Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ автономных бортовых энергетических систем и синтез структуры обобщенной модели автономного источника энергопитания 32
1.1. Обзорный функционально-структурный анализ и классификация накопительных энергетических систем применительно к задачам управления 32
1.1.1. Функциональный анализ накопительных элементов 37
1.1.2. Характеристики накопителей энергии 50
1.2. Анализ схем, синтез структур и характеристик бортовых источников энергопитания систем управления движением автономных объектов 57
1.2.1. Анализ структур приводных систем с бортовыми источниками энергопитания 60
1.2.2. Структура и характеристики бортовых химических источников тока 65
1.2.3. Структура и характеристики бортовых емкостных источников энергопитания 74
1.2.4. Структура и характеристики бортовых пневматических источников энергопитания 79
1.2.5. Обобщенная модель и характеристики автономного бортового источника энергопитания 80
1.2.6. Метод энергетического анализа автономной приводной системы с источником ограниченного энергозапаса 91
Выводы к главе 1 94
2. Исследование влияния элементов и схем накопительных устройств на свойства и характеристики систем энергопитания автономных приводных систем управления 97
2.1. Разработка методов исследования влияния элементов силового канала на энергетическую эффективность автономных приводных систем управления 97
2.2. Анализ процессов и синтез параметров широтно-импульсного и частотно-импульсного методов заряда суперконденсатора 114
2.3. Исследование процессов в электроприводной системе управления при энергопитании от химического источника
тока 148
2.4. Исследование процессов в электроприводной системе управления при энергопитании от объединенного источника энергопитания 158
2.5. Сравнительный анализ динамических и массогабаритных показателей автономных электроприводных систем управления с различными источниками энергопитания 167
В ыво ды к гл аве 2 г. 184
3. Разработка методов и исследование средств снижения энергетических затрат в автономных приводных системах 187
3.1. Анализ технических требований к автономным приводным системам управления мобильными объектами 188
3.2. Исследование и разработка алгоритмов управления следящим приводом, минимизирующих энергозатраты 195
3.2.1. Оптимальное по быстродействию управление 195
3.2.2. Квазиоптимальное управление 201
3.3. Исследование влияния степени «жесткости» механических характеристик исполнительных механизмов на энергетическую эффективность систем управления с автономными источниками энергопитания 212
3.4. Разработка математических моделей и исследование структур энергоэффективных следящих приводных систем движущихся автономных объектов 218
3.4.1. Функциональные схемы и математические модели приводов с волновым пневмодвигателем 218
3.4.2. Выбор устройства управления волновым пневмодвигателем...244
3.4.3. Разработка силовых приводов с волновым пневмодвигателем для решения задач управления полетом планирующих парашютов...258
Выводы к главе 3 268
4. Разработка методических основ проектирования автономных приводных систем управления с высокой энергоэффективностью 270
4.1. Общие положения 270
4.2. Основы проектирования энергоэффективных автономных приводных систем управления с использованием методов системного подхода 275
4.3. Основы инженерного расчета релейного следящего привода сВПДдляУПГС 283
4.4. Разработка и анализ исполнительных устройств систем управления планирующими парашютами 291
Выводы к главе 4 302
5. Экспериментальные исследования в области создания энергоэффективных автономных приводных систем управления для движущихся автономных объектов ... 3 03
5.1. Методика проведения и результаты испытаний макетного образца релейного следящего привода с ВПД для управления парашютными системами 303
5.2. Результаты комплексных наземных испытаний автономной приводной системы управления планирующим грузовым парашютом 327
1 Выводы к главе 5 342
Заключение 344
Список использованных источников 349
Приложение 370
- Функциональный анализ накопительных элементов
- Анализ процессов и синтез параметров широтно-импульсного и частотно-импульсного методов заряда суперконденсатора
- Анализ технических требований к автономным приводным системам управления мобильными объектами
- Основы проектирования энергоэффективных автономных приводных систем управления с использованием методов системного подхода
Введение к работе
Масса оборудования современных летательных аппаратов (ЛА) составляет значительную величину, примерно равную полезной нагрузке /198/. Одним из элементов оборудования является система автоматического управления (САУ), где исполнительными устройствами этой системы, перемещающими органы управления ЛА в соответствии с управляющими сигналами, являются приводные системы. Массогабаритные показатели приводной системы управления могут достигать 80% от объема и массы всей САУ. Поэтому, в целом, проблема разработки и реализации методов проектирования и создания исполнительных устройств и приводов систем управления полетом ЛА и движением мобильной техники, направленных на минимизацию массогабаритных показателей, является актуальной. Уровень актуальности значительно возрастает для автономных систем, когда исполнительные устройства и приводы работают от источника питания с ограниченным энергозапасом. Автономные приводы (т.е. приводы, работающие от автономных источников питания) входят в состав систем управления полетом и движением таких аппаратов, как авиационные ракеты, управляемые бомбы, торпеды, космические и воздушно-космические аппараты, управляемые планирующие парашюты, в т.ч. грузовые, мобильные комплексы для аварийно-спасательных работ.
Автономные подвижные объекты решают большой круг задач, таких как:
точная и оперативная доставка людей и грузов различного назначения;
дистанционное зондирование земной и водной поверхностей;
ретрансляция радио- и видеосигналов;
проведение поисково-спасательных работ на водной и земной поверхностях;
проведение боевых наземных, воздушно-космических и морских операций.
Решение проблемы минимизации энергетических и массогабаритных показателей приводных систем в настоящее время базируется в основном на двух подходах.
В первом /219/ используется алгоритмический метод прототипов, дающий возможность, исходя из общей идеологии проектирования устройств данного класса, применительно к каждому конкретному случаю определить операции вычислений и их очередность, а также связи между операциями в результате создания ряда последовательных, приближающих к цели процедур. Результаты этого метода высоки, если это касается привода, близкого к хорошо изученному прототипу. Однако такой подход не приводит к желаемым результатам при проектировании достаточно отличного от прототипа или принципиально нового привода.
Второй подход/73, 77, 78, 80, 168, 172 - 175, 179, 180, 185,186/ использует принципы теории оптимального управления, аналитического решения проблемы минимизации массогабаритных показателей привода, и выбора его наивыгоднейших параметров с учетом разрешения противоречий между требуемыми параметрами и массогабаритными характеристиками. Этот выбор осуществляется в соответствии с принятыми критериями. Оптимизация рассматривается как рациональная процедура, возможная лишь тогда, когда существуют различные варианты и определены критерии выбора. Однако реально всегда определяется относительный оптимум, поскольку выбор критериев никогда не бывает идеальным, а область возможностей для практической реализации всегда ограниченна.
Известно /29, 144, 150, 174/, что объем и масса автономного привода определяется совокупностью входящих в структуру привода устройств и элементов - источников энергопитания, исполнительных механизмов, датчиков информации, усилительно-преобразовательных устройств и коммутационных связей между элементами и прочими устройствами привода. Массогабаритные показатели элементов и устройств в свою очередь связаны с их выходной мощностью и временем функционирования. Среди однотипных элементов большую массу
7 и объем имеют те, которые рассчитаны на большую мощность и большее время работы.
Результаты исследований /58, 59, 68, 151, 179, 199, 200/ показали, что минимизация по энергопотреблению и массогабаритным показателям автономного привода невозможна без решения задачи синтеза структур привода, т.е. нахождения такого соединения элементов привода, при котором достигается управление объектом регулирования с минимальными энергетическими затратами. Синтез структур подразумевает как сравнительный анализ приводов по энергетическим критериям, так и нахождение новых структур.
В свою очередь энергетические затраты автономного привода (мощность и энергия, требуемые для обеспечения заданных движений выходного звена) определяются не только характеристиками элементов привода, но и существенно зависят от алгоритма управления, удовлетворяющего определенным критериям качества.
Для управления движением автономных объектов применяются САУ, управляющие, как траекторией движения, так и движением на траектории. САУ имеются также в составе различных робототехнических комплексов, находящихся на автономных объектах.
