изделий на воздействие перегрузок использовались при проектировании и создании нескольких испытательных комплексов в НИИПМ (г. Пермь), ОКБ “Темп” (г. Пермь), НПО “Прибор” (г. Москва).
Методы и методики синтеза дискретно-непрерывных систем управления нашли отражение в лекционных курсах “Системы автоматизации и управления”, “Системы управления электроприводами”, “Проектирование САУ”, читаемых автором студентам специальности “Автоматизация технологических процессов и производств” Пермского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались за последние годы на Всероссийской НТК РЭС А. С. Попова (Пермь, 1994), научно-практической конференции “Состояние и перспективы эффективного использования энергии в Пермской области” (Пермь, 1995), Всероссийской НТК “Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала” (Пермь, 1997), научном семинаре УНК “Аппаратостроение” по проблемам наземных испытаний газоструйных импульсных систем (Ижевск, 1999), научно-технической конференции ПермГТУ по системным исследованиям и моделированию в науке, технике и образованию (Пермь, 2000), Всероссийской НТК “Авиационно-космическая техника-2000” (Пермь, 2000), Всероссийской НТК “Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок” (Уфа, 2000).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 43 научных работах, в том числе 18 авторских свидетельствах на изобретения, и монографии. По результатам исследований за период 1978-2001 г. г. зарегистрировано 9 отчетов о НИР, за период 1994-2000 г. г. получено 3 гранта Минобразования РФ (МГТУ им. Н. Э. Баумана; МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского по направлению “Проблемы управления и контроля технологических процессов изготовления деталей и изделий авиакосмической техники” (головная организация УГАТУ), С-Пб. Лесотехнической академии).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 232 наименования, и приложения. Основная часть работы содержит 318 страниц, включающих 7 таблиц и 72 рисунка. Приложения содержат материалы справочного и иллюстративного характера, описания программ и акты внедрения.
Циклограммы перегрузок и критерии адекватности испытанийизделий на ротационных стендах
Стендовые испытания изделий А и РТ на воздействие перегрузок отно-сятся к оценочным или испытаниям в имитируемых внешних условиях (нор-мальным) и в зависимости от типа изделия, стадии его разработки и изготов-ления могут преследовать различные цели.
На стадии разработки и изготовления опытных образцов изделий А и РТ (НИОКР) проводят комплекс исследовательских, контрольных, сравни-тельных и определительных испытаний с целью оценки качества функциони-рования изделия в определенных условиях его применения, в частности – в условиях имитации траекторных или условно-экстремальных перегрузок. По результатам анализа контролируемых параметров изделия решается вопрос о необходимости внесения изменений в конструкцию изделия с целью дости-жения заданных значений показателей качества и проведения доводочных испытаний. При обеспечении условий испытаний, установленных для данно-го изделия нормативно-технической документацией (НТД), и проведении контрольных испытаний опытных образцов (партий) изделий решается во-прос о целесообразности постановки испытуемых изделий на производство.
При стендовых испытаниях готовой продукции (серийных изделий А и РТ) на воздействие перегрузок ставятся следующие цели: - оценки готовности предприятия-изготовителя к выпуску изделий в за-данном объеме (квалификационные испытания); - оценки стабильности параметров, указанных в НТД на изделие (пе-риодические, инспекционные испытания) и решения вопроса о возможности пуска изделия в эксплуатацию; - предъявление партии изделий для ее приемки представителем заказ-чика (предъявительские, приемо-сдаточные испытания); - оценки эффективности и целесообразности внесения изменений в кон-струкцию изделия, рецептуру топливного состава, алгоритмов управления вектором тяги при испытаниях твердотопливных регулируемых энергетиче-ских установок, технологию изготовления (типовые испытания изделий) в связи, например, с изменением программы испытаний.
