Слідкувальний електричний рульовий привід

Винахід відноситься до ракетної техніки, зокрема до електричних рульових приводів, призначених для використання у високоточних системах керування, наприклад, в системах керування безпілотними літальними апаратами (ЛА). , Відомий слідкувальний електрогідравлічний привід [1], що містить канал керування, моделюючий пристрій і канал корекції. В приводі забезпечується відтворення динамічних керуючих впливів за рахунок введення моделюючого пристрою і каналу корекції. Недоліком є те, що параметри моделюючого пристрою враховують зміни динамічних характеристик привода в процесі експлуатації, що може привести до втрати стійкості каналу керування ЛА в процесі польоту. Крім того, застосування електрогідравлічного рульового привода на безпілотному літальному апараті досить складна технічна задача. Відомий електричний рульовий привід [2], що містить в каналі керування типовий замкнутий контур положення, який складається з послідовно з'єднаних підсилювача-суматора, підсилювача потужності, потенціометра зворотного зв'язку, розташованого на вихідному валу привода, сигнал з якого надходить на другий вхід підсилювача-суматора [2]. Недоліками такого привода є: 1) велика статична помилка навантаженого привода, 2) можливість виникнення автоколивань, 3) істотний вплив зони нечутливості й інших нелінійностей на форму вихідного сигналу, 4) істотна залежність характеристик привода від впливу нестабільних конструктивно-технологічних і експлуатаційних факторів. Найбільш близьким технічним рішенням до передбачуваного винаходу прототипом є електричний рульовий привід [3], до складу якого входять підсилювач-суматор, що має керуючий вхід, коригуючу ланку, підсилювач потужності, виконавчий двигун, редуктор, потенціометр зворотного зв'язку, вихід якого підключений до другого входу підсилювача-суматора, в якому задача поліпшення і стабілізації динамічних характеристик привода вирішується за рахунок введення коригуючої ланки для формування заданого закону керування виконавчим двигуном. Однак такий привід має недостатньо широку смугу пропускання керуючих сигналів, характеризується недостатньою точністю при відтворенні динамічних керуючих впливів і не може забезпечити необхідну якість процесів в високоточних системах керування безпілотними літальними апаратами. У розглянутому прототипі засоби корекції не забезпечують стабілізацію характеристик привода в широкому діапазоні, тому що не враховують непередбачені зміни параметрів і динамічних характеристик привода в процесі експлуатації, що може привести до втрати стійкості системи керування ЛА в процесі функціонування. Технічною задачею даного винаходу є стабілізація динамічних характеристик електричного рульового привода в умовах впливу дестабілізуючих факторів і зовнішніх впливів і підвищення точності функціонування електричного рульового привода шляхом введення пристрою, що відтворює бажану передаточну функцію привода в зоні необхідної смуги пропускання керуючих сигналів, пристрою порівняння і каналу корекції, який представляє собою пропорційно-інтегро-диференціальний (ПІД) регулятор, що дозволяє забезпечити зменшення статичної помилки навантаженого привода, виключити можливість виникнення автоколивань, зменшити вплив зони нечутливості на форму вихідного сигналу, а також знизити залежність характеристик привода від впливу конструктивно-технологічних факторів. На Фіг.1 показана структурна схема запропонованого слідкувального рульового привода. Привод містить підсилювач-суматор 1, коригуючи ланку 2, підсилювач потужності З, виконавчий двигун 4 і редуктор 5, датчик зворотного зв'язку 6, моделюючий пристрій, що включає перший фільтр низьких частот 7, аперіодичну ланку 8, пристрій порівняння 9 і канал корекції, до якого входять другий фільтр низьких частот 10, підсилювач 11, інтегратор 12, диференціальну ланку 13, суматор 14, обмежувач 15. Робота привода здійснюється наступним чином. Керуючий сигнал подається на перший керуючий вхід підсилювача-суматора 1, на інверсний вхід якого подається сигнал з датчика зворотного зв'язку 6, пропорційний куту повороту вихідного вала привода. Сформований сигнал помилки через коригуючу ланку 2 поступає на підсилювач потужності 3, з виходу якого напруга живлення подається на виконавчий двигун 4, з'єднаний через редуктор 