Дослідження сервоприводу з урахуванням нелінійності

Особливістю нелінійного перетворення із зворотним зв'язком є неможливість отримання в явному виді залежності між вхідними і вихідними сигналами.

Тому для отримання статичних характеристик перетвореного сигналу, не можуть бути безпосередньо застосовані.

Дамо короткий опис розроблених в даний час методів дослідження нелінійних перетворень, що не вимагають завдання явної залежності між вхідним і вихідним сигналами.

1. Метод безпосередньої лінеаризації.

Нелінійні функції, що входять в перетворення із зворотнім зв'язком, замінюються лінійними, для чого використовується два перших доданків їх розкладання в ряд Тейлора. В тих випадках. коли ця операція можлива (нелінійності є аналітичними, а сигнали на їх вході - малі), задача втрачає свою специфіку і стає задачею про лінійні перетворення випадкових функцій.

В даній роботі детально не розглядатиметься метод безпосередньої лінеаризації, оскільки передбачається, що якщо, така можлива, то вона вже виконана в процесі переходу від реальної системи до її динамічної схеми.

2. Методи, засновані на вживанні канонічних розкладань випадкових сигналів.

В цих методах використовується можливість представлення випадкового процесу на кінцевому інтервалі часу сумою детермінованих функцій часу з коефіцієнтами, незалежними між собою випадковими величинами, що є. Таке уявлення дозволяє в принципі звести початкову задачу до проблеми інтеграції нелінійних диференціальних рівнянь, що містять тільки детерміновані функції часу.

3. Методи, засновані на представленні вихідних сигналів у вигляді процесів Маркова (одновимірних або багатовимірних) і використовуючі апарат диференціальних рівнянь Колмогорова для обчислення розподілу вірогідності цих сигналів.

Складність цього апарату, взагалі кажучи, обмежує область його вживання задачами аналізу перетворень, що задаються диференціальними рівняннями першого і, в деяких випадках, другого порядку, а також що приводяться до таких шляхом введення допоміжних перетворень, наприклад гармонійної лінеаризації.

Можливість отримання методами теорії Марківських процесів точних рішень, хоча і для обмеженого круга задач, привертає до них увагу широкого круга дослідників.

Метод дослідження перетворень, що містить шматково-лінійні функції, заснований на послідовному зшиванні (припасовуванні) рішень для кожної з областей фазового простору, де перетворення є лінійним. Метод застосовний для аналізу коливальних режимів, обурюваних малими випадковими діями.

Метод послідовних наближень.

Ідея методів витікає з фізичних уявлень про процес встановлення режиму в системі із зворотним зв'язком як ітернаційному процесі поступового багатократного обходу зовнішнього обурення по замкнутому контуру.

При цьому інтегральне рівняння, неявно задаюче перетворення із зворотним зв'язком, може розв'язуватися по схемі

(1.2)

причому X0(t)=Z(t), тобто значення X(t) передбачається тим, що запізнюється, і кожного разу береться з попереднього ітераційного циклу.

Формально, звичайно, можна розглядати цю схему як звичайну математичну схему послідовних наближень, не пов'язуючи її з яким-небудь фізичним змістом.

Очевидно. що вживання цієї схеми зводить задачу про замкнуту систему до задачі про розімкнену.

Наближені методи, засновані на припущенні про те, що характер закону розподілу сигналу на вході нелінійного безінерційного перетворення відомий.

В цьому випадку розшукується лише деяка кількість числових параметрів, залишених невизначеними в рівнянні закону розподілу. Для цих параметрів виходять неявні співвідношення (звичайно трацендентні рівняння), які можуть бути дозволені, наприклад, графічно. Маючи у вигляді, що при фільтрації відбувається наближення закону розподілу до нормального, звичайно приймають саме такий характер закону. Нормальний закон повністю визначається величинами середнього mX і середньоквадратичного ?X значення, а також видом кореляційної функції.

