автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и разработка адаптивных регуляторов электрогидравлических рулевых систем



Кузнецов Андрей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АДАПТИВНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Санкт - Петербург - 2011

4845454

Работа выполнена п Санкт - Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Н. Д. Поляхов Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. М Шестаков доктор технических наук Ю. Г. Оболенский

Ведущая организация - Инженерный центр им. A.C. Яковлева

открытого акционерного общества «Научно-производственная корпорация «Иркут»

Защита состоится " л.5~•• _2011 г. в ^ часов на заседании совета

по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт - Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " А® " CUlJ\AjjUSL 2011 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций

Белов М.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 гидрораспределителей. Особенности этих нелинейных характеристик определяются, главным образом, областью нечувствительности и различивши 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 и стабилизацию характеристик следящего привода при изменении 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 управления; электрогидравлические 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 систем с использованием современных средств компьютерной техники.

Научные результаты. На 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 2007г,

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

• VI Мезвдународной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2010», Тульский государственный университет, г. Тула, 28 септ,- 1 окт. 2010 г,

а также изложены в 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 г.г; в отчетах НИР по проекту «Создание механотронных комплексов управления движением маневренных самолетов» в соответствии с гос. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость, достоверность и апробация результатов диссертации. Дана характеристика публикаций, структуры и объема работы.

В первой главе проведен анализ технических решений построения перспективных электрогидравлических рулевых систем (с непосредственным управлением золотниковым гидрораспределителем при помощи линейного двигателя (ЛЭД)), их месте и роли в управлении полетом высокоманевренного самолета. Установлено что:

а) для увеличения надежности и большей «электрификации» рулевой системы часть гидравлических каскадов усиления заменена на линейный электродвигатель;

б) математическое описание ЛЭД нелинейно и аналитически не определено;

в) механические характеристики исполнительных механизмов гидропривода имеют нелинейные характеристики, определяющие нелинейные (с переменной крутизной) зависимости изменения скорости поршня;

г) при изменении режимов функционирования вследствие изменения давления нагнетания и температуры изменяются параметры и коэффициенты усиления контура управления сервопривода с ЛЭД, особенно в области малых входных сигналов (при амплитудах, соответствующих 0,1% от максимального уровня);

д) обеспечить требуемое качество регулирования электрогидравлической системы с учетом указанных условий ее работы возможно только при использовании адаптивных законов управления.

Проведен анализ работы электрогидравлической рулевой системы с инерционной нагрузкой и упругими связями, который выявил:

а) крутильные колебаний руля могут быть уменьшены в результате использования собственных свойств рулевых приводов,

б) собственного демпфирования рулевого привода имеющимися способами (антирезонансные фильтры в прямом тракте, жесткая и гибкая обратные связи по перепаду давления и т. д.) при действии внешнего возмущения на рулевые органы недостаточно;

в) при действии внешнего возмущения на рулевые органы требуется использование адаптивно-модального управления.

Вторая глава посвящена разработке и теоретическому анализу математической модели ЛЭД, схема конструкции которого изображена на рисунке 1, где обозначены: якорь 1, постоянные магниты (ПМ) 2, 3, полюсные наконечники 4, 5, обмотка управления (ОУ) б, центрирующая пружина 7, шток 8, стакан 9 из магнитно-мягкого материала, воздушные зазоры 10,11.

Построение нелинейной модели ЛЭД проводилось с учетом:

- параметров магнитной цепи - сопротивлений воздушных зазоров ^XI* Х2 ^ сопротивлений ПМ Ят1 = йт2 - Нт ;

- принятых допущений (пренебрежения потоками рассеяния и сопротивлениями магнитно-мягких участков и нерабочих зазоров, однородности поля и линейности намагничивания);

- эквивалентной схемы замещения магнитной цепи (рисунок 2), а так же схемы замещения отдельно для потоков подмагничивания (Фт1, Фт2, Фт) 0Т ПМ (рисунок За) и потоков (фу1, фу2, Фу) ОУ (рисунок 36).

Рисунок 1-Схема конструкции линейного электродвигателя

Дт/

Ф>'1 ФУ Т Фу2

Л/ л,2 |

иЛ

Я „2

Рисунок 2- Схема замещения магнитной цепи

Рисунок 3 - Схемы замещения отдельно магнитной цепи а - для потоков подмагничивания, б - для потока управления

Основой разработанной нелинейной модели ЛЭД являются полученные в работе уравнения: электромагнитной силы, электрической цепи с учетом электромагнитной индукции и механическое уравнение движения.

Уравнение электромагнитной силы ЛЭД, полученное с использованием известного соотношения силы / через индукцию В в воздушном зазоре ! = -1ф2 м"(х) = = п0 составленному уравнению электромагнитной

силы ЛЭД (для конструкции на рисунке 1) /эм = ^ [(Вт1 + Ву1) -(Вт2-Ву2) ] , имеет вид

(1)

/ЭМ (Кт + 1-^)2

/ЧЙ (Ят + 1)К,2\

2(дт +1++ (•+ \ у) ^

где х - перемещения якоря , 5/ - площадь воздушного зазора, ( Км = > ^м -

магнитное сопротивление цепи, (Вм1 + Ву1) - результирующая индукция (от действия МДС ПМ Рт и МДС ОУ ?у ) в левом зазоре, (Вм2 - Ву2) - результирующая индукция в

правом зазоре, , б - соответственно, сопротивление и величина воздушного зазора в среднем положении двигателя, Йт = Нт/Ях0 , Но ~ магнитная проницаемость вакуума.

