автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Создание нового поколения автоматизированных комплексов контроля и испытаний для обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта

005061032

На правах рукописи

Шелудько Виктор Николаевич

СОЗДАНИЕ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОСАДКИ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность: 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

6 ИЮН ¿013

Пермь 2013

005061032

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ), кафедра систем автоматического управления.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, декан факультета электротехники и автоматики, заведующий кафедрой «Системы автоматического управления» СПбГЭТУ Виктор Владимирович Путов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского Национального Исследовательского Политехнического университета Владимир Петрович Казанцев (г. Пермь)

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры «Проблемы управления» Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики Валерий Михайлович Лохин (г. Москва)

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, ОАО «Информационные телекоммуникационные технологии», директор научно-технического центра Александр Иванович Яшин (г.Санкт-Петербург)

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится » && 2013 г. в^ 00 часов в аудитории

_ на заседании диссертационного совета Д.212.188.04 при федеральном

государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский Национальный Исследовательский Политехнический университет» по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан <Р& » Р£> 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.188.04 д.т.н., профессор

А.А. Южаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и подходы к их решению. Меры по обеспечению безопасности должны предприниматься во всех областях техники и сферах деятельности, где существует угроза здоровью и жизни человека. К таким видам деятельности, связанным с орудиями труда, представляющими повышенную опасность для жизнедеятельности, является транспорт, поэтому безопасность транспорта является составной частью национальной безопасности Российской Федерации. Аварийность на транспорте непрерывно возрастает и требует поиска новых подходов к обеспечению безопасности транспортных средств.

Особенно остро проблема безопасности встает на воздушном транспорте Гражданской авиации и особенно при посадке в экстремальных погодных условиях. Последнее десятилетие отмечено значительным ростом аварийности воздушного транспорта как в России, так и за рубежом. Все самолеты при посадке тормозят колесами, и ливень, слякоть, снег, лед, изморозь вместе с загрязнением взлетно-посадочной полосы (ВПП) резиновыми отложениями создают угрозу возникновения нештатных ситуаций или даже аварий воздушных судов при их недостаточно эффективном торможении. Поэтому перед посадкой самолета проводится оперативное измерение коэффициента сцепления (КС) покрытий ВПП с помощью мобильных установок, осуществляющих прокатывание с постоянным подтормаживанием (с постоянным скольжением) специального измерительного (транспортного) колеса вдоль по всей длине ВПП, туда и обратно (по предполагаемому следу колес авиашасси самолета) с одновременным измерением текущего КС измерительного колеса с поверхностью ВПП. По результатам анализа данных таких измерений командно-диспетчерский пункт (КДП) аэродрома разрешает или отклоняет посадку подлетающего судна.

Разработка методов измерения КС с помощью прокатывания измерительного колеса с постоянным скольжением и реализующих их технических средств осуществляется с начала 1960-ых годов трудами многих отечественных и зарубежных ученых и инженеров, в их числе (из упомянутых в библиографии к диссертации) Аргунове. Е., Андриади Ф. К., БулахА. И., Васильев А. П., Глуховский В. Н., Дубовец А. М, Елисеев Б. М, Журавлева С. Н., Иваница Е. В., Ивантев А. М., Каазик А. И., Кейн В. М., Кельман И. И., Кизима С. С., Коссый Я. А., Котвицкий А. Ф., Лакатош Ю. А., Максимовский В. А., Медрес JI. П., Орловская Г. В., Печерский М. А., Рахубовский Ю. С., Петров Н. П., Порубай В. В., Путов В. В., Сегал Я. С., Транквиллевский В. Г., ТырсаВ. Е., Флорман В., Шестопалов А. А., Щербаков В. В., Gösta Kuliberg, Olle Nordström, Göran Palmkvist, Ottar Kollernd, Ragnar Malcus, Sven Edvin, Oddvard Johnsen, Hurson James, Tomas Yager и др.

Следует отметить, что задача управления скольжением транспортных колес с целью обеспечения их наилучшего торможения остается одной из наиболее важных проблем в области конструирования транспорта. Известно, что на поверхностях, характеризуемых «сухим» трением, наиболее эффективным является торможение вообще без проскальзывания колеса со значениями момента торможения, близкими к моменту «покоя» («трогания»), который соответствует максимальному значению момента трения, а значит, и наилучшему торможению. В действительности, эффективность осуществляемого самолетными автоматами торможения не будет наибольшей при полной блокировке колес, и требуется поддерживать при торможении некое оптимальное значение скольжения между аэродромным покрытием и пневматиком авиаколес. При этом реальный процесс торможения, в силу проявления эффекта сухого трения, носит периодический («срывной») характер, и проектировщики так называемой антиюзовой автоматики полагают, что,

ч ■/

3 \ '-

эффективность торможения, осуществляемого самолетными автоматами, повышается при снижении среднего значения скольжения до 0.1+0.2, а наиболее быстродействующие современные автоматы торможения работают при среднем скольжении, даже меньшем 0.05.

В то же время все существующие в мире мобильные установки для измерения КС прокатывают измерительное колесо по поверхности ВПП принудительно равномерно с постоянным значением скольжения, задаваемым кинематически, поэтому в них нельзя управлять режимами торможения, а это, как следует из вышесказанного, далеко не соответствует действительным режимам торможения колес авиашасси самолетов при посадке. Следовательно, измерения, производимые с помощью таких установок, могут приводить к значительным ошибкам при оценке критического тормозного пути и, следовательно, к просчетам в принятии решения о посадке воздушных судов.

Однако описанный кинематический принцип торможения реализуют все без исключения компании-производители мобильных средств аэродромного обслуживания, выпускающие более двух десятков марок мобильных измерителей коэффициента сцепления, закрепившихся на мировом рынке. На российских аэродромах гражданской авиации уже около 40 лет используется единственное национальное средство измерения коэффициента сцепления - буксируемая аэродромная тормозная тележка АТТ-2, которая в настоящее время далеко не удовлетворяет международным стандартам, глубоко морально устарела и требует замены. Вышесказанное заставляет искать пути создания новых видов мобильных средств предпосадочного измерения КС аэродромных покрытий, более адекватно, чем существующие установки, оценивающих действительный характер торможения колес воздушного транспорта при посадке.

В работах кафедры систем автоматического управления СПбГЭТУ при непосредственном участии автора диссертации в последние годы выдвинуты и обрели воплощение новые принципы построения мобильных установок измерения КС, основанные на применении автоматически управляемых электромеханических устройств торможения (ЭМУТ) измерительных (транспортных) колес установок, выполненных на базе электрических машин постоянного и (или) переменного тока. Управление скольжением позволяет имитировать любые режимы торможения измерительных колес, близкие к действительным режимам торможения транспортных колес авиашасси воздушных судов при посадке, что повышает достоверность измерений и тем самым обеспечивает безопасность посадки с надежностью, недоступной при измерениях всеми существующими в мире мобильными установками, основанными на способе торможения измерительного колеса с постоянным жестко кинематически заданным скольжением.

В то же время повышение требований к точности, оперативности и гибкости процессов управления торможения приводит к постановке задач создания новых более совершенных систем автоматического управления (САУ) процессами торможения транспортных (измерительных) колес, эффективных в условиях проявления нелинейных упругих свойств пневматической шины, сухого трения с падающей характеристикой (эффект Штрибека) в «пятне» контакта шины с покрытием, упругих свойств и зазоров трансмиссий, неопределенности параметров и характеристик, неполных измерений и широкого спектра изменения внешних условий.

Задачи, связанные с разработкой эффективных САУ ЭМУТ транспортных колес как классом электромеханических объектов с многорезонансными нелинейными упругими деформациями, априорно неопределенным и (или) сложным описанием, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами и внешними возмущениями, являются актуальными и решаются в данной работе в рамках также применяемого и развиваемого на кафедре САУ с участием автора

беспоискового адаптивного подхода, получившего значительное теоретическое и теоретико-прикладное обоснование усилиями многих российских и зарубежных ученых, в числе которых могут быть названы Андриевский Б.Р., Борцов Ю.А., Буков В.Н., Воронов АА., Вукобратович М., А., Громыко В.Д, Гелиг АХ., Емельянов С.В., Земляков СД, Красовский A.A., Кирчански Н, Коровин С.К., Леонов ГА, Лохин ВМ, Манько С.В., Мирошник И.В., Никифоров В.О., Овсепян ФА, Путав В.В., Поляхов НД, Петров Б.Н., Полушин И.Г., Романов М.П., Рутковский В.Ю., Срагович В.Г., Солодовников ВВ., Санковский Е А, Слукин Н.М., Тимофеев AB., Терехов В.М., Тюкин И.А., Уткин В.И., Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Цыпкин Я.З., Шумский В.М., Шрамко Л.С., Якубович В.А., Ядыгин И.Б., Annaswany A.M., Carrol R., Ercberger H., Fu K., Gonsales R., Hiza J., Lindorff D., Li W., LjungT., Li K., Landau T.D., Naraendra KS., Ortega rI, Slotine J.-J.ti, Stocich D., Tang Y., Valavani L.S. и др.