В основному методі цієї групи додатково використовується можливість статичної лінеаризації безінерційного нелінійного перетворення, а отже, вводиться припущення про те, що можна у виразі для кореляційної функції сигналу X(t) на вході. Це дозволяє істотно спростити задачу і оперувати тільки параметрами mX і ?X.

Використовування ідеї розкладання по малому параметру дозволяє розширити можливості методу і враховувати малі спотворення виду кореляційної функції і відхилення закону розподілу від номінального.

Зважаючи на спільність і порівняльну простоту метод статичної лінеаризації представляє найбільший інтерес для розрахункової практики.

Виклад проблем, пов'язаних з дослідженням нелінійних перетворень із зворотним зв'язком, доцільно розділити на дві частини: першу, присвячену дослідженню стаціонарних режимів, тобто режимів, при яких сигнал, діючий всередині контуру зворотного зв'язку, є стаціонарною функцією часу, і другу, де розглядаються нестаціонарні режими [3].

Від режиму, який реалізується в даній системі (перетворення), визначається не її структурою, а характеристиками вхідних сигналів і значеннями параметрів системи.

При дослідженні конкретних систем звичайно доводиться аналізувати і стаціонарні, і нестаціонарні режими.

Вельми важливими практичним питанням є з'ясування умов переходу від одного режиму до іншого при зміні параметрів сигналу системи.

Ці умови у ряді випадків визначають так звану перешкодостійкість системи, тобто можливість втрати стійкості через наявність випадкових перешкод.

Методи дослідження і розрахунку нелінійних стежачих систем, що розглядаються нижче, базуються на гармонійній лінеаризації динамічних властивостей нелінійних елементів [9].

Досліджуваний елекрогідропривод розглядатимемо за допомогою методу гармонійної лінеаризації динамічних властивостей нелінійних елементів.

Метод гармонійної лінеаризації заснований на заміні нелінійного елемента еквівалентним (по деяких властивостях) лінійним. Умовою еквівалентності служить збіг вихідних коливань лінійної ланки з першою гармонікою вихідних коливань нелінійного, коли на їх вхід подається однаковий гармонійний сигнал x=Asin?t.

Якщо характеристика нелінійного елемента однозначна і симетрична щодо початку координат, то еквівалентний лінійний елемент може описуватися рівнянням y=q(А) x.

де х - вхідна координата; у - вихідна координата; q(А) - коэффициент гармонійної лінеаризації.

У разі неоднозначних (петлевих) нелінейностей перша гармоніка вихідного сигналу зсунута по фазі щодо вхідного сигналу: цією ж здатністю винен володіти й эквівалентний лінійний елемент, тому при лінеаризації використовується лінійний елемент, властивості якого визначаються рівнянням

. (1.3)

Передавальна функція в даному випадку виражається

, (1.4)

частотна характеристика (s=j?):

. (1.5)

Вибір коефіцієнтів і повинен забезпечити рівність між вихідними коливаннями еквівалентного лінійного і першою гармонікою реального нелінійного елемента.

В ще більш загальному випадку коефіцієнти гармонійної лінеаризації можуть залежати і від частоти:, а частотна характеристика нелінійного елемента прийме вигляд:

. (1.6)

По фізичному значенню визначає відношення амплітуди і зсув по фазі для першої гармоніки вихідних коливань нелінійного елемента. Тому її часто називають еквівалентним комплексним коефіцієнтом посилення нелінійного елемента.

Величини і залежать від властивостей нелінійного елемента, і для всіх типових нелінійностей їх значення є в літературі. Часто вони містять постійні множники, що враховують коефіцієнт посилення, передавальне відношення і т. п., значення яких входять в передавальну функцію лінійної системи, що використовується на першому етапі проектування при розгляді лінійної моделі. Раціонально ввести поняття типової нелінійної ланки, по аналогії з поняттям типових лінійних ланок. (В літературі зустрічаються визначення «приведена нелінійність», «нормована нелінійність» для того ж поняття, яке тут позначається як «нелінійна ланка».)

Коефіцієнти гармонійної лінеаризації типових нелінійних ланок не містять множників, незалежних від амплітуди, і їх властивості залежать тільки від властивостей нелінійності і амплітуди сигналу [1].