Особенностью всех автономных аппаратов является использование запасенной энергии в источнике питания для выполнения задач управления движением. Естественно, что запас этой энергии ограничен. Учитывая, что автономный источник энергопитания обладает определенными массогабаритными характеристиками, его возможности по энергозапасу также являются ограниченными. Основным потребителем энергии являются приводные системы управления полетом (движением) /63, 67/. В состав САУ обязательно входят различные приводные системы, являющиеся основными потребителями энергии. Как правило, это следящие приводы, выполняющие задачи управления движущимися автономными объектами. Приводные системы автономных объектов объединены общим признаком, они относятся к системам с ограниченным энергоресурсом. В большинстве работ /29, 45, 49, 85, 86, 134, 136, 139, 150, 162, 168,
8 169, 170, 174, 176,184,186,190,192,194, 206,209,211,219,222, 224, 226/ при рассмотрении поведения следящих приводов (СП) предполагается, что их источники энергии имеют бесконечно большой запас энергии, и единственным ограничением, действующим в приводной системе, является ограничение на предельные динамические возможности. Такой подход к анализу и синтезу СП приводит к тому, что при их проектировании не учитываются реальные характеристики источника энергопитания, поэтому объем и масса аппаратуры источников энергии могут быть завышенными.
Завышение потребного запаса энергии источников энергопитания не является гарантией того, что в переходных (динамических) режимах при изменении внешних условий, например при изменении окружающей температуры и т.д. /87, 106, 111, 83/, не проявится ограничение, обусловленное предельной скоростью изменения энергозапаса.
Проблемы повышения энергоемкости, стабильности выходных параметров источника энергопитания, связанные со снижением его массы и уменьшением объема, являются одной из основных задач проектирования САУ автономных объектов, в значительной степени определяющей возможность создания нового типа управляемого изделия.
Возросшие требования к приводным системам автономных объектов по точности и стабильности характеристик в сочетании с требованием уменьшения массогабаритных характеристик всей системы в целом требуют решения задач, определяющей из которых является проблема эффективного использования энергозапаса источника энергопитания, т.е. уменьшения потерь в энергетических каналах исполнительных механизмов в процессе воспроизведения заданного закона движения, рационального перераспределения энергии, совершенствования элементной базы и прочих мероприятий.
Автономные движущиеся объекты характеризуются наличием большого количества энергетических подсистем. Основным требованием к таким подсистемам является исключение их взаимовлияния через источник из-за влияния каждой подсистемы на источник. Полная или хотя бы частичная компенсация
9 этих влияний и относится к проблеме эффективного энергопитания, а жесткие ограничения на массогабаритные показатели источника делают их выполнение чрезвычайно сложной проблемой. Вводимые ограничения по массогабаритным показателям в ряде случаев приводят к недостатку энергии, требуемой для обеспечения движения выходного звена приводной системы в соответствии с заданным законом, поэтому одна из важнейших задач - определение методов, которыми, хотя бы частично, можно скомпенсировать влияние этих ограничений на динамические свойства системы.
На протяжении всего времени развития автономных движущихся объектов всегда ставился вопрос о создании рациональной энергосистемы, обеспечивающей энергопитанием автономные приводные системы, с соблюдением ограничений на массогабаритные показатели. Как показано в работах /12, 13, 66, 75, 79,109, 144, 150,163,179,186, 200/, проектировать современные энергосистемы возможно только при условии рассмотрения всего тракта преобразования энергии, т.е. энергосистема должна рассматриваться, начиная с первичного источника и заканчивая выходным звеном привода, независимо от ее конструк-
*
тивного и производственного разделения на устройства и подсистемы.
В процессе синтеза основных параметров энергосистема должна рассматриваться только в целом. Таким образом, необходимость совместного решения проблем снижения энергозатрат в силовом канале приводной системы при безусловном обеспечении выходным звеном требуемых режимов движения привела к возникновению научно-технического направления по повышению энергетической эффективности приводных систем.
Так, например, в работах /149, 198/ сделан вывод, что из-за значительных массогабаритных показателей источника энергопитания (аккумулятора) применение приводных электродвигателей аварийного насоса ограничено и возможно только при небольших мощностях аварийных насосных станций в гидросистемах самолетов в качестве аварийных источников питания.
В энергетическом канале приводной системы, как отмечено в работе /226/, всегда имеются ограничения по преобразованию потока энергии, и, как утвер-
10 ждается в той же работе, что физически не существует таких средств и методов, которые позволили бы скомпенсировать влияние этих ограничений на динамические свойства следящего привода.
Также утверждается, что недостаток энергии, требуемой для обеспечения движения привода по данному закону, можно скомпенсировать только необходимым увеличением энергии в источнике питания. Авторы работы /87/ утверждают, что анализ выражений для запасенной энергии и полного импульса тяги показывает, что эти величины прямо пропорциональны массе топлива, зависят от практически одинаковых параметров и имеют естественное различие в размерности.
В работе /139/ указано, что современное развитие автономных движущихся объектов приводит к постоянному увеличению частоты короткопериодиче-ских колебаний объекта и, следовательно, увеличению требуемой полосы пропускаемых частот системы стабилизации САУ, что вызывает увеличение полосы пропускания частот приводных систем, и, соответственно, приводит к увеличению их мощности. Увеличение мощности приводной системы приводит к повышению мощности и энергозапаса источников энергии, что вызывает ухудшение массогабаритных показателей. На основании вышеизложенного подтверждается, что создание новых схем приводных систем с энергоемкими источниками питания - актуальная современная проблема.
Многие десятилетия проблема энергетической эффективности остается актуальной; к ней неоднократно обращаются авторы, рассматривающие задачи энергетики следящих приводов для автономных движущихся объектов /4, 16, 121, 197, 215, 227/. Следует отметить некоторые из этих работ.
В работе /125/ представлен расчет мощности на управление золотниковым гидрораспределителем при скачкообразном и гармоническом входном сигнале. Оценка энергетических преимуществ струйных двигателей при известной глубине регулирования и заданном времени перехода с целью применения в автономных пневмоприводах и выбор источника питания проработаны в /210, 211/. В работе /98/ проведен анализ моментного управления двигателями с независи-
мым возбуждением и управлением этим двигателем по цепи якоря и цепи обмотки возбуждения с точки зрения сравнения потребления суммарной мощности на управление.
В работе /112/ отмечается, что в аэрокосмических летательных аппаратах (типа «Буран» и др.) применяются различные приводные системы, их суммарное энергопотребление превосходит располагаемый энергозапас бортовых источников питания. На основании вышеизложенного в работе данная проблема разрешается путем создания алгоритма управления потребным энергорасходом таким образом, чтобы на всех режимах полета суммарный энергорасход всех приводных систем не превышал располагаемый энергозапас источника питания.
Расчет влияния площади пневмопоршня и координат отсечки пневмопита-ния в позиционном пневмогидравлическом приводе на оптимальный расход энергоносителя представлен в работе /91/.
Современные методы предельных динамических возможностей и энергетического анализа изложены в работах /174, 175, 182, 185, 179, 198, 199, 222, 226/, в которых рассмотрен широкий круг вопросов по анализу и синтезу следящих электродвигательных приводов и уделено внимание энергетическим характеристикам системы «усилитель мощности - двигатель»;
приведен сравнительный анализ энергетических характеристик электроприводов при непрерывном, импульсном и релейном методах управления;
исследована энергетика релейных электроприводов при при двухзонных и трехзонных автоколебаниях;
представлена энергетика приводов с электромагнитными муфтами при характерных режимах работы;
подробно изучены вопросы предельных динамических возможностей приводных систем;
приведены выражения для мощностей приводов при выполнении заданного закона движения;
12 рассмотрены вопросы влияния ограничения мощности источников питания на динамику следящих приводов, т.е. на частотные характеристики и устойчивость при управлении следящими приводами, и дан анализ энергетики в переходных режимах электродвигателей следящих приводов и потери энергии в электродвигателях.
Для проведения дальнейших исследований и оценки использования энергии в приводной системе от источника энергопитания до выходного звена введено понятие энергетической эффективности.
Под энергетической эффективностью автономной приводной системы управления, включая источник питания с ограниченным энергозапасом, будем понимать ее способность обеспечивать параметры заданного закона движения выходного звена в течение всего времени управления с учетом минимума мас-согабаритных показателей энергетического канала.
