автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка микропроцессорных систем управления электромеханическим комплексом для испытаний трансмиссий вертолетов

РГо од

1 о МАР 1233

На правах рукописи

Иванов Андрей Гелиевич

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ ') Л ЕКТР О М Е X АI1ИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСМИССИЙ ВЕРТОЛЕТОВ

Спениалыгость 05.09.03 - " Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование."

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кан;(и;шта технических наук

г

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом Университете ).

Научный руководитель - Дважды Лауреат Государственной

премии СССР, доктор технических наук, профессор, академик АЭН Ильинский Н.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Филатов Алексей Сергеевич

в аудитории М-214 на •заседании диссертационного совета К - 053.16.06 Московского энергетического института (Технического Университета ).

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах с заверенной подписью просим направлять по адресу: 111250. Москва, Г,-250, Красноказарменная ул., 14, Ученый Совет М')М(ТУ). С диссертацией можно ознакомится в ПпПлиотекс М')И(ТУ). Автореферат разослан 1996 Г.

Ученый секретарь

диссертационно! о сопстп К • 05Д. 16.0Л

кандидат технических наук , старший научный сотрудник Хуторецкий Кладимир Матвеевич

Иедуиич- предприятие - АО " Москвич "

час.

кандидат технических наук, доцент Анчарова Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Комплексные испытания вертолетных трансмиссий обычно проводятся на натурных установках. Они сопровождаются выбросом в атмосферу вредных отработанных газов, значительным шумом, мощными потоками воздуха от лопастей вннгов, при •»том необходимы значительные площади при проведении испытании. Разработанные Московским вертолетным заводом им. М. Л. Миля и АО " ''электропривод" электромеханические комплексы для 1К1П.11ниич 'флнемнеенп вертолетов взамен натурных установок позволяю! повысить качество и экономичность испытаний, облегчить условия их проведения. Однако при создании испытательных комплексов ( И К) возникают серьезные трудности, связанные с идентификацией нроиэподствснпо-эксплуитацноннои среды объекта нспытлппй. Требуется и решение проблемы переход» на микропроцессорные средств», позволяющие унифицировать аппаратную часть систем управления и полностью автоматизировать технологический процесс испытаний. Тема диссертации непосредственно связана созданием микропроцессорных систем управления испытательными комплексами - сложными электромеханическими системами с разветвленной кинематической схемой и упругими звеньями. Данная диссертационная работа выполнялась в рамках плановых работ Московского вертолетного завода им. М. Л. Миля и АО " Электропривод" по созданию электромеханических испытательных комплексов для серийных заводов авиационной промышленности.

Цель работы и предмет исследований Целью работы является создание микропроцессорных систем управления электромеханическим комплексом для испытания

трансмиссий вертолетов. Предметом исследований являются:

- изучение особенностей работы вертолетных трансмиссий в производственно - эксплуатационной среде с целью выработки технических требований к системам управления испытательными установками;

- математическое описание и идентификация объекта;

- системы управления каналами нагружения трансмиссии крутящими моментами с демпфированием крутильных колебаний,

- мп оды синтсча параметров систем управления >лск фомехяничсским И К.

Ииучнаа новизна

1. Обосновано представление математического описания механической части испытательною комплекса ( ПК ) в виде двух одпомнссопых сипом с " заделками " и енггеме UplUHUIOlHHXCH координат.

2.Установлено, что математическое описание злсктромсханнчсскоИ части ПК может быть представлено в виде двух независимых систем нагружения крутящими моментами.

3. Разработана методика синтеза параметров микропроцессорных систем нагружения крутящими моментами в виде трех зтапов:

- приведение сложной трехмассовой шектромеханической системы к двум независимым системам;

- получение желаемого качества частотных характеристик объекта с использованием цифрового демфнрующего устройства;

- синтез параметров регуляторов, обеспечивающих требуемое качесгво переходных процессов.

4. Разработано многоканальное программно- временное устройство управления ИК, позволяющее производить одновременно управление в автоматическом режиме всеми координатами нагружения

испытуемой трансмиссии. Независимое управление каналами нагружен»« крутящими моментами от несущего и рулевого

винтов но взаимосвязанной системе обеспечивается коррекцией по заданию уровня нагрузок.

Практическая ценность и реализация работы

Результаты, полученные в ходе исследований использованы Московским вертолетным заводом им. М. Л. Миля и АО " Электропривод

при создании электромеханического комплекса для испытаний грансмиепш малого вертолета семейства " МП построенного с использованием машин постоянного тока;

- при проектировании электромеханических комплексов для испытаний трансмиссий вертолетов средней и большой грузоподъемное ги, построенных на базе электрических машин переменного тока. Основные результаты работы могут быть использованы при создании испытательных установок в других ограслях машиностроения.