Таким образом, дисссртаниош гая работа, посвященная решению комплексных проблем обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта путем создания нового поколения высокоточных автоматизированных электромеханических мобильных комплексов (АЭМК) оперативного контроля фрикционных свойств аэродромных покрытий в экстремальных погодных условиях и автоматизированных стендов для их отладочных, приемочных, квалификационных, сертификационных и метрологических испытаний в лабораторных и аэродромных условиях, является актуальной, и научно обоснованные методологические и технические решения в этой области внесут своевременный вклад в обеспечение безопасности в масштабах отрасли воздушного транспорта российской Федерации.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание нового поколения высокоточных АЭМК оперативного предпосадочного измерения КС аэродромных покрытий и автоматизированных испытательных стендов с автоматически управляемым электромеханическим барабанным имитатором «бесконечной бегущей дорожки» для проведения полунатурных испытаний создаваемых мобильных комплексов в лабораторных условиях, обеспечивающих безопасную посадку воздушного транспорта в экстремальных погодных условиях.

Задачи диссертационной работы. Для осуществления сформулированной цели диссертационной работы в ней были поставлены и решены следующие задачи:

1. разработать концепцию создания нового поколения АЭМК контроля ВПП и стендов для их испытаний, обеспечивающих безопасность посадки всгщушшш транспорта;

2. разработать семейство автоматически управляемых ЭМУТ измерительных (транспортных) колес, базирующихся на применении электрических машин постоянного и (или) переменного тока;

3. разработать требования к назначению, составу, выполняемым функциям, техническим и эксплуатационным характеристикам, внешнему виду и конструкторскому исполнению (дизайну) создаваемых АЭМК нового поколения для непрерывного контроля фрикционных свойств аэродромных покрытий и стендового оборудования для их полунатурных испытаний;

4. разработать математические модели динамики ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и динамических процессов их стендовых испытаний;

5. разработать теоретические и методологические основы построения адаптивных САУ ЭМУТ транспортных колес и динамическими процессами их стендовых испытаний как классом нелинейных динамических объектов;

6. разработать адаптивные САУ ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и процессами их стендовых испытаний, обеспечивающие требуемую динамическую точность имитации реальных режимов торможения колес авиашасси воздушных судов;

7. разработать на базе создаваемого испытательного оборудования методики полунатурных лабораторных испытаний АЭМК и калибровки их шмеригелшых систем;

8. разработать функциональные структуры, принципиальные электрические схемы силовой и управляющей электроники, а также алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение микроконтроллерных САУ и компьютерных систем автоматизации создаваемых АЭМК и стендов для их испытаний;

9. разработать эскизную конструкторскую, схемотехническую и программную документацию на изготовление экспериментальных (макетных) образцов создаваемых АЭМК и стендового оборудования для их испытаний;

10. разработать технические требования и выполнить технико-экономическое обоснование мероприятий по созданию на базе ОАО «Ковровский электромеханический завод» высокотехнологичного производства нового поколения АЭМК непрерывного измерения КС аэродромных покрытий и стендового оборудования для их испытаний.

Методы исследования. Результаты работы получены в рамках методов электротехники, электромеханики и электроники; беспоисковых методов построения адаптивных систем управления нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их приближенных с мажорирующими функциями математических моделях; алгебраических методов теории систем; методов аналитической механики, уравнений Лагранжа и малых колебаний упругих систем; численных методов интегрирования дифференциальных уравнений; компьютерного моделирования математических моделей объектов и систем управления; методов программирования, проектирования, конструирования и экспериментального исследования механических конструкций, электронных и микроконтроллерных плат, компьютерных станций управления и автоматизации; методик сертификационных испытаний аэродромной техники; изучения международных требований и состояния мирового рынка в области методов и технических средств обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта.

Научные результаты, выносимые на защиту. В соответствии с поставленными выше задачами, на защиту выносятся следующие результаты работы:

1. концепция создания нового поколения АЭМК контроля фрикционных свойств аэродромных покрытий и стендового оборудования для их испытаний для обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта;

2. семейство управляемых ЭМУТ транспортных колес, базирующихся на применении электрических машин постоянного и (или) переменного тока;

3. требования к назначению, составу, выполняемым функциям, техническим и эксплуатационным характеристикам, внешнему виду и конструкторскому исполнению (дизайну) создаваемых АЭМК нового поколения контроля фрикционных свойств аэродромных покрытий и стендового оборудования для их полунатурных испытаний;

4. математические модели динамики ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и динамических процессов их стендовых испытаний;

5. теоретические и методологические основы построения адаптивных САУ ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и процессами их стендовых испытаний как классом нелинейных многомассовых упругих электромеханических объектов;

6. адаптивные САУ ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и процессами их стендовых испытаний, обеспечивающие требуемую динамическую точность имитации реальных режимов торможения колес авиашасси воздушных судов;

7. методики полунатурных лабораторных испытаний АЭМК и их калибровки;

8. алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение микроконтроллерных САУ и компьютерных систем автоматизации АЭМК и средств их испытаний.

Научная новизиа результатов работы. Научная новизна результатов работы состоит в создании нового поколения высокоточных АЭМК измерения КС аэродромных покрытий и стендового оборудования для их полунатурных испытаний в

лабораторных условиях, отвечающих современным международным требованиям в области обеспечения безопасной посадки воздушного транспорта, в том числе:

1. выдвинутая в работе концепция создания нового поколения АЭМК предпосадочного контроля аэродромных покрытий, базирующаяся на применении в их построении принципа управляемого электромеханического торможения измерительных колес, в отличие от существующих в мире аналогичных технических средств измерения, обеспечивает повышение достоверности результатов измерений АЭМК за счет сближения режимов торможения измерительного колеса при измерении КС аэродромных покрытий с действительными режимами торможения колес авиашасси;

Z разработка семейства автоматически управляемых ЭМУТ измерительных колес предоставляет возможности создания нового поколения автоматизированных АЭМК для контроля фрикционных свойств аэродромных покрытий;

3. разработанные требования к назначению, составу, выполняемым функциям техническим и эксплуатационным характеристикам, внешнему виду и конструкторскому исполнению (дизайну) определяют современный облик нового поколения АЭМК измерения КС аэродромных покрытий, основанных на принципе управляемого электромеханического торможения измерительных колес, и стендов для их полунатурных испытаний и наиболее полно учитывают международные требования обеспечения безопасной посадки воздушного транспорта;

4. разработанные математические модели динамики управляемых ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и динамических процессов их стендовых испытаний впервые учитывают нелинейные упругие свойства пневматической шины и упругость механических трансмиссий, спадающий участок сухого трения (эффект Штрибека) и взаимосвязанность динамического поведения управляемого барабанного имитатора «бегущей дорожки» и измерительного колеса с ЭМУТ;

5. разработанные методы построения адаптивных систем управления динамикой ЭМУТ колес и динамическими процессами их стендовых испытаний как нелинейными многомассовыми упругими электромеханическими объектами базируются на новом подходе к построению аналитических (беспоисковых) прямых, непрямых и комбинированных адаптивных САУ нелинейными динамическими объектами с функционально-параметрической неопределенностью, когда в аналитические законы адаптивного управления и алгоритмы их параметрической и сигнальной настройки вводятся функции приближенной нелинейной параметризации, мажорирующие (в некотором смысле) неизвестные нелинейные функции неопределенных нелинейных математических моделей объектов управления;