Количественно энергетическая эффективность ju3 определяется отношением относительного энергозапаса Е к относительной массе т или относительному объему V приводной системы:
- -Е.
т V
где Ё — АПСУ fri = тиэп у _ *иэп
^ИЭП тАПСУ + тИЭП *АПСУ + *НЭП
Еапсу > шапсу » Уапсу " требуемый энергозапас, масса и объем автономной приводной системы управления (АПСУ); Еиэп, тиэп, Уиэп - энергозапас, масса и объем источника энергопитания (ИЭП).
Реализовать задачу повышения энергетической эффективности возможно при помощи совокупности методов и средств, позволяющих уменьшить энергозатраты АПСУ и обеспечить требования к ее предельным динамическим, статическим характеристикам и массогабаритным показателям. Пример расчета энергетической эффективности автономной приводной системы дан в приложении.
13 Проблемой повышения энергетической эффективности автор впервые начал заниматься в 1977 году при разработке приводных систем управления па-рашютируемыми объектами. Частичное решение этой проблемы нашло свое отражение при проведении фундаментальных и поисковых исследований -шифры «Рогатина МВО», «Рецензент МВО», «Распад МВО» /52-57/, и получило дальнейшее развитие при проведении НИР «Исследование разработки системы точной парашютной доставки грузов» в рамках Межвузовской научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии», 1993 и 2000 гг., и при проведении поисковых прикладных исследований в рамках НИР - шифры «Киржач», «Лоза», «Расчет - МАИ», 1996 - 2000 гг., а также при проведении фундаментальных работ в области приборостроения 1995 - 1997 гг. /61/.
В результате проведенных исследований подтверждено, что в системах с ограниченным энергоресурсом наблюдается ярко выраженная зависимость текущих характеристик источника энергии от свойств потребителя в течении времени работы АПСУ. Отказ от учета этой зависимости приводит к существенному изменению процессов регулирования /65, 68, 71/. Так, например, при испытании привода системы управления планирующим парашютом (совместный отчет МАИ и НИИПС №23405-88 по результатам исследовательских наземных испытаний) реальные параметры исполнительного механизма ухудшились по отношению к паспортным значениям привода на 10%, а развиваемый момент снизился на 15%. Практически все это привело к тому, что время процесса при отработке заданного перемещения стропы длиной 1,5 м увеличилось до 6 с (вместо требуемого времени перемещения, равного 2,2 с), что не соответствовало требованиям ТЗ.
Эти выводы подтверждаются также исследованиями других авторов /139, 149, 200/. Следствием взаимовлияния источников энергии и СП является зависимость значений их выходных координат от характера движения выходного звена и действия нагрузки /72/. При отработке следящими приводами больших уровней рассогласования при разгоне и торможении наблюдается «просадка» напряжения источников энергопитания, достигающая 20...30% от номинально-
14 го значения напряжения, и возникают дополнительные составляющие ошибки следящего привода /199/.
Для частичной компенсации «просадки» выходных параметров источника питания автором предложено изменить структуру источника энергопитания за счет включения в его состав накопителя энергии /59, 61, 68, 71, 72, 84/. Такое решение в большинстве случаев позволяет исключить или существенно уменьшить ограничение по мощности и получить следящие электрические приводные системы с характеристиками, близкими к характеристикам приводных систем при питании от идеального источника ЭДС.
Накопителем энергии называют устройство, накапливающее (запасающее) энергию в течение периода времени заряда (t3), а затем отдающее существенную часть этой энергии в течение периода времени разряда tp, причем значения t3 и tp могут сильно отличаться (t3y*>t ). Использование накопителей энергии
в составе САУ позволяет перераспределять энергию за счет изменения динамических свойств источника питания, что делает возможным по-новому решить ряд проблем /198,221/.
Имеющиеся публикации /11, 12, 13, 15, 29, 91, 96, 125/ по использованию энергии в приводных системах управления касаются, в основном, решения частных прикладных задач с применением гидропневмоаккумуляторов (демпферов) в источниках энергопитания и не затрагивают проблемы, связанной с возможностью применения таких накопителей в качестве основного источника в управляемых динамических системах.
Следует отметить, что улучшение характеристик источника энергопитания должно тесно увязываться с решением задачи минимизациии его массогабарит-ных показателей и с исследованием свойств потребителей, что требует комплексного подхода к созданию современных автономных приводных систем мобильных комплексов.
Таким образом, особую актуальность приобретает потребность развития теории, методов и средств повышения энергетической эффективности автоном-
ных приводных систем управления движением перспективных мобильных объектов, удовлетворяющих совокупности требований по минимальному энергопотреблению и массогабаритным характеристикам. Решению указанной проблемы и посвящена настоящая диссертация.
Объектом исследования диссертации являются приводные системы автономных мобильных аппаратов, работающие от бортовых источников энергопитания.
В процессе исследования рассматриваются перспективные схемы источников энергопитания, управляющие алгоритмы, минимизирующие энергозатраты, исполнительные механизмы, позволяющие экономить энергию в приводных системах управления автономными подвижными объектами.
Метод исследования комплексный, характеризуемый совместным использованием общих принципов математического анализа, методов теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории оптимального управления, точечных преобразований, методов теории электрических, электромеханических систем, сочетающихся с компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями газовых и электрических систем приводов.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения энергетической эффективности автономных приводных систем управления мобильными объектами на основе комплексного подхода к анализу свойств и синтезу определяющих параметров энергетических каналов, включающих в свой состав источники энергопитания и исполнительные механизмы, разработка алгоритмов управления и новых методик расчета энергопотребляющих элементов АЛСУ, минимизирующих энергетические затраты с учетом характера действующих нагрузок.
Методика повышения энергоэффективности приводных систем, точности расчетов их параметров и анализа возможности достижения проектных характеристик изделий требует создания уточненных моделей рассматриваемых про-
процессов, наиболее полно отражающих влияющие на них факторы. На базе этих уточненных моделей необходимо разработать методические основы и принципы проектирования приводных систем с высокой энергоэффективностью.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие теоретические и прикладные задачи:
Провести анализ бортовых источников питания автономных мобильных аппаратов.
Разработать математическую модель обобщенного автономного источника энергопитания.
Провести анализ элементов и схем накопительных устройств и возможности их использования в структурах источников питания автономных мобильных аппаратов.
Разработать методы сравнительного анализа функционально однотипных систем с различными накопителями энергии в структурах источников энергопитания.
Разработать методы минимизации массогабаритных показателей привода, включая источник энергопитания.
Провести исследование и разработать новые схемы исполнительных механизмов приводных систем и энергоэффективных алгоритмов управления.
Провести исследования исполнительных механизмов с различными типами источников питания и исполнительных двигателей, на основании чего разработать энергоэффективную приводную систему управления автономным летательным аппаратом типа «летающее крыло» (управляемый парашют).
Положения, выносимые на защиту:
1. Понятие энергетической эффективности автономных приводных систем управления движением мобильных аппаратов.
2. Математическое описание модели структуры и характеристик обобщенного источника автономного энергопитания.
Метод энергетического анализа и синтез параметров энергетического канала, обеспечивающих реализацию заданного закона движения выходного звена от источника питания с ограниченным энергозапасом.
Метод выбора наиболее рациональной структуры энергетического (силового) канала приводной системы для уменьшения энергозатрат.
Математическая модель и структура объединенного источника энергопитания (ОИЭП) и методы синтеза его структуры с целью обеспечения оптимального энергозапаса для реализации приводной системой заданного закона движения выходного вала.
Математические модели автономных приводных систем с учетом энергопитания от «реального» источника (источника с учетом «просадки» напряжения) и от «идеального» источника (ОИЭП).
Энергосберегающие алгоритмы управления, основанные на выборе элементов привода, управляющих алгоритмов и характера действия нагрузки.
Математические модели, структуры, схемы и конструкции автономных приводных систем управления планирующими (грузовыми) парашютами.
Методика расчета основных параметров энергетического канала АПСУ, конструкторские и технические решения, обеспечивающие повышение энергетической эффективности, которые подтверждены результатами экспериментальных исследований автономных приводных систем управления планирующими (грузовыми) парашютами с исполнительными механизмами типа волнового пневмодвигателя (пневмомуфты) и с исполнительными механизмами типа электролебедок -150.