Уравнение электрической цепи ЛЭД ( и = Ш + ), полученное в работе с учетом результирующего магнитного потока ф(/у,л:) = Фт + Фу через обмотку управления от всех источников: Рт2 (ПМ), где Рт1 = рт2 = Fm и /у (ОУ), где Ру = \м1, с использованием схемы замещения (рисунок 3), имеет вид

и = т + х)~+Се (/у, х) —, (2)

где индуктивность цепи

и коэффициент ЭДС Се(ру,х) определяется по формулам: г ЭФ w(Rm + l)Fy*+wFm(Яm + l + x2)

=-яА-и-^-' (4)

Уравнение движения

/эм =тх + Ьх + Сх+/н, (5)

где т - масса якоря и подвижной части ЛЭД, /„ - сила внешней нагрузки ЛЭД, С -жесткость центрирующей пружины, Ь - коэффициент вязкого трения.

Применимость математической модели ЛЭД в структуре электрогидравлической системы с жесткими связями с исполнительным механизмом основана на ряде предпосылок автора.

1. В качестве объектов модели ЛЭД рассматриваются только двигатели с постоянными магнитами, где максимальная МДС ОУ соотносится с МДС ПМ следующим образом Рутах = (1/6 ... 1/10)^.

2. Рассматриваются двигатели с величиной относительного магнитного сопротивления ПМ в пределах Яш = (7 ... 10) (условие на конструктивные параметры:

3. Рассматриваемые двигатели перемещаются в малом относительно нуля.

С учетом выполнения предпосылки 1 в выражении (4) первым слагаемым, содержащем МДС ОУ /у допустимо пренебречь, после чего функциональная зависимость Се х) примет вид

г г-л - ^т№п + 1 + *2) ,,,

СЛх)-Ях0(йт + 1-х*)Ч- (6)

Выполнение предпосылки 1 позволяет упростить и выражение (1) для электромагнитной силы ЛЭД

4/Г2г

/эм--

(Ят + 1-х2)2 ' * ' " ' * ■ (7)

Показано, что доля третьего слагаемого (Ру2) в формировании силы (1) составляет менее 10%.

При выполнении обеих предпосылок сразу, математическая модель ЛЭД принимает линейное описание, аналогичное случаю работы двигателя вблизи нуля (х -> 0).

Уравнение силы : /эм = /су/у + Стх = + Стх,

rпf»^ _ (Уо^оГ^т г _2(£о£/Я|оГ^т Де ^ ~ Кт+1 ' т ~ (Кт+1)2<5 ■

Уравнение электрической цепи: и — Ш + /,„ — + Се0 — ,

Уравнение движения: /эд/ = тх + Ьх + Сх + [н .

В наиболее общем случае, т. е. при выполнении только предпосылки 1, математическая модель ЛЭД - нелинейная, определяемая уравнениями (2-3, 5-7).

Для определения формы нелинейной зависимости силы тяги ЛЭД /т от тока управления в первом слагаемом в уравнения (7) в работе предлагается осуществить замену переменной х на Щ, при условии выполнения предпосылки З.Тогда с учетом пропорциональности регулировочной характеристики Иу=.х возможен переход к приближенному выражению силы тяги ЛЭД

/г

вид которой приводится на рисунке 4.

^"о (Ят + 1 -

(8)

/т О) - /,п,И

О 8 се О 4 0 3 О 0 2

Рисунок 4 — Форма нелинейной зависимости силы тяги от тока управления ЛЭД

ог 04 ое ое

Рисунок 5 — Форма нелинейной зависимости результирующей силы упругости от перемещения ЛЭД

С учетом анализа жесткости С центрирующей механической пружины ЛЭД в работе проводится оценка формы нелинейной зависимости результирующей силы упругости магнитной и механической пружин

/т /упр —

-С8х,

(9)

показанной на рисунке 5.

В работе, согласно предпосылке 3, показывается, что нелинейная зависимость результирующей упругой силы ЛЭД, содержащей два экстремума, при достижении которых двигатель снижает статическую жесткость, заставляет сокращать величину перемещения х ЛЭД до величин, где отклонение от линейности нелинейной характеристики /т (х) - /упр (х) незначительно.

Для улучшения свойств модели - уменьшения влияния электромагнитной постоянной времени Тэм = 1{х)/ Я ЛЭД и нелинейной обратной связи по ЭДС Се(х), в работе предлагается сформировать контур тока ЛЭД с ПИ - регулятором с соответствующими настройками.

В итоге проведенного аналитического исследования статических и динамических характеристик ЛЭД получена структурная схема нелинейной модели ЛЭД, представленная на рисунке 6.

Рисунок б - Структурная схема нелинейная математическая модель ЛЭД

Уравнение ЛЭД с учетом введенных предпосылок и мероприятий по линеаризации его статических характеристик имеет вид

%(0и/£ = тх + Ы + (С- Ст(-))х, (10)

где •) - функциональная зависимость силы тяги ЛЭД по току управления (при практическом использовании) задается кусочно-линейной функцией, Ст(-) функциональная зависимость магнитной жесткости пружины с учетом предпосылки 3 представляет собой константу.

