Формализованный синтез конструктивных схем устройств и агрегатов газодинамических систем управления летательными аппаратами

Список литературы

1. Александров А.В., Александров В.С., Морозова Е.В. Поисковое конструирование регулирующих, распределительных и исполнительных устройств и агрегатов пневмогидроавтоматики. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 246 с.

2. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И.. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.

V.A. Zuykov, A.A. Vasilyev

SCHEMES OF CONSTRUCTION MULTIPURPORSE GASDYNAMIC AGGREGATES CONTROL SYSTEMS OF HIGH-ALTITUDE FLYING DEVICES

The questions of heuristic search designing of devices and units of gas automatics with the purpose of the subsequent maintenance of the formalized structural synthesis of their families are considered.

Key words: the high-altitude flying device, control systems, devices of gas automatics, search of technical decisions.

Получено 17.10.12

УДК 681.5.013+621.646

В.А. Зуйков, асп.,

ФОРМАЛИЗОВАННЫЙ СИНТЕЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ УСТРОЙСТВ И АГРЕГАТОВ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

Рассматриваются вопросы формализации поискового конструирования устройств и агрегатов газовой автоматики на основе обобщённых фрагментов их структур.

Ключевые слова: газодинамические системы управления, устройства и агрегаты газовой автоматики, конструктивные схемы, формализованный структурный синтез.

Опыт использования эвристических приемов структурного синтеза устройств и агрегатов газовой автоматики и попытки их формализации привели к необходимости разработки комбинированного метода, в котором эвристический способ применяется в основном для предварительного поиска схемных решений и неявных структур конструируемых объектов, а формализованный метод - для эквивалентного преобразования неявных элементных структур в соответствующие семейства модульных явных структур с помощью математического аппарата контекстно-свободной формальной порождающей грамматики: матрицы Г соединяемых контак-

тов внутренних элементных модулей и вектора щ соответствия несоединенных контактов модулей и контактов объекта в целом [1].

В соответствии с комбинированным методом в данной работе в качестве исходных были использованы известные и синтезированные эвристически новые схемные решения устройств и агрегатов систем газоснабжения (СГС) и регулируемых газодинамических исполнительных устройств (РГИУ) систем управления летательными аппаратами (СУЛА) [1], в том числе с настройкой на заданное низкое давление и управляющее усилие как с помощью регулируемых односторонних пружинных двигателей (ОПД), так и дополнительных механических подвижных деталей (МПД) односторонних газораспределителей (ОГР) с управлением на входе, на выходе и на входе и выходе (ОГР-а,-б,-в).

Для обеспечения единообразного морфологического описания устройств и агрегатов были введены в рассмотрение обобщенные фрагменты их структур рис. 1 (а-з), позволившие синтезировать схемные решения и неявные структуры конструируемых объектов посредством формирования у фрагментов характерных для объектов совокупностей контактов (каналов связи рабочей и вспомогательной (КСР и КСВ) полостей односторонних газовых двигателей (ОГД), сплошных торцевых и полых цилиндрических штоков ОГР и ОГД, дросселей и каналов подвода, отвода и сброса (ДП, ДО, ДС и КП, КО, КС) ОГР, элементов подвода командного сигнала (ЭПКС) электромеханических преобразователей (ЭМП) и других), а также за счет присоединения к фрагментам других элементных и блочных модулей для построения более сложных многоэлементных объектов.

На рис. 1 в качестве примера приведены полученные с помощью типовых явных модулей графические изображения неявных структур №1-1У обобщенных фрагментов с положительной и отрицательной обратными связями (ПС и ОС) по давлению и перемещению соединенной с ОГД и несоединенной МПД регулирующих ОГР-а, -б (ФР-а, -б). Они построены посредством соединения полых штоков МПД ОГР-а, -б и блочных модулей «ОГД+ОПД» с черной или белой пружинами, а также сообщения канала отвода газа из рабочей полости сброса (КОС2) ОГР-а или полости подвода (КОП2) ОГР-б с каналом КСР ОГД. К каналу КСВ в различных схемных решениях может подводиться атмосферное РА или управляющее давление РУ (рис. 1, а, б, д, е), высокое давление источника РИ (рис. 1, в, г, ж, з), давления вспомогательных полостей подвода (П) РП ОГР-а или сброса (С) РС ОГР-б. Заметим, что вместо контактов КП, ДС, КОС1 и КОС2 ОГР-а (рис. 1, а-г) в ОГР-б используются, соответственно, контакты ДП, КС и каналы отвода газа из рабочей полости подвода КОП1 и КОП2 (рис. 1, д-з).