На защиту выносится:

1. Математическое описание электромеханической системы испьиагсльного комплекса с разветвленной кинематической схемой и упругими звеньями.

2. Микропроцессорные системы управления каналами нагружения испытуемой трансмиссии крутящими моментами, обеспечивающие заданную динамику и качество испытании.

3. Синтез многомассовой электромеханической системы ИК с разветвленной кинематической схемой и упругими звеньями.

4. Многоканальное ирсч-раммно- временное устройство управления И К. обеспечивающее одновременное управление комплексом в автоматическом режиме.

Апробация риботм

Оокншыс положении диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-'технических конференциях и семинарах: " Проблемы электропривода и автоматизации промышленных установок " ( г. Иваново, 1989 г.); " Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями"( г. Свердловск, 1989 г.); " Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта " ( г. Смоленск, 1987 1. ); " Разработка методов и срсдстн экономии электроэнергии в электрических машинах и системах электроснабжения промышленности и транспорта " ( г. Днепропетровск, 1990 г.); Конференция по проблемам автоматизированного "электропривода ( г..Суздаль, 1991 г.): " Контроль, управление и автоматизация в современном производстве " ( г. Минск . 1990 г.); " Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях и в организациях нрнборо- и машиностроения" ( г. Пермь, 1990 г.); " Социальные аспекты преобразовательной техники " ( г. Запорожье, 19901.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано девять научных трудов, получено два патента РФ и одно авторское свидетельство.

Объем и стуктура работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 57 наименований, двух приложений и содержит 217 страниц машинописного текста и 61 рисунок.

(ОДЕРЖЛННК РАБОТЫ Во введении сформулирована цель работы, определены основные задачи для достижения пели, приведены выносимые на защиту

положения, покатала научная новизна полученных результатов и их практическая ценность.

Первая глава посвящена анализу работы вертолета в условиях эксплуатации, систематизации на его основе требований испытательным установкам, теоретическому обобщению опыта работы по созданию испытатслынлх—установок и стендов в вертолстостроении для данного класса механических систем, а также обоснованию основных принципов построения микропроцессорных систем управления технологическими процессами испытаний на электромеханическом комплексе, выбору методов исследования. Эта задача определяется недостаточностью разработок н публикаций по комплексному подходу в создании испытательных установок с большим количеством координат нагружения. В первой главе определены основные требования к ПК вертолетных трансмиссий и обоснованы основные направления работы по созданию микропроцессорных систем управления технологическими

процессами испытаний многосвязанных механических систем, выбраны основные методы исследования.

Основные требования сводятся к обеспечению соответствия полетных щи рузок трансмиссии вертолет ( тяга, крутящий и изгибающий моменты, осевая и перерезывающая силы рулевого и несущего винтов ) нагрузкам на испытательном комплексе при минимизации энергопотребления автоматизации процесса испытаний.

Игоря» глава содержит результаты исследования механической части электромеханического комплекса.

И вер I олстостроении в связи с высокими требованиями надежности механических трансмиссий при испытаниях используют

полное физическое моделирование. Основу этого метода составляют натурные стенды с воздушными винтами и приводом от газотурбинных двигателей, которые создают для каждого типа вертолетов в отдельности. Следовательно, в этом случае имеется возможность достаточно полного воспроизведения физических явлений, имеющих место при различных полетных режимах. Такая же возможность должна быть обеспечена и при создании электромеханических комплексов для испытаний трансмиссий вертолетов. Приведены нагрузки, действующие на трансмиссию малого вертолета в полете, составлена расчетная трехмассовая схема механической части, определены приведенные жесткости и моменты инерции, с использованием метода Толле определены собственные частоты. колебаний, составлена система

дифференциальных уравнений механической части

электромеханической системы в приращениях с использованием относительных единиц и с учетом воздействия днссипа гивиых сил в виде системы ( 1 ):

Л М* л - Л М* кр1 - Л М* кр2 = Тмд Р «Лсо*л Л М* ь-р I = [( 1 + Т d I Р ) / Г с И'] • { Лг»*д - Лт*1н 1 ) ЛМ*кр2=[( 1 + Td2P)/Tc2P |.(Лю*д - Лм*ш2) (1) Л М* кр1 - Л М* rl = Т мш1 Р • Л го*ш 1 Л М* кр2 - Л М* л1 = Г мш 2 Р • А т* ж 2 Структурная схема системы (1) представлена на рис. 1а, на котором приняты следующие обозначения: Т д, Г мнМ и Г мнг2 -мсхаиичсские постоянные времени двигателя Д, на1рузочных генераторов ПГ1 и Ш '2 соответственно; Л<о л» Л<п нг1 и Лгаш2-нрирашения частот вращения двигателя, нагрузочных генераторов МП и 1117; ЛМ кр1 и ЛМ кр2 - приращения приведенных крутящих моментов несущего и рулевого винтов; ЛМ л, AM т! и

а

Л "г* ✓ *

л/Утг Э9Т л <* —I—> А М+д

Рис.1. Исходная (а) и упрощенная (б) расчетные схемы механической части комплекса.

