Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы исследования. Постановка цели и задач 20
1.1. Исполнительные органы рулевых приводов летательных аппаратов специального назначения 20
1.2. Конструктивно-компоновочные схемы системы «рулевой привод - орган управления» 25
1.3. Анализ электрогидравлических следящих приводов с электрогидроусилителями струйного и струйно-золотникового типа 33
1.4. Аналитический обзор работ по проблемам проектирования и расчета СГРМ 51
1.5. Анализ проблемы исследования. Постановка цели и задач 63
Выводы по I главе 66
2. Расчет и моделирование характеристик СГРМ 67
2.1. Разработка математических моделей гидродинамических процессов в проточной части СГРМ 67
2.2. Расчет параметров и статических характеристик СГРМ 82
2.3. Разработка динамической модели СГРМ 97
2.4. Анализ результатов расчета динамических характеристик совместной работы системы «СГРМ - рулевой привод - орган управления ЛА» 139
2.5. Разработка математической модели СГРМ в безразмерных комплексах 163
Выводы по II главе 171
3. Идентификация характеристик СГРМ 173
3.1. Разработка математической модели СГРМ со стохастическими параметрами 175
3.2. Статистический анализ стохастических параметров и характеристик СГРМ 180
3.3. Идентификация статических характеристик СГРМ 185
3.4. Идентификация динамических характеристик СГРМ 190
3.5. Разработка методики идентификации характеристик рулевого привода 212
Выводы по III главе 227
4. Особенности коррекции СГРМ 230
4.1. Разработка математических моделей корректирующих устройств 230
4.2. Расчет устройств коррекции на гидромеханической элементной базе 232
4.3. Разработка устройств коррекции на электронной элементной базе 268
4.4. Синтез систем автоматического управления с эталонными моделями 282
4.5. Систематизация рекомендаций по применению устройств коррекции в перспективных схемах исполнительных гидроприводов 296
Выводы по IV главе 298
5. Верификация характеристик рулевого привода 300
5.1. Разработка основ верификации характеристик РП 300
5.2. Разработка методики экспериментальных исследований характеристик гидравлических приводов на специализированном стенде 303
5.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и верификация результатов численного моделирования рулевых приводов со струйными гидроусилителями 331
5.4. Методологические основы совершенствования методов проектирования СГРМ 337
Выводы по V главе 343
Основные результаты и выводы по работе 345
Список литературы 351
Приложения 366
- Анализ электрогидравлических следящих приводов с электрогидроусилителями струйного и струйно-золотникового типа
- Анализ результатов расчета динамических характеристик совместной работы системы «СГРМ - рулевой привод - орган управления ЛА»
- Разработка методики идентификации характеристик рулевого привода
- Разработка методики экспериментальных исследований характеристик гидравлических приводов на специализированном стенде
Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап совершенствования авиационной и ракетно-космической техники различного назначения, в том числе создание высокоточных систем управления летательными аппаратами (ЛА) или космических промышленных технологий, будет сопровождаться ростом энерговооруженности и усложнением функций управления движением ЛА на траектории полета.
Рулевые приводы (РП) со струйными гидравлическими рулевыми машинами (СГРМ) находят широкое применение в системах управления (СУ) ЛА и энергетических установок (ЭУ), количество и расположение которых на летательном аппарате определяется назначением и конструкцией ЛА, а также типом используемой системы управления.
Отличительными чертами перспективных быстродействующих приводов как объектов управления являются: большое разнообразие установившихся и неустановившихся режимов работы, близость рабочих режимов работы к прочностным, функциональным и температурным ограничениям, значительный разброс параметров, обусловленный одновременным протеканием сложных гидродинамических явлений в проточной части гидроусилителя, широкий диапазон нагрузочных и скоростных условий эксплуатации.
Уровень развития техники и технологий в настоящее время обуславливает разработку совершенно новых типов ЛА и систем управления практически без аналогов и прототипов, что резко усложняет этот процесс. Точность прогнозирования параметров рабочих процессов исполнительных приводов определяется, главным образом, обоснованностью используемых методов расчета параметров и характеристик СГРМ и идентификации моделей, а также конструкторских решений. Все это предопределяет длительные сроки и трудоемкость доводочных работ.