Наземная отработка двигательных установок ЛА организуется по по-следовательно-параллельному принципу [10], согласно которому одновре-менно могут проводиться испытания на различных этапах разработки и изго-товления изделий. При этом автономная отработка элементов и узлов (в том числе их испытания на воздействие перегрузок) позволяет установить до 20% определяющих факторов и условий проведения агрегатных испытаний, агре-гатные испытания – до 50% факторов и условий проведения огневых стендо-вых испытаний без имитации высотных условий. Существенная зависимость внутрибаллистических характеристик ряда топливных составов РДТТ при их горении от величины и направления воздействия вектора перегрузок [1] при-вела к необходимости проведения огневых испытаний не только на стацио-нарных стендах, но и на динамических ротационных стендах. Высотные ис-пытания реактивных двигателей с применением ротационных стендов, как правило, не проводятся, являются завершающим этапом наземной отработки изделий А и РТ и преследуют цель определения состояния и работоспособно-сти двигателей верхних ступеней ракет в условиях разряженного давления окружающей среды [10].
В зависимости от типа изделия А и РТ при испытаниях на воздействие перегрузок могут контролироваться различные параметры, число которых может достигать нескольких десятков. Например, при испытаниях и калиб-ровке акселерометров контролируют, как правило, только величину и направ-ление воздействия вектора перегрузок в одной точке [24]. При испытаниях приборных устройств ЛА могут контролироваться одновременно два вектора перегрузок, имитируемых в центре масс ЛА и в базовой точке приборного устройства [33]. При испытаниях приводов механизмов управления вектором тяги контролируют температуру и давление газов в камере сгорания топлив-ного состава и на выходе из сопла, расход топлива, нормальное напряжение в различных элементах конструкции, углы поворота рулевых машинок и др. [3, 5]. При испытаниях твердотопливных регулируемых энергетических устано-вок (ТТРЭУ) помимо перечисленных выше параметров могут контролиро-ваться температура в различных точках корпуса, давление в газоводах, би-нарное состояние клапанов, состояние автономных источников энергоснаб-жения и рулевых приводов, величина и направление перегрузки в геометри-ческом центре поверхности горения топливного состава и на срезе сопла и др. При этом ничтожно малые габариты и небольшое число контролируемых параметров испытуемого изделия далеко не всегда свидетельствует о просто-те программно-аппаратной реализации испытательного комплекса. В частно-сти, испытание на перегрузку и тарировка прецизионных акселерометров предполагает создание высокоточных и весьма дорогостоящих электромеха-нических систем управления (ЭМСУ), учитывающих влияние на испытуемое изделие временного и температурного дрейфа параметров ЭМСУ, многоком-понентного вектора аддитивных и мультипликативных возмущений внешней среды, включающего активные и реактивные моменты сопротивления вра-щению несущей конструкции стенда, микроперегрузки, вызванные вращени-ем земли и т.
Прямые задачи кинематики стендов о перегрузках испытуемых изделий
Классификация ротационных стендов для испытаний изделий техники на воздействие перегрузок по четырем основным группам функционально-структурных признаков (без учета массогабаритных параметров, величины развиваемых перегрузок и размещения приводов) приведена на рис 2.1. По-лужирными линиями обведены классификационные признаки, непосредст-венно относящиеся к стендам для испытаний изделий А и РТ. Метод испытаний изделий согласно ГОСТ 16504-81 [14] характеризу-ется правилами применения определенных принципов и средств испытаний. В рассматриваемом случае средство испытаний – ротационный испытатель-ный стенд (испытательное оборудование всего комплекса), имеющий некото-рый набор функционально-структурных и иных компонентов, перечисленных выше. Принципы испытаний изделий определяются как типом испытуемого изделия, так и условиями его реальной эксплуатации. На траектории полета любое изделие ЛА подвергается комплексному воздействию различных по своему спектральному составу перегрузок, возникающих как от изменения тяги маршевых двигателей и двигателей систем управления, так и параметров внешней и внутренней среды. При этом на изделия А и РТ действуют осевые (линейные) перегрузки и перегрузок от изменения движения ЛА по углам тангажа, рыскания и крена, а также вибрационные перегрузки. В связи с этим в [33] предложено выделять два основных метода вос-произведения перегрузок испытуемого изделия на ротационных стендах: - воспроизведение ортогональных непериодических перегрузок; - воспроизведение сложных периодических перегрузок.
