Исследование и разработка адаптивных регуляторов электрогидравлических рулевых систем

Актуальность работы.

В основе формирования требований > к рулевым системам самолета лежит необходимость обеспечения его управляемости и устойчивости во всех эксплуатационных режимах. Появление самолетов с неустойчивой аэродинамической компоновкой еще больше усилило требования к динамической точности электрогидравлических следящих рулевых систем. Эти системы должны обеспечивать эффективное управление различными органами управления полётом самолёта и его устойчивость в области малых сигналов.

В области малого сигнала существует ряд факторов, которые не только снижают динамические и статические характеристики системы, но не позволяют выполнить основных требований, предъявляемых к электрогидравлическим рулевым системам самолета.

Сюда можно отнести существенные нелинейности и нестационарность характеристик линейного электродвигателя (ЛЭД) и золотниковых гидрораспредителей. Особенности этих нелинейных характеристик определяются, главным образом, областью нечувствительности и различными значениями крутизны статических характеристик в зависимости от величины входного сигнала.

Изменение параметров электрогидравлической системы преимущественно обусловлено изменением температуры и давления нагнетания рабочей жидкости, уменьшением числа резервированных каналов управления, а также изменением внешних условий и характеристик привода в процессе эксплуатации. Динамические характеристики системы в этом случае могут изменяться в широких пределах.

Возбуждение автоколебаний несущих поверхностей самолета недопустимо больших уровней возникают также, когда электрогидравлические системы, установленные на упругом основании и управляющие рулевыми инерционными органами через упругие конструктивные элементы, обладают низкими демпфирующими свойствами.

Эффективным средством решения указанных задач и достижения цели управления является применение адаптивных законов управления, уже зарекомендовавших себя в электромеханических системах.

Целесообразность адаптивного подхода заключается не только в повышении точности и качества функционирования локальных систем, но обеспечении необходимого демпфирование упругой электрогидравлической рулевой системе и повышении ее надежности.

Цели и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование адаптивных регуляторов для авиационных электрогидравлических рулевых систем, обеспечивающих повышение динамической точности Л и стабилизацию характеристик следящего привода при изменении1 параметров, действии нелинейностей, упругости, внешних возмущений и нагрузки.

В диссертационной работе решаются задачи:

1. Разработка нелинейной математической модели ЛЭД с учетом конструктивных особенностей и магнитной цепи электродвигателя. Приведение нелинейного описания ЛЭД к виду, позволяющему упростить синтез адаптивного регулятора внутреннего контура сервопривода.

2. Синтез модифицированного сигнального адаптивного алгоритма с моделью для электрогидравлической следящей системы с линейным двигателем.

3. Разработка математической модели электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями, пригодной для синтеза реализуемого адаптивного регулятора. Обоснование демпфирования упругих колебаний рулевого привода и нагрузки при коррекции внешнего контура по упругой силе и ее производной.

4. Синтез адаптивного регулятора с настраиваемой по возмущению моделью для электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями для подавления колебаний рулевого привода и нагрузки.

5. Синтез адаптивного регулятора с редуцированной настраиваемой моделью для электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями.

6. Математическое моделирование нестационарной, нелинейной двухконтурной адаптивной рулевой системы с учетом влияния упругости и цифровой реализации законов управления.

Объект исследования — авиационные электрогидравлические рулевые системы.

Предмет исследования — электрогидравлические рулевые системы с нелинейным описанием ЛЭД и адаптивными алгоритмами управленияэлектрогидравлические рулевые системы с упругими связями с инерционной нагрузкой и адаптивными алгоритмами подавления упругих колебаний.

Методы исследований.

При решении поставленных задач диссертационной работы использован комплексный подход к построению и исследованию электромеханических систем, включающий методы современной теории автоматического управления, теории гидравлических и электрических приводов, а также методы математического и-полунатурного моделирования динамических системс использованием современных средств компьютерной техники.

Научные результаты.

Па защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Нелинейная математическая модель линейного электродвигателя.

2. Модифицированный сигнальный адаптивный алгоритм с моделью для электрогидропривода с ЛЭД.

3. Математическая модель электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями для синтеза адаптивного управления.

4. Модально адаптивный регулятор с настраиваемой моделью для подавления упругих колебаний рулевой системы.

5. Модально адаптивный регулятор с редуцированным настраиваемым идентификатором упругой силы для подавления упругих колебаний рулевой системы.

Научная новизна.

1. Математическая модель ЛЭД, составленная с учетом параметров магнитной цепи, включает в себя нелинейные характеристики, полученные аналитическим методом, в отличие от имеющейся линейной модели, содержащей нелинейную характеристику двигателя, полученную эмпирическим путем.

2. Модифицированный адаптивный регулятор с моделью и сигнальной настройкой, отличается от существующих, наличием введенных нелинейных блоков ограничения в контур модели, контур настройки модели, а также по выходному адаптивному сигналу.

3. Математическую модель электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями отличает от полной модели ее обоснованное редуцирование до вида, пригодного для синтеза реализуемого адаптивного регулятора.

4. Адаптивный, регулятор с идентификатором состояния рулевого привода с упругой нагрузкой, в котором корректирующее воздействие производится не по полному вектору переменных состояния, а только по упругой силе и ее производной, а также наличием сигнальной подстройки идентификатора по возмущению со стороны нагрузки. В отличие от режекторных фильтров, подавление упругих колебаний осуществляется не только в рулевом приводе, но и в нагрузке.

5. Редуцированный идентификатор упругой силы с сигнальной настройкой для подавления упругих колебаний рулевой системы, на основе редуцированной модели описания рулевой системы с нагрузкой. Применение редуцированного идентификатора с сигнальной подстройкой позволяет сразу получить требуемое выражение оценки упругой силы из структуры наблюдателя, что исключает операцию дифференцирования перемещения поршня.

