Исследование и проектирование элементов обратных связей систем управления динамическими стендами авиационных тренажеров

Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ СТЕНДАМИ АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

Проблемы обеспечения высокого качества имитационной модели акселерационной обстановки для обучающего экипажа при постоянном повышении точности, надежности и производительности является особенностью современного этапа развития авиационных тренажеров. Успешное их решение в значительной степени зависит от исполь зования приводных устройств динамических стендов (ДС), плавности их хода, отсутствию люфтов, сухого трения и т.д., при должном уровне информационного обеспечения.

Высокие требования к выходным характеристикам ДС предопределяет преимущественное развитие система автоматического управления с многоконтурной обратной связью [1]. Одним из основных ее элементов по контуру обратной связи является информационно-измерительная система, включающая в себя преобразователь параметров движения (ППД) гидропривода, которая осуществляет измерение и обработку первичной информации через механические и гидравлические величины (перемещение, скорость, ускорение, давление) в ходе выполнения процесса обучения на тренажере и формирование информационных потоков, значимость которых отражается в показателях точности и достоверности отработки акселерационной информации.

Проведен системный анализ и исследования первичных и вторичных преобразователей, обеспечивающих формирование сигналов обратных связей гидропривода по перемещению Ь, скорости V, ускорению G и давлению Р в гидроцилиндре. На основе системного анализа элементов систем управления определены требования к датчикам обратных связей [2].

Как показал сравнительный анализ возможных способов измерения параметров движения, наиболее эффективными для измерения перемещения и скорости в СУ динамическими стендами являются магнито-стрикционные преобразователи, которые и были приняты за основу при формировании сигналов обратных связей в системах управления гидропривода ДС авиационных тренажёров. Для измерения ускорения использован способ косвенного определения ускорения по перепаду давления в гидроцилиндре. Для формирования сигнала обратной связи с целью компенсации веса платформы в систему автоматического регулирования каждого привода введён датчик давления.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований для систем управления гидравлическими приводами разработан многофункциональный преобразователь параметров движения, конструктивно совмещённый с трехполостным гидроцилиндром рис. 1.

Рис. 1 Многофункциональный преобразователь параметров движения гидропривода

В состав ППД входят:

магнитострикционный преобразователь перемещений и скорости (МППС), который включает в себя первичный преобразователь перемещения и скорости (ПППС) с постоянным магнитом (ПМ) и вторичный преобразователь перемещения и скорости (ВППС);

преобразователь сигнала ускорения (ПСУ), объединяющий датчик перепада давления (ДПД) и формирователь сигнала ускорения (ФСУ);

преобразователь сигнала давления (ПСД), состоящий из датчика давления (ДД) и формирователя сигнала давления (ФСД).

Разработана методика выбора и проектирования ППД гидропривода, основанная на систематизации требований, предъявляемых к многофункциональному преобразователю по перемещению, скорости и ускорению. Наличие в системе управления наряду с контуром управления перемещением гидропривода второго контура регулирования давления обуславливает необходимость выбора датчика давления.

Преобразователи параметров движения рассмотрены как элементы систем управления, как система взаимосвязанных элементов, как объекты управления (рис. 2).

На рисунке обозначены: У - совокупность входных управляющих воздействий; Z(/) - совокупность внешних возмущающих воздействий; X () - совокупность выходных управляемых координат; ©(О

- совокупность внутренних параметров ППД.

Управляющие воздействия У (О - это механические и гидравлические воздействия со стороны объекта управления на ППД, которые характеризуются следующей совокупностью признаков:

Yi< t)

Y2

Y3

Y3

Y4I t)

величиной перемещения £Гд штока гидропривода; скоростью перемещения Угп штока гидропривода; ускорением перемещения Сгп штока гидропривода;

направлением перемещения, скорости и ускорения штока гидропривода; давлением Ркомп. в компенсационной полости гидропривода.