ДМ т2 - приращения момента двигателя Д и тормозных моментов генератов НГ'1 и НГ2, Tel и Тс2 - постоянные времени, характеризующие жесткости ветвей 1-2 и 2-3; Тdl и Т d2 - постоянные времени, характеризующие эквивалентное демпфирование ветвей 1-2 и 2-3. Показано, что при стабилизации частоты вращения электропривода при возмущениях по itai ручке трехмассовую систему можно рассматривать как две независимые, совершающие колебания относительно " заделки ", вращающейся с заданной скоростью трансмиссии. Предложено математическое описание механической части в виде уравнений ( 2 ) и ( 3 ):

2 2

W м! ( р ) = ( 2^1окр ПокрР+1)/( Покр Р+2^1окр Покр Г+1) ( 2 )

2 2

W м2( р )=(2^2окр"Г2окр1>+1)/('Г2окр1,+2^2окр'Г2окр Р+1) ( 3 ).

Из выражений (2) и (3) следует, что механическая часть нспмкнелмнн о комплекса может бы и, предст авлена в виде двух звеньев с передаточными функциями \Ум1(р) и W м2(р). Каждая передаiочная функции иредствляет собой последовательное соединение двух звеньев: .колебательного и форсирующего. IIa основе вышеприведенных уравнений получены структурные схемы механической части испытательного комплекса, представленные на рис. 16, на котором приняты следующие обозначения: 1 окр и 2 окр - коэффициенты эквивалентною демпфирования диссниативных сил ветвей 1-2 и 2-3; Г I окр и Т2окр - периоды крутильных колебаний нагрузочных генераторов НГ1 и НГ2 соответственно. На основании экспериментальных исследований определены логарифмические декременты затухания, круговые частот i,i и фазы колебаний механической части системы.

J 1ропедснное сравнение экспериментально полученных значении частот с расчетными значениями, полученных из осциллограмм на put. 2, показало их близость и подтвердило правильность математического описания.

В третьей главе получено математическое описание электромеханических систем иагруженпя крутящими моментами. При разработке математической модели электромеханической системы ИК принято ряд допущений:

- влияние взаимной нагрузки друг на друга генераторов НГ1 НГ2 устранено с помощью вентелей, установленных в якорных целях ИГ1 и ЦП, обеспечивающих одностороннее протекание токов в контурах нагружения III'1-Д и IIF'2-Д;

- вихревые токи и токи короткозамкнутых секций якоря двигателя, нагрузочных генераторов НГ1 и НГ2 учитываются с помощью дополнительных короткозамкнутых обмоток на общем с обмоткой возбуждения магнитопроводе;

- токи рассеивания не влияют на насыщение магнитопровода;

- падением напряжения на вентилях тиристорных преобразователей, питающих обмотай возбуждения электрических машин, а также якорь электродвигателя, пренебрегаем;

- реакция якоря электрических машин полностью скомпенсирована и щетки якорных цепей установлены на нейтрали.

На рис. Л представлена исходная для синтеза стуктурная схема электромеханической части испытательного комплекса (ПК). Четвертая глава посвящена -синтезу систем регулирования основных координат испытательною комплекса. Синтез цифровых систем регулирования моментов проведен в три этапа. На первом этапе предложено использовать систему вращюшихся координат ( при инвариантности частоты вращения приводного электродвигателя относительно нагрузки), что

&

1£ / 1С с Ч.ч {\ / Ю У ( у. \ '¿Л / / \ г \

1 ( 1 1V/ 1 V ' ! VI 1 ш \ I \л г 1 1 / ! ! У 1 1 (

б

в '

Рис.2 Изменение момента при сбросе нагрузки, а - на модели без учета диссипативных сил б - на испытательном комплексе в - на модели с учетом диссипативных сил