2. Аналіз і синтез досліджуваної системи управління сервоприводу з урахуванням впливу нелінійних ділянок

2.1 Аналіз технічного завдання на систему управління

В технічному завданні (ТЗ) систематизовані:

постановка задач проектування систем управління;

початкові дані (первинні характеристики) для об'єкту управління і його початкова математична модель;

опис вигляду для проектує мої системи управління;

умови експлуатації устаткування системи управління (СУ);

вимоги до якості управління;

характеристики енергоживлення устаткування.

ТЗ є основним документом в процесі проектування системи, містить всі початкові дані і вимоги до проектованої системи. Відповідно до пунктів 4.1-4.2 ТЗ формується вербальна модель об'єкту управління (ОУ) сервоприводу, виконана по нормальній гідродинамічній схемі з гідродинамічними органами управління, що є площинами, що відхиляються. На малюнку 2.1 представлена принципова схема типової електрогідравлічної рульової машинки [7], що є гідравлічним підсилювачем золотникового типу, керованим пропорційним електромагнітним елементом 7.

Основними елементами гідропідсилювача є: два золотники 4 і 5, робочий циліндр 17 з поршнем 18, кривошипно-шатунний механізм 14,15. Вихідний вал кривошипно-шатунного механізму 13 кінематично пов'язаний з управляючим органом літального апарату.

Робочий тиск в порожнинах циліндра створюється шестерним насосом 1, електродвигуном 10, що приводиться в рух. Пропорційний електромагнітний елемент 7 має якір. 8. Якір електромагніту кінематично пов'язаний із золотником за допомогою коромисла 3, сполученого з корпусом через плоску пружину 2 і тягу 5, Конструктивно електрогідравлічна РМ виконана у вигляді литого корпусу, що служить одночасно резервуаром з робочою рідиною (маслом), в якому розташовані практично всі перераховані елементи.

Автономність РМ забезпечується за рахунок вбудованого в корпус спеціального шестерного гідронасоса 1 для створення тиску робочої рідини в каналах гідросистеми.

Задані в ТЗ умови експлуатації устаткування СУ - це набір параметрів для проектування або вибору вимірювальних, обчислювальних засобів і виконавчих пристроїв, розміщуваних на електрогідравлічному приводі. Відповідно до приведених в ТЗ вимог до якості процесу управління можливо однозначно визначити структуру і параметри законів управління контурів системи, що забезпечують стійкість і якість процесів, а також виконати аналіз впливу відхилення параметрів об'єкту і регулятора на вказані показники по заданих запасах стійкості.

Вказані в ТЗ вигляд рухи дозволяють одержати уявлення про опорну траєкторію ОУ, що використовується в процесі формування лінійною моделлю, а також служать основою для вивчення робочої моделі ОУ у вигляді системи лінійних диференціальних рівнянь, передавальних функцій [15].

2.2 Математична модель об'єкту управління

2.2.1 Підсилювач сервоприводу

Підсилювач сервоприводу (ПСП) - це підсилювач потужності. На вхід підсилювача подаються струми порядка мікроампера, а на виході одержують до десятків або сотень міліамперів, а іноді навіть дещо ампер.

ПСП є достатньо малоінерційною ланкою. В самих «жорстких» випадках його передавальна функція приймає вигляд:

 (2.1)

Частіше за все має малу величину. Передавальну функцію ПСП приблизно можна записати як:

. (2.2)

Де - коефіцієнт посилення підсилювача по потужності.

2.2.2 Рульова машинка

Рульова машинка (РМ) - перетворить енергію, що поступає з ПСП, в механічне переміщення. Особливістю РМ є те, що вона представляє собою інтегруючу ланку, тобто при подачі на вхід сигналу, на виході одержуємо швидкість переміщення (кутову швидкість).

Рульова машина в системах управління літального апарату (СУЛА) самостійно звичайно не застосовується, а входить до складу замкнутого контуру сервоприводу і своїми динамічними і статичними параметрами визначає якість роботи сервоприводу.