Практическая значимость.

Предложенные в работе адаптивные регуляторы были использованы при разработке цифровых алгоритмов управления для электрогидравлического привода СПМ-6П объекта СУ-35.

Эффективность применения адаптивных регуляторов, особенно на малых сигналах управления, а также при действии внешней нагрузки, подтверждена многочисленными стендовыми испытаниями на заводских образцах рулевых приводов.

Рекомендации по расчету и настройке адаптивных регуляторов включены в заводские методики проведения стендовых испытаний привода СПМ-50 с двухконтурной схемой адаптивного управления на предприятии ОАО «ПМЗ ВОСХОД».

На предприятии ОАО «ПМЗ ВОСХОД» проводится подготовка лабораторного комплекта рулевого привода с пультом управления для проведения испытаний привода с упруго массовой нагрузкой и предлагаемым в работе адаптивным регулятором.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах и конференциях, в частности, на:

• IX международном симпозиуме «Новые рубежи авиационных технологий XXI века», г. Жуковский, 19−23 августа 2007 г,.

• Международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление — 2007», (ИКТМ-2007), п. Дивноморское, 24−29 сентября 2007 г,.

• VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП — 2010», Тульский государственный университет, г. Тула, 28 сент, — 1 окт. 2010 г, а также изложены в отчетах НИР: «Исследование различных архитектур системы комбинированного управления гидростатическим объемным приводом» — САУ-247 между СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ОАО «ПМЗ ВОСХОД» г. Павлово Новгородской области, январь 2006 -2007 ггв отчетах НИР по проекту «Создание механотронных комплексов управления движением маневренных самолетов» в соответствии с государственным контрактом № 698 от 20.05.2010 при финансовой поддержке Минобразования и науки РФ по программе ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.2.

Публикации.

Основные положения, теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, а также статьи в других изданиях — 1- докладов — 3.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, включает 81 рисунок, 1 таблицу, 1 приложение и содержит список литературы из 72 наименований, среди которых 66 отечественных и 6 иностранных авторов.

Выводы по главе 4.

1. Разработана модель электрогидравлической рулевой системы с упругими связями для синтеза адаптивного управления: с обоснованием редуцирования структурной схемы упруго-массовой нагрузки рулевой системы для синтеза АР, с обоснованием эффективности подавления упругих колебаний системы рулевого привода по управляющему воздействию, как по выходной координате привода, так и по координате нагрузки — рулевой поверхности, а также действию возмущений со стороны нагрузки.

2. Разработан адаптивный идентификатор состояния рулевого привода с нежесткой нагрузкой, который за счет информации от датчиков перепада давления позволяет идентифицировать форму внешнего возмущения по нагрузке, что свидетельствует об идентичности оценок и переменных состояния, как при возмущениях со стороны управления, так и нагрузки.

3. На основе разработанного адаптивного идентификатора сформирован модально-адаптивный регулятор, который по восстановленной координате упругой силы формирует сигнал подавления колебаний упруго-массовой нагрузки, как по выходу рулевого привода, так и по выходу нагрузки — руля.

4. Разработан модальноадаптивный регулятор с редуцированным идентификатором упругой силы.

5. Работа адаптивного регулятора с идентификацией упругой силы, при использовании настройки по перепаду давления, с высокой степенью точности воспроизводит переменную упругой силы и отличается грубостью к изменению параметров рулевого привода.

6. Разработанные алгоритмы управления внешним контуром рулевой системы позволили расширить полосу пропускания рулевого привода с упругой нагрузкой с сохранением устойчивости системы, как по управлению, так и по возмущению, что показано на переходных процессах и частотных характеристиках.

7. Адаптивная рулевая система сохраняет приемлемое качество при изменении ее параметров (жесткости проводки).

8. Вышеперечисленные средства адаптивного управления рулевой системой с нежесткой нагрузкой позволят увеличить функциональную надежность рулевых органов объекта при изменении его конструкции.

Заключение

.

В работе получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель ЛЭД с учетом параметров магнитной цепи в виде нелинейной динамической системы. Предложен способ аппроксимации модели, с сохранением определяющих нелинейных особенностей ЛЭД. Теоретически обосновано используемое на практике представление двигателя с эмпирическими нелинейными звеньями.

2. Разработан модифицированный адаптивный регулятор с перестраиваемой моделью, который за счет введения нелинейных блоков ограничений в саму модель и в контур настройки модели, обеспечивает повышение динамической точности адаптируемой системы на малых уровнях сигнала. До наступления ограничения адаптивная система с настраиваемой моделью, линеаризует функциональные нелинейности в адаптируемом контуре. На больших сигналах, за счет наступления ограничений по уровням управления, адаптивная система уже с эталонной моделью, в качестве которой выступает ограниченный, но скорости адаптируемый контур, снижает интенсивность корректирующего воздействия, когда контурного коэффициента достаточно для достижения требуемой точности.

3. Разработана и обоснована математическая модель двухконтурной, с учетом модели ЛЭД, электрогидравлической рулевой системы с упругими связями с нагрузкой, на основе которой синтезируется регулятор подавляющий упругие колебания.

4. Разработан модально адаптивный регулятор, который по оценке силы упругости, получаемой с настраиваемой модели с учетом введения настройки по возмущению, по информации с датчика перепада давления, подавляет упругие колебания в приводе и нагрузке.

5. Разработан модально адаптивный регулятор, который в отсутствии информации с датчика перепада давления, позволяет косвенно оценить силу упругости по информации, получаемой с редуцированного наблюдателя с сигнальной настройкой без операции дифференцирования.