Методические основы проектирования автономных приводных систем управления, предназначенных для отработки заданного закона движения выходного звена при минимальном потреблении энергии от источника питания.
18 Научная новизна:
Разработан комплексный подход к решению проблемы повышения энергетической эффективности автономных приводных систем управления на основе исследования процессов преобразования энергии, разработки методов и средств, направленных на снижение энергозатрат за счет формирования структур, схем и конструктивных решений исполнительных механизмов, источников питания, а также применения энергосберегающих алгоритмов управления.
Дано определение энергетической эффективности автономных приводных систем управления и ее критериальная оценка.
Разработана и предложена классификация автономных источников энергии накопительного типа.
Разработана структура и математическая модель обобщенного источника энергопитания.
Разработан метод построения «энергетической» оболочки автономного источника питания, характеризующей состояние его энергозапаса в процессе отработки приводной системой требуемых момент-кинематических параметров выходного звена.
Разработан метод энергетического анализа, позволяющий решить:
прямую задачу: оценить возможность автономной приводной системы реализовать заданный закон движения выходного звена с «реальным» источником энергопитания;
обратную задачу: найти энергетические параметры источника энергопитания, обеспечивающего заданный закон движения выходного звена за необходимое время управления.
Разработан метод синтеза структуры автономной приводной системы управления на основе минимизации потерь в энергопреобразующих элементах силового канала.
Проведен синтез структуры обобщенного источника энергопитания, разработана его математическая модель, на основе которой предложены и реализованы схемы действующих объединенных источников питания.
19 8. Разработаны структуры и определены основные параметры математических моделей автономных приводов систем управления с различными источниками питания, предложен метод сравнения их статических, динамических, массогабаритных и других показателей.
9. Получены энергетические соотношения, позволяющие дать оценку потерь энергии для различных законов управления исполнительными механизмами с учетом характера нагрузки на выходном звене.
10.Разработаны и реализованы структуры автономных приводных систем управления и их математические модели с учетом минимизации энергопотерь в элементах силового канала.
11 .Разработаны методические основы проектирования автономных приводных систем для управления планирующим (грузовым) парашютом.
Апробация работы. Разработанные в диссертации теоретические основы моделирования процессов повышения энергетической эффективности приводных систем движущихся объектов использовались при проведении фундаментальных и поисковых исследований - шифры «Рогатина» МВО, «Рецензент» МВО - и получили дальнейшее развитие при проведении НИР «Исследование разработки системы точной парашютной доставки грузов» в рамках Межвузовской научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии», 1993 и 2000 гг., при проведении поисковых прикладных исследовании в рамках НИР - шифры «Киржач», «Лоза», «Расчет - МАИ», 1996 - 2000 гг., а также при проведении фундаментальных НИР в области приборостроения, 1995 - 1997 гг.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Проблемы интенсификации производства на базе использования промышленных роботов» (Севастополь, 1983 г.), на Всесоюзном семинаре «Приводы и САУ» (ДНИ информации, Москва, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Робототехнические системы в сборочном производстве» (Севастополь, 1989 г.), на Всесоюзной конференции «Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении»
20 (Севастополь, 1989 г.), на Всесоюзной конференции «Повышение технико-экономической эффективности проектирования и эксплуатации автоматизированного сборочного оборудования» (Севастополь, 1990 г.), на Международной конференции «Авиация - пути развития» (Москва, 1993 г.), на Первом аэрокосмическом международном конгрессе (Москва, 1994 г.), на VII Всероссийском Туполевском чтении студентов по направлению «Актуальные проблемы авиастроения» (Казань, 1996 г.), на Всероссийской конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» (Москва, 1996 г.), на научной сессии, посвященной 150-летию со дня рождения Н.Е. Жуковского (Москва, 1997 г.), на Научно-технических конференциях «ЭКАО-97», «ЭКАО-99 по направлению «Электротехнические комплексы автономных объектов» (Москва, 1997, 1999 гг.), на Всероссийской студенческой конференции «Королевские чтения» (Самара, 1997 г.), на Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 1997, 1998 гг.), на Всероссийской конференции «Самолетостроение России: проблемы и перспективы» (Самара, 1998 г.), на V Всероссийской конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» (Москва, 1999 г.), на VII и IX Международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Крым, Алушта, 1999-2000 гг.), на IV Международном научно-техническом семинаре «Recent research and design progress in aeronautical engineering and its influence on education» (Warsaw, 2000 г.), использовались в каталоге-справочнике МВД РФ «Поставщики продукции правоохранительным органам России» (Москва, 1996 г.).
Образцы изделий, созданных на базе диссертационной работы, демонстрировались на выставках «Средства спасения-94» и «Средства спасения-97» (Москва, 1994, 1997 гг.), «Технические вузы Москвы - городу» (Москва, 1994 г.), на Международном авиакосмическом салоне «МАКС-95» (Жуковский, 1995 г.),
на П Всероссийской научно-практической конференции «Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии» (Москва, 1996 г.).
Практическая значимость. Разработанные в диссертации методы повышения энергетической эффективности приводных систем открывают широкие возможности для проектирования многих технических систем, т.к. позволяют учитывать реальный запас энергии в источнике питания. Разработан новый тип источников энергопитания, являющийся дополнением к известным источникам.
Предложенные методы учета и снижения энергопотерь в элементах силового канала являются эффективным инструментом проектирования следящих приводов с волновым пневмодвигателем. Проведенные исследования позволяют оптимизировать процессы управления приводов с волновым пневмодвигателем, обеспечивая при этом минимальные энергозатраты.
Полученные в диссертации теоретические результаты позволили решить ряд важных технических задач, а именно:
Создать систему энергопитания приводов управления полетом грузовыми планирующими парашютами для объектов с полетной массой 0,3...0,6 т (БУП-100); 0,6... 1,1 т (БУП-500).
Разработать методику проектирования следящих приводов с волновым пневмодвигателем для управления грузовыми планирующими парашютными системами.
Разработать образец привода с волновым пневмодвигателем для управления грузовыми планирующими парашютами [А.С. №291436 (СССР)].
Результаты диссертации внедрены в ФГУП «Научно-исследовательский институт парашютостроения», НИИ точных приборов, ФГУП «НІЖ «АльтЭн», в НИР МАИ; кроме того, научные положения, выводы и рекомендации, полученные в диссертации, использованы при подготовке и чтении лекций: «Электромеханические системы скоростных подводных аппаратов», «Исполнительные устройства САУ ЛА», «Элементы пневмоавтоматики и пневмопривод ЛА» на кафедре «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ.
22 В первой главе изложен метод функционально-структурного анализа, применение которого к существующим накопительным источникам энергопитания позволил составить их классификацию по виду зарядного устройства, запасенной энергии и областям применения.
Анализ структур бортовых источников питания, автономных приводов управления мобильными объектами, их свойств и характеристик показал, что их общими свойствами являются:
наличие первоначально накопленного (аккумулированного) запаса энергии, который может расходоваться со скоростью, во много раз превышающей скорость аккумулирования;
скорость изменения энергозапаса зависит от величины комплексного сопротивления нагрузки (силовых и информационных каналов привода) и внутреннего сопротивления источника.
Показано, что внешние и разрядные характеристики как накопительных систем, так и бортовых источников питания определяются способом зарядки-подзарядки. После единичной зарядки и последующего разряда образуется семейство монотонно убывающих характеристик, вид которых определяется запасенной энергией (электрической, механической, электрохимической, пневматической, гидравлической) и скоростью изменения энергозапаса, а также определяет характер потребления энергии в зависимости как от воспроизводимого закона движения, так и от отсутствия нагрузки на выходном звене.