Все ротационные стенды независимо от сочетания их признаков со-гласно приведенной выше классификации объединяет одно обстоятельство - первая кинематическая пара стендов является вращательной, что и обеспечи-вает ротацию (вращение) испытуемого изделия и создание доминирующей компоненты вектора перегрузок, а именно центробежных перегрузок.
Потребность в дополнительных степенях подвижности стенда и тип дополнительных кинематических пар будет определяться, прежде всего, тре-буемым законом изменения вектора перегрузок в базовой точке изделия (кри-терием адекватности испытаний). Синтез структуры и параметров ротацион-ного стенда с несколькими степенями подвижности механической конструк-ции, обеспечивающего отсутствие методической погрешности воспроизведе-ния заданной циклограммы вектора перегрузок в базовой точке – одна из труднейших проблем при выборе метода испытаний. В любом случае, создание сил инерции в испытуемом изделии за счет ротации несущей конструкции стенда определяет принадлежность метода испытаний к классу ротационных методов испытаний изделий на воздействие перегрузок, а испытательного стенда – к классу ротационных стендов.
Одна из основных задач структурного синтеза РИС – обоснование выбора кинематической структуры (компоновки) стенда из большого много-образия структур кинематических цепей. Задача выбора оптимальной в неко-тором смысле структуры стенда, вообще говоря, должна решаться одновре-менно с задачей определения оптимальных параметров кинематической схе-мы (постоянных геометрических параметров кинематической цепи) и опреде-ления динамической схемы механизма (выбора масс и моментов инерции звеньев, расположения приводов, механизмов динамической развязки движе-ний и др.), т. е. нельзя отрывать задачу структурного синтеза от задач кине-матического и динамического синтеза стенда. Вместе с тем, большое число возможных кинематических структур и постоянных параметров ротационных стендов с несколькими возможными степенями подвижности испытательной платформы с изделием, множество критериев (целевых функций) проектиро-вания и их противоречивый вклад в обеспечение векторного критерия адек-ватности испытаний изделий не позволяют в общем виде решить задачу структурно-параметрического синтеза стендов. В связи с этим, целесообразно на первом этапе структурного синтеза РИС решить задачу не выбора кон-кретной структуры стенда, а на основе принятых критериев определить неко-торое множество допустимых (разрешенных к использованию на дальнейших этапах синтеза) кинематических структур. Такой подход к задаче структурного синтеза стенда позволит в поисках оптимального варианта на любом из последующих этапов синтеза возвра-щаться к первоначальному этапу и осуществлять целенаправленный перебор допустимых кинематических структур стендов с учетом требований более поздних этапов синтеза.
Ротационный стенд как средство формирования линейных и импульс-ных перегрузок является сложным пространственным механизмом и содер-жит, в общем случае, несущую конструкцию (НК) и испытательную плат-форму (ИП) с изделием, перемещаемую радиально по оси вращения несущей конструкции и вращаемую в трех ортогональных плоскостях. Для символь-ного представления кинематических структур такого рода механизмов при-меняют символьных обозначений кинематических пар (КП) и совокупности постоянных параметров: линейных расстояний между осями КП, углов скре-щивания осей КП, смещений центров КП вдоль их осей [68-70, 143-146]. Ме-жду тем, специфика ротационных методов и средств испытаний изделий по-зволяет существенно упростить символьные записи возможных кинематиче-ских структур стендов и, соответственно, их синтез за счет некоторого ус-ложнения символьных обозначений КП, наделяя их атрибутом обозначения оси вращения или линейного перемещения.