Третья глава посвящена разработке, теоретическому анализу и реализации адаптивного регулятора с сигнальной настройкой для электрогидравлического привода с ЛЭД.

Для синтеза адаптивных регуляторов для внутреннего и внешнего контуров электрогидропривода выбрано математическое описание (рисунок 7) с учетом нестационарности параметров системы и нелинейностей, где й (•) — "функциональная добротность" как зависимость от режимных условий работы, т (•) - такая же "постоянная времени" (Тюд).

Ucn

дос

S ь 1 D±) s

) * T(-)J+ 1 >>

Рисунок 7- Модель контуров электрогидропривода. С учетом допустимости перехода к модели, представленной на рисунке 8,

Рисунок 8- Модель объекта при учете влияния звена с малым параметром где D и О*, а также т и т*, соответственно, близкие величины, рассматривается синтез адаптивного регулятора при учете влияния звена с малым параметром т .

rx = -ах + bu, u = д + z, (11)

т£ = -х+х, (12)

*м = ~ ам*и + Ьмд, (13)

lz = -h sign bM (x - xu), (14)

Проведенный синтез адаптивного регулятора с эталонной моделью (ЭМ) пониженной размерности для модели объекта управления (11), представленной на рисунке 8, где a = a(x,t) и b = b{x,t) локально ограниченные функции; т —малый параметр малоинерционного звена (12) (с описанием в операторном виде х. = Fx, F =

td(+1

,Dt = d/dt у, ам и Ьм

параметры эталонной модели (13), z —сигнальный

адаптивный алгоритм (14), выявил диссипативность процессов адаптации. Это означает, что при условии влияния неучтенных звеньев параметр Ь адаптивного алгоритма (14)

является функцией h(t), значения которой зависят от времени и изменяются по закону

В этом случае для улучшения качества адаптации потребуется введение дифференциальной составляющей в сигнал адаптации.

Синтез адаптивного регулятора с настраиваемой моделью (НМ) (наблюдателем состояния пониженной размерности (17) - (18) для модели контура (15) с выделенной стационарной частью а0, Ь0, и содержащего малоинерционное звено (16)), который описывается уравнениями

х = - а0х + b0u + (а0 - а)х + (b — b0)u, и = g + ц, (15)

1

хх = -х+ х, х = Fx,F = = d/dt, , (16)

к = - (а0 + дг)Х + gtx + b0u+ b0z, (17)

js = h sign b0 (x -Х),ц = -b^F, F^z, Ff = (7) Dt + l)"1, F'1 =TDt + l, (18) позволил сделать следующие выводы.

• Адаптивная система (15) - (18) по управлению (адаптации) диссипативна,

• Адаптивный механизм (по ц ) содержит оператор дифференцирование F'1 = zDt + 1 в случае невозможности пренебрежения параметром т.

Учитывая приведенные выводы, в работе разработала структура модифицированного адаптивного регулятора с перестраиваемой моделью (рисунок 9).

РУЛЕВОЙ ПРИВОД (РП)

СЕРВОПРИВОД (СП) *лэд(0

J

/ 1

/ S

Рисунок 9- Модель рулевого привода с модифицированным адаптивным регулятором.

Um

СЕРВОПРИВОД

т*От—3

Uz

i maxl/—

—А - ¡m

í к лэд экв

■Э \dt

Модель

•О

JF

Л

*м

(Щ+ 1 )Ff

Рисунок 10- Работа адаптивной системы с ЭМ при ограничении сигналов управления

С учетом практической реализуемости алгоритма на микроконтроллере, схема адаптивного регулятора включает в себя следующие отличительные особенности.

• Для исключения скользящих режимов и удобства цифровой реализации адаптивного регулятора произведена замена знаковой функции sign в адаптивном механизме (14) и (18) на функцию ограничения sat.

• Формирование вектора ошибки переменных состояния объекта относительно модели управления формируется путем дифференцирования ошибки между объектом и моделью.

• В модель объекта вводится ограничение на ее скорость Ктах в момент ограничения скорости объекта управления.

• При малых сигналах управления (до наступления ограничения в объекте), согласование движения модели и объекта управления производится в соответствие с принципами адаптивной системы с НМ.

В соответствии с уравнениями (15)—С18) и схемой на рисунке 9 имеем: *м = ~ k„ikM2xM — kvkn2(xK — хсп) + км1к„2д, ц = TDt[kvkvl(xм - хспЩ + kvkvl(xK - xcJFf, Ucn А д.

• При больших сигналах управления, когда скорости объекта и модели ограничены, ограничивается и сигнал согласования модели. В этом случае адаптивный механизм перестраивает систему на работу с ЭМ (рисунок 10).

• Адаптивный механизм формирует сигнальное адаптивное воздействие в виде линейной комбинации составляющих вектора ошибки с учетом ограничения /гг и дифференцирования (TDt + l)Ff с малоинерционной фильтрацией.

Результаты исследования показали высокую эффективность адаптивного регулятора, что подтверждается частотными характеристиками сервбпривода (РМ) на стендовых испытаниях цифровой двухконтурной рулевой системы СПМ6-П без адаптивного регулятора и при его включении. На рисунках 11-12 продемонстрирована эффективность включения АР (рисунок 12), заключающаяся в сближении частотных характеристик сервопривода на малых уровнях управляющего сигнала к характеристикам при больших уровнях в требуемой полосе пропускания, что свидетельствует о линеаризации нелинейностей ЛЭД и сервопривода и повышении динамической точности рулевой системы.