Рис. 2 Многофункциональный преобразователь параметров движения гидропривода

как объект управления

Результат преобразования информации, содержащейся во входных воздействиях ППД, представляется

в виде цифровых электрических сигналов. В качестве основных выходных управляемых координат X () ППД используются сигналы вида:

.ХхШ - ^-разрядный двоичный код пропорциональный величине и направлению перемещения штока

гидропривода;

Х2( V) - ^-разрядный двоичный код пропорциональный скорости перемещения штока гидропривода;

Хз( О) - ^-разрядный двоичный код пропорциональный ускорению перемещения штока гидропривода;

Х4 (Р) - ^-разрядный двоичный код пропорциональный давлению в компенсационной полости гидропри-

вода;

На внутренние параметры Z (t) преобразователя в той или иной степени оказывают влияние внешние возмущающие воздействия, в результате чего выходные характеристики ППД могут искажаться. Наиболее существенное влияние оказывают:

Zi(t) - температуры рабочей жидкости и окружающей среды;

Z2 (t) - синусоидальная вибрация по трем осям координат;

Zs(t') - ударные механические и гидравлические воздействия;

Z4 (t) - акустические воздействия;

Z5(t) - давление в рабочих и компенсационных полостях гидропривода;

Z6(t) - вес подвижной платформы динамического стенда;

Zv(t) - перемещение, скорость и ускорение штока гидропривода;

Za(t) - агрессивная среда рабочей жидкости;

Zg(t) - старение (технический ресурс).

Выделение наиболее значимых факторов, влияющих на основные характеристики преобразователя, позволило определить пути их нейтрализации, т.е. поставить задачу проектирования ППД, инвариантных к возмущающим воздействиям. Среди основных воздействий выделены наиболее значимыми следующие факторы: температурные ( + 5...+ 85 °С); вибрационные (синусоидальная вибрация по трем осям в течение 5 00 ч: 2,5 мм в диапазоне 5.10 Гц; 2 g - 20 Гц; 1 g в диапазоне 10.100 Гц;; 0,5 g в диапазоне 10 0.500 Гц); ударные механические (100 g - единичное воздействие через 2 мс) и гидравлические (60 МПа через 2 мс) воздействия; акустические (7 0 дБА) воздействия; давление в рабочих (20 МПа) и компенсационной полостях гидроцилиндра (1.7 МПа); вес подвижной платформы ДС (до 4 5 кН); перемещение (0.1000 мм), скорость (0,001.0,8 м/с) и ускорение (до 8 м/с2) штока гидроцилиндра; агрессивная среда рабочей жидкости (авиационное масло АМГ-10); средняя наработка на отказ - не менее 50000 часов; средний ресурс - не менее 16000 часов в течение 17 лет; непрерывная работа в течение 16 часов с перерывом на один час перед продолжением последующих работ.

Таким образом, как объект управления ППД - это информационный преобразователь о механических и гидравлических воздействиях в цифровые электрические сигналы. Основные требования, предъявляемые к ППД как к объекту управления - это обеспечение высоких показателей точности, быстродействия и помехозащищенности.

Для совершенствования и улучшения технических и эксплуатационных характеристик ППД следует руководствоваться методикой проектирования, требованиями к ППД и его составным частям, условиям

эксплуатации, в которых будет работать преобразователь [3]. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

выявление факторов, ограничивающих применение ППД в условиях эксплуатации ДС авиационного тренажера, системный анализ перспективных путей совершенствования ППД;

разработка математических моделей, позволяющих оценить метрологические и эксплуатационные характеристики ППД;

исследование и систематизация способов нейтрализации внешних возмущающих воздействий на работу ППД, разработка способов и устройств уменьшения влияния этих воздействий на работу преобразователя;

исследование и разработка конструктивных и технологических способов улучшения эксплуатационных и метрологических характеристик ППД;

разработка специализированных экспериментальных установок и методики проведения комплексных исследований по оценке и обоснованию технико-экономических и эксплуатационных характеристик ППД;

экспериментальные исследования ППД в составе СУ динамического стенда.

При исследованиях ППД применялись как методы физического моделирования, так и методы моделирования на ЭВМ. Следует отметить, что достоверные исследования физических закономерностей механизмов преобразования энергии, конструктивных и технологических особенностей ППД возможно только на основе экспериментальных исследований. Учитывая вероятностный характер воздействий, получение математических моделей и обработку результатов эксперимента проводились на основе методов статистических исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прошин И.А., Прошкин В.Н., Тимаков В.М. Математическое моделирование гидроприводов авиационных тренажеров Надежность и качество. (I том) Труды международного симпозиума. Пенза, ПГУ,

2008. - С. 469 - 422.

2. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Системный анализ магнитострикционных преобразователей параметров движений на крутильных магнитоупругих волнах для тренажеров транспортных средств Надежность и качество. (I том) Труды международного симпозиума. Пенза, ПГУ, 2008. - С. 458 - 462.

3. Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствования магнитострикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: Дис...канд. техн. наук.

- Астрахань. 2007. - 173 с.