Стенды с радиально перемещаемой испытательной платформой
Применим рассмотренную методику в задачах математического описания стендов с несколькими степенями подвижности механических конструкций. Рассмотрим кинематическую схему ротационного стенда с тремя степенями подвижности, имеющего структуру . Испытуемое изделие совершает радиальное перемещение и вращение изделия вокруг оси X2 испытательной платформы. Расчетная кинематическая схема стенда приведена на рис 3.8. В число обобщенных координат стенда включим угол j1 поворота НК, угол j2 поворота вала винта радиальной передачи “винт-гайка” и угол a2 поворота ИП вокруг оси X2, т. е. . Будем полагать, что масса радиально перемещаемой каретки равна m2 и сосредоточена в точке С2, эквивалентная масса ИП с изделием – m3 и сосредоточена в точке С3, центр масс ИП с изделием смещен от полюса вращения ИП на расстоянии r вдоль оси . Кинетическую энергию стенда в соответствии с (3.57) представим в виде
Как следует из (3.70), рассматриваемый РИС является нелинейным объектом третьего порядка с перекрестными связями по координатам состоя-ния объекта – обобщенным силам, координатам и скоростям механических подсистем стенда.
Очевидно, что при условии уравновешивания испытательной платфор-мы с изделием (r=0) математическая модель стенда и задача синтеза управ-ления им упростятся. В этом случае стенд описывается системой уравнений
Еще один практически важный вывод, следующий из анализа уравне-ний (3.70) и уравнений (2.34) для вектора перегрузок в базовой точке изде-лия, заключается в том, что направление воздействия вектора перегрузок в квазиустановившемся режиме ( ) всегда совпадает с осью h изде-лия и не зависит от массы поворотной платформы с изделием, что связано с учетом влияния единичной перегрузки, обусловленной притяжением земли. Данное обстоятельство позволяет исключить методическую погрешность формирования одно- или двухосевых перегрузок изделия, связанную с дейст-вием на изделие ускорения силы тяжести, а также упростить управление стендом при изменении массы испытуемого изделия. Рассмотрим применение изложенной методики к составлению матема-тической модели еще одного стенда, обладающего структурой . Будем полагать, что центр масс ИП (m2) сосредоточен в точке С2, т. е. в полюсе O2 ее вращения, отстоящем от оси вращения НК на расстоянии R, а центр масс изделия (m3) – в точке C3, в общем случае смещенной вдоль оси на расстояние r от точки O2. Вектор обобщенных координат стенда пред-ставим в виде .
В общем случае, математическая модель любого стенда с тремя степенями подвижности механической конструкции с вектором обобщенных координат с учетом представления кинетической энергии в виде (3.57) и преобразования (3.59) может быть представлена в виде:
Заметим, что применение предложенного подхода позволяет в наглядной форме получить динамические модели РИС или иных сложных пространственных механизмов произвольного порядка в аналитической форме. Для решения полученных уравнений целесообразно применение широко распространенных математических систем, включающих пакеты векторно-матричных преобразований (Maple V R3/R4/R5, Mathematica 2/3, Matlab 4.0/5.2/6.0 и др.) [172-176]. Это позволит существенно упростить расчет в численном виде моментов (коэффициентов) инерции механической системы, частных производных моментов инерции по обобщенным координатам, выполнить численное интегрирование систем линейных и нелинейных дифференциальных уравнений, наглядно представить результаты вычислений в виде таблиц и графиков и, как следствие, решить целый перечень проблем математического моделирования ЭМСУ стендов. Кроме того, пакеты символьной математики этих математических систем позволяют преобразовать векторно-матричное описание (3.59) динамической системы и получить ее модель в аналитической форме в явном виде.
Таким образом, в общем случае, РИС являются нелинейными объектами с перекрестными связями по обобщенным координатам и скоростям стенда, что предполагает для каждой кинематической структуры РИС необходимость оценки степени взаимного влияния (связности) механических подсистем, условий и возможностей кинематической развязки движений, автономизации и линеаризации модели с целью обеспечения ее пригодности для дальнейших процедур синтеза и анализа ЭМСУ стенда.