В четвертой главе обосновывается редуцированная модель электрогидравлической рулевой системы с упругими связями с нагрузкой вида:

тУп + Ьул = С(у-уп), (19)

My + fy + C(y-yn)=Ap, (20)

*вЛм = ¿У + V/2E? , (21)

пригодная для синтеза предлагаемых адаптивных регуляторов упругого объекта.

Обосновывается эффективность коррекции (демпфирования) РП по сигналу, пропорциональному упругой силе Fy нагрузки, как по положению у исполнительного механизма, так и по положению уп нагрузки массы т.

Для демпфирования упругих колебаний в нагрузке и РП разработан модально адаптивный регулятор, использующий для оценки упругой силы в нагрузке модель на основе уравнений: (19), (20), (21)

х = Aoix + b04u, у = С4х, (22)

Рисунок 11—Частотные характеристики сервопривода (РМ) без АР при АРм = 0,05, 0.1,0.2,0.3 мм

СПМ-50№ 1070004 с БУП-50 № 12. 27.05.Юг.

РМ:1*-2ГС280,1+2+Зк,ПП4056А,Крм=2,Арм=0.2, О.1. О.ОЗмм

Амплитудно-частотная характеристика

О, ОЗ" -в- ЯМ50Н04М.ЗЛ'Р- 18 : 7/6 (ампл. 0.011В. ипах(р=1.259Гц) = 1.2в2аБ, фазв(РЧГи) - -7.43В----- КМ50Ы04М.5У\/Р - 15: 7/6 (вмпл. 0.045В. 1.твх(р>=3.162Гц) = 0.3090В. фаэв^-^Гч) = -5-478-

Ог / -л— КМ!ЮЫ04М.5\Л'Р - 16 : 7/в (ампл. 0.0238. 1В2Гц) - 0.2653Б, фаза(Г-=1Ги) = -5.46В'

Рисунок 12 — Частотные характеристики сервопривода (РМ) с АР при АРМ = 0,05, 0.1,0.2 мм

где х = [р, у, уп, у„], С4 = [О 10 0], и = хрм - выход сервопривода, р - перепад давления на поршне массой М и площадью А;(,Ь - коэффициенты скоростного трения, С - эквивалентная жесткость, кЧ!(, У/Е -коэффициенты гидравлического усиления. Модель (22) включает в себя адаптивный наблюдатель состояния

£ = А0х + вС3(х - %) + Ь0и(23) 2(0 = -кР^СЗИдп^х - х)), (24)

где « = [9.9п.9п}Г. С3=[10 0], Щ = [рм,р}\

(25)

Введение обратной связи по перепаду давления на вход наблюдателя осуществляет настройку идентификатора по возмущению. Матрица Р рассчитывается из уравнения Ляпунова Л^ Р + Р Ан = —(), <? = > 0 . Для адаптивного закона настройки, использующего матрицу Р~1С, вычисляются элементы столбца

р-1с = ос = [£г1г,£*21,с*31]т.

Уравнения адаптивного регулятора для подавления упругих колебаний в рулевом приводе при учете упругих связей с нагрузкой имеют вид

с 0 С

Г Г

с ь с

т т т

0 1 0

А 0

, ¿0 = Г 0 А т

.0 0.

Аг2Е СА2Е 0 СА2Е

/V А С С

/ Л 7 С 0 Ь / С

и 0 т 0 т 1 т 0

2 Е

р! 0 С<Т 0 0

9 9п + Л 9г (у-9) + 0 0 0 0 А Й2Х

уд 9з т 0 .¿31

хр„ = {(д- косу)ке - (Т2 + Т20£)[С(у - уп]}кр„ . (26)

Проведенный анализ переходных и частотных характеристик предложенного в работе модально адаптивного алгоритма управления (26) рулевым приводом с упругими связями с нагрузкой показал, что адаптивный регулятор с настойкой по возмущению РП (оцениваемому по перепаду давления) эффективно подавляет упругие колебания, как по управлению, так и при действии внешнего возмущения со стороны нагрузки. На рисунке 13 представлены ЛЧХ и переходные характеристики (ПХ) рулевого привода с упругими связями, снятые с выхода РП, а также с выхода нагрузки (т.е. руля). Наброс нагрузки осуществлялся силой Fн = 500 кгс на 3 секунде. Эффективность включения адаптивного регулятора оценивалась по снижению амплитуды ЛАХ на частоте резонанса и степени демпфирования переходных процессов по управлению и возмущению. Из приведенных переходных и частотных характеристик видно полное совпадение результатов демпфирования упругой системы, проводимой по упругой силе и ее оценке, снимаемой с наблюдателя, настраиваемого по перепаду давления.

