Разработка и исследование адаптивных электрогидравлических следящих приводов летательных аппаратов

Большинство электрогидравлических следящих приводов (ЭГСП) используется в качестве исполнительных систем гражданских и военных самолетов, где от приводов требуется точность и высокое быстродействие при передаче значительных усилий. Актуальность работ, посвященных динамике и устойчивости ЭГСП объясняется повышенными требованиями к надежности рулевых ЛА. По данным зарубежных источников [34], до 20% случаев потери самолетов связаны с отказами и повреждениями САУ приводов управляющих поверхностей ЛА. Успешной разработке и внедрению во многие отрасли промышленности ЭГСП способствовали работы ученых Т. М. Башты, Д. Н. Попова, В. А. Лещенко, В. А. Хохлова, В. И. Карева, В. Н. Прокофьева, Н. С. Гамынина, Ю. И. Чупракова, А. М. Потапова, С. А. Ермакова, С. В. Демидова, В. И. Разинцева и др., посвященные синтезу математических моделей, принципам построения, методам анализа устойчивости и исследованиям характеристик ЭГСП [4,16,19,23, 28, 39,52,56,64,68,74,].

Сравнительное исследование электрических, гидравлических и пневматических приводов, приведенное в [79], показало, что только гидравлические приводы способны развивать значительную механическую мощность при малых массах и габаритах (показатель удельной мощности равен 5 кВт/кг [46]). В настоящее время конкуренцию ЭГСП начинают оказывать системы с бесконтактными двигателями постоянного тока. В конструкции этих двигателей используются материалы для постоянных магнитов с высокой магнитной энергией, что позволяет создать электроприводы, соизмеримые по всем основным показателям с гидравлическими. Однако ЭГСП имеют ряд недостатков, сдерживающих их распространение и заставляющих разработчиков автоматических систем выбирать между тремя видами приводов. Следует отметить следующие основные недостатки ЭГСП [51]:

— жесткие требования к точности изготовления элементов привода, так как от величины рабочих зазоров зависят утечки и перетечки рабочей жидкости, а следовательно динамические характеристики и КПД;

— существенная нелинейность характеристик элементов системы;

— зависимость основных характеристик привода от температуры и степени загрязненности рабочей жидкости;

— зависимость скорости выходного звена от массы нагрузки.

Существует два подхода к устранению вышеперечисленных недостатков [561: совершенствование конструкции отдельных элементов и структуры привода в целомразвитие электронных средств коррекции ЭГСП (совершенствование системы управления).

Сложность и существенные затраты при реализации большинства конструктивных решений, в ряде случаев, делает более эффективным применение второго подхода. Началом движения по этому пути можно считать середину 70-х годов, когда на мировом рынке гидрообрудо-вания появились электрогидравлические усилители с электрической обратной связью (BOSCH ФРГ). В качестве последователей фирмы BOSCH можно назвать такие фирмы, как MOOG (США), REXROUTH (ФРГ), LAT (ФРГ), VICKERS (США) [56]. Первым шагом в этом направлении была модернизация СУ самолетов классической схемы, в которых механическая проводка управления была заменена электродистанционной СУ С193, например у самолетов США F-4 и F-8. Затем уже при проектировании таких сверхзвуковых самолетов, как «Торнадо», F-16 (1972г. -начало разработки, 1974 г. — облет опытного образца)," Мираж-2000″ (1978г.), F-18 (1978г.), «Супер-Мираж 4000» (1979г.), предусматривалась электродистанционная СУ аппаратурой. В нашей стране подобные разработки велись с 1968 г., а первые промышленные образцы появились в 1978 г. Например, на АО «ПМЗ Восход» создано несколько поколений электродистанционных рулевых приводов, используемых на военных самолетах и по сей день. Электрическая обратная связь сделала возможным развитие электронных средств коррекции ЭГСП. Появились системы с наблюдателями состояния и температурной компенсацией. Необходимо отметить тот факт, что применение ЭГСП на ЛА сдерживалось низкой надежностью ЭГСП по сравнению с системами с механической обратной связью. Для повышения надежности ЭГСП, используемых на самолетах, в нач. 90 г. велись разработки отечественных и зарубежных фирм по созданию принципиально новой автономной электрогидравлической рулевой машины. Особенность рулевой машинки заключается в том, что регулирование скорости исполнительного механизма осуществляется за счет управления частотой вращения электродвигателя насоса, а не изменением подачи самого насоса. За рубежом подобную систему представила фирма Allied Signal Aerospace, в России автономную рулевую машину разрабатывает ПМЗ «Восход» .