Для непрерывной или циклической подзарядки источника в процессе разряда семейство внешних (разрядных характеристик) трансформируется (вырождается) в одну характеристику, слабо зависящую от скорости изменения энергозапаса, что свидетельствует о преимуществе накопительных систем с непрерывной или циклической подзарядкой в процессе разряда. Для автономных приводов бортовых приводных систем предпочтительна электрическая накопительная система, состоящая из маломощного химического источника тока любого типа, электрического зарядного устройства, реализующего подзарядку в процессе разряда, и емкостного накопителя (суперконденсатора большой емко-
23 ста - единицы, десятки Фарад). Показано преимущество таких источников по массогабаритным показателям и термостабильности по сравнению с традиционными бортовыми электрохимическими источниками.
На основе анализа свойств различных бортовых источников энергопитания разработана обобщенная модель такого источника, дана методика определения основных характеристик модели, ее разрядных и внешних характеристик.
Разработан метод отображения обобщенной модели источника энергопитания в трехмерном пространстве координат (уровня потенциала, скорости изменения энергозапаса и времени расхода энергозапаса). Обобщенная модель источника в трехмерном пространстве представляет собой поверхность - «энергетическую оболочку», показывающую распределение энергозапаса, как во времени, так и от скорости его изменения.
Разработан метод энергетического анализа автономного привода вместе с источником, основанный на совместном рассмотрении в трехмерном пространстве координат энергетических характеристик источника энергопитания обобщенной модели источника и предельных динамических состояний привода в модифицированных координатах /179/, которые, как показано в работе, представляют собой призму (в случае отказа от учета в уравнениях предельной динамики ограничений по энергозапасу) или пирамиду (в случае учета ограничений по энергозапасу), основанием которой является двигательный режим работы привода, а высотой - время отработки приводом заданного закона движения выходного вала.
Касание призмы или пирамиды предельных динамических состояний привода энергетической оболочки является граничным условием, для которого возможна реализация предельных динамических возможностей привода.
Проведенные в разделе исследования показали, что в пространстве {Q, А/, /} ограничения запасенной энергии в АПСУ могут быть представлены в
виде поверхности «энергетической» оболочки ИЭП. С целью определения основных направлений повышения энергетической эффективности автономных
24 приводных систем определены дальнейшие задачи данной диссертации, которыми являются:
исследование свойств и характеристик источников питания и накопителей, а также разработка методов и средств снижения потерь энергии, обусловленных внутренним сопротивлением;
анализ потерь энергии в элементах силового канала АПСУ с учетом создания энергоэффективной структуры;
исследование влияния различных методов управления исполнительными механизмами АПСУ по потреблению энергии и разработка на этой основе энергосберегающих алгоритмов управления;
исследование и анализ влияния внутренних потерь в исполнительных механизмах АСПУ и формирование на этой основе требований к их механическим характеристикам;
исследование возможностей использования энергии внешней нагрузки в интересах обеспечения отработки требуемых перемещений выходного звена АПСУ;
исследование и разработка конструкторско-технологического решения для повышения степени использования энергозапаса источника питания;
разработка и экспериментальное исследование новых схем АПСУ, позволяющих в результате снижения уровня потребления энергии существенно уменьшить массогабаритные параметры источника питания.
Вторая глава посвящена решению одной из наиболее важных задач, возникающей при проектировании приводной системы, связанной с анализом потерь энергии в элементах силового канала.
Существующие в автономных приводах ограничения, проявляющиеся в виде ограничений по мгновенной мощности и энергозапасу, в сочетании с наличием двух использующих энергозапас каналов (в приводных системах - информационного и силового) существенно усложняют анализ и синтез автоном-
25 ных приводов. Для обеспечения работы этих каналов требуется определенная потребная мощность от источника питания, которая определяется не только требованиями воспроизведения исполнительным механизмом заданного движения нагрузки, но и структурами силового и информационного каналов.
Разработан метод выбора рациональной с точки зрения потребления энергии структуры энергетического канала, основанный на учете КПД по мощности, потребляемой каждым ее элементом.
Показано, что уменьшить потери энергии в источнике питания возможно путем включения в его состав накопителя энергии, т.е. изменением структуры источника энергопитания.
Использование предложенного метода определило путь исследования модели объединенного источника энергопитания, включающего в себя первичный источник питания, зарядное устройство, емкостной накопитель энергии.
При исследовании ОИЭП получены математические выражения для КПД зарядной цепи, законов изменения токов при зарядке суперконденсатора при различных видах зарядного процесса (апериодического, критического и колебательного).
Определены математические выражения, характеризующие энергетические затраты в системах с накопителями энергии (в данном случае - суперконденсатор), позволившие рассчитать КПД зарядной цепи с учетом «просадки» напряжения первичного источника. Полученные законы изменения зарядных токов свидетельствуют о том, что независимо от характера переходного процесса величины токов могут достигать больших величин. В связи с изложенным, для ограничения максимальных значений токов заряда использован метод, основанный на пгаротно-импульсном и частотно-импульсном способах, для которых получены соотношения, определяющие связь заданного допустимого тока заряда с параметрами импульсов и временем зарядки. В результате - разработана новая схема автономной приводной системы с объединенным источником энергопитания, и исследованы различные режимы ее работы. Полученные результаты могут быть использованы при создании схемы приводной сие-
26 темы с одним объединенным источником питания, но разными по физической природе накопителями.
Проведено исследование динамических и массогабаритных показателей автономных приводных систем управления с реальным источником питания (с учетом «просадки» и восстановления напряжения) и с объединенным источником питания.
Разработана оригинальная схема представления основных характеристик приводных систем, позволяющая наглядно сравнить приводные системы управления при питании от различных источников энергопитания (реального источника и объединенного источника) и показать, что при питании от объединенного источника энергопитания значительно улучшаются энергетические, массогабаритные показатели, а также динамические и статические характеристики. При этом повышается надежность и увеличиваются отдаваемая мгновенная мощность, а также срок работы объединенного источника питания автономной приводной системы.
В третьей главе разработаны методы, позволяющие выбирать структуру автономной приводной системы, удовлетворяющую критерию минимума потребления энергии при обеспечении заданных динамических, статических и массогабаритных характеристик.
Разработанный метод исследования автономных приводных систем, обеспечивающих выполнение требований технического задания, показал, что проектирование энергоэффективной приводной системы целесообразно начинать с анализа характера действия нагрузки на ее выходной вал. Учет этого фактора позволяет создать алгоритмы управления выходным звеном, когда для формирования усилий на нем используется «помогающий» потенциал нагрузки. Такой подход позволил разработать метод синтеза алгоритмов управления и энергетических характеристик, которые дают возможность получить оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы, позволяющие выполнить требования технического задания по динамическим и статическим характеристикам при существенном уменьшении потребления энергии и массогабаритных показателей.
27 Современные требования к автономным приводным системам ставят задачи, связанные не только с расширением диапазона регулирования скорости, но и с повышением жесткости характеристик к действию возмущающих моментов.
Разработан метод обоснования выбора автономных приводных систем по степени «жесткости» механических характеристик, основанный на оценке механической энергии, отдаваемой двигателем с «жесткой» и «нежесткой» механическими характеристиками при отработке одного и того же сигнала рассогласования за одинаковое время работы. Результаты, полученные на основании критерия оптимального быстродействия отработки заданного угла рассогласования, показали, что у приводной системы, имеющей «жесткую» механическую характеристику, развиваемый на выходном валу момент будет меньше, чем у приводной системы с «нежесткой» механической характеристикой из-за отсутствия однозначной связи между величинами установившейся скорости и развиваемого момента. Уменьшение развиваемого момента привода приводит лишь к увеличению времени разгона, а так как в высокодинамичных приводах время разгона много меньше, чем время движения с установившейся скоростью, то, незначительно увеличивая время разгона, можно в определенной мере уменьшить величину развиваемого момента, т.е. снизить энергопотребление. Это в конечном итоге уменьшает энергетические затраты в приводе с «жесткими» механическими характеристиками, незначительно влияя на увеличение времени переходного процесса.
Результаты работы, представленные в предыдущих главах, позволили создать новые, более эффективные с точки зрения минимизации энергетических затрат конструктивно-схемные решения автономных приводных систем с исполнительными механизмами типа «волновой пневмодвигатель» (ВПД), имеющими «жесткие» механические характеристики. При исследовании автономных приводных систем с ВПД получены основные выражения, позволяющие выбрать управляющие устройства волной деформации и газораспределительных устройств с учетом особенностей работы ВПД. За критерий оценки вы-
28 браны минимальные энергетические затраты при создании волны деформации ВПД, позволяющие минимизировать массогабаритные показатели при сохранении заданных динамических и статических характеристик.