5 з вихідним валом привода. Одночасно з цим керуючий сигнал поступає на фільтр низьких частот моделюючого пристрою 7, аперіодичну ланку 8, що є бажаною моделлю привода, і на вхід пристрою порівняння 9, на другий вхід якого поступає сигнал з датчика зворотного зв'язку. Пристрій порівняння формує сигнал помилки, що поступає на другий фільтр низьких частот 10 каналу корекції і на ПІД-регулятор 11, 12, 13, 14, а через обмежувач 15 - на третій вхід підсилювача-суматора 1. Таким чином на виході каналу корекції формується напруга корекції, яка зводить до нуля сигнал помилки на виході пристрою порівняння 9. За рахунок введення бажаної моделі привода і ПІДрегулятора в запропонованому електроприводі здійснюється лінеаризація структури привода, і вплив зони нечутливості і інших нелінійностей мінімізується внаслідок впливу на робочі процеси в електроприводі його моделі. Це дає можливість одержати бажані динамічні характеристики привода незалежно від розкиду параметрів двигуна і схеми керування. Ефективність такого привода підтверджується результатами математичного моделювання. На Фіг.2 приведені графіки зміни вихідного сигналу датчика зворотного зв'язку при наявності і відсутності каналу корекції при малому вхідному сигналі і ширині лінійної зони, порівняний з керуючим сигналом. Із графіків видно, що форма вихідного сигналу датчика зворотного зв'язку при наявності корекції не відрізняється від вхідного сигналу, суттєво зменшується статистична помилка і фазове запізнення. На Фіг.3-5 приведені графіки амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик привода при відсутності і наявності каналу корекції для різних значень напруги живлення, температури навколишнього середовища і коефіцієнта шарнірного моменту зовнішнього напруження. Графіки показують, що з введенням запропонованого каналу корекції розкид амплітудно-частотних і фазочастотних характеристик суттєво зменшується і мало залежить від зміни вказаних дестабілізуючих факторів. Запропонована структура привода дозволяє реалізовувати принцип оптимального керування, при якому реакція реального привода на вхідний вплив порівнюється з реакцією бажаної моделі привода на той же вхідний вплив, а сформований сигнал помилки після ПІД-регулятора подається на вхід підсилювача-суматора для корекції характеристик привода. Таким чином, в межах можливостей джерела живлення привод працює відповідно до бажаної моделі привода. На Фіг. 6 приведена структурна схема реалізації запропонованого слідкувального рульового привода на мікроконтролері. Більшість структурних блоків, а саме підсилювач-суматор, коригуюча ланка, ФНЧ1, аперіодична ланка, пристрій порівняння, ФНЧ2, ПІД-регулятор, обмежувач і зв'язки між ними реалізовані у цифровому вигляді, тобто у вигляді визначеного алгоритму, відповідно до якого запрограмований мікроконтролер. З виходу мікро-контролера широтно-імпульсний модульований (ШІМ) сигнал, підсилений в підсилювачі потужності 3, керує виконавчим двигуном 4, що через редуктор 5 обертає вихідний вал, положення якого відслідковується датчиком зворотного зв'язку. В даній реалізації і вхідний сигнал, і сигнал з датчика зворотного зв'язку можуть бути як аналоговими, так і цифровими. В першому випадку вони поступають на входи вмонтованих в мікроконтролер аналого-цифрових перетворювачів, в другому - на послідовні або паралельні порти, завдяки чому привід можна застосовувати як при аналоговій реалізації системи керування ЛА, так і при цифровій, а також використовувати як датчики зворотного зв'язку (ДОЗ), аналогові (наприклад потенціометричні) і цифрові (наприклад оптичні) датчики. В електроприводі з розглянутим міктроконтролером вплив зони нечутливості мінімізується внаслідок функціонування в електроприводі цифрової моделі, що підвищує стійкість привода з корекцією, усуває можливі коливальні процеси, які могли б виникнути в контурі системи керування ЛА внаслідок дестабілізуючих факторів. Література: 1. Электрогидравлический следящий привод, патент Росії №2161579; 2. В.Г.Стеблецов, А.С.Сергеев, В.Д.Новиков, О.Г.Камладзе "Моделирование и основы автоматизированного проектирования приводов", М., Машиностроение, 1989, стр.24-25; 3. Б.Г.Крымов, Л.В.Рабинович, В.Г.Стеблецов "Исполнительные устройства систем управления летательными апаратами", М., Машиностроение, 1987, стр.165, 173.