6. разработанные адаптивные САУ ЭМУТ измерительных колес представляют собой новое семейство адаптивных структур прямого управления с эталонными моделями и непрямого управления с настраиваемыми моделями, алгоритмами параметрической и сигнальной настройки, мажорирующими функциями и наблюдателями состояния, а также комбинированных адаптивных структур, сочетающих прямое адаптивное управление с параметрическими алгоритмами адаптации, мажорирующими функциями и наблюдателем и непрямое адаптивное управление с сигнально настраиваемыми моделями, исчерпывающим образом решающих задачу обеспечения требуемой динамической точности имитации реальных режимов торможения колес воздушного транспорта в условиях, учитывающих нелинейные упругие свойства пневматической шины вкупе с падающей характеристикой сухого трения и упругие свойства и зазоры механических трансмиссий. Предложены также структуры прямого и комбинированного адаптивного управления процессом стендовых испытаний, учитывающие взаимосвязанность динамического поведения электропривода барабанного имитатора «бегущей дорожки»

стенда и измерительного колеса с ЭМУТ через «пятно» контакта шины колеса с «бегущей дорожкой» стенда;

7. разработанная методика полунатурных испытаний макетов, опытных образцов и установочных серий создаваемых АЭМК на базе автоматизированного испытательного стенда с «бегущей дорожкой» впервые позволяет обеспечить замену дорогостоящих и времязатратных аэродромных испытаний оперативными и экономными полноценными полунатурными испытаниями в лабораторных условиях; разработанная методика калибровки тензометрических систем АЭМК на базе переносного метрологического стенда ориентирована на автоматизацию процесса калибровки, проводимой под управлением компьютерной панельной станции в аэродромных условиях;

8. разработанное алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение микроконтроллеров и панельных компьютерных станций решают задачи микроконтроллерной реализации адаптивных САУ ЭМУТ транспортных колес и электроприводом барабанного имитатора «бегущей дорожки» стенда, полной автоматизации на базе компьютерных переносных станций процессов измерения, вычисления, визуализации, прогнозирования текущих значений КС, вычисления координат и визуализации на компьютерной карте маршрутов движения АЭМК в режимах измерений, формирования и дистанционной передачи по GSM-каналу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома, а также полной автоматизации процессов стендовых испытаний.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных и практических результатов:

Обоснованность принимаемых в работе основных технических решений обуславливается корректным применением указанных выше методов исследования.

Достоверность результатов разработки методик полунатурных испытаний, эскизной конструкторской и схемотехнической документации, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения микроконтроллерной и компьютерной реализации задач управления и автоматизации АЭМК и стендов для их испытаний; макетов создаваемых АЭМК, испытательного стенда с «бегущей дорожкой» и метрологических переносных стендов подтверждается результатами отладочных испытаний макетов и многоэтапными аэродромными и стендовыми испытаниями образцов создаваемых АЭМК по утвержденным методикам Межгосударственного авиационного комитета РФ (МАК).

Значимость полученных результатов для науки и практики.

Теоретическая значимость работы состоит в следующем:

• выдвинут и обоснован новый принцип управляемого ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и создан облик реализующих его высокоточных АЭМК нового поколения, обеспечивающих предпосадочное измерение КС искусственных покрытий ВПП аэродромов гражданской авиации, удовлетворяющих современным международным требованиям Международного авиационного комитета РФ (МАК), International Civil Aviation Organization (ICAO) и Federal Aviation Administration (FAA), USA и являющихся инструментом для объективного исследования фрикционных свойств поверхности ВПП, формирования гибких методов измерения переменных профилей распределения вдоль ВПП ее фрикционных свойств, характеризующих наихудшие условия торможения при посадке воздушных судов;

• разработано семейство автоматически управляемых ЭМУТ измерительных (транспортных) колес, перспективных для использования в построении электромеханических движтелсй и тормозных с11лтра:шиЕаю11Иося i.'iciapH»iecKDio ipaiicnqwa;

• разработаны математические модели динамики управляемых ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и динамических процессов их стендовых испытаний, учитывающие нелинейные упругие свойства пневматической шины и

упругость механических трансмиссий, падающий участок сухого трения (эффект Штрибека) и взаимосвязанность динамического поведения управляемого барабанного имитатора «бегущей дорожки» и измерительного колеса с ЭМУТ;

• разработаны теоретические и методологические основы построения адаптивных САУ динамикой ЭМУТ транспортных колес и динамическими процессами их стендовых испытаний как классом нелинейных динамических объектов;

• разработано семейство прямых, непрямых и комбинированных адаптивных САУ ЭМУТ измерительных (транспортных) колес с пневматическими шинами и взаимосвязанной динамикой стендовых испытаний, основанных на разработанных математических моделях, учитывающих особенности нелинейной взаимосвязанной динамики испытательного комплекса, состоящего из управляемого барабанного имитатора движения и измерительного колеса с ЭМУТ, связанных друг с другом через посредство упругого пневматика колеса, проскальзывание которого по поверхности барабана носит «срывной» характер, соответствующий сухому трению с падающей характеристикой, а также учитывающих упругие и нелинейные свойства трансмиссий и электромагнитную динамику ЭМУТ.

Практическая полезность работы:

• результаты диссертационной работы по созданию нового поколения высокоточных АЭМК, состоящих из ЭМУТ измерительного колеса с адаптивной САУ процессами торможения, реализованных на базе средств силовой и управляющей электроники и микроконтроллера в виде бортового электрошкафа управления, автоматизированной информационно-управляющей системы, реализованной на базе промышленного компьютера ТРС 1260Н в виде переносной компьютерной станции (пульта) управления, индикации и автоматизации, механической конструкции, реализованной в виде буксируемой установки, выполненной на базе переднего моста шасси серийного автомобиля «Н и ва-СИе уго 1 еЬ>, и средств метрологического обслуживания АЭМК как аэродромного измерительного оборудования, реализованных в виде переносного калибровочного стенда с программным управлением, могут послужить основой для разработки рабочей конструкторской документации и специального программного обеспечения;

• результаты диссертационной работы по созданию уникального электромеханического испытательного стенда, состоящего из несущей рамы с пандусом - трансформером, барабанного имитатора «бегущей дорожки» движения колеса по наземному покрытию, реализованного на базе барабана с электроприводом постоянного тока, и средств силовой и управляющей электроники и микроконтроллера в виде стойки с элеетрошкафом управления, автоматизированной информационно-управляющей системы на базе промышленного компьютера ТРС 1260Н в виде компьютерной панельной станции, управления, индикации и автоматизации, механической конструкции, реализованной в виде платформы-шасси стенда как средства для испытаний могут послужить основой для разработки рабочей конструкторской документации и специального программного обеспечения;

• разработанная эскизная конструкторская, схемотехническая и программная документация на изготовление макетных образцов создаваемых АЭМК, испытательного стенда с «бегущей дорожкой» и метрологических переносных стендов, электрошкафов управления и переносных компьютерных станций автоматизации АЭМК и испытательного стенда может послужить основой для промышленного освоения создаваемых АЭМК для измерения КС аэродромных покрытий и стендов для их испытаний;

• разработанные технические требования и технико-экономическое обоснование, включающее анализ конкурентных преимуществ создаваемого нового поколения АЭМК перед отечественными и зарубежными аналогами, маркетинговые исследования

рынков сбыта, прогноз продаж и обоснование окупаемости создаваемой продукции являются основой для выполнения комплексного проекта по организации высокотехнологичного производства нового поколения АЭМК и стендов для их испытаний на базе ОАО «Ковровский электромеханический завод» (ОАО «КЭМЗ»),

Реализация результатов работы. Теоретические положения и практические результаты диссертационной работы использованы в 22 НИР и НИОКР, выполненных при участии автора в течение 2001 - 2012 г.г., источниками финансирования которых являлись гранты РФФИ, Правительства Санкт-Петербурга, министерства образования и науки и министерства обороны, внебюджетные средства. Совместно с холдинговой компанией «Созвездие Водолея» созданы образцы АЭМК модели ИКС-1, проведены их сертификационные летние и зимние испытания, по результатам которых выданы сертификат типа № 483 Межгосударственным авиационным комитетом (25.06.2009 г.), а также получено Регистрационное удостоверение № 224-06-2009 о включении АЭМК

в «Перечень специальных средств измерений гражданской авиации РФ» Федерального агентства воздушного транспорта «РОСАВИАЦИЯ» Министерства транспорта РФ. Разработки защищены патентами № 2369856 от 10.10.2009, № 118753 от 27.07.2012 и заявкой на полезную модель от 08.10.2012, а специальное программное обеспечение -свидетельствами об официальной регистрации № 2007613124 от 20.12.2007, № 2009610238 от 11.01.2009, № 2010615788 от 07.09.2010.