Для обеспечения направленного синтеза устройств и агрегатов с определенными функциональными свойствами (ф-свойствами) семейства функциональных модулей (ф-модулей) ОГР-а, -б описываются сочетаниями функциональных признаков (ф-признаков) НП, ВП, НС или ВС (рис. 1), первый из которых отражает направление движения штока МПД под соб-

ственным воздействием газа: наружу (Н) из корпуса модуля или внутрь (В), а второй - характер изменения давления в рабочей полости при этом перемещении штока: повышение (П) или сброс (С) [1].

Функциональные блоки (ФБ) ОГД+ОПД описываются в общем случае сочетаниями ф-признаков ОГД: НП, ВП, НС или ВС, отражающими направление движения штока: наружу (Н) или внутрь (В) при необходимом повышении (П) (рис. 1, а, б, д, е) или сбросе (С) (рис. 1, в, г, ж, з) давления в рабочей полости, и сочетаниями ф-признаков совмещенного ОПД: РН, РВ, ВН, ВВ, характеризующими расположение пружины в рабочей (Р) или вспомогательной (В) полостях двигателя и направление движения его штока под действием силы сжатой пружины: наружу (Н) или внутрь (В).

Следует отметить, что фрагменты с ОГР-а,-б и ОС по существу являются задатчиками давления (ЗД-а,-б), которые могут поддерживать в потребителе, присоединенном, соответственно, к каналам отвода КОС1 и КОП1, настроенные с помощью ОПД уровни низкого давления РН и высокого давления РВ, а также осуществлять дистанционную настройку и изменять эти уровни за счет программного перемещения несоединенной с ОГД дополнительной настроечной МПД ОГР-а,-б (затвора) электроприводом или ЭМП.

При исключении из ЗД-а,-б каналов отвода КОС1 и КОП1 образуются замкнутые ОС исполнительные следящие односторонние газовые приводы (ОГП) с кинематическим взаимодействием (ОГПВ-а,-б) МПД ОГД и ОГР-а,-б. В этом случае действие ОС проявляется в том, что при перемещении несоединенной МПД ОГР-а,-б в некотором направлении поршень ОГД перемещается на соответствующее расстояние в том же направлении. На основе ОГПВ могут быть синтезированы и разомкнутые ОГП без (Б) взаимодействия (ОГПБ-а,-б) указанных выше МПД, а также двусторонние газовые приводы.

Если в ЗД-а исключить дроссель сброса ДС ОГР-а, а в ЗД-б заменить ДП на КП, то образуются соответственно регуляторы давления (РД-а) и сбросовые устройства (СУ-б) с ОС и настройкой на заданные давления с помощью регулируемого ОПД или настроечной МПД. В случае эвристического синтеза многоэлементных объектов к обобщенным фрагментам присоединяются дополнительные элементы [1, 2].

Проведенный на рис. 1 комбинаторный структурный анализ обобщенных фрагментов позволил выявить определенные закономерности в разрешенных сочетаниях ф-признаков соединяемых штоков клапанных и золотниковых ОГР, ОПД и ОГД, при которых образуются ОС и ПС. Некоторые из возможных сочетаний, одинаковых для фрагментов с ОГР-а и ОГР-б, указаны внизу на позициях рис. 1: Ьа, -б, -в, -г - ^-а, -б, -в, -г. При этом в скобках даны сочетания для ОГР-а,-б с выступающими из корпуса штоками, обозначенными пунктиром. Заметим, что если поршень выполнить неподвижным, а силовой цилиндр - подвижным, то характер обратной связи изменяется на противоположный.

а

б

Ги I АУ п^

п Гв I I р___I с^

Д..