Недостаточный уровень теоретической проработки различных аспектов этих проблем связан, в первую очередь, со сложным характером физических и гидродинамических процессов, протекающих в высоконапорных струйных гидроусилителях (СГУ), с миниатюрностью элементов проточной части СГРМ, влиянием масштабного фактора при проведении численного и физического моделирования, а также с тем обстоятельством, что СГРМ обладают случайным разбросом параметров и характеристик, вызванным технологическими допусками при изготовлении и сборке и влиянием внешних и внутренних факторов.
Возрастающие требования к уровню и качеству параметров и характеристик исполнительных гидроприводов приводят к необходимости совершенствования методов проектирования СГРМ, что позволит решить проблемы получения требуемых статических и динамических характеристик СГРМ на стадиях проектирования и доводки с высокой степенью адекватности моделей реальным объектам и обеспечить сокращение времени их создания, а также обеспечить рациональный выбор, оптимальность и стабильность рассчитываемых параметров и характеристик СГРМ во всем диапазоне сигналов управления и развиваемых усилий и скоростей, требуемое качество переходных процессов.
Цель работы. Целью работы является разработка методологических основ совершенствования и развития методов расчета и проектирования струйных гидравлических рулевых машин и их экспериментальная апробация для улучшения качества и повышения эффективности этапов проектирования и доводки.
Исходя из цели работы, для ее реализации были решены следующие задачи:
-
Разработка методологических основ проектирования рулевого привода с СГРМ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров.
-
Создание новых нелинейных математических моделей, учитывающих технологический разброс параметров и нелинейных характеристик элементов.
-
Разработка метода расчета статических и динамических характеристик одно- и двухкаскадных схем СГРМ на основе разработанных моделей.
-
Разработка метода идентификации характеристик рулевого привода со струйным гидроусилителем.
-
Разработка способов коррекции СГРМ.
-
Проведение комплексных экспериментальных исследований СГРМ, входящих в состав РП ЛА, и верификация результатов численного моделирования.
Методы исследования. Работа основывается на использовании классических теоретических и экспериментальных методов исследования струйных течений, проведения стендовых испытаний, определения внутренних и внешних параметров гидроприводов. Теоретические исследования базируются на научных основах теории машино- и авиаракетостроения, теории проектирования гидроприводов, положений классической и экспериментальной гидромеханики. Использованы численные методы, методы дифференциального и интегрального исчислений, методы теории вероятностей и математической статистики, робастные методы, специальные функции.
Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются разработанные методы и средства математического моделирования СГРМ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров, направленные на повышение качества проектирования и доводки РП с СГУ:
впервые разработаны методологические основы проектирования РП с СГРМ, содержащие методы, методики и соответствующее программное обеспечение, позволяющие повысить эффективность этапов проектирования изделий и сократить время разработки до 30-40%;
разработаны новые нелинейные математические модели СГРМ различных схем, в отличие от существующих позволяющие моделировать, исследовать и прогнозировать различные режимы работы СГРМ с возможностью учета технологического разброса параметров гистерезисных явлений, люфтов, трения, гидродинамического воздействия и других нелинейностей, доступных экспериментальному определению;
разработан метод расчета статических и динамических характеристик одно- и двухкаскадных схем СГРМ;
разработан и реализован метод идентификации характеристик СГРМ, позволяющий прогнозировать характеристики СГРМ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров;
разработаны новые способы коррекции СГРМ на гидромеханической и электронной элементной базе, выработаны рекомендации по целесообразности применения различных способов коррекции;
проведена идентификация результатов экспериментальных исследований, проведена верификация результатов численного моделирования и идентификации статических и динамических характеристик.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
корректном использовании положений классической и экспериментальной гидромеханики;
использовании признанных научных положений, апробированных методов исследования, применением математического аппарата, отвечающего современному уровню;
обработке, обобщении и сравнении результатов многолетних экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований.