В условиях отсутствия в рулевой системе информации о перепаде давления р, в работе предлагается производить его оценку с помощью настраиваемой модели. В этом случае предлагается построить модально адаптивный регулятор с редуцированным настраиваемым идентификатором упругой силы для подавления упругих колебаний рулевой системы. Основу редуцированного адаптивного регулятора определяет уравнение (20) заявленной упругой модели системы для синтеза управления. Для оценки неизмеряемых переменных давления р и скорости поршня у предлагается использовать редуцированный настраиваемый наблюдатель:

2 к = (¿22 - ЬАи)Хк + (Аг 1 - 1Ахх)хг + №г + (В2 - ЬВ^и - г, (27) с сигнальной х 1) настройкой вида:

г = -к Р^С^дпСц ёк, (28)

где хг— (г х 1) вектор состояния измеряемых переменных (хг = у), хк- (к х 1) вектор состояния неизмеряемых переменных (хк = [у, р]т) , и - сигнал управления (определяемый по выходному сигналу сервопривода и = хрм), блочные матрицы с параметрами системы

/

О.Аа = [1 0],Л21 = [0 0]Т,В1 = 0,Л22 =

м

А2Е

в2 =

о

2кахЕ

,L

Уравнения модально адаптивного регулятора с редуцированным настраиваемым идентификатором упругой силы для подавления упругих колебаний РП имеют вид:

_!_/ i. м 1 м

А2Б .

Г 2

о

\hh1signe~2'i рм [hh2signe2 J'

(29)

v = [("рп - КсУ'Ж - {Тг + Т20{]Ру\кгы , (30)

Гу = Ар-Гр, (31)

где элементы матрицы наблюдателя Ь, рассчитанные методами модального управления

f , _ 90102_М

(h = 3V2o)0 _ ~,

h =

А 2E/V), ё2 = х2 — х2, hi, h2 - элементы матрицы

Нк = РЦ1^ (к = 2), Ск — (г X к) — матрица измеряемого выхода системы, ке,крм — коэффициенты усиления, соответственно, РП и РМ, Т1( Г2 — весовые коэффициенты закона управления. Элементы обратной матрицы Р^1 — (к хк) отыскиваются на решениях уравнения Ляпунова (А22 - ЬА12)тРк + Рк(А22 - ЬАп) =где (}к =

¿¿вдОьЧг). ?1.<?2>0.

Достоинством разработанного адаптивного регулятора является оценка упругой силы по уравнению (31) в структуре устройства. Эффективность демпфирования упругих колебаний РП и нагрузки с помощью разработанного алгоритма управления представлена на рисунке 14. При отсутствии информации о перепаде давления эффективность демпфирования снижается, что видно из сравнения ЛАХ упругой системы с коррекциями по силе упругости и по ее оценке. Из переходных характеристик, представленных на рисунке 14, следует заключить, что предложенный адаптивный регулятор с редуцированным настраиваемым идентификатором упругой силы подавляет упругие колебания по управлению и осуществляет их демпфирование по возмущению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Публикации, входящие в перечень изданий и журналов, рекомендованных ВАК

России

1. Кузнецов A.B. Мехатронный электрогидравлический модуль с цифровым управлением [Текст]/ Поляхов Н.Д., Вашкевич О.В. Кузнецов В.Е., Кузнецов A.B. Беспалов A.B. Якупов О.Э. // Известия государственного электротехнического университета. Сер. «Автоматизация и управление»,- СПб.:СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 № 1. - С. 43-46.

2. Кузнецов A.B. Исследование динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе электрогидропривода с дросселированием потока в линиях всасывания и нагнетания [Текст]/ Поляхов Н.Д., Вашкевич О.В. Кузнецов В.Е., Кузнецов A.B. Беспалов A.B. Якупов О.Э. // Известия государственного электротехнического университета. Сер. «Электротехника».- СПб.:СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 № 1.-С.30-36.

3. Кузнецов А. В. Адаптивная система управления гидроприводом [Текст]/ Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Кузнецов В.Е., Якупов О. Э., Кузнецов А. В., Вашкевич О. В. // Мехатроника, Автоматизация, Управление. -2007. -№ 11. - С. 12-15.

Другие статьи:

4. Кузнецов A.B. Некоторые вопросы разработки адаптивных рулевых приводов для систем управления полетом маневренных самолетов [Электронный ресурс]/ П.Г. Редько, Г.В Квасов, C.B. Константинов, Н.Д. Поляхов, A.B. Кузнецов, О.Э. Якупов// Материалы IX Междунар. Научн. Техн. Симп. «Авиационные технологии XXI века» (ASTEC-07), (МАКС-2007), Москва, Жуковский, 17-23 августа 2007г. - Москва, 2010. -10 с. - 1 электрон, опт. диск.

5. Кузнецов A.B. Исследование адаптивной системы управления электрогидравлическим следящим приводом [Текст] /В.Е. Кузнецов, А. В. Кузнецов, Н.Д. Поляхов, О.Э. Якупов // Материалы Межд. Науч-Техн. Конф. «Мехатроника, автоматизация, управление - 2007», (ИКТМ-2007), п. Дивноморское, Геленджик, 24-29 сент. 2007г. -Таганрог.: Изд. ТТИ ЮФУ, 2007.-С. 231-236.

6. Кузнецов A.B. Применение новых подходов для разработки рулевых приводов перспективных маневренных самолетов / Константинов C.B., Редько П.Г., Квасов Г.В., Каннер М.Г., Косарев В.А., Смородин И.В., Кузнецов A.B. // Полет. - 2009. -№3. -С.28-37.

7. Кузнецов A.B. Улучшение характеристик линейного электродвигателя средствами адаптивного управления [Текст]/ Поляхов Н.Д., Кузнецов A.B., Кузнецов В.Е., Якупов О.Э., Поляхова В.А., Вейнмейстер A.B. //Труды VI Межд. (XVII Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2010», Тула, 28 сент. - 1окт. 2010 г. / Тульский гос. ун-т. - Тула.: ТГУ, 2010. Т.4.-С.215-221.