В СПбГЭТУ в 2007 году при кафедре систем автоматического управления создана учебно-научная лаборатория «Мехатронные комплексы подвижных объектов и мобильные установки аэродромного обслуживания», а в 2012 году создан ресурсный центр «Управление и автоматизация мехатронных комплексов подвижных объектов и транспортных систем», в рамках которых созданы макеты четырех модификаций АЭМК и макет уникального испытательного и метрологического стенда «с бегущей дорожкой», позволяющего имитировать процессы измерения АЭМК в лабораторных условиях, сертифицированы три программы переподготовки и повышения квалификации специалистов аэродромных служб по эксплуатации и обслуживанию АЭМК.

Шесть разработанных образцов АЭМК модели ИКС-1 завершили двухлетнюю опытную эксплуатацию на аэродромах г. Ульяновска, Самары, Омска, Калининграда (2 установки) и Кемерово, и в настоящее время продолжают находиться в эксплуатации и осуществляется их обслуживание.

В период опытной эксплуатации разработанных АЭМК на всех аэродромах проводился сравнительный анализ результатов предпосадочного измерения КС с помощью новых комплексов модели ИКС-1 и результатов одновременных контрольных замеров с помощью имеющейся установки АТТ-2. Такой анализ показал, что в экстремальных погодных условиях (снегопад, изморозь, обледенение аэродромных покрытий и др.) применение ИКС-1 позволит на 70-80 % исключить все те случаи отказов в посадке подлетающих самолетов, когда измерения с помощью устаревших установок АТТ-2 дают повод к такому отказу. Кроме того, применение новых комплексов ИКС-1 придаст операторам КДП аэродромов уверенность в правильности принимаемых решений более чем в половине тех случаев, которые по результатам измерений с помощью устаревших установок АТТ-2 трактовались как сомнительные.

В Приложении к диссертации помещены акты и документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации были доложены и получили одобрение на 30 международных и всероссийских научно-технических конференциях, в том числе: XIV международной конференции - выставке «Fourteenth Annual NASA Tire/Runway Friction Workshop» May

14-18, 2007, Wallops Flight Facility, VA, на XIV-XXI всеросс. науч-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2003 - 2010 годы, г. Санкт-Петербург), на IX-XIII межд. конф. и выставках «Современные методики контроля и восстановления искусственных покрытий аэродромов и автомобильных дорог» (2006 - 2010 годы, г. Санкт-Петербург), межд. науч-техн конф «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, 2004 г., межд. науч-техн. конф. «Наука, образование и общество в XXI веке», (СПб, 2006 г.), Первой Российской мультиконференции по проблемам управления, (СПб, 2006 г.), межд. конф. по интегрированным навигационным системам (СПб, 2007), на 3-5 Всероссийских научно-техн. конф. «Мехатроника, автоматизация, управление» (2005-2007 г., г. Санкт-Петербург), на Третьей международной науч.-практ. конф. «Дни науки - 2007» (2007г., г.Днепропетровск), на межд. науч.-техн. конф. «Проблемы информационно-компьютерных технологий и мехатроники» (2007г., г. Дивноморское); на внутривузовских научно-технических конференциях в СПбГЭТУ в 2005-2012 г.г., а также на научных семинарах кафедры систем автоматического управления СПбГЭТУ.

Публикации. Основные положения, теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 70 работах, среди которых 16 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 монография, 2 патента и 13 свидетельств регистрации программ ЭВМ, а также 15 статей и научно-методических работ в других изданиях и 23 доклада.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав с выводами, заключения и приложений. Основной материал диссертации изложен на 298 страницах машинописного текста, а также включает 158 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 220 наименований, среди которых 203 отечественных и 17 иностранных авторов. Диссертация содержит 5 приложений объемом в 170 страниц текста, включающих 40 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и основные подходы к разработке новых и совершенствованию существующих методов и технических средств непрерывного измерения КС аэродромных покрытий и стендового оборудования для их испытаний, формулируются цель и задачи диссертационной работы, описываются объекты, предметы и методы исследования, излагаются основные научные положения, выносимые на защиту, научная новизна результатов работы, степень их обоснованности и достоверности, значимость полученных в диссертационной работе результатов для науки и практики, обсуждаются вопросы реализации результатов диссертации в НИР и НИОКР и их внедрения в разработку на предприятиях и опытную эксплуатацию на аэродромах гражданской авиации РФ.

В первой главе анализируются современные требования к методам и технике обеспечения безопасности посадки воздушных судов, выработанные международными сообществами эксплуатантов аэропортов гражданской авиации и формулируемые в правилах международной или национальной сертификации измерительных средств.

Классифицируются и обобщаются возрастающие и усложняющиеся международные требования к состоянию поверхностей аэродромных покрытий ВПП, к точности измерений и уровню автоматизации мобильных средств предпосадочного контроля КС покрытий, формулируются основные проблемы, решение которых должно стать определяющим в развитии этой области. Обсуждаются также вопросы коррелируемости показаний различных средств измерений и их калибровки в национальных практиках ведущих стран мира, позволяющие унифицировать

международные требования к обеспечению безопасности посадки воздушного транспорта в аэропортах, осуществляющих международные авиаперевозки.

На основе вынесенных в обширное Приложение 1 результатов подробного анализа современного мирового рынка мобильных (буксируемых и встроенных в автомобиль) установок для непрерывного измерения КС (22 установки 13-ти наиболее известных компаний - производителей из шести ведущих стран мира в этой области -США, Великобритании, Швеции, Франции, Финляндии, Норвегии) и результатов исследований по литературным и патентным источникам с глубиной до 20 лет (более 200 источников и патентов) в диссертации делается вывод о неудовлетворительности распространенного в мировой практике непрерывного метода измерения КС с постоянным жестко кинематически заданным скольжением и формулируется необходимость создания более совершенной технологии непрерывного измерения КС, базирующейся на применении нового метода измерения КС с управляемым скольжением измерительного колеса, что позволит в процессе измерения формировать режимы торможения измерительного колеса, приближающиеся к реальным режимам торможения колес шасси воздушных судов при посадке.

В этой же главе на основе наиболее современных и перспективных предложений и собственного опыта автора разрабатывается некий синтетический облик современного АЭМК с управляемым ЭМУТ, наиболее полно удовлетворяющего сегодняшним международным требованиям.

Во второй главе рассматриваются вопросы анализа тормозных режимов колес воздушного транспорта на различных стадиях его торможения при посадке, обосновывающие необходимость применения управляемого торможения измерительного колеса в процессе измерений. Дальнейший материал второй главы посвящен вопросам разработки автоматически управляемых ЭМУТ. Обсуждается сам способ электромеханического торможения измерительного колеса и обобщенная схема реализующего его устройства, выполненного на основе электрической машины как обратимого преобразователя механической и электрической энергии, кинематически соединенной измерительным колесом и электрически связанной с обобщенным блоком преобразования энергии торможения (БПЭТ), и содержащего САУ скольжением и силой торможения. Далее показывается, как из построенной обобщенной функциональной схемы ЭМУТ, конкретизируя тип электрической машины, вид БПЭТ и структуры САУ, можно получать различные конкретные функциональные схемы ЭМУТ и разрабатывается семейство из пяти структур автоматически управляемых ЭМУТ-1-НЭМУТ-5, базирующихся на сдвоенных электромеханических каскадах взаимной нагрузки и одиночных электрических машинах постоянного и переменного тока, включенных по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения. Проведен сравнительный анализ технических, энергетических и эксплуатационных характеристик построенных пяти вариантов исполнения ЭМУТ и указаны области их применения.