В целом ряде задач, решаемых авиационной и космической техникой, используются парашютные системы различного назначения. Парашютные системы находят широкое применение при спасении экипажей летательных аппаратов, в воздушно-десантной технике, при спасении самих летательных аппаратов и других объектов. Возрастающие требования к применению парашютных систем: по ветровым условиям, скрытности доставки на площадки ограниченных размеров различных объектов, а также необходимости обеспечения мягкой посадки и устойчивости к опрокидыванию при приземлении, - привели к появлению парашютов с аэродинамическим качеством (планирующих парашютов). Изменение аэродинамического качества осуществляется искривлением оболочки парашюта путем создания усилия за счет подтягивания или отпускания строп управления. Поэтому реализация управляемых планируюпщх парашютных систем (УППС) может быть достигнута лишь при наличии автоматической силовой системы управления парашютом.
На основе разработанных методов и средств повышения энергетической эффективности автономных приводных систем управления решена актуальная практическая задача - разработана автономная приводная система с ВПД для управления планирующим парашютом. Дальнейшее исследование данного привода с учетом физического представления о работе ВПД и ранее разработанных методов, позволяющих существенно экономить энергетические затраты, улучшая массогабаритные показатели и не ухудшая заданные динамические и статические характеристики, позволили разработать новые схемы ВПД.
В качестве ВПД используется волновая пневмомуфта (защищена авторским свидетельством), которая, в отличие от других исполнительных муфтовых механизмов приводных систем управления, является усилителем передаваемого момента, т.е. обладает существенным преимуществом, позволяющим исклю-
29 чить ряд присущих муфтовым приводам недостатков и получить следующие преимущества:
упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных показателей механических узлов (выходным редуктором является волновой редуктор, не только по сравнению с аналогичными узлами муфтовых приводов, но и даже электродвигательных приводов);
уменьшение угловых скоростей при одинаковой выходной мощности до величин, не требующих специальных мер по отводу тепла, что позволяет создавать приводы с выходной мощностью более 1 кВт;
малая величина механической мощности для управления ВПД по сравнению с его выходной механической мощностью делает возможным эффективное реверсивное управление подводимой энергией, а предложенная конструкция позволяет получить следящий привод на одной волновой пневмомуфте;
механическая характеристика пневмомуфты «жесткая», т.е. обуславливает независимость развиваемого момента от скорости выходного вала в определенном диапазоне давлений рабочего тела и скоростей распределительного валика.
Четвертая глава посвящена разработке методических основ проектирования автономных приводных систем с высокой энергоэффективностью. Вышеизложенные результаты настоящей работы показали, что проектирование автономных приводных систем с высокой энергетической эффективностью представляет собой сложную задачу и требует использования основных положений системотехники в сочетании с блочно-иерархическим подходом. Показано, что методика создания систем связана с решением трех научно-технических проблем:
разработкой структур, обеспечивающих создание систем (подсистем) с заданными техническими характеристиками;
определением оптимальных технических характеристик;
- организацией производства и эксплуатацией систем.
В результате разработана общая схема процесса проектирования системы. Применение системного подхода к проектированию автономных приводных систем с высокой энергетической эффективностью позволило разработать схему процесса проектирования автономной приводной системы с источником энергии. Рассмотрен процесс проектирования структуры электродвигательного привода с объединенным источником энергопитания. На основании результатов данной главы получен важный вывод, о том, что системный подход предлагает комплексное решение задачи проектирования, т.е. согласование и увязку не только параметров и характеристик проектируемых подсистем, но и их связей с внешними системами.
По этим причинам задачу проектирования автономных приводных систем с высокой энергетической эффективностью можно решить только применительно к конкретному объекту. Как пример, разработана блок-схема взаимосвязей подсистем автономной приводной системы для управления планирующим парашютом и сформулированы решаемые этими подсистемами задачи, которые необходимо оценить на различных этапах проектирования. Для релейного следящего привода с ВПД, применяемого в системе управления планирующим парашютом, разработана методика, которая включает в себя одиннадцать этапов по выбору его элементной базы. Показан алгоритм расчета исполнительного механизма типа ВПД.
Предложено при разработке математических моделей для автономных приводных систем, работающих на энергоносителях различной физической природы, предпочтительно применять теорию цепей.
Дальнейший анализ базовых приводных систем и их исполнительных механизмов для управления планирующими парашютами позволил создать новую схему ВПД, наиболее полно использующую газовую энергию для создания волны деформации, т.е. схему ВПД, использующего отработанное рабочее тело.
31 В новой схеме ВПД отсутствует традиционный механизм управления распределительным устройством газовой энергии для создания волны деформации. Такая конструкция распределительного валика дает возможность использования энергии газа, сбрасываемого в атмосферу, для управления приводным двигателем, жестко связанным с распределительным валиком. В качестве приводного двигателя можно использовать исполнительное устройство типа «струйная турбина».
В пятой главе сравнение расчетных и экспериментальных характеристик подтвердило достоверность разработанных методов и средств по созданию автономных приводных систем с высокой энергетической эффективностью и одновременно удовлетворяющих заданным массогабаритным, статическим и динамическим характеристикам.
Эксперименты проводились при наземных испытаниях макетного образца релейного следящего привода с ВПД для управления парашютными системами, а также при наземных и летных испытаниях системы управления грузовым планирующим парашютом с приводом ЛПГ-150 М. Эксперименты выполнены совместно с НИИПС и авиационным центром МАИ.
В заключении изложены основные результаты работы и их практическая полезность.
Основные теоретические результаты диссертации опубликованы в 32 научных работах.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (234 наименования) и приложения. Работа объемом 369 страниц содержит 132 иллюстрации и 6 таблиц.
Функциональный анализ накопительных элементов
ЭХН запасают и отдают энергию Ээхн в результате химических реакций. К ЭХН будем относить: электрохимические генераторы (ЭХГ), т.е. два или более топливных элемента (ТЭ) в комплексе с системами, обеспечивающими их функционирование; химические аккумуляторные батареи (АБ), т.е. химические источники тока, состоящие из двух или более аккумуляторов, соединенных между собой в электрическую цепь для совместного производства электроэнергии
Преимущество ЭХН состоит в том, что при промежуточном режиме хранения энергии (основной режим - заряд-разряд) продолжительность сохранности может быть значительно больше, чем у других накопителей.
Достоинствами ЭХГ на ТЭ являются: высокий КПД (порядка 0,9), бесшумность работы, отсутствие механически перемещающихся деталей и изнашивающихся частей, долговечность /10, 153/. Они обладают высокой удельной энергией (примерно 102 -ї-103 Дж/г) и большой мощностью (до 200 КВт) с перспективой ее увеличения до 103 КВт. К недостаткам ЭХГ можно отнести: сложность обеспечения сбалансированных электрохимических реакций и относительно малую удельную мощность, приходящуюся на единицу массы, необходимость применения чистых химических реагентов /132, 164/ и постоянное удаление конечных продуктов токообразующей реакции /132, 177/, что может оказывать вредное влияние на экологию, а также на жизнедеятельность человека. Применяются ЭХГ в основном для энергообеспечения мощных и малогабаритных автономных установок в разработках космических аппаратов, электромобилях, подводных аппаратах (батискафах, батисферах) /126, 132, 140, 156, 177,183/.
Одним из типов ЭХН являются химические источники тока (ХИТ).
Химические источники тока.
Класс ХИТ достаточно широк, и у всех типов, входящих в него, имеются свои достоинства и недостатки.
ХИТы являются преобразователями химической энергии непосредственно в электрическую. Во время работы (разряда) происходит химическая реакция взаимодействия двух реагентов. Энергия этой реакции выделяется в виде энер 39 гии постоянного электрического тока и тепла. ХИТы по своей сути являются накопителями энергии Эшт, рассчитанными на длительный режим работы (разряда). Выражение для энергии, накопленной в ХИТ, имеет вид
Следует отметить, что важнейшими показателями источников являются удельная энергия и удельная мощность, т.е. энергия или мощность, отнесенные к единице массы или объема. При наличии однородных потребителей ХИТы обладают наилучшими показателями по сравнению с другими источниками (удельная энергия более 500 Дж/г).