В работе использованы экспериментальные материалы Государственного ракетного центра, накопленные более чем за 50 лет разработки и эксплуатации СГРМ, и результаты экспериментальных исследований СГРМ в УГАТУ.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты исследований, разработанные методики проектирования характеристик СГРМ внедрены в промышленности - ОАО УМПО (Уфа), ФГУП НПО "Гидравлика" (Уфа), ОАО ГРЦ имени академика В. П. Макеева (Миасс), ОАО НИИТ (Уфа) и в учебный процесс УГАТУ (Уфа). Разработанные методологические основы проектирования РП с СГРМ и программные продукты для их реализации позволяют повысить эффективность этапов проектирования изделий и снизить временные и финансовые затраты на их доводку и имеют практическую ценность, а именно позволяют:
определять конструктивные параметры, статические и динамические характеристики СГРМ при моделировании, проектировании и доводке с целью удовлетворения требованиям к энергетическим характеристикам, к показателям качества переходных процессов;
рассчитывать статические и динамические характеристики СГРМ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров по разным информационным массивам;
осуществлять комплексные экспериментальные исследования характеристик СГРМ на основе разработанных методик идентификации и верификации;
совершенствовать процесс доводки параметров и характеристик СГРМ применением устройств коррекции на гидромеханической и электронной элементной базе с использованием современных компьютерных технологий при проектировании серийных изделий.
На защиту выносятся:
-
Методологические основы проектирования рулевых приводов со СГРМ.
-
Математические модели и методики расчетов параметров и характеристик СГРМ, позволяющие моделировать, исследовать и прогнозировать различные режимы работы СГРМ с возможностью учета гистерезисных явле-
ний, люфтов, трения, гидродинамического воздействия и других нелинейно-стей, доступных экспериментальному определению.
-
Метод расчета статических и динамических характеристик одно- и двух-каскадных схем СГРМ.
-
Метод идентификации характеристик СГРМ.
-
Способы коррекции СГРМ, математические модели корректирующих устройств на гидромеханической и электронной элементной базе.
-
Методика верификации результатов численного моделирования и идентификации статических и динамических характеристик СГРМ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Межотраслевом семинаре «Ракетно-космическая техника» (г. Миасс, 1996); Международной НТК «Гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика» (г. Москва, 1996); Всероссийской молодежной НТК «Проблемы энергомашиностроения» (г. Уфа, 1996); Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения в Поволжском регионе» (г. Самара, 1997); Всероссийской молодежной НТК «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы» (г. Уфа, 1997); 50-й НТК профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЮУрГУ (г. Челябинск, 1998); Международной НТК «Современные аспекты гидроаэродинамики» (г. Санкт-Петербург, 1998); Всероссийской молодежной НТК «Регулируемые твердотопливные установки» (г. Пермь, 1998); Международной НТК «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации» (г. Москва, 1999); НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 99» (г. Пермь, 1999); Научно-техническом семинаре «Газоструйные импульсные системы» (г. Ижевск, 1999); Международной НТК «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 1999); Всероссийской НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (г. Пермь, 2000-2003 гг.); Всероссийской НТК «Газоструйные импульсные системы» (г. Ижевск, 2000-2003 гг.); Всероссийской НТК «Гидравлика и гидропневмоси-стемы» (г. Челябинск, 2005); Международной НТК «Гидропневмоавтоматика и гидропривод- 2005» (г. Ковров, 2005); Российской НТК «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2006), УЛИЦ «Гидропневмоавтоматика» (г. Уфа, 2007-2009 гг.).
Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи в работе сформулированы лично автором. Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период с 1996 по 2009 годы.