Подписано в печать 19.04.11. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 37.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Введение

ГЛАВА Ь Требования, к электрогидравлическим рулевым' системами ^ маневренного самолета как объекту управления

1.1 Система дистанционного управления рулевыми приводами1 10 маневренного самолета

1.2 Перспективные рулевые системы с линейными двигателями

ИЗ Математическая, модель исполнительного механизма привода дроссельного регулирования с нелинейной статической ^ характеристикой

1.4 Факторы, влияющие на динамическую точность рулевых систем с ^ линейным электродвигателем

1.5 Модель двухконтурного рулевого привода с линейным ^ электродвигателем

1:6 Электрические способы коррекция рулевой системы при учете ^^ упругих связей

Коррекция рулевого привода с упругими^ связями' при помощи ^ заграждающих фильтров

Коррекция рулевого привода с упругими связями по перепаду давления

1.7 Постановка задачи диссертации

Выводы по главе

ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование модели линейного ^ электродвигателя для электрогидравлических сервоприводов

2.1' Требования, предъявляемые к линейным электродвигателям

2.2 Конструкция и принцип работы моментных двигателей типа ЛЭД

2.3 К вопросу практического целесообразного уточнения модели ЛЭД

2.3.1 Используемые сведения из электротехники и ^ электромагнитизма.

2.3.2 Упрощенный подход к линейному представлению ^ механической характеристике модели ЛЭД

2.3.3 Построение полной математической модели ЛЭД

Определение нелинейной механической характеристики ЛЭД" с ^ учетом параметров магнитной цепи

Предельное значение электромагнитной силы ЛЭД

Модель электромагнитных процессов ЛЭД

2.314 Линейное представление модели ЛЭД

2.3.5 Нелинейное представление модели ЛЭД

Влияние конструктивных параметров ЛЭД» на вид его математической модели Оценка жесткости С центрирующей пружины ЛЭД

Нелинейная статическая электромеханическая характеристика

Построение нелинейной модели ЛЭД для наиболее общего случая 50 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Разработка^ адаптивного алгоритма, для двухконтурной рулевой системы с линейным электродвигателем

3.1 Разработка сигнального адаптивного алгоритма для сервопривода с ЛЭД

Анализ существующих подходов к построению адаптивного управления для двухконтурной системы рулевого привода Синтез адаптивного алгоритма пониженного порядка с эталонной ^ моделью для контуров электрогидропривода

СинтезI адаптивного алгоритма с настраиваемой! моделью для контуров электрогидропривода с учетом малого параметра Построение модифицированного^ адаптивного регулятора с ^ настраиваемой моделью для сервопривода с ЛЭД

3.2 Исследование и анализ адаптивного регулятора с настраиваемой моделью в рулевой системе с ЛЭД Выводы по главе

ГЛАВА 4 Разработка модели и синтез адаптивного управления электрогидравлическими рулевыми системами с упругими связями

4.1 Модель электрогидравлической рулевой системы с упругими связями для синтеза адаптивного управления

4.2 Обоснование редуцирования структурной схемы рулевой системы с упругими связями для синтеза адаптивного управления

4.3 Обоснование эффективности коррекции рулевого привода с упругими связями при помощи модальных связей

Коррекция рулевой системы по полному вектору состояния

4.4 Выбор значений коэффициента корректирующей модальной связи оп по упругой силе

4.5 Синтез модально-адаптивного регулятора для электрогидравлической рулевой системы с упругими связями

4.6 Обоснование адаптивности наблюдателя состояния по возмущению ^ нагрузки

4.7 Синтез модально-адаптивного регулятора с редуцированным наблюдателем для электрогидравлической рулевой системы с упругими связями

4.7.1 Настраиваемые модели с редуцированным наблюдателем

4.7.2 Синтез редуцированного модально-адаптивного регулятора для электрогидравлической рулевой системы с упругими связями

4.8 Исследование адаптивных внешним контуром рулевого нагрузкой Выводы по главе 4 алгоритмов и структуры управления привода с учетом упругих связей с

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 управления; электрогидравлические 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 систем- с 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 2007г,

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

• 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 гг; в 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 модально- адаптивный 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.

109

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.

1. Адаптивное управление электрогидравлическими следящими приводамиI

2. Текст./ Ю.А. Борцов и др.] // Приводная техника. 2000, - №6-С. 3-7.

3. Адаптивные системы автоматического управления Текст./ Учеб. Пос. Под ред. В.Б Яковлева. Л.: Изд. Ленинградского университета, 1984. '

4. Алексеев A.A. Теория управления Текст./ A.A. Алексеев, Д.Х. Имаев, H.H. Кузьмин, В .Б. Яковлев // Санкт-Петербург.: СП6ГЭТУ«ЛЭТИ», 1999.

5. Андриевский Б.Р. Анализ систем в пространстве состояний Текст./ Б.Р. Андриевский. СПб.: ИПМаш РАН, 1997. - 206 с.

6. Андриевский Б.Р. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке Matlab Текст./ Б.Р. Андриевский, А.Л. Фрадков. СПб.: Наука. 1999.-467 с.

7. Андриевский Б.Р. Элементы математического моделирования в программных средах Matlab 5 и Scilab Текст./ Б.Р. Андриевский, А.Л.Фрадков СПб.: Наука, 2001286 с.