Для повороту рульового органу рульова машина приводу повинна розвинути момент, більший моменту, що навантажує вихідний вал РМ. До таких моментів можна віднести:

М інерц. - інерційний;

М демпф - демпфуючий;

М шарн. - шарнірний;

М а1 - момент асиметрії, визначуваний неспівпаданням ліній дії сили тяги r? і осі підвісу;

М а2 - момент асиметрії, визначуваний неспівпаданням сили інерції з віссю підвісу;

М тер - момент від сил сухого тертя.

Таким чином, рушійний момент (МРУШ) врівноважується моментами навантажень:

(2.3)

Зважаючи на складність пристрою машини математичне представлення динамічних процесів в ній достатньо складне. Тому представимо РМ у вигляді двох роздільних динамічних ланок: електромеханічного перетворювача (ЕП) і гідропідсилювача (ГП) в кожному з яких є свій рухомий елемент (якір і поршень).

Тоді передавальна функція РМ може бути представлена у вигляді передавальних функцій двох послідовно сполучених ланок:

(2.4)

Передавальну функцію електромеханічного перетворювача можна одержати з рівнянні руху якоря:

(2.5)

Рівняння (2.5) в стандартній операторній формі матиме вигляд:

(2.6)

де

IЯ - приведений момент інерції якоря;

B - коефіцієнт електромагнітного демпфування і демпфуючих властивостей середовища, в якому переміщається якір;

С - жорсткість пружного елемента якоря;

IУ - управляючий струм якоря (вхідна дія);

?Я - кут повороту якоря (вихідний параметр ланки);

K - коефіцієнт пропорційності, що характеризує залежність між струмом управління і електромагнітним моментом, що розвивається.

З рівняння (2.6) можна одержати передавальну функцію для електромеханічного перетворювача (ЕП):

(2.7)

де - статичний коефіцієнт передачі ЕП;

ТЯ - постійна часу, рівна ;

? - ступінь заспокоєння якоря, рівна .

Для отримання рівняння динаміки гідропідсилювача (ГП) і його передавальної функції можна скористатися рівнянням Бернулі, що встановлює зв'язок між переміщенням золотників і зусиллям тиску рідини, що розвивається, на поршень, і записати рівняння руху поршня залежно від переміщення золотника (якоря, який механічно пов'язаний із золотниками):

(2.8)

де

m - маса поршня;

у - координата переміщення поршня (вихідна величина);

?Я - кутове переміщення якоря ЕП (вхідна величина);

k1 - приведений коефіцієнт демпфування;

k2 - приведений коефіцієнт пружності, що враховує зусилля від шарнірного моменту;

k3 - коефіцієнт пропорційності між кутовим переміщенням якоря і зусиллям, створюваним різницею тиску на торцях силового поршня.

Позначивши в рівнянні (2.8) через передавальне число від поршня до вихідного валу рульової машини, а через ? - кут повороту вихідного валу, одержимо:

(2.9)

З рівняння (2.9) можна одержати передавальну функцію підсилювача сервоприводу:

(2.10)

де

- статичний коефіцієнт передачі підсилювача сервоприводу;

TПСП - постійна часу ПСП, рівна ;

? - ступінь загасання, рівна або .

Враховуючи високу вихідну потужність, що розвивається на валу РМ, відсутність шарнірного моменту в ненавантаженому стані РМ і крихту власних пружних властивостей в конструкції підсилювача сервоприводу, його передавальну функцію можна представити у вигляді:

 (2.11)

де

- коефіцієнт посилення підсилювача по потужності;

ТП - постійна часу ПСП.

Об'єднуючи передавальну функцію двох ланок WЕП(s) і WПСП(s), згідно (2.7) і (2.11), одержимо передавальну функцію РМ.

Залежно від коренів виразу, дана передавальна функція може бути коливальною ланкою або ж надається як дві інерційні ланки.

Більш коректним (точним) для передавальної функції РМ є вираз:

. (2.12)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6