Основные положения, методики и результаты работы получены и апробированы в ходе реализации гранта Министерства образования РФ (1994-2006 гг.) Проект: «Разработка и исследование струйных гидравлических рулевых машин систем автоматического управления летательных аппаратов», гранта 2002-2005 гг. «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: транспорт. Раздел: транспортные ракетно-космические системы», НИР УГАТУ совместно с Государственным ракетным центром «КБ им. акад. В. П. Макеева» (г. Миасс) по исследованию гидродинамических явлений в системах управления энергетических установок и НПО «Машиностроитель» (г. Москва), госбюджетной НИР «Разработка тео-
ретических основ рабочих процессов перспективных энергонапряженных машин и установок» (2002-2004 гг.), № 01200209368, госбюджетной НИР «Разработка и исследование ракетных двигателей твердого топлива с глубоким регулированием модуля тяги и многократным включением» (2005-2007 гг.), № 02200502887, госбюджетной НИР «Исследование теплофизических и гидродинамических процессов и разработка теории перспективных энергонапряженных двигателей и энергетических установок» (2008-2009 гг.), № 01200802934, грант Федерального агентства по образованию «Электрогидравлические системы управления регулируемой двигательной установкой твердого топлива многократного включения» (2009-2011 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 54 печатных работы, в том числе в 15 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, в 1 монографии, в 2 учебных пособиях с грифом УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области гидравлической, вакуумной и компрессорной техники. Получены 5 патентов РФ по совершенствованию конструкций СГРМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 365 страниц машинописного текста, библиографический список из 172 наименований, приложений.
Анализ электрогидравлических следящих приводов с электрогидроусилителями струйного и струйно-золотникового типа
Одной из систем маршевых РДТТ баллистических ракет, во многом определяющий облик и основные особенности энергетической установки (ЭУ), является система рулевой привод - исполнительный орган управления вектором тяги (система РП — ОУ).
В маршевых РДТТ современных баллистических ракет в качестве исполнительного органа управления вектором тяги преимущественно используются центральные ПУС [5, 45, 55, 63, 64, 116, 117, 130, 143, 171]. Основными достоинствами управляющих сопел по сравнению с другими возможными устройствами и системами управления вектором тяги, например, такими как, вдув газа, впрыск жидкости в закритическую часть сопла, газовые рули и др., являются малые потери энергетики двигателя на создание боковых управляющих сил, относительная простота и надежность конструкции. Основные особенности конструкции ПУС определяются, прежде всего, узлом подвеса и уплотнениями стыка подвижной и неподвижной части сопла. Известен целый ряд возможных схем узлов подвеса центральных управляющих сопел [5, 115, 116, 117]: гидроподвес; гидроплунжерная опора; эластичный опорный шарнир (ЭОШ) и др.
Из указанных возможных схем узлов подвеса ПУС наиболее широкое применение в зарубежном ракетном двигателестроении (РДТТ ракет США "Посейдон", "Трайдент-1, 2", "М-х" и др.), а в последнее время и в отечественных разработках находит эластичный опорный шарнир [141], как наиболее простой в конструктивной реализации и имеющий минимальную массу.
РП отклонения ПУС маршевых РДТТ, как правило, состоит из автономного источника питания (АИЛ) и гидравлических рулевых машин (РМ). РМ состоят из золотниковых или струйных электрогидравлических распределителей и силовых гидроцилиндров (ГЦ).