Существуют много вариантов ХИТов, отличающихся друг от друга природой протекающих в них токообразующей реакции, размерами и конструктивными особенностями. В зависимости от варианта меняются показатели и эксплуатационные характеристики ХИТов, что вполне оправданно, ибо каждая область применения имеет свои специфические особенности.
Существуют также две промежуточные группы ХИТов. В полутопливных, комбинированных элементах заложен запас только одного из реагентов, в то время как второй непрерывно подается извне. Электрохимические системы с твердыми реагентами составляют основу промышленно выпускаемых ХИТов.
Основными недостатками являются следующие:
- наряду с основной токообразующей реакцией при разряде и заряде, а также при хранении, в ХИТах протекают побочные химические и электрохимические реакции. В результате этих процессов расходуются непроизводительно реагенты - электроды саморазряжаются;
- сильная зависимость от внешних условий (температуры);
- неэкологичность;
- взрыво- и пожароопасность. В зависимости от комбинаций окислителя, восстановителя и электролита существует большое количество различных ХИТов. Наибольшее распространение получили следующие:
- свинцовые (кислотные) аккумуляторы;
- никель-кадмиевые аккумуляторы;
- никель-железные аккумуляторы;
- серебряно-цинковые аккумуляторы;
- никель-цинковые аккумуляторы;
- никель-водородные аккумуляторы;
- хлорно-цинковые аккумуляторы;
- литиевые аккумуляторы.
Разработан новый полутопливный перспективный тип ХИТа алюминий -воздушный аккумулятор, имеющий низкую стоимость и отличающийся уникальными свойствами:
- возможностью многократного механического перезаряда в отсутствии энергосети (заряд производится механической сменой электродов);
- возможностью полной регенерации электролита.
В настоящее время также разработаны никель-кадмиевые ХИТы с метал-локерамическими электродами, имеющие перезарядку до 1000 циклов при стопроцентной глубине разряда. Завершены разработки никель-водородных ХИТов с водородосорбирующим сплавом, серьезно конкурирующие с никель-кадмиевыми /данные приведены из экспресс-отчета ГОКБ «Прожектор» и Военной академии им. Ф.Э. Дзержинского/. Основным преимуществом никель-водородных ХИТов является более высокая удельная энергия, выше в 1,5-2 раза, чем у лучших образцов никель-кадмиевых ив 1,3-1,6 раза, чем у свинцо-во-кислотных аккумуляторов при сопоставимой мощности и сроке службы. Другим преимуществом является экологичность в производстве, эксплуатации и утилизации, а также отсутствие дефицитных и токсичных материалов, таких как кадмий и свинец.
Стремление избавиться от общего недостатка всех ХИТов с жидким электролитом - саморазряда, привело к созданию ХИТа ампульного типа /10/, в котором жидкий электролит хранится в ампуле внутри ХИТа, а в момент приведения в рабочее состояние с помощью специальных приспособлений (например, пиротехнических) раствор перекачивается в электродные камеры. Аналогичную задачу можно решить, используя твердый электролит. ХИТ импульсного типа может храниться практически неограниченное время, при этом активизация элементов заключается в их быстром нагреве, поэтому ХИТы такого типа называют тепловыми (разогревными) ХИТами. Аккумуляторные батареи (АБ) используются практически на всех движущихся автономных авиационно-космических объектах, во всех видах наземного транспорта и других отраслях народного хозяйства.
Анализ процессов и синтез параметров широтно-импульсного и частотно-импульсного методов заряда суперконденсатора
Пусть на конденсаторе (Рис. 2.13) в момент времени Ґ имеется напряжение Uj_x и за время tu оно изменяется до Uj, где j -1, 2,3,..., n, п - номер импульса, / = 1,2,3 - различные случаи корней характеристического уравнения.
Найдем связь между временем импульса tu , током заряда во время импульса иі/j— UJ . Для этого рассмотрим систему уравнений
Итак, используя широтно-импульсный и частотно-импульсный методы зарядки, можно существенно ограничить величину токов зарядки. Это необходимо сделать для того, чтобы осуществить процесс зарядки суперконден О сатора с Uc = 0 до Uc=U0=Un токами без учета «просадки» напряжения на ХИТе.
В процессе подзарядки, т.е. циклического процесса, когда Uc Ф О, ограничение по току выполняется автоматически. Циклическая подзарядка накопителей энергии требует автоматической стабилизации напряжения. В настоящее время для электрических систем разработаны схемы стабилизации напряжения на ключевых элементах /27,143,151, 212/.
Определение КПД зарядной цепи от «реального» и «идеального» источников энергопитания.
При расчетах КПД в соответствии с выражениями (2.55), (2.61), (2.65) можно видеть, что предпочтительнее использовать колебательный процесс зарядки суперконденсатора, так как это позволяет получить наивысший КПД по сравнению с другими способами зарядки. Этот вывод подтверждается и у других авторов /221/.
Однако при расчетах КПД выявлено, что если заряжать суперконденсатор от ХИТа, у которого учитывается «просадка» напряжения, т.е. Un = С/0(1-&е"Л), максимальную величину КПД до 0,56 можно получить при колебательном процессе. Если далее повышать индуктивность зарядной цепи, то КПД зарядки начинает стремиться к нулю. Это связано с тем, что напряжение питания не успевает восстановиться до 1/пхит и разрядка индуктивности идет не только на емкость, но и на источник. При значительной величине индуктивности разрядка идет полностью на ХИТ. Если заряжать суперконденсатор от источника энергопитания, не имеющего «просадки» напряжения, т.е. Un=U0, то при колебательном процессе с увеличением величины индуктивности зарядной цепи КПД зарядки стремится к единице.
Несмотря на то, что можно достичь близко к единице КПД заряда суперконденсатора от источника через зарядное устройство на основе цепочки R, L, не всегда целесообразно применять дроссель L из-за больших массо-габаритных показателей. Кроме того, для правильной работы зарядного устройства, чтобы запасенная энергия достигала максимальной величины на конденсаторе, индуктивность необходимо подбирать в соответствии с определенными требованиями при стабилизированном источнике питания.
Итак, в рассмотренных устройствах можно выделить два режима работы. Первый - режим зарядки, характеризуется начальным напряжением на конденсаторе равным нулю. Второй - режим подзарядки, характеризуется наличием остаточного напряжения на конденсаторе, отличным от нуля.
В источниках с емкостным накопителем режим подзарядки является основным, поэтому время подзарядки должно быть минимальным, а КПД подзарядки - максимальным.
Анализ других источников /22, 101, 127, 153, 154, 187, 221/ позволил разработать новую схему автономной приводной системы управления с объединенным источником энергопитания (ОИЭП), состоящим из маломощного ХИТа, работающего в режиме малых и сверхмалых разрядных токов, зарядного устройства (ЗУ) и емкостного накопителя энергии (ЕНЭ).
Анализ технических требований к автономным приводным системам управления мобильными объектами
Важнейшим показателем для следящих приводов систем управления мобильными автономными объектами, наряду с качеством процесса отработки сигналов, является экономичность потребления энергии. На энергетические характеристики автономного привода оказывает существенное влияние алгоритм управления, особенно с учетом энергопитания от источника ограниченной мощности. Для разработки функциональных схем, математических моделей следящих приводов и формирования алгоритмов управления с целью минимизации энергетических затрат приводных систем, большое значение имеет так же и характер нагрузки, действующей на выходной вал системы управления.