Перспективным направлением развития ЭГСП является создание электрогидравлических усилителей, принцип работы которых основан на взаимосвязи электрических и гидравлических процессов. Такие преобразователи называются электрофлюидными и отличаются простой конструкцией и высокой надежностью, так как в их конструкции отсутствуют подвижные механические элементы [44,45].

За время, прошедшее с момента появления электрической обратной связи по переменным состояния привода, сложность систем управления значительно возросла. Из-за необходимости учета нелинейных эффектов и изменения во времени параметров основного контура современные ЭГСП проектируются на основе последних достижений в области управления техническими системами. Среди них важное место начинает занимать теория адаптивного управления [1,56,58]. Адаптивные структуры позволяют эффективно компенсировать влияние на динамику системы изменения параметров нагрузки и характеристик передающих устройств привода, колебания модуля объемной упругости рабочей жидкости и технологической точности изготовления гидроцилиндра и золотников. Однако несмотря на обилие теоретических и лабораторных исследований в этой области широкое практическое применение адаптивных алгоритмов для управления ЭГСП еще только начинается. В целом можно сказать, что дальнейшее развитие адаптивных систем связано, прежде всего, с расширением их практического применения, которое будет содействовать накоплению опыта и, в свою очередь, влиять на развитие теории адаптивного управления, приближая ее к практике. Теоретической базой для успешного движения в этом направлении являются работы ученых И. Д. Ландау, К. Острема, Р.В.Монопо-ли, В. Ю. Рутковского, С. Д. Землякова, Я. З. Цыпкина, Ю. А. Борцова, Н. Д. Поляхова, В. В. Путова, В. Б. Яковлева и др. 2,6,71,72,77,803. Устойчивость рассматриваемых в работах этих авторов адаптивных структур обосновывается с использованием методов А. М. Ляпунова и В. П. Попова.

Для решения проблемы оценки недостающих переменных состояния и идентификации неизвестных параметров реального объекта управления используются методы идентификации, которым посвящены работы Н.Т.Ку-зовкова, Д. Луенбергера, И. Д. Ландау, К. С. Нарендра и др. 38,63,81,823.

Созданию робастных ЭГСП с релейным управляющим сигналом в электрогидравлическом усилителе способствуют теоретические работы, посвященные использованию скользящих режимов, следующих авторов В. А. Якубовича, А. Х. Гелига, В. Н. Уткина, И. Б. Юнгера и др. 8,17,653.

Целью данной работы является решение задачи повышения динамических характеристик ЭГСП с позиционной обратной связью и обратной связью по силе путем разработки и исследования адаптивных регуляторов, построенных на базе прикладной теории синтеза быстродействующих адаптивных структур с сигнальной настройкой.

Основное отличие предлагаемых в работе адаптивных структур заключается в использовании для повышения показателей качества динамических характеристик ЭГСП беспоисковой адаптивной системы с сигнальной настройкой и адаптивным, а не программно настраиваемым, наблюдателем.

В диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие основные результаты:

1. Разработаны технически реализуемые структуры адаптивных регуляторов с сигнальной настройкой:

— для электрогидравлического позиционного следящего приводаадаптивная система с эталонной моделью и адаптивным наблюдателем;

— для электрогидравлического следящего привода регулирования усилия выходного штока — адаптивная система с настраиваемой моделью и адаптивным наблюдателем.

2. Разработаны пригодные для синтеза адаптивного управления математические модели электрогидравлических следящих приводов с дроссельным регулированием:

— электрогидравлического позиционного следящего привода;

— электрогидравлического следящего привода регулирования усилия выходного штока.

3. Предложена модификация алгоритма параметрической адаптации интегрального типа, эффективная при значительных параметрических рассогласованиях объекта и модели.

Достоверность основных выводов и результатов диссертационной работы подтверждена как теоретически (с помощью соответствующих математических выкладок, а также моделированием на ЭВМ), так и экспериментально (натурные испытания на реальных приводах).