В общем случае автономный источник питания содержит энергоноситель, устройство для хранения энергоносителя, устройство задействования и реактор (рис. 1.7) [115]. В качестве энергоносителя используется сжатый газ, химическое или ядерное топливо. Устройство для хранения энергоносителя может иметь различную конструкцию в зависимости от свойств энергоносителя и в простейшем случае применения сжатого газа им является емкость для его хранения. В устройстве задействования источника энергии входят устройства, обеспечивающие переход его от состояния готовности к работе и при необходимости обратно, устройства подачи топлива в реактор и устройства регулирования работы источника энергии с требуемыми параметрами. В случае применения твердотопливного газогенератора устройством задействования является воспламенитель топлива, а в случае жидкостного газогенератора с турбонасосной подачей топлива в устройство задействования входит также турбонасосная система подачи и устройства регулирования. Реактор представляет собой устройство, где и с помощью которого происходит выделение энергии. В жидкостном источнике газа таким реактором является газогенератор, где происходит смешение и сгорание топлива. Следует отметить, что в газовом аккумуляторе реактор вообще отсутствует, а в твердотопливном газогенераторе камера хранения топлива выполняет роль реактора (рис 1.8). В рулевых приводах, используемых в авиации и ракетостроении, широкое распространение получили твердотопливные газогенераторы (рис. 1.8), газовые и электрические аккумуляторы (рис. 1.9, а, б), как наиболее простые, надежные и имеющие наилучшие массогабаритные показатели, по сравнению с остальными источниками питания [115, 116]. Принципиальные схемы гидравлических источников питания приведены нарис. 1.10. Газогидравлические источники питания (рис. 1.10, б, в, г, д) строятся по схеме [115]: газовый источник энергии - газовый двигатель - гидравлический насос. В качестве газового источника энергии могут быть применены твердотопливный (рис. 1.10) или жидкостный газогенератор, газовый аккумулятор (рис. 1.10, а) и многоцелевой источник энергии. Газовый двигатель может быть выполнен в виде турбины (рис. 1.10, б, е, г) или поршневого двигателя (рис. 1.10, г). В источниках питания с небольшим временем работы газовый двигатель и насос могут быть объединены в единый блок в виде газогидравлического вытеснителя (рис. 1.10, д). Источники питания с твердотопливным газогенератором имеют время работы не более нескольких минут и практически постоянный расход энергии независимо от нагрузки. КПД твердотопливных газогенераторов обычно не превышает 0,7..0,8 по причине тепловых потерь. Жидкостные газогенераторы позволяют увеличить время работы источников питания до нескольких десятков минут. Кроме того, они позволяют производить регулировку подачи топлива в камеру сгорания в зависимости от давления на входе. КПД таких источников энергии несколько ниже, чем у твердотопливных газогенераторов, и составляет 0,6...0,7. В качестве газового двигателя чаще применяются турбины с числом оборотов до 100000 в минуту, которое поддерживается постоянным с помощью центробежного регулятора или регулируется по давлению на выходе насоса за счет изменения количества газа, подаваемого на вход в турбину. КПД таких турбин равен 0,3...0,4.
Анализ результатов расчета динамических характеристик совместной работы системы «СГРМ - рулевой привод - орган управления ЛА»
Анализ литературы по вопросам исследования статических характеристик СГУ и влияния на них геометрических параметров струйных элементов [31, 55-59, 86, 120, 158, 149, 150, 156] показывает, что работы, характеризующие миниатюрные гидравлические струйные элементы высокого давления, содержат порой противоречивые рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров и не всегда учитывают особенности гидродинамических процессов в проточной части СГУ.
Очень мало внимания уделяется вопросам проектирования СГУ с учетом случайного разброса параметров [15, 108,114]. Так, например, в работе [114] статистическая оценка разброса параметров привода проводится лишь на качественном уровне и не позволяет судить об изменении количественных параметров исследуемого гидропривода.
Метод параметрической идентификации рассматривается в [НО] применительно к низкотемпературным газогенераторам, использование подобного подхода применительно к СГРМ позволит проводить идентификацию характеристик СГРМ с учетом специфики их назначения и применения, т.е. в условиях малых объемов выборок экспериментальных данных.
Обзор теоретических исследований, посвященных вопросам разработки и проектирования СГУ и входящих в состав СГРМ [4, 6, 16, 26-33, 53-59, 86-88, 116], показывает, что имеющиеся методы расчета СГРМ нуждаются в совершенствовании и дальнейшем развитии.