В третьей главе разрабатываются требования к назначению, составу, техническим и эксплуатационным характеристикам, внешнему виду и конструкторскому исполнению (дизайну) двух видов изделий: АЭМК нового поколения измерения КС аэродромных покрытий и стенда для их испытаний. Требования к АЭМК вырабатывались в процессе выполнения работы, постепенно эволюционируя от создания первых работоспособных макетов до разработки макетных образцов, прошедших государственные сертификационные испытания. В сотрудничестве с Холдинговой компанией «Созвездие Водолея» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Ковровский электромеханический завод» (г. Ковров), холдинговой компанией «Ленинец» (г. Санкт-Петербург) и др. предприятиями - партнерами СПбГЭТУ в период с 2003 по 2010 г.г. были созданы макет (рис. 1), позволивший

экспериментально на испытаниях в аэродромных условиях проверить эффективность шннр>нр~-" принципиальных решений, а также макетные образцы

семейства из четырех моделей буксируемых АЭМК ^ измерения КС, описываемых ниже.

созданного семейства АЭМК

■ основе ЭМУТ, выполненного в р"с- виде двухмашинного

электромеханического каскада взаимной нагрузки, состоящего из двух встречно включенных электрических машин постоянного тока с независимым возбуждением, и в 2004 г. она прошла аэродромные испытания (рис. 2).

В 2004 году была создана вторая модель АЭМК с двухмашинным каскадным ЭМУТ и улучшенной конструкцией подвески измерительного колеса, названная моделью АТТ-3 и прошедшая аэродромные испытания в 2005 году (рис. 3).

В 2005-2006 г.г. по результатам систематических аэродромных исследований механическая конструкция и электронные узлы образца АТТ-3 подверглись значительным усовершенствованиям, и новая, третья, модель АЭМК получила название АТТ-ЗМ (рис.4). Эта Рис.3. модель с ЭМУТ, выполненным на базе двухмашинного

каскада постоянного тока, обладает максимально возможным диапазоном регулирования скольжения от свободного качения (S = 0) до полного «юза» (S = 1,0), представляет несомненный научный интерес и предназначена

для проведения широких исследований в лабораторных и аэродромных условиях. В 2007 году модель АТТ-ЗМ экспонировалась в США на XIV международной конференции-выставке «Мобильных средств и измерения коэффициента сцепления ВПП», проводимой NASA, и прошла успешные испытания на специальном полигоне по методике FAA в составе 13 мобильных (буксируемых и самоходных) установок, представленных пятью странами: США, Великобританией, Швецией, Финляндией и, впервые, Россией. Однако применение электрических машин постоянного тока в разработке моделей АЭМК. предназначенных для серийного изготовления, нецелесообразно в силу эксплуатационной ненадежности таких элементов конструкции машин постоянного тока, как щеточные узлы и коллекторы, и было принято решение о разработке новой, четвертой, модели АЭМК с вариантом ЭМУТ-3, выполненным на основе одной синхронной электрической машины переменного тока с управляемым реостатным торможением. Эта модель, создание которой было завершено к 2008 году, получила название ИКС-1 (Измеритель Коэффициента Сцепления -I). Она представляет собой комплекс, состоящий из следующих четырех частей: 1. буксируемая электромеханическая тележка (БЭТ); 2. бортовой электрошкаф управления (ЭШУ); 3. компьютерный пульт управления и индикации (ПУИ); 4. переносный стенд для калибровки измерительной АЭМК модели установки ИКС-1.

13

В 2009 году были изготовлены три идентичных макетных образца АЭМК ИКС-1 (см. рис. 5) с тем, чтобы выдвинуть их в заявительном порядке в МАК на проведение сертификационных испытаний для получения Сертификата типа изделия.

Организацией-производителем и заявителем сертификационных испытаний стала научно-производственная компания «Созвездие», входящая в холдинговую компанию «Созвездие Водолея», осуществляющую финансовую поддержку проекта. Были разработаны и переданы в МАК полные комплекты конструкторской и схемотехнической документации, а также алгоритмическое и специальное программное обеспечение, позволяющие воспроизвести типовую конструкцию изделия ИКС-1 на указанном в Сертификате предприятии - ОАО «Экспериментальный завод» холдинговой компании «Ленинец» (г. Санкт-Петербург). Была также разработана и передана в МАК эксплуатационная документация на ИКС-1, содержащая руководство по эксплуатации, техническое описание, паспорт, ведомость ЗИП и методику периодической метрологической поверки измерительного тракта. Отметим кстати, что общий объем одного комплекта переданной в МАК документации на сертификацию АЭМК модели ИКС-1 составил более 700 листов чертежей, схем, рисунков и текстов.

В 2009-20 Юг.г. были проведены сертификационные испытания перед

Сертификационной комиссией МАК и получен сертификат типа изделия, дающего право на организацию серийного изготовления. Типовая конструкция ИКС-1, утвержденная в Сертификате, защищена тремя патентами и семью Свидетельствами государственной регистрации программ для ЭВМ. АЭМК модели ИКС-1 является наиболее новой и последней по времени изготовления установкой такого назначения во всем мире, поэтому он удовлетворяет наиболее полному перечню международных требований, вырабатываемых, дополняемых и уточняемых 1САО для такого рода установок. В работе составлены технические требования к промышленному освоению создаваемых автоматизированных мобильных комплексов измерения коэффициента сцепления, приведенные в Приложении 3 к диссертации.

Механическая конструкция АЭМК модели ИКС-1 представляет собой буксируемую электромеханическую тележку (БЭТ), выполненную на базе переднего моста автомобиля ВАЗ 21213 («НИВА-ШЕВРОЛЕ») (рис. 6). На рис. 6 номерами обозначены следующие основные сборочные единицы и узлы: 1. узел измерительного колеса; 2. рычаг; 3. кронштейн; 4. угольник; 5. балка; 7. тормозной генератор.7. балка с грузом; 8. сцепка;9. узел крепления тензодатчика; 10. рама; 11. нагрузочное сопротивление; 12. стойка опорного колеса; 13. несущие колеса; 14. электрошкаф управления. Кроме этого, на БЭТ установлены: 15. кожух; 16. индуктивные датчики; 17. фонарь универсальный; 18. проблесковый маяк; 19. лебедка.

Неотъемлемой частью любого АЭМК является представленный в третьей главе переносный калибровочный стенд для периодического и оперативного метрологического обслуживания АЭМК в аэродромных условиях. Стенд предназначен для калибровки тензометрической системы измерения силы торможения (трения) измерительного колеса и измерительно-вычислительного тракта АЭМК и представляет

Рис.5.

Рис.6.

собой подвижную платформу с весами, на которые устанавливается измерительное колесо комплекса, снабженную двумя тензометрическими датчиками измерения касательной силы трения, приложенной к «пятну» контакта измерительного колеса с платформой стенда, и нормальной силы прижатия шины колеса к поверхности платформы, а также двумя цифровыми индикаторами VI00 (рис. 7).

Во второй части третьей главы рассматривается одна из важнейших задач создания ц —~ новых средств обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта - разработка автоматизированного электромеханического

испытательного стенда с автоматически

управляемым барабанным имитатором «бегущей дорожки». Цель его создания -заменить дорогостоящие и времязатратные аэродромные испытания создаваемого нового поколения АЭМК полноценными лабораторными испытаниями.

Создание и введение в эксплуатацию такого стенда открывает перспективы проведения широкого спектра невозможных ранее и не проводимых во всем мире экспериментальных исследований, целью которых является выяснение влияния изменения в широком диапазоне величины скольжения и различных режимов торможения измерительного колеса. Оснащение стенда сменными металлическими барабанами с различной обработкой поверхностей позволяет имитировать участки

измерений со строго постоянными значениями коэффициентов сцепления от 0,05 (полированная поверхность металла, эквивалентная поверхности взлетно-посадочной полосы, покрытой таящим льдом) до 0,6^0,9 (поверхность металла с грубой насечкой, эквивалентная бетонному покрытию взлетно-посадочной полосы), что не представляется возможным в аэродромных условиях

На рис.8 показана ЗП-модель конструкции стенда с размещенным на нем испытываемым мобильным комплексом. Разработан полный комплект конструкторской документации на изготовление стенда, состоящей более чем из 400 листов чертежей и спецификаций. Спроектирована и изготовлена схемотехническая документация на изготовление электрошкафа стенда, управляющего автоматизированным электроприводом барабана стенда с бортовым микроконтроллером С164С1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение компьютерного пульта управления, индикации и автоматизации процессов стендовых испытаний, выполненного на базе промышленного сенсорного панельного компьютера АёуатесЬ ТРС-1261.