Испытание ряда изделий авиационной и ракетной техники сопровождается изменением массы изделий в процессе их испытаний. К таким изделиям, в частности, относятся газогенераторы – реактивные двигатели на твердом топливе или их физические аналоги (макеты). Изменение массы испытываемых изделий во времени приводит к соответствующему изменению приведенных моментов инерции электромеханических подсистем стендов, причем моменты инерции отдельных подсистем стендов могут изменяться в процессе испытаний в несколько раз. Поскольку на одном и том же стенде могут испытываться изделия разного функционального назначения и, соответственно габаритов и массы, то изменение приведенных к валам электродвигателей моментов инерции электромеханических подсистем может происходить также и при смене объекта испытания. В этом случае РИС как объект управления становится нестационарным на определенном временном интервале и может потребовать адаптации системы управления к временному дрейфу изменяющихся параметров.
Поскольку при испытаниях такого рода изделий происходит физиче-ское убывание их массы, при составлении математических моделей РИС не-обходимо использовать положения теории механики переменных масс. При-менение уравнений Лагранжа 2-го рода в этом случае приводит к громоздким выражениям для кинетической энергии стендов вследствие необходимости взятия полных производных по времени от моментов инерции подсистем.
Существенно упростить задачу математического описания нестацио-нарных РИС можно на основе применения принципа “затвердевания” систем с переменной массой [171]. Данный подход позволяет применять при мате-матическом описании ротационных стендов весь арсенал методов исследова-ния механических систем с постоянной массой. В связи с тем, что матема-тические модели стендов получены на основе решения уравнений Лагранжа 2-го рода, представляется целесообразным при описании нестационарных РИС использовать эти модели в сочетании с принципом “затвердевания” ме-ханических систем.
Метод синтеза стационарных дискретно-непрерывных систем управления с апериодическими регуляторами состояния
Поскольку объект управления в этом случае представлен линейным звеном 3-го порядка, переходные процессы в САР заканчиваются за 3 интер-вала дискретного управления при вхождении системы в зону малых отклоне-ний координат, т. е. оптимально по критерию быстродействия. Переходные процессы построены на основе применения метода переходных состояний для относительных значений координат состояния. В качестве базовых зна-чений координат приняты экстремальные в переходных процессах значения координат электропривода. Реализация оптимального управления таким объ-ектом требует оценки производной тока якоря (применения наблюдающего устройства или устройства оценивания среднего значения тока якоря за ин-тервал проводимости вентилей силового преобразователя), а, следовательно, существенного усложнения устройства управления. Управление по редуци-рованному вектору состояния (без контроля производной тока якоря) ведет к колебательности и затягиванию переходного процесса (рис. 4.13). Анализируя процессы отработки системой типовых аддитивных воз-действий (см. рис. 4.6 - 4.13) можно сделать следующие выводы:
- в режиме “малых” отклонений координат электропривода САР ско-рости является оптимальной по критерию (4.3), отрабатывая аддитивные воз-действия за n интервалов дискретного управления без перерегулирования вы-ходной координаты при произвольном начальном состоянии системы;
- в режиме “больших” отклонений координат электропривода, сопро-вождающемся насыщением координат состояния и управления ЭМСУ на до-пустимых уровнях, отработка аддитивных воздействий осуществляется также за n интервалов дискретного управления без перерегулирования выходной координаты при вхождения в зону “малых” отклонений координат;
- САР скорости является астатической 1-го порядка по отношению к задающим воздействиям, отрабатывая линейное задание с теоретически ну-левой установившейся динамической ошибкой за n тактов управления, а так-же астатической нулевого порядка по отношению к возмущающим воздейст-виям, что достигается при контроле величины статической нагрузки на валу электропривода или оценке производной скорости электропривода;
- управление по редуцированному вектору состояния ЭМСУ без кон-троля нагрузки на валу электропривода ведет к перерегулированию выходной координаты и затягиванию времени переходного процесса.
Структурные схемы подсистемы регулирования положения ИП приве-дены на рис. 4.4а - 4.4д. Воспользуемся изложенной выше процедурой синте-за цифровых апериодических регуляторов состояния применительно к объек-ту управления, представленному структурной схемой 4.4г. Зададимся пара-метрами электропривода ИП ротационного стенда типа ЦИС-100/120 [42]:
В соответствие со структурной схемой 4.4г запишем матрицы состоя-ния, управления и возмущения: Зададимся временем переходного процесса . Тогда величина такта управления в соответствии с (4.23) будет равна 0,0266 с.