Теоретические исследования динамических характеристик электрогидравлического следящего привода со струйным гидрораспределителем с дополнительными обратными связями [6] необходимо подтвердить экспериментальными исследованиями. Таким образом, обзор научно-технической литературы по вопросам проектирования струйных гидравлических рулевых машин [4, 6, 16, 26-33, 53-59, 86, 87, 88, 116] показывает, что, несмотря на достаточно большое количество публикаций по струйной технике, теория проектирования гидроприводов с высоконапорными одно- и двухкаскадными гидроусилителями не достигла законченного научного и инженерного уровня, использование более совершенных алгоритмов управления, развитие электронных технологий создают предпосылки для широкого внедрения методов математического моделирования для задач оптимального использования рулевых приводов в качестве исполнительных механизмов органов управления ЛА. Анализ обзора литературы по вопросам проектирования СГРМ обуславливает актуальность исследований, посвященных разработке методов и средств математического моделирования параметров и характеристик СГРМ с учетом значимых нелинейностей, доступных экспериментальному определению, разработке математических моделей устройств коррекции, которые позволят решить проблему получения требуемых динамических характеристик СГРМ на стадиях проектирования и доводки с использованием статистических методов с высокой степенью адекватности моделей реальному объекту и сокращения времени их создания. Цель работы — разработка методологических основ совершенствования и развития методов расчета и проектирования струйных гидравлических рулевых машин и их экспериментальная апробация для улучшения качества и повышения эффективности этапов проектирования и доводки. Задачи исследований: Исходя из цели работы, для ее реализации были выбраны следующие направления исследований: 1. Разработка методологических основ проектирования рулевого привода с СГРМ с учетом влияния стохастического характера изменения параметров. Методологические основы проектирования рулевого привода с СГРМ позволят сократить время проектирования, улучшить качество и повысить эффективность этапов проектирования и доводки РП для улучшения качества их функционирования в широком диапазоне скоростных и нагрузочных условий эксплуатации. 2. Создание новых нелинейных математических моделей, учитывающих технологический разброс параметров и нелинейных характеристик элементов. Новые нелинейные математические модели необходимы для более адекватного описания процессов и явлений, протекающих при функционировании СГРМ, учитывающего гистерезисные явления, люфты, трение, гидродинамическое воздействие и другие характерные нелинейности. 3. Разработка метода расчета статических и динамических характеристик одно- и двухкаскадных схем СГРМ на основе разработанных моделей. Разработка метода расчета характеристик СГРМ позволит на основе разработанных математических моделей рассчитывать статические и динамические характеристики для всей номенклатуры серийно выпускаемых и перспективных рулевых машин. 4. Разработка метода идентификации характеристик рулевого привода со струйным гидроусилителем. Метод идентификации необходим для расчета параметров и характеристик СГРМ с учетом случайного характера изменения стохастических коэффициентов. 5. Разработка способов коррекции СГРМ. Коррекция СГРМ позволит повысить качество динамических характеристик и сократить сроки доводочных работ по настройке и отладке параметров и характеристик СГРМ в условиях серийного производства. 6. Проведение комплексных экспериментальных исследований СГРМ, входящих в состав РП ЛА, и верификация результатов, численного моделирования. Верификация характеристик СГРМ необходима для подтверждения адекватности разрабатываемых моделей и методик расчета.
Разработка методики идентификации характеристик рулевого привода
Разработаны математические модели СГРМ однокаскадной и двухкаскаднои схем. В отличие от существующих, они позволяют производить численное моделирование РП с возможностью учета гистерезисных явлений, люфтов, трения, гидродинамического воздействия и других характерных нелинейностей, доступных экспериментальному определению, и основываются на численном методе решения систем дифференциальных уравнений.
На основе разработанных математических моделей предложен метод расчета статических и динамических характеристик СГРМ.
Рассмотрено влияние на петлю гистерезиса магнитной проницаемости конструкционных материалов и приведенной температуры переменного внешнего поля. Выявлено, что для уменьшения ширины петли гистерезиса целесообразно применение магнитомягких материалов с малой коэрцитивной силой. Показано, что понижение приведенной температуры поля до 0=5 приводит к увеличению кривизны петли гистерезиса, сопровождающемуся возникновением зоны насыщения характеристики намагниченности системы в области 60 + 65 % от максимального сигнала управления и, как следствие, выраженному нелинейному характеру управляющей характеристики СГРМ.