На рис. 9 изображен электрический шкаф управления электроприводом стенда со встроенным компьютерным пультом. Изготовлен макетный образец стенда, размещенный в учебно-научной лаборатории кафедры САУ «Мехатронные комплексы подвижных объектов и установки аэродромного обслуживания». На рис.10 показан АЭМК модели ИКС-1, расположенный

Рис.8.

Рис.9.

транспортное колесо с упругим

пневматиком 1 Г "

Зада! чип

Рис.12. Обобщенная функциональная и кинематическая схема ЭМУТ с измерительным колесом и барабанного имитатора стенда

на испытательном стенде.

Механическая конструкция испытательного стенда с пандусом-трансформером, установленным в горизонтальное положение, показана на рис. 11: 1 — барабан; 5 - поверхность для установки опорного колеса ИКС-1; 6 - рама стенда; 7 - двигатель;8 - узел крепления тензодатчика; 11 - рама пандуса; 12 - левый и правый трапы [индуса; 13 - средний трап пандуса; 16 - поверхности для установки транспортных колес

Рис.10. тележек разных

моделей; 18 - опорные . «О ■ поворотные колесики —

стенда и площадки для их монтажа; 19 - регулируемые /

винтовые упоры; 20 - ведомая звезда стенда; 21 - у /м, /

площадка для дополнительного метрологического /У^г.

оборудования; 22 - крышка барабана с окном для у

установки измерительного колеса; 23 - ведущая звезда *§>

стенда; 24 - площадка для двигателя и измерительного узла; 28 - балка с площадкой для ручной лебедки; 29 -ограждение платформы. Рис. 11.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки математических моделей в виде нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы торможения измерительного (транспортного) колеса с пневматической шиной и различными вариантами ЭМУТ, и динамические процессы их стендовых испытаний. Модель динамического поведения испытуемой подвески измерительного (транспортного) колеса с ЭМУТ, опирающейся измерительным колесом на барабанный имитатор стенда, представляется обобщенной функциональной и наложенной на нее кинематической схемой, показанной на рис.12.

Дифференциальные уравнения математической модели, описывающей динамику измерительного (транспортного) колеса с пневматической шиной и учетом упругости и зазора трансмиссии, имеют следующий вид:

/у.тр.|

у.тр.ст

Юоб=-/об1(Л/Тр.об(-)-"гу.пн);л/тр.об(') = ^р(-)'Лоб; (!)

'»у.тш =Лтн(®об-Мст); (2)

('"у.пн ~~ /у.тр.ст )' (3)

'"у.тр.ст = Ртр.ст (юст - ЮТГ); (4) '"у.тр.ст — Ртр.ст^тр.ст' если '"у.тр.ст — Ртр.ст^тр.ст»

О, если |туЛр.ст|</'тр.ст5тр.ст; (5) '"у.тр.ст Ртр.ст^тр.ст' £СЛИ 'Мудр ст — /' гр СI ^ грсг'

ютг = ^ (/улр ст - Мторм ). (6)

Эти уравнения должны быть дополнены дифференциальными уравнениями электромагнитных процессов, формирующих тормозной момент^торм = ^т^т в рамках одного из вариантов ЭМУТ. Например, для ЭМУТ-1 и ЭМУТ-4, выполненных по схеме двухмашинного электромеханического каскада, дифференциальные уравнения электромагнитных процессов учитывают нелинейность характеристики намагничивания и имеют вид:

^торм = кт'т = гя[(кткеыТГ - ктс,,Фп(1Е)1Етт - ДяМторм); (7)

/в = (-Дв/в + иоа - куни3у (г)), (8)

включая также алгебраические уравнения типовой трехконтурной системы подчиненного управления скольжением с обратными связями по скольжению 51, току возбуждения /в и току торможения /т вида

"у(0 = Рв(»т-^в/в); "т =Рт(»5-^т'^т^торм);

=/?5'("°(0-^5'об+"!(0);5,об =»бар(®6ар-»об^);^ = йобЛда1р. (9)

Возникающая при торможении измерительного колеса сила трения ^тр выражается как

гтр(0 = ц(-)/'ш>рм, (10)

где коэффициент трения (сцепления) ц(-) в «пятне» контакта шины измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия (или с поверхностью барабанного стенда) обладает выраженным эффектом «сухого» трения с характерным спадающим «срывным» участком, возникающим при начале скольжения (эффект Штрибека) и определен предложенным в диссертации следующим выражением (удобным при исследовании моделированием процессов торможения):

ц(5) = Мъ ехр (-А/25)+А/р?+ М0, (11)

где неопределенные числовые коэффициенты определяют характерные точки кривой |Х(5)

М0=Ртт>М1 =Н1оск- \1тт'М2=-^—>М3=Итш<.-11тт>

^шт С А)

И шах = ^Ыаск = НО); Нтт = Лга); «вш = 0,05-0,1;

с! = 3-100 - постоянная, определяющая крутизну кривой ц(5) в зоне эффекта Штрибека вблизи 5=0 справа.

В диссертационной работе отмечается, что одновременный учет упругих

деформаций пневматика и срывного эффекта в аналитической характеристике сухого трения в рамках построенной математической модели (1)-(12) динамики торможения пневматического колеса позволяет автоматически (в отличие, например, от известных параметризированных уравнений ЛуГре) учесть присущие упругому пневматику с сухим трением явления сдвига максимума силы страгивания (момента страгивания) из точки Я = 0 (+0) в область малых положительных значений $>0. Указывается, что это явление сдвига максимума срывной силы сухого трения, принятое в научно-техническом обиходе за несомненное, вряд ли может быть достоверно изучено экспериментальным путем в силу невозможности получить установившиеся режимы в точках, соответствующих ниспадающему участку зависимости силы трения от скольжения, тогда как в уравнениях (1)-(12) указанное явление сдвига максимума момента страгивания присуще самой динамической модели (1)-(12) и учитывается уравнениями (1)-(3), (11), (12), описывающими упругость пневматика и сухое трение.

Математическая модель динамического поведения барабанного имитатора «бегущей дорожки» с управляемым по напряжению якорной цепи электроприводом постоянного тока с учетом упругости и зазора трансмиссии описывается дифференциальными уравнениями вида:

^дв.бар = к,п.бар " ^бар = ^я.бар("^я.бар^я.бар + ^УП2 '«у (0~^е.бар '®дв.барХ(13)

^бар = ^бар (Уу.тр.бар — ^тр.бар ('))> ^тр.бар (') = ^тр (')' ^бар > (1^) '"у.тр.бар = /;тр.бар (ыдв.бар -Юбар); (15>

®дв.бар = Ыдв.бар (Ыдв.бар -/у.тр.бар); (16)

^улр.бар — Рф.бар^чр.бар >если '"у.тр.бар — Ртр.бар^тр.бар'

0, если |/Иудр бар | < Лр.бар5тр.бар !

оту.тр.бар + Ртр.бар^тр.бар >если Уу.тр.бар — —/'тр.бар^тр.бар > (17)

«£(0=М«т-*7Лиф);

/у.

У-ТР«

|"ш = Рш(и0 (0 - ^ш®дв.бар + "I (О)-

(18)

и включает алгебраические уравнения (18) типовой двухконтурной системы подчиненного управления линейной скоростью «бегущей дорожки» К.1ИН; ,

и£ (0— управления движением барабана и скольжением, вырабатываемые адаптивными системами, построенными в 5 и 6 главах. Другие буквенные обозначения, введенные в уравнениях (1)^(18) и на рис.12, означают: 0}-угловые скорости; /Яу-

упругие моменты; /-токи; У - моменты инерции; р - коэффициенты упругости; об, ст -обод и ступица измерительного колеса (ИК); бар - барабан; тр - трансмиссии (в сочетании с др. обозначениями) или трение (отдельно); пн - пневматик; ТГ и НД -тормозной генератор и нагрузочный двигатель ЭМУТ; В - возбуждение; ОВ - обмотки возбуждения; ЭМ - электрические машины; 8 -зазоры; Д - датчики; УП - усилители -преобразователи; НК - несущие колеса; Р - передачи контурных регуляторов; /"||0рМ -

сила нагружения ИК; и - управления; остальные - конструктивные параметры.

В заключение четвертой главы формулируются задачи построения адаптивных

систем управления динамикой торможения измерительного (транспортного) колеса АЭМК и барабанного имитатора испытательного стащаиобсуядаагсяпутихрешашя.