НС1 нп

1ВС

вв • • • •

внТс

о о о о 4

нп

КСР

ФР-а, ОГПВ-а с ПС

I а НСВВ НП ; 16: ВС ВН ВП

У*

К0С21р,КОС1

в

КП)

п

Снп)

нВ

•I «РА КСВ| 11 ДС»1<

в > • • •

НП1ВС.

Свп)

ВН

оооо

КСР*

--7

,.в.в.Кнп)

нп

:

ФР-а. ОГПВ-а с ОС II в: ВС ВВ НП

(п а нп вв нп ; п б вп вн вп) г

К0С2 -4р I

II в: ВС ВВ нп ; II г: НС ВН вп ' н

КОС1

Рис. 1. Обобщенные фрагменты структур с управлением на входе

Для описания в рамках некоторого схемного решения всех семейств явных модульных структур с одинаковыми ф-свойствами удобно использовать обобщенную структурную модель объекта, которую можно получить, если в матрице соединяемых контактов внутренних модулей ГФА функционального агрегата (ФА) указать все приведённые выше разрешенные сочетания ф-признаков.

В таблице приведена табличная морфологическая модель для агрегатов ГИУ-РД (рис. 2), которые образуются на основе фрагментов ФР-а в результате исключения дросселя ДС ОГР-а, соединения канала КОС1 фрагментов с каналом КСР ГД реактивного действия (ГДРД) и добавления управляющего одностороннего ГРУ (ОГРУ1-в), состоящего из установленного в канале отрицательной обратной связи того или иного (var) неэкономичного ОГР-в и втяжного ЭМП со штоком НП, перемещающимся наружу (Н) при подаче (П) входного сигнала ЩХ.

Если в матрице ГФА (таблица) оставить одно из разрешенных сочетаний ф-признаков, например, П-а, то из обобщенной модели можно получить описание одного семейства агрегата ГИУ-РД с соединением сплошных торцевых штоков ОГР-а и ОГД (рис. 2, а, 3, а, б), а если оставить два сочетания, например, II-a и П-б - то одного семейства с двумя полыми штоками (рис. 3, в, г). Показанные на рис. 3 фрагменты семейств с сочетаниями ф-признаков П^ и П^, П-б с дополнительными настроечными МПД получены путем частичного перебора в таблице семейства явных модулей клапанных ОГР-а Ф33, Ф34 и Ф37, Ф38 с одинаковыми ф-признаками НП и НП, ВП. Общее число явных структур одного семейства ГИУ-РД равно декартовому произведению внутренних модулей. Ф-признаки дополнительных настроечных МПД могут быть различными (var) и не влияют на вид обратной связи объекта.

Таким образом, выявленные у обобщенных фрагментов закономерности в разрешенных сочетаниях ф-признаков сохраняются в неявных и явных структурах образуемых на их основе устройств и агрегатов, что позволяет проводить их частичный, а не полный комбинаторный структурный анализ, который становится особенно громоздким и трудоемким в случае многоэлементных объектов. Для проведения лаконичного структурного анализа достаточно выявить только одно разрешенное сочетание ф-признаков, например, П-а (рис. 2, а) у неявной структуры какого-либо прототипа, найденного в результате информационного поиска или подготовленного эвристически. После этого разрешенные сочетания П-б, -в, -г для остальных неявных структур и соответствующих семейств явных структур схемного решения можно определить формализовано с помощью указанных выше закономерностей.

а

Рис 2. Ф-структуры РГИУ с клапанными ОГР-а и торцевыми штоками б

в

г

Рис. 3. Фрагменты семейств ф-структур РГИУ-а

На основе приведенной в таблице обобщенной структурной модели РГИУ-а можно получить описания и синтезировать частные устройства и агрегаты с одной и двумя МПД ОГР-а:

- двухкаскадные нерегулируемые ГИУ (НГИУ-а) со сбросом газа из управляющего ОГР1-в в атмосферу (в этом случае канал КОС2 ОГР-а из РГИУ исключается, а канал КС ОГРУ1-в переходит из матрицы ГФА в вектор щфа);