1. ЭШТРОГЙДРАВЛЙЧЕСКИЕ СЛЕДЯЩИЕ ПРИВОДУ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ.

4.4. Выводы и результаты по 4 главе.

Глава посвящена экспериментальному исследованию свойств адаптивных ЭГСП регулирования перемещения и силы, в главе также приведены основные положения, которые необходимо учитывать при аппаратной реализации предложенных адаптивных структур.

Получены следующие количественные оценки качества позиционного ЭГСП с АР:

— полоса пропускания расширена до 25 Гц;

— время регулирования перемещения выходного штока сокращено до 20.30 мс в условиях изменения массы нагрузки в 3 разауровня сигнала задания 0,3.2,5 ммкоэффициента усиления контурного регулятора положения в 3 раза относительно номинальных значений;

— время реакции и установившаяся ошибка по регулируемому перемещению выходного вала ЭГСП в условиях действия внешнего возмущающего воздействие сокращено, соответственно, до 50.60 мс и до О, 6. О, 9 мм при изменении контурного коэффициента в 3 раза. эффективность работы адаптивного регулятора ЭГСП регулирования силы подтверждаются следующими результатами испытания:

— полоса пропускания увеличена в 2 раза;

— время регулирования сокращено в 2.3 раза во всем диапазоне изменения жесткости нагружающей пружины С=130.1300 Н/мм;

— адаптивный регулятор способен обеспечивать устойчивость рабо-тиристорного электропривода с двигателем постоянного тока в условиях изменения параметров основного контура в 5.10 раз (момент инерции изменялся в 10 раз, коэффициент усиления контура тока в 3.5 раз).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе сформулирована задача улучшения динамических характеристик электрогидравлических следящих приводов летательных аппаратов, в общем случае обладающими существенно нелинейными нестационарными свойствами. В ряде случаев, например, для коррекции динамических характеристик электрогидравлических усилителей представляется целесообразным организация скользящего режима в контуре регулирования перемещения золотника. Для компенсации неидеально-стей более инерционных узлов привода, таких как гидроцилиндр с инерционной или нелинейной пружинной нагрузкой, эффективным оказался подход, основанный на построении беспоисковых адаптивных систем с сигнальными алгоритмами настройки. Практическая реализация разработанных в работе адаптивных структур осуществлена на базе аналоговой техники. По функциональным схемам адаптивных регуляторов для рассматриваемых злектрогидравлических следящих приводов подано две заявки на изобретение.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Для рассматриваемых в работе электрогидравлических следящих приводов разработаны технически реализуемые структуры адаптивных регуляторов с сигнальной настройкой:

— для позиционного электрогидравлического следящего приводаадаптивная структура с эталонной моделью и адаптивным наблюдателем;

— для электрогидравлического следящего привода регулирования усилия выходного штока — адаптивная система с настраиваемой моделью и адаптивным наблюдателем.

2. Разработаны пригодные для синтеза адаптивного управления упрощенные математические модели электрогидравлических следящих приводов с дроссельным регулированием:

— позиционного электрогидравлического следящего привода;

— электрогидравлического следящего привода регулирования усилия выходного штока.

3. Предложена, обоснована и иследована путем компьютерного моделирования модификация алгоритма параметрической адаптации интегрального типа, эффективная при значительных параметрических рассогласованиях объекта управления и модели.

4. Разработаны принципиальные схемы адаптивных регуляторов и доказана путем натурных испытаний их эффективность, заключающаяся в обеспечении рассматриваемым в работе электрогидравлическим следящим приводам значительного улучшения динамических и статических показателей качества в условиях существенного (до 20 раз) изменения параметров объекта управления, влияния нелинейностей (электрогидравлического уилителя, исполнительного механизма, нагрузки, и т. п.), малых параметров, действия внешних возмущений.

5. Разработано и реализовано схемотехническое решение по созданию электронного блока управления позиционным электрогидравлическим приводом, позволяющего исследовать динамические свойства привода как при традиционном управлении, так и при адаптивном.

В целом, опираясь на проведенные в диссертационной работе исследования, можно сделать вывод о возможности и перспективности существенного улучшения характеристик электрогидравлических следящих приводов, применяемых в авиационной технике, за счет использования средств электронной коррекции, синтезированных на базе прикладной теории быстродействующих адаптивных систем.