В пятой главе (и в Приложении 2) рассматриваются вопросы разработки теоретических и методологических основ построения адаптивных систем управления динамикой ЭМУТ измерительных (транспортных) колес и динамическими процессами их стендовых испытаний как классом нелинейных объектов.

Результаты пятой главы опираются на выдвинутый и развивающийся на кафедре САУ СПбГЭТУ с участием автора метод построения прямых и непрямых беспоисковых (аналитических) адаптивных систем управления динамическими объектами с функционально-параметрической неопределенностью правых частей описывающих их дифференциальных уравнений, основанный на нелинейной параметризации неизвестных нелинейностей объектов мажорирующими функциями. Основные результаты этого подхода изложены в Приложении 2 к диссертации и используются в пятой главе для построения на их основе прямых, непрямых и комбинированных адаптивных систем с параметрической и сигнальной (релейной) настройками для управления ЭМУТ транспортных колес как классом нелинейных многомассовых упругих электромеханических объектов управления с неполными измерениями. А именно, рассматривается и-массовый упругий электромеханический объект, представляющий собой цепную модель обобщенных сосредоточенных дисков J•l с вращательным движением, соединенных невесомыми упругими связями р. с зазорами <5, и допускается, что моменты инерции ./,■=./,•(•) и коэффициенты упругости р. = р. (•) являются неизвестными нелинейными функциями переменных состояния упругих объектов - угловых скоростей сог- = ди восстанавливающих (упругих) моментов Шу1 = — 41+1), где точка (•) означает функциональную зависимость

параметров. Математическая модель такого многомассового упругого объекта записывается в виде 2и — 1 -мерной системы дифференциальных уравнений вида:

<=1> п- ™У1=Л(')('и, -<а,+1), 1 = 1, п — 1; ту 1~Р&> если ту/ - РА> /у/ =' 0, если |ту,| < Рц% ■ (19)

ту1 + , если ту( < р^); ту1=Р1(91-Ям), »' = 1.п-1; (ту0=ту„= О).

Здесь в качестве переменных состояния используется и-мерный вектор скоростей ю = (] и п-1 -мерный вектор восстанавливающих моментов упругих связей

шу=(ту1...ту,-...отул_1)т; ту!=р1(д1-дм\ г = 1,и-1;

Ч = (^Ь ЧГ2>—>?«>—?л)Т— вектор угловых перемещений моментов инерции УД-);Р1~ коэффициент упругости /-ой упругой связи; м, - управляющее воздействие, приложенное к /-у моменту инерции с коэффициентом Ь{, / = 1,2,...,«; общий порядок многомассового упругого объекта равен т = 2и -1.

Далее в пятой главе строятся следующие адаптивные системы, реализуемые в условиях неполной измеримости упругих объектов с помощью наблюдателей.

А. Прямая адаптивная система с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления многомассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом.

Для нелинейного и в общем случае нестационарного упругого объекта (19) вводится некоторое линеаризованное в каком-либо рабочем режиме описание с постоянными усредненными параметрами вида

ш " 0 м0- га

Шу П0 0 ту

-МО-

(20)

где , М0 - постоянные матрицы, имеющие те же структуры (те же

ненулевые элементы); Ьд =

,0 VI

ги

, — усредненное значение неизвестного

первой массы •/!(•), жестко соединенной с исполнительным электроприводом. Все системы адаптивного управления должны вырабатывать составное управление

ИЕ(0 = И°(0 + Ил(0 + Иа(0.

(21)

где и (?) - известное программное управление (ограниченная функция времени), а нл (/) и ма(<) - соответственно, линейное и адаптивное управления, подлежащие определению. Заявленная система содержит следующие подсистемы: 1. Эталонная модель полного порядка т имеет следующий вид:

= Амхм +Ьм«о0>. Ам =1 ----т-

(22)

где Ет_] - т — 1-мерная единичная матрица; 0 — т — 1 -мерный нулевой вектор; ат =(а0, О],..., ат_]) - /и-мерная строка вещественных коэффициентов гурвицева характеристического многочлена матрицы Ам с любым заранее заданным распределением корней; Ьм =(0, 0,..., О, км)Т', км - коэффициент, определяемый из требуемого установившегося режима управления «жестким» движением центра масс упругого объекта.

2. Стационарный идентификатор состояния (стационарный наблюдатель)

упругого объекта (19), построенный по постоянным параметрам усредненного объекта (20) и восстанавливающий оценки скоростей и упругих сил (моментов) по измерению любой обобщенной скорости со^ объекта, имеет следующий вид:

й " о М0" (I)

Шу «0 0 Шу

-М') + 1сг(®*-<»*)>

(23)

где (&т; Шу) - вектор оценок переменных состояния упругого объекта; 1 = (/], ¡2,..., 1т)т — вектор коэффициентов усилений обратных связей наблюдателя (23) по ошибке наблюдения Юд. — ю^ измеренной переменной Ю^; Ст - матрица

измерения, ст=(0, 0.....кс, 0,0); кс - коэффициент передачи датчика скорости

Щ.

3. Линейная составляющая модального управления имеет следующий вид:

мл(/) = кт(шт, Шу) =^¿01 +... + к/!и)к +кпап + 20

К+Х^уХ + --- + к2п-\™уп-1 = к[со + к|ту, (24)

где все линейные обратные связи (кроме, может быть, измеренной скорости ю^) формируются из оценок, вырабатываемых наблюдателем (23); кт =

= (^1> .....) = (к [, к^)-коэффициенты усилений линейного управления.

4. Адаптивная составляющая управления (21) имеет следующий вид:

"а (0 = ^А (0 «ИаВ{/г}™ (ют, т* )Т + кь (/)(и° (г) + ил (* )), (25)

где кд - т-мерная вектор-строка настраиваемых коэффициентов, т = 2п-\, к^ (?) - настраиваемый входной коэффициент адаптивного закона (25);

уп

(26)

—т-мерная диагональная матрица, составленная из степенных мажорирующих функций вида

/Л(0г) = аг> г = 1,2,...,п; /г{туг) = т^г, г = 1,2,...,л-1;р = 0,1,3,5,....(27)

5. Уравнения параметрической настройки адаптивного закона (25) выражаются дифференциальными уравнениями вида

кА (0 = -Й1а8{у/.}1т <У(е)

У.

(28)

4 (0 = О + "л(0) - НЧ (0>

где у,-, Р,-, / = 1,2,...т, Уб, Рй - положительные коэффициенты усилений алгоритмов настройки;

8(ё) = ^рте; ё = (мт, ту)Т -хм, (29)

где е - т-мерный вектор ошибок - разностей между переменными состояния наблюдаемого (23) и эталонного (22) движений; рт - т-мерная строка положительных весовых коэффициентов линейной комбинации ошибок (29); км - последний элемент столбца Ь м эталонной модели (22).

Б. Прямая адаптивная система управления с сигнальной (релейной) настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления многомассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом состоит из эталонной модели (22), наблюдателя (23) и составного управления (21), в котором линейная составляющая такая же, как (24), а адаптивное (релейное) управление будет

«а(0 = -

т г=1

(30)

где /¡о, Иг, г = 1 ,т - коэффициенты усиления алгоритма;, ё = (шт, А у)" -хм -

т-мерный вектор ошибки и рт - т-мерная строка весовых коэффициентов, таких, как в выражении (29), мажорирующие функции /г такие, как в (27).

В. Непрямая адаптивная система управления с параметрически настраиваемой моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для

управления многомассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом будет содержать:

1. Настраиваемую модель т-го порядка вида

СО " о м0" со

ту По 0 Йу

+ Ьё(0 + КА (г)ШаВ{Л}Г

ш т..

ш со

£ = +

ту ту

(31)

(32)

[ь0 + кь]мЕ(0; е =

2. Уравнения параметрической настройки модели (31) вида

¿А (0 = ГАР£(шт,т;)(^{Л};" - Лдкд (0;

кь(/) = ГвР£и°(/)-Лвкь(?), где Гд ,Гд,Лд ,Лд- положительно определенные (в частности, диагональные) матрицы коэффициентов усилений алгоритмов настройки; Р - решение матричного уравнения Ляпунова.

3. Стационарный идентификатор состояния (наблюдатель) упругого объекта

т-го порядка вида (23), вырабатывающий оценку (Йт,т^)т.