- электропневмоклапаны (ЭПК) при исключении ГДРД из состава

НГИУ;

Обобщенная структурная модель семейств РГИУ-а

Агрегат: ГИУ-РД М атрица Гфа Вектор

ф-структуры № °П-а,-б,-в,-г ФИ Ф2] Ф3к Ф41 ¥ФА

ФИ ФБ ОГРУ 1 -в var 0 КО-КСР КС-КОС2 0 КП-КП1 ЭПКС-ЭПКС

ФБ «ОГД+ ОПД» НП+ВВ-НП

Ф2] НП+ВВ ВП+ВН - 0 ВП+ВН-ВП НП+ВВ-ВС 0 КСВ-КСВ

ВП+ВН-НС

Ф3к ОГР-а НП,ВП; НС,ВС; - - 0 КОС1-КСР КП-КП2 ДС-О

var var-var

Ф41 ГДРД Л - - - 0 0

- двухкаскадные разомкнутые ГРУ при добавлении к ЭПК дросселя сброса ДС ОГР;

- пускоотсечные двухфункциональные агрегаты ГРУ-РД, образуемые при исключении из состава РГИУ ф-модуля Ф4;

- указанные выше ЗД-а, РД-а, ОГПВ-а, ОГПБ-а и другие устройства, образуемые на основе обобщенных фрагментов с черной пружиной ОПД;

- двухкаскадные НГИУ, ЭПК и ГРУ с каналом КОС2, ОПД с белой пружиной и соединением каналов КСВ ОГД и КО управляющего ОГР-а,-б,-в.

При преобразовании явных модульных структур исключаются разделительные стенки между расположенными рядом сообщёнными полостями, выполняется сообщение полостей через отверстия в штоках и используются другие эвристические приёмы совершенствования технических решений.

Список литературы

1. Александров А.В., Александров В.С., Морозова Е.В. Поисковое конструирование регулирующих, распределительных и исполнительных устройств и агрегатов пневмогидроавтоматики. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 246 с.

2. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 232 с.

V.A. Zuykov

THE FORMALIZED SYNTHESIS OF CONSTRUCTIVE SCHEMES, DEVICES AND GASDYNAMIC UNITS CONTROL SYSTEMS OF FLYING DEVICES.

The questions offormalization of search designing of devices and units of gas automatics on the basis of the generalized fragments of their structures are considered.

Key words: gas-dynamic control systems, devices and units of the gas automation, design schemes, formal structural synthesis.

Получено 17.10.12

УДК 681.5.013+621.646

В.С. Александров, д-р техн. наук, проф., (4872)35-38-35, info@sau.tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

A.А. Васильев, асп., (4872)35-38-35, info@sau.tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

B.А. Зуйков, асп., (4872)35-38-35, info@sau.tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

М.А. Кожеуров, асп., (4872)35-38-35, info@sau.tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Е.В. Морозова, канд. техн. наук, доц.,

ПОИСКОВОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ АГРЕГАТА «РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ С ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ»

Рассматриваются вопросы эвристического структурного синтеза малогабаритного агрегата, способного выполнять одновременно функции регулятора давления и предохранительного сбросового клапана.

Ключевые слова: структурный синтез, малогабаритный агрегат, регулятор давления, сбросовый клапан.

В системах управления летательными аппаратами, в промышленной пневмогидроавтоматике и газогидроснабжении все более широкое применение получают двухфункциональные агрегаты, которые при меньших габаритах и массе выполняют функции двух однофункциональных устройств: регулятора давления и предохранительного сбросового клапана (РД-СК). В данной работе на основе принципа универсальности рассматриваются с позиций патентоведения вопросы эвристического структурного синтеза одного из таких агрегатов, который обеспечивает отсечку газа и подачу его к потребителю с постоянным низким давлением.

Известна система газоснабжения газореактивных микродвигателей (рисунок, а), содержащая баллон со сжатым газом, заправочно-дренажный клапан (ЗДК), манометр (М), пускоотсечной электропневмоклапан (ПОК), фильтр (Ф), регулятор давления (РД), сбросовый предохранительный кла-