Показано, что геометрические параметры управляющего устройства (ЭМП), определяющие момент инерции подвижных частей, влияют на вид переходного процесса в ЭМП при отработке управляющего сигнала и могут вызывать колебания в управляющем контуре. Разработана и реализована на ЭВМ методика расчета рабочих площадей нагнетания и слива в проточной части СГР с учетом ГДВ взаимодействующих потоков в струйной камере. Установлено, что ГДВ взаимодействующих потоков в СГУ приводит к появлению зоны насыщения при z = 0.716 ч- 0.72. Общая поправка в расчет статических характеристик СГРМ достигает 28 %. По результатам обработки, обобщения и анализа результатов экспериментальных исследований СГРМ предложена эмпирическая зависимость по определению коэффициента расхода ц0 в СГР. Предложенная зависимость позволяет рассчитывать коэффициент расхода СГР для всего номенклатурного ряда СГРМ во всем эксплуатационном диапазоне командных токов и развиваемых усилий с погрешностью в среднем не более 5%. Разработана и реализована на ЭВМ с использованием эмпирических зависимостей программа расчета сил граничного и жидкостного трения в элементах рулевого привода. Она позволяет проводить расчет коэффициента трения с учетом физико-химических свойств конструкционных материалов, шероховатости поверхностей, рабочих температур и развиваемых скоростей, особенностей технологии сборки элементов гидропривода. Численное моделирование параметров СГРМ показывает, что силы трения могут достигать значительных величин (до 400 + 500 Н), и учет сил трения вносит поправку в существующие расчеты 4 + 6%. Разработана математическая модель люфта, позволяющая оценивать влияние закладываемых при совершенствовании существующих и проектировании перспективных образцов исполнительных гидроприводов допусков и люфтов на динамические показатели РП. Выявлено, что для обеспечения требуемого качества переходных процессов что люфт в силовой проводке должен находиться в пределах технологических допусков на сборку изделий О д 0.2лш), уменьшение жесткости силовой проводки, вызванное например возникновением отказа, неисправностью в уплотнении узла ПУС, старением конструкционных материалов, приводит к появлению колебаний и, как следствие, флуктуации параметров ЭГСП и снижению точности позиционирования объекта управления. Выполнен анализ результатов расчета динамических характеристик совместной работы системы «СГРМ - РП - орган управления ЛА». Выполнено численное моделирование влияния на динамику привода расхода рабочей жидкости, перепада давлений в полостях исполнительного гидродвигателя, нежесткости силовой проводки, трения в элементах привода, нагрузки. I Показана возможность применения разработанных математических моделей для всей номенклатуры серийно выпускаемых и перспективных рулевых машин за счет использования безразмерных комплексов.
Разработанные математические модели являются «открытыми и позволяют в случае необходимости учитывать в них различные внешние и внутренние факторы, влияющие на статические и динамические характеристики ЭГСП, учет которых повысит адекватность математических моделей реальным объектам с протекающими в них физическими и гидродинамическими процессами.
Под идентификацией характеристик СГРМ понимается процесс численного моделирования, позволяющий учитывать и определять степень влияния различных величин, внешних и внутренних факторов, на параметры и характеристики СГРМ с необходимой степенью адекватности реальной СГРМ [84, 87, 88].
В зависимости от априорной информации об объекте моделирования различают- задачи идентификации в узком и широком смысле. Задача идентификации в узком смысле состоит в оценивании параметров и состояния системы по результатам исследований входных и выходных переменных в условиях функционирования объекта. При этом известна структура системы и задан класс моделей, к которому объект относится. Априорная информация об исследуемом объекте достаточна велика.
Априорная информация об объекте при идентификации в широком смысле отсутствует или очень бедная, поэтому приходится предварительно решать большое число дополнительных задач. К этим задачам относятся: выбор структуры системы и задание класса моделей, оценивание степени стационарности и линейности объекта и действующих переменных, оценивание степени и формы влияния входных параметров на выходные, выбор информативных переменных и др.