4. Линейную составляющую управления (21) вида (24), но с заменой оценок, вырабатываемых стационарным наблюдателем (23), на оценки настраиваемой модели (31), играющей здесь роль настраиваемого наблюдателя, т.е. мл(/) = кт(ш1,туг);

5. Адаптивную составляющую управления (21) следующего вида:

«а(0 = -Ьо[М')«М/г}Г Г

+ кь(<)мЕ(0.

(33)

В уравнениях (31)-(33) обозначено: со,ту - л-1-мерный векторы состояния

настраиваемой модели (в физических переменных объекта); Ь — тхт-мерная матрица обратных связей настраиваемой модели (31) выбирается по условию желаемой динамики матрицы Ам - Ь; Ам -матрица эталонной модели, такая же, как в (22).

Замечание. Очевидно, что построенная в этом пункте непрямая (идентификационная) адаптивная система имеет большее число настраиваемых параметров в т х т -мерной Кд и тх1-мерной матрицы ку,((),т = 2я — 1 (всего т(т +1) параметров в общем случае), чем прямая адаптивная система, построенная в п. А. Однако важным достоинством непрямого подхода является то, что выполнение цели идентификации не требует выполнения условий адаптируемости (согласованности), как в прямом подходе, так как параметры настраиваемой модели настраиваются непосредственно и в алгоритмах параметрической настройки (32) не участвует неизвестная нелинейная матрица - функция Ь(-) входов нелинейного упругого объекта (или матрица Ь0).

Г. Непрямая адаптивная система управления с сигналыю настраиваемой моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления многомассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом содержит: 1. Настраиваемую модель т-го порядка вида

ш " 0 м0" ш

шу "о 0 ту

+ Ь£(о + Ь0«(;)+и2(О ■

(34)

2. Стационарный идентификатор состояния(¡ий/податен.)пно порздкавцца(23).

3. Закон сигнальной настройки настраиваемой модели в виде т-мерного вектора

т

»*(') = 1(АГ/Г) «18п{Р£(0}. (35)

Г=1

4. Составное адаптивно-линейное управление

«Е(0 = «£(0 + ИЛ(0+И°(0- (36)

Важно отметить, что мл, как и в пункте В, в отличие от (24), состоит из обратных связей, формируемых не из переменных, вырабатываемых наблюдателем (23), который здесь играет вспомогательную роль в реализации закона адаптации (35) настраиваемой модели (34), а из переменных настраиваемой модели (34):

и „ (г) = кт(штШу )т = к^ю + к |ту (37)

5. Закон сигнальной адаптации объекта вычисляется по уравнению

"а(0 = -Ь>2(0 , (38)

или, с учетом структуры столбца Ьм, имеющего один нижний ненулевой элемент кт, и уравнения (35), будет выражаться в виде

т

-1

(39)

чп К + X (Ьг/г) г=1

Адаптивное управление (38), (39) можно подвергнуть "сглаживанию" (усреднению) с помощью системы линейных фильтров:

17а2(0 = -ЬмИ(0«11а8{т,}Гц(0 + ц(0=иг(0 , (40)

или, учитывая структуру столбца Ьм,

»*(<)=-¿"'МО; х«Ав.(0 + и«(0 = [иг(0]и- (41)

В выражениях (31)-(41) обозначено: £(0 = 1(йт,т^)-(мт,т^)1т- т-мерный

вектор ошибки оценок наблюдателя (23) и настраиваемой модели (31) или (34) соответственно; Ь - т хт -мерная матрица формирования независимой динамики настраиваемой модели, Ь > 0;Ь()(Ьг;г = 1,2,,..,/и- положительные коэффициенты усилений; Р - т х т -мерная матрица из уравнения Ляпунова вида

(АМ-Ь)ТР + Р(АМ-Ь) = -С; с=Ст>0> Р>0 . (42)

/г - мажорирующие функции, такие как (27); - ш-мерная нижняя строка матрицы Р; [и2(/)]т - нижний элемент столбца из выражения (35); Тт - малая

постоянная времени из диагональной матрицы уравнений фильтров 1-го порядка (40); Ц(0" усреднение разрывной функции и7(/), т-мерная вектор-функция; |Хт(/)- ее нижний элемент.

А+Г. Комбинированная адаптивная система с прямым параметрически настраиваемым управлением и сигналыш настраиваемой моделью с мажорирующими функциями для многомассового нелинейного упругого электромеханического объекта

Сравнительные исследования приведенных выше адаптивных систем привели к естественной идее комбинирования прямых и непрямых адаптивных систем с целью повышения эффективности управления объектами с неполными измерениями. Из рассмотренных адаптивных систем (п.п. А, Б, В, Г) всего возможно получить четыре комбинированные адаптивные системы: А+В, Б+В, А+Г, Б+Г. В работе, опираясь на проведенный сравнительный анализ, была принята целесообразной комбинированная адаптивная система, состоящая из прямой системы с параметрической настройкой для адаптации объекта и непрямой системы с сигнально настраиваемой моделью для реализации адаптивного наблюдателя на скользящих режимах (вариант А+Г).

Такая комбинированная адаптивная система, составленная из структур А+Г, реализует комбинированное составное скалярное управление вида (ср. с выражением (21))

ИЕ (0 = м°(0 + мл « + "а (0 + "I (0 (43)

и состоит из эталонной модели вида (22), сигнально настраиваемой модели (34) и стационарного наблюдателя вида (23), оценки Ю и 1Пу которого используются для

реализации обратной связи Ье настраиваемой модели (34) и векторного закона ее сигнальной настройки ) вида (35), закон сигнальной адаптации объекта

(составляющая гСл (?) управления (43)) вычисляется по выражению (38) или (39), а линейная составляющая ил (/) управления (43) строится по выражению (37) с использованием оценок настраиваемой модели ю, ту.

Прямое параметрически настраиваемое адаптивное управление (составляющая иа (/) управления (43)) определяется адаптивным законом вида (25) и алгоритмами его параметрической настройки вида (28), причем здесь важно то, что при реализации соотношений (25) и (28) оценки Ю, Ш у стационарного наблюдателя (23) заменяются на

оценки Ю,ту сигнально настраиваемой модели (34).

Обсуждение. В построенной комбинированной адаптивной системе (А+Г) основная роль сигнальной настройки (35) - это адаптация сигнально настраиваемой модели (34), в то время как в сигнальной адаптации (38) объекта составляющая

Ма (?) не играет заметной роли и вообще может быть даже опущена. Главную роль в

адаптации объекта играет закон параметрической адаптации Иа(0 (25) с параметрической настройкой (28), которые используют здесь более точные оценки настраиваемой модели, а не стационарного наблюдателя, и в силу этого являются более эффективными, чем в структуре А со стационарным наблюдателем.

В заключение пятой главы излагаются общие методики поблочного расчета рассмотренных прямых, непрямых и комбинированной адаптивных систем управления многомассовыми нелинейными упругими электромеханическими объектами с функционально-параметрической неопределенностью и неполными измерениями.

В шестой главе рассматриваются вопросы разработки и исследования адаптивных систем автоматического управления ЭМУТ и измерительных (транспортных) колес, обеспечивающих требуемую динамическую точность имитации измерительными колесами АЭМК реальных режимов торможения колес воздушного транспорта при посадке, и адаптивных систем управления движением барабанного имитатора «бесконечной бегущей дорожки», обеспечивающих динамическую независимость линейной скорости «бегущей дорожки» от динамического влияния

испытуемой подвески с ЭМУТ и измерительным колесом в условиях резко переменного изменения силы торможения в «пятне» контакта колеса с барабаном. Опираясь на материалы четвертой и пятой глав, в которых проведена вся подготовительная работа по разработке математических моделей многомассовых нелинейных электромеханических объектов управления и структур прямых, непрямых и комбинированной адаптивных систем для этого класса объектов, в шестой главе формулируются и решаются задачи построения и исследования следующих видов адаптивных систем управления:

а) локальных прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем управления скольжением (торможением) измерительного колеса, объектом управления которых является математическая модель, описываемая нелинейной дифференциальной системой 7-го порядка вида (1)-(9) с ЭМУТ-1, ЭМУТ-2 или ЭМУТ-4, или 6-го порядка с ЭМУТ-3 или ЭМУТ-5, включающей трехконтурную систему