В результате применения процедуры синтеза и разработанного пакета прикладных программ (см. приложение) оптимальное управление объектом сформировано в виде линейной формы На рис. 4.14 – 4.16 приведены кривые переходных процессов в синте-зированных САР положения ИП стенда, анализ которых позволяет сделать вывод, что динамика ЭМСУ отвечает заданному критерию качества (4.3).
На рис. 4.17 приведена реакция системы на задающее воздействие, формируемое задатчиком интенсивности первого рода. Анализируя процесс отработки системой линейно-задающего воздействия можно сделать сле-дующие выводы: - САР положения ИП является астатической 1-го порядка, отрабаты-вая линейное задание с теоретически нулевой установившейся динамической ошибкой за n тактов управления; - процесс вхождения в зону установившихся значений координат при достижении заданного положения ИП сопровождается перерегулированием положения и увеличением времени регулирования на величину nT.
На рис. 4.18 – 4.20 приведены реакции САР положения ИП на кусочно-линейное изменение задающего воздействия с его форсировкой до уровня заданного установившегося значения, вводимой соответственно за 1, 2 и 3 такта цифрового управления до момента времени , соответствующему за-данному установившемуся состоянию или изменению производной задающе-го воздействия. Данный подход позволяет в полной мере реализовать пре-имущества цифровых методов управления, исключив недостатки традицион-ных подходов. Действительно, выходная координата ЭМСУ (положение ИП) достигает установившегося значения без перерегулирования.
Для выбора конкретного алгоритма управления, определяющего мо-мент времени форсирования задающего воздействия, необходимо задать ка-кой-либо дополнительный критерий качества управления, в частности:
1. монотонность выходной координаты ЭМСУ вблизи установившегося значения, т. е. только возрастание или только убывание координаты положе-ния ИП на интервале ; кривые переходных процессов в ЭМ-СУ, отвечающие данному условию, приведены на рис. 4.18; 2. минимум интегральной ошибки регулирования положения, т. е. ; реализация этого критерия показана на рис. 4.19;
3. минимум отклонения времени регулирования от заданного (за-датчиком интенсивности) значения, т. е. ; переходные процес-сы, отвечающие этому условию, приведены на рис. 4.20.
Заметим, что реализация первого критерия требует наименьшей энер-гии управления, однако приводит к затягиванию переходных процессов, реа-лизация третьего критерия дает противоположный эффект. Поскольку дис-кретный характер управления, в общем случае (при произвольном законе и, соответственно, времени изменения задающего воздействия), не позволяет обеспечить условие терминального управления в виде , то применение второго дополнительного критерия качества управления стано-вится предпочтительным. Алгоритм прогнозирования моментов времени из-менения задающих воздействий ЭМСУ представлен на рис. 4.21.
На рис. 4.22 приведены переходные процессы в двухмассовой упругой САР положения ИП, структурная схема которой приведена на рис. 4.4д, (коэффициент жесткости принят равным 10 , период управления Т = 0,02 с). САР положения ИП (выходная координата Y1) отрабатыва-ет ступенчатое задающее воздействие за 5 интервалов дискретного управле-ния (Y6) без перерегулирования, что соответствует требуемому критерию (4.3) качества.
Анализируя динамические процессы в синтезированных дискретно-непрерывных ЭМСУ РИС, можно сделать вывод о соответствии качества управления поставленной цели (предельное быстродействие при отсутствии перерегулирования выходной координаты) при изменении вектора задающих и возмущающих воздействий как в режиме “малых”, так и режиме “боль-ших” изменений координат состояния. Для оптимизации динамики ЭМСУ при изменении программно-задающих воздействий, аппроксимируемых, в частности, кусочно-линейной функцией времени, целесообразно применение логического фильтра на входе ЭМСУ, реализующего предложенный выше алгоритм программно-временной коррекции вектора задающих воздействий.