позволило привести трехмассовую электромеханическую систему к днум независимым одномассовым системам с " чаделками " и упростить синтеч. Упрощенная структурная схема электромеханической части ПК представлена па рис. 4. Ни втором этапе синтезировано цифровое корректирующее устройство ( 1СУ ), обеспечивающее демпфирование крутильных колебании электромеханической системы испытательного комплекса бет потери ее быстродействии. I (средаточили функция Ю' iHMivieii» и ипшнч щн>м индс, исходя in " желаемой " передаточной функции объекта peí улироваипя. Цифровое устройство ( КУ ) реаличовано в виде вычислительного алгоритма:

2

И|п| = К VmI (f|n|-f|o - I D + KV Ml ( V f|n| -Vf|n - 1 I), (4 ) 2

К VmI =| 2T OBI» 1 T loicp (1 - £1окр ) К изм м! | / К м I- I , ( 5 )

К VmI = ( 2Т1окр (1 - ÇIok ) Кшм м1 | / К м 1 - 1 , (6)

где Vf|n| = f|n|- f|n-1| - первая обратная рачность: 2

Vf I n I = Vf|n| - V f I п - 1 ] - вторая обра t пая разность; К V м1 -коэффициент настройки КУ по первой обратной рачности; 2

KV м 1 - коэффициент настройки КУ по шорой обратной рачности. На "третьем этапе выполнен синтез цифровых систем регулирования момента первого и второго каналов. Системы выполнены в виде двухконтурных систем подчиненного регулирования. Внешний контур - контур регулирования крутящего момента, подчиненный ( внутренний ) - контур регулирования тока вочбужденпя нагрузочного генератора. Па основании технических требований определены параметры цифровых регуляторов.

Г/7S

¥

¿ Л,,,

У

Ty/nPtj

TStm„ ¿) ■< У

£/yv

í>* I HT!

-t/Риг,

7'*r,iP

<р

д uta у

тта,р * /

-ф-

£ли.

I ¿.LUI

м* \ЫИТ

£>ил t /

л M-,

• У

<4//.

У

да'

Тмяг/Р

Л о

A M, /

ùttutl

ùEn

4

i

с ?™к туркая схема электромеханической частл комплекса.

обеспечивающие " желаемые" динамические и статически Показатели системы. Передаточные функции регуляторов получен) в аналоговом виде и реализованы в виде цифровы вычислительных алгоритмов :

а) для внутреннего контура в виде Г1Д - пропорционально дифференциального регулятора с вычислительным алгоритмом : и 1 п 1 = - К п У | п ] - К д( У | п | - У | п - 1 ]), (7)

где Кп и Кд - коэффициенты усиления пропорционального ] дифффснциальною регулятора .

б) для внешнего контура в виде 11 ИД - пропорционально -интегрально - дифференциального регулятора, реализующею следующий вычислительный алгоритм:

и|в| = -КиУ1в1 + Ки.£(ГМ-уЫ)-Кд(у|в|-у1в-11), (»]

где Кн, Ки, К д - коэффициенты усиления соотвественно пропорционального, интегрального н дифференциальною регуляторов. В пятой главе приведены результаты промышленного внедрения научных результатов работы. Дано описание испытательного комплекса ( ИК ) для испытаний трансмиссий малого вертолета семейства МИ, построенного с использованием машин постоянного тока. Приводится его функциональная схема, описание специализированной микро-ЭВМ, описание и структурная схема нро1раммно-врсменного задающего устройства (ПВЧУ), описание используемых датчиков крутящего момента. Рассмофены структурные схемы микропроцессорных систем регулирования крутящими моментами и цифровой адаптивной системы регулирования скорости.

В заключении приведены основные вывода по работе: 1. Сформулированы основные требования к испытательным установкам: обеспечение соответствия полетных щцрузок трансмиссии вертолета нагрузкам па испытательном

комплексе при минимизации энергопотребления, унификации нтпаратных средств автоматизации процесса испытаний. I. Обоснована общая математическая модель электромеханической мсти нагрузочного устройства в виде трех систем: системы нагружения крутящим моментом несущего винта; системы нагружения крутящим моментом рулевого винта; системы управления частотой вращения приводного двигателя. I. Разработано цифровое микропроцессорное устройство, >еалиэующее известный метод демпфирования механических голсбаний посредством введения гибких обратных связей по [ервой и второй производным крутящего момента. Обоснован 1стод настройки этого устройства для коррекции динамической арактерисгики объекта, позволяющий без снижения быстродействия странягь колебательность в системе.

. Синтезированы оптимальные по быстродействию при заданно!! очности параметры регуляторов систем с микропроцессорным управлением.