Разработка методики экспериментальных исследований характеристик гидравлических приводов на специализированном стенде
Диагностическая проверка математической модели начинается с принятия допущений и ограничений к математической модели со стохастическими параметрами. Допущения к модели СГРМ со стохастическими параметрами в зависимости от требуемой адекватности определяют количество уровней в иерархической математической модели СГРМ, метод обработки данных, статистические оценки стохастических параметров и коэффициентов. Ограничения к математической модели СГРМ определяют объем выборок экспериментальных данных, подлежащих статистической обработке, предельные значения ряда параметров в перечне исходных данных и максимально допустимый разброс параметров, коэффициентов и характеристик СГРМ.
Поэтапное введение в математическую модель параметров и коэффициентов со случайным разбросом значений позволяет получить статистические оценки (математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратичное отклонение, плотность распределения вероятности и т.д.) характеристик СГРМ.
Тестирование модели на предмет чувствительности к количеству и статистическим оценкам стохастических параметров, учитываемых в модели СГРМ, позволяет определить перечень параметров и коэффициентов, которые оказывают значимое и несущественное влияние на разброс характеристик СГРМ. В процессе тестирования модели на предмет чувствительности определяется диапазон изменения характеристик СГРМ как функций от параметров и коэффициентов, оказывающих существенное влияние на разброс значений, а также вероятность наступления данного события.
Отладка математических моделей СГРМ со стохастическими параметрами и коэффициентами заключается в уточнении расчетной схемы СГРМ, перечне и содержании уравнений математической модели СГРМ, в уточнении исходных данных к расчетам, допущений и ограничений к модели, методах статистической обработки имеющихся экспериментальных данных. В процессе отладки уточняется и, в случае необходимости, изменяется и дополняется перечень стохастических параметров и коэффициентов, оказывающих существенное влияние на случайный разброс характеристик СГРМ. Обязательной процедурой при отладке математических моделей СГРМ является сопоставление результатов численного моделирования с допущениями и ограничениями, накладываемыми на математическую модель, на предмет соответствия.
Анализ полученных результатов проводится после обработки и обобщения результатов численных и экспериментальных исследований и сравнения результатов численных и экспериментальных исследований с целью валидации разработанных математических моделей СГРМ. Выбор метода статистической обработки экспериментальных данных должен обосновываться соответствующими объемами выборок, а также сравнением результатов статистической обработки с экспериментальными данными. В случае отсутствия экспериментальных данных целесообразно проведение обзора и анализа научно-технической, нормативной и иной документации по результатам численных и экспериментальных исследований в данной области. Например, анализ статистического материала показывает, среднее значение стохастического коэффициента составляет ixhfAT, а среднеквадратичное отклонение с приемлемой точностью можно определять по зависимости вида:
Далее, с учетом статистических параметров стохастических коэффициентов (3.79) определяются точки экстремума и рассчитываются минимальные и максимальные значения статических и динамических характеристик.
В случае необходимости осуществляется доработка математической модели на предмет уточнения перечня стохастических коэффициентов, определения их статистических параметров с последующим тестированием модели на чувствительность к случайному разбросу значений стохастических параметров и коэффициентов, выработка рекомендаций по использованию разработанных математических моделей СГРМ с указанием необходимых ограничений по моделированию и использованию результатов.
Рассмотрены этапы идентификации характеристик СГРМ и возможные варианты применения параметрических методов статистической обработки экспериментальных данных в зависимости от объемов выборок.
Полученные результаты показывают, что использование различных критериев и экспресс-оценок не всегда позволяет однозначно определить на примере одной конкретной выборки результатов экспериментальных исследований целесообразность и оптимальность использования закона нормального распределения при статистической обработке. Закон нормального распределения целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо учитывать разброс значений параметров, обусловленный технологическими допусками при изготовлении и сборке изделий, процессами старения и износа, накоплением усталостных повреждений и возникновением параметрических отказов. Если закон распределения отличается от нормального или о нем ничего не известно, то целесообразно использование робастных методов или методов непараметрической статистики.