Выбор структуры (типа) привода базируется на сравнительном анализе свойств и синтезе параметров и характеристик исполнительных механизмов, предназначенных для управления движением автономных объектов. Анализировались свойства приводов с исполнительными механизмами, имеющими при примерно равных значениях номинальной мощности различный вид механических характеристик. Отличие в механических характеристиках исполнительного механизма выходного звена привода проявляется в том, что изменяются дифференциальные уравнения, описывающие движение выходного звена. Анализ решений этих дифференциальных уравнений при выбранных критериях качества позволяет синтезировать функцию управления исполнительным механизмом АЛСУ, учитывающую вид его механических характеристик. Такой подход к выбору типа исполнительного механизма был разработан при выполнении научно-исследовательских работ по темам: «Исследование и разработка парашютной системы точной доставки грузов», «Теория систем с накопителями энергии и ее применение в системах управления па 188 рашютами», «Теория систем с ограниченным энергоресурсом применительно к автономным приводным системам», «Парашютная система автоматической точной доставки грузов на испытании излучения», выполненных с участием автора диссертационной работы и нашел отражение в работах /62, 63, 50, 61, 64,65,68,72,73/.
Анализ технических требований к автономным приводным системам управления мобильными объектами
Непосредственно в тактико-технических требованиях к приводным системам заданы момент-кинематические, скоростные характеристики, которые позволяют найти энергетические характеристики привода, а также алгоритмы управления приводом.
Известно /14, 15, 27, 113, 114, 174, 179, 180, 185, 186, 200/ , что процесс проектирования приводных систем требует решения таких задач, как:
1. Определение параметров исполнительных механизмов привода, гарантирующих выполнение его исполнительным механизмом требуемого закона движения выходного вала (совокупность требуемых момент-кинематических параметров) на основе теории предельных динамических возможностей;
2. Нахождение энергетических характеристик привода, а именно: определение энергетических соотношений, характеризующих величину потребляемой приводом мощности от источника питания, а также теряемой в процессе работы в его элементах.
3. Решение задачи динамики привода, т.е. обеспечение устойчивости движения привода и требуемой точности воспроизведения законов движения.
Для типа вращательного привода, согласно работам /174,180, 186/ зависимость моментов и скоростей выходного вала двигателя от времени t имеет вид
nTP(t) = qC\(t); (3.1)
Tp(t) = -[(J Z +JH)sc(0+MH(t)], (3.2)
где ClTP(t) и MTP(t)- соответственно требуемые скорость и момент на
валу двигателя, при которых обеспечивается заданный закон движения следящего вала;
Qc(t) и sc(f) - изменения скорости и ускорения следящего вала, соответствующие заданному закону движения объекта управления;
MH(t) - статический момент нагрузки на выходном валу;
J и JH " соответственно момент инерции ротора двигателя и нагрузки;
q - передаточное число редуктора, связывающего следящий вал с валом двигателя.
Основы проектирования энергоэффективных автономных приводных систем управления с использованием методов системного подхода
Автономные приводные системы управления являются основной силовой подсистемой управляемых движущихся объектов.
Процесс проектирования начинается с изучения технического задания (ТЗ), сформированного на основании задач, решаемых движущимся объектом. ТЗ содержит конкретные числовые требования (данные) к выходным параметрам, характеризующие диапазон изменения внешних параметров (тип и вид внешней нагрузки на привод, диапазон внешних температур и т.д.), словесное (качественное) описание ограничений и условий, непосредственно не поддающихся количественной оценке.
Приводные системы имеют сложную структуру, и в общем случае относятся к системам с физически разнородными элементами. Это, в первую очередь, относится к делению приводов по виду рабочего тела для силовой части на электрические, гидравлические и пневматические. Однако в работе /89/ говорится, что применительно к анализу таких приводных систем используются методы теории цепей, которые дают более наглядные результаты и позволяют применять более простые и эффективные алгоритмы. Из теории цепей известно /159/, что процессы в устройствах (подсистемах) разной конструкции и разного функционального назначения могут быть представлены аналогичными уравнениями. Определенное влияние оказывает на структуру и конструктивное исполнение выходного звена привода, например, форм движения выходного вала. Так как информационная часть всех приводов, как правило, электрическая, то в состав любой структуры привода наряду с источником энергопитания силовой части обязательно должен входить и источник электропитания информационной части.
Исходными техническими требованиями для проектирования являются:
- характер и величина внешних нагрузок;
- сведения о режимах работы силовой части приводной системы (повторно-кратковременный, длительный);
- технические характеристики приводной системы;
- предельные момент-кинематические параметры (максимальная скорость Отах, максимальный угол Smax, максимальный момент Мтах)
выходного вала привода;
- диапазон амплитуд частот выходного сигнала, который может воспроизводить привод с учетом оговоренных искажений;
- диапазон внешних температур при котором привод сохраняет работоспособность, и сохраняется допустимый разброс его технических характеристик.
Следует отметить, что энергетические характеристики привода (номинальная и пиковая мощности, запас энергии) в ТЗ непосредственно не задаются, а должны быть найдены разработчиками на основании исходных технических требований.
На начальном этапе проектирования, используя детальные исследования и методики, изложенные в работах Петрова Б.И., Полковникова В.А., Рабиновича Л.В., Гамынина Н.С, Ермакова С.А., Саяпина В.В., Чащина В.А. и других, можно выбрать тип привода, спроектировать исполнительный механизм (двигатель и редуктор) и в первом приближении представить структуру привода.
На основании приведенных в диссертации результатов исследований (см. раздел 2.4) общую схему проектирования (Рис. 4.1) следует дополнить проектированием источника энергопитания и произвести синтез структур
Важным критерием оценки, наряду с выполнением условий работоспособности, являются массогабаритные показатели приводной части вместе с источником энергопитания.
Проведем анализ процесса проектирования привода для повторно-кратковременного режима работы на примере электродвигательного привода постоянного тока.
Электродвигательный привод вращательного типа выполнен по следующей схеме: информационная электрическая часть, силовой ключевой усилитель мощности для управления электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением (уже выбранным на предварительном этапе). Привод имеет обратную связь по положению (углу). Характерной особенностью привода является то, что он сразу выходит на свои предельные возможности по скорости.
Предлагаемые структуры электродвигательного привода:
1. Пропорциональное управление исполнительным механизмом за счет включения в информационную часть широтно-импульсного модулятора (преобразующего сигнал рассогласования в импульсы изменяемой длительности), управляющего силовым ключевым усилителем мощности. Для обеспечения устойчивости следящего привода необходимы корректирующие связи (Рис.2.1).
2. Релейное управление с зоной нечувствительности, которое реализует квазиоптимальное по быстродействию управление. Если двигатель обладает высоким быстродействием, а зона нечувствительности выбирается исходя из обеспечения устойчивости АПСУ без введения дополнительных корректирующих связей /73, 82/.
Этапы проектирования:
1) по исходным данным электродвигателя (максимальному напряжению питания, максимальному пусковому току) выбирается источник энергопитания - ХИТ, который должен работать в режиме разрядки как можно меньшими токами, чтобы обеспечить питание информационной и силовой частей, также термостатировать ХИТ в диапазоне изменения температуры окружающей среды (при уменьшении температуры обычно до +5С часть энергии ХИТа используется для самообогрева);
2) оценивается масса ХИТа. По известным разрядным характеристикам (они прилагаются к каждому конкретному образцу), определяются параметры модели ХИТа и составляется математическая модель привода вместе с выбранным ХИТом;
3) производится оценка статических, динамических и технических параметров привода. Это базовая оценка структуры модели привода с конкретным источником;
4) составляется модель системы «источник - накопитель - электродвигатель», которая позволяет найти выходные технические характеристики исполнительного механизма и определить неизвестный параметр ОИЭП - емкость суперконденсатора, на основании базовой оценки;
5) сравниваются полученные характеристики отработки углов одинаковых значений требуемых отклонений выходного вала АПСУ при питании от ХИТ и ОИЭП, как это делалось в разделе 2.5. Из равенства этих углов находится величина суперконденсатора. По изменению разрядного тока на нагрузку (электродвигатель) определяется величина падения напряжения по за 1 г висимости U0 = — І ідв dt. Исходя из величины разрядного напряжения, на о читается проектирование зарядного устройства.
Для повторно-кратковременного режима время подзарядки должно быть равно времени нахождения привода в зоне покоя. Результаты исследований, проведенных в главе 2 диссертации, показали, что в этом случае с точки зрения энергетической эффективности предпочтительно проектировать приводную систему с объединенным источником энергопитания (ОИЭП), включающую маломощный с достаточным энергозапасом ХИТ и суперконденсатор.