. Разработано н реализовано на практике микропроцессорное стройстпо управления испытательным электромеханическим омнлекеом в виде программно - задающего устройства, озвочяющее производить одновременное управление в втоматическом режиме всеми координатами нагружения спытуемпй трансмиссии. Независимое управление каналами агружения крутящими моментами от несущего и рулевого интов во взаимосвязанной системе обеспечивается коррекцией о заданию уровня нагрузок.

. Научные результаты диссертационной работы использованы ри проектировании, наладке и промышленной эксплуатации пп.патсльного электромеханическою комплекса {ПК) малого :ртолста. Определены дополнительные области возможного

применения основных результатов диссертации: для различных отраслей машиностроения таких, как автомобилестроение, сельскохозяйственное и транспортное, судостроение, а также других отраслях при производстве и испытаниях сложных механических передач и трансмиссий.

В приложении 1 приведены акты внедрения систем регулирования

крутящих моментов и скорости электродвигателя ПК, а также

программно-временного задающего устройства.

В приложении 2 приведен расчет ожидаемого экономическою

эффекта от внедрения И К малого вертолета.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Л. с. 1578556. Переоформлено в Патент РФ за тем же номером 17.04.92 г. Стенд для испытаний трансмиссии. / Л. 1. Иванов, Л. В. Кручннин, Б. К. Никитин. - Б. П., 1990, № 26 - с. 184.

2. А. с. 1539945. Устройство для регулирования момента нагружения в упругой трансмиссии стенда для испытании механических передач. / В. В. Белошабский, А. М.Вейнгер, Е. В. Катюхин, С. Ю. Потаскухнн, И.М. Серый, В. Н.Гфмак, Г. М.Иванов, А.Г.Иванов, В.И. Новиков.-

Б.И.,1990, № 4 - с. 256.

3. А. <•. 1723649. Переоформлено в Патент РФ за тем же номером 8. 12. 1992 г. Электропривод постоянного тока по системе генератор - двигатель г упругим звеном и способ для его управления./А. Г. Иванов, В. И. Ермак, Л. В. Кручинпн. - Б. И.,1992, № 12 - с. 216.

4.Иванов А.Г. Физическое моделирование при стендовых испытаниях механических передач.//11роблемы электропривода и автоматизации промышленных установок : Мсжву з. сб. -1 !тпюво, Ивановский государственный университет, 1989 - с. 133-137.

5. Вншщкнй А. Л., Иванов А. Г., Катюхин Н. И. Возможности

создания нагрузочного устройства на базе синхронных машин. // VIII научно - техническая конференция " Электроприводы переменною тока с полупроводниковыми преобразователями ": тез. док. - Свердловск, 1989 г., - с. 76.

6. Новиков В. И., Никитин Б. К., Иванов А. Г. Электроприводы переменного тока для испытания механических передач по схеме взаимной нагрузки электрических машин. // "Электротехника " -1990г., № 1, - с. 62 -65.

7. Новиков В. И., Нрмак В. Н., Иванов А. Г. Создание высокоэкономичных автоматизированных испытательных установок трансмиссий вертолетов на основе электромеханических способов нагружения:// II Всесоюзная научная конференция " Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта" : тез. док. - Смоленск, 1987 г.,- с. 172 - 173.

К Никитин 1>. К.. Иванов Л. Г., Новиков IV И. Энергосберегающие стенды для испытания механических передач. // Всесоюзная научно- техническая конференция "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжении промышленности и транспорт«" : тез. док. -Днепропетровск. 1У90 г.. - с. 362.

9. Никитин li. К . Новиков В. И . Иванов Л. Г. Системы нагружения для испытания силовых передач большой мощности. // XI Всесоюзная научно - техническая конференция по проблемам автоматизированного электропривода : тез. док. - Суздаль, 1991 г., -с. 107.

К). Иванов А.Г. Методы построения микропроцессорных систем автоматического управления технологическими процессами нетрадиционных испытаний многосвязанных механических систем.// Вторая научно - техническая конференция молодых

ученых и специалистов с международным участием " Контроль, управление и автоматизация в современном производстве " : тез. док. - Минск, 1990 г., - с. 179 - 180.

11 .Ермак В.Н., Иванов А. Г., Никитин Б. К. Автоматизация процесса

Всесоюзнаянаучно - техническая конференция " Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях и в организациях приборо- и машиностроения" : тез. док.-11ермь,1990 г., - с. 18-20.

12.Новиков В. П., Ермак В. П., Иванов Л. Г. 'Энергосберегающие экологически чистые автоматизированные электромеханические стенды в технологии испытания массовых механических передач.// Всесоюзный научно - технический семинар " Социальные аспекты преобразовательной техники " : тез. док. - Запорожье, 1990 г.. - с. 56.

испытаний

сложных

механических агрегатов. // II

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.