8. Антонов В.Н. Адаптивное управление в технических системах Текст./ В.Н. Антонов, В.А. Терехов, И.Ю. Тюкин//-Издательство СПб. университета, 2001.

9. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов Текст./ Под ред. Акад. Бюшгенса Г.С., М.: Физматлит, 1996.

10. Башарин A.B.У правление электроприводами Текст. /A.B. Башарин, В.А.Новинков, Г.Г. Соколовский // Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1982.

11. Борцов Ю. А. Автоматизированный электропривод с упругими связями Текст./ Ю. А. Борцов, Г. Г Соколовский СПб.: Энергоатомиздат. 1992.- 288с.

12. Борцов Ю. А. Модифицированный сигнальный адаптивный алгоритм управления динамическими объектами Текст./ Борцов Ю. А., Поляхов Н.Д, Соколов П.В./ Электричество №4, 1996.

13. Борцов Ю.А. Адаптивная система управления гидроприводом Текст./ Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Кузнецов В.Е., Якупов О. Э., Кузнецов А. В., Вашкевич О. В. // «Мехатроника, Автоматизация, Управление». 2007, №11,-С.12-15.

14. Борцов Ю.А. Математические модели и алгебраические методы расчета автоматических систем: Учебное пособие Текст./ Борцов Ю.А., Второв В.Б. //ЭТИ.-СПб.Д992.-79с.

15. Борцов Ю.А. Совершенствование электромеханических систем с использованием средств микроэлектронной техники Текст./ Борцов Ю.А. // Электротехника. -1984. -№7. С. 20-24.

16. Бурдаков С. Ф. Управление колебаниями в кинематических механизмах: учеб. пособие для вузов Текст. /С.Ф.* Бурдаков: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. СПб.: Изд-во Политехи ун-та, 2008, - 106 с111

17. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления Текст./ Н.С. Гамынин. М.: Машиностроение, 1972.

18. Гамынин Н.С. Динамика быстродействующего гидравлического привода. Текст./Н.С Гамынин, Ю.К. Жданов, A.JI. Климашин. -М.: Машиностроение, 1979.

19. Гидравлические агрегаты и приводы систем управления полетом летательных аппаратов Текст./ Информационно справочное пособие П.Г.Редько, A.B. Амбарников, С.А.Ермаков, В.И.Карев, А.М.Селиванов, О.Н. Трифонов.- М.: Изд. «Олита», 2004,- 472с.

20. Гидравлические приводы летательных аппаратов Текст./ Н.С. Гамынин, В.И. Караев A.M. Потапов, М.П. Селиванов. Под. ред. В.И. Караева. М.: Машиностроение, 1992.

21. Гониодский В.И. Привод рулевых поверхностей самолетов Текст./ В.И. Гониодский, Ф.И. Склянский, И.С. Шумилов.- М.: Машиностроение, 1974.

22. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления Текст./ Г.К. Гудвин., С.Ф. Грефе М.Э. Сальгадо // М.: Бином. Лаборатория знаний, 2004.

23. Деревицкий Д.П. Прикладная теория дискретных адаптивных систем управления Текст./ Д.П. Деревицкий., А.Л. Фрадков.- М.: Наука, 1981. 216 с.

24. Ермаков С.А. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода Текст. / С.А Ермаков. М.: Машиностроение, 1983.

25. Ермаков С.А. Проектирование корректирующих устройств и электрогидравлических усилителей следящих гидроприводов летательных аппаратов Текст. / С.А Ермаков: уч. Пос. М.: МАИ, 1990.

26. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов Текст./ Д.Н. Попов, С.А. Ермаков, И.Н. Лобода и др.; под ред. Д.Н. Попова. М.: Машиностроение, 1978.

27. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Том 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы Текст./ Д.П. Ким. М.: "Физматлит", 2004.

28. Константинов С. В Формирование требований к динамическим характеристикам рулевого привода маневренного самолета Текст./ Константинов С.

29. B., Квасов Г. В., Кузнецов В. Ф., Клюев М. А., Редько П. Г. Техника воздушного флота, г. Жуковский, ЦАГИ. № 2, 2001.

30. Константинов C.B. Применение новых подходов для разработки рулевых приводов перспективных маневренных самолетов Текст./ Константинов C.B., Редько П.Г., Квасов Г.В., Каннер М.Г., Косарев В.А, Смородин И.В., Кузнецов A.B. // «Полет». 2009, №3, -С. 28-37.

31. Константинов C.B. Электрогидравлические рулевые приводы систем управления полетом маневренных самолетовТекст. / C.B. Константинов, П.Г. Редько,

32. C.А. Ермаков// М.: Янус-К, 2006. - 315с.

33. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства Текст./ Н.Т. Кузовков. -М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

34. Ландау И.Д. Адаптивные системы с эталонной моделью (АСЭМ). Что можно получить с их помощью и почему. Текст./ Ландау И.Д. Труды американского общества инженеров-механиков, серия G, 1972, №2, с. 31-47.

35. Мирошник" И.В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами Текст./ И.В. Мирошник, В.О. Никифоров, А.Л. Фрадков.-СПб.: Наука, 2000.

36. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы Текст./ И.В. Мирошник.- Издательский дом "Питер". 2005.

37. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления Текст./ Г. Олссон, Д. Пиани,- СПб.: Невский Диалект, 2001.

38. Острем К. Системы управления с ЭВМ Текст./Острем К., Виггенмарк Б.

39. Поляхов Н.Д. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением Текст./ Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов, В.В. Путов. Л.: Энергоатомиздат, 1984.-216 с.

40. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем Текст./ Д.Н. Попов. М.: Машиностроение, 1987.

41. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов Текст./ Д.Н. Попов. М.:

42. МГТУ имена Н.Э Баумана, 2002.

43. Прямой метод Ляпунова в теории устойчивости Текст./ Руш Н., Абетс П., Лалуа М. /: Пер. с англ. Под. ред. В.В. Румянцева. М.: Мир, 1980.

44. Путов В.В. Адаптивное управление динамическими объектами: беспоисковые системы с эталонными моделями Текст./ В.В. Путов. Учебное пособие. СПб.: СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.

45. Путов В.В. Адаптивное и модальное управление механическими объектами с упругими деформациями Текст./ В.В. Путов. Учебное пособие. СПб.: СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2002.

46. Путов В.В. Алгебраические методы теории линейных систем Текст./ В.В. Путов. Учебное пособие. СПб.: СПБГЭТУ - ЛЭТИ, 2000.

47. Разинцев В.И. Повышение эффективности гидроприводов с дроссельным регулированием Текст./ В.И. Разинцев. М.: Машиностроение, 1993.

48. Редько П.Г. Повышение безотказности и улучшение характеристик электрогидравлических приводов Текст./ П.Г. Редько, A.B. Амбарников, С.А.Ермаков, В.И. Карев,.: Янус-K; ИЦ МГТУ «Станкин», 2002.- 232 с.

49. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители Текст./ Дж. Рутковски.-М.: Мир, 1978.

50. Система Matlab 5. Control System Toolbox, для студентов Текст./ Под общ. ред. к.т.н. В .Г. Потемкина. М.: Диалог-МИФИ, 1999.

51. Система приводов управления полетом истребителя YF-23A Текст./ Вьетэн К. У., ЦНТИ Волна, 1993.

52. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты Текст./ А.Г. Сливинская.- М.: Энергия, 1972

53. Солодовников В.В. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями Текст./ В.В. Солодовников, Л.С. Шрамко.-М.: Машиностроение, 1972. -270 с.

54. Справочник по теории автоматического управления Текст./ Под ред. A.A. Красовского. -М.: Наука, 1987. 712 с.

55. Степанов С. А. Теория систем автоматического управления (цифровые системы управления) Текст./ С. А. Степанов.- ГЭТУ. СПб., 1994.

56. Столов Л.И. Моментные двигатели постоянного тока Текст./ Л.И. Столов, А.Ю.Афанасьев.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-224с.

57. Теоретические основы электротехники. Справочник по теории электр. цепей

58. Текст. /Под ред. Ю.А.Бычкова, В.М.Золотницкого, Э.П.Чернышова.- СПб.:Питер, 2008.-349с.

59. Титце У. Полупроводниковая смемотехника Текст./ У. Титце. К. Шенк. М.: Мир, 1982.

60. Фомин В.Н. Адаптивное управление динамическими объектами Текст./ В.Н. Фомин, АЛ. Фрадков, В.А. Якубович. М.: Наука, 1981.

61. Ходько С.Т. Самонастраивающийся электрогидравлический привод объемного регулирования. Новое в проектировании и эксплуатации автоматизированных приводов и систем гидроавтоматики. Текст. / Ходько С.Т., Суслов В.Ф. // JI., ЛДНТП, 1987

62. Черноусько Ф.Л. Методы управления нелинейными механическими системами Текст./ Ф.Л. Черноусько, И.М. Ананьевский, С.А. Решмин М.: Физматлит, 2006.

63. Шестаков В. М. Управление мехатронными вибрационными установками Текст./ В. М. Шестаков [и др. ] СПб.: Наука, 2001, 278с.

64. Шестаков В.М. Динамика электромеханических систем автоматизированных вибрационных установок Текст. / Шестаков В.М., Епишкин А.Е. СПб.: СПбГПУ, 2005.

65. Шмиц Н. Введение в электромеханику Текст./ Н. Шмиц, Д. Новотный.-М.:Энергия, 1969.-336с.

66. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов Текст./ Решетников Е.В. [и др ].- М.: Машиностроение, 1982

67. Landau I.D. A survey of model reference adaptive techniques theory and applications Текст./ Landau I.D. // Automatica. 1974. Vol. 10 №4. P. 353 - 372.

68. Ishmael S. D. «Х-29 Initial Flight test results», AEROspace, decern., 1986, p. 9-14.

69. Keller G.R. Sizing servoactuators. Текст./ Keller G.R., Hydraulic &Pneumatics. October 1984.

70. Lindorff D.C. Survey of adaptive techniques Текст./ Lindorff D.C., Carrol R.L. // Automatica. 1974. Vol 10. №3. P. 253 279.

71. Narendra K.S. Direct and indirect adaptive control Текст./ Narendra K.S., Valavani L.S // Automatica. 1979. Vol. 15. №6. P. 653 664.

72. Raymond E.T. Airshaft Flight control actuation systems design Текст./ Raymond E.T. // Includes Bibliographical references and index ISBA S 6091-376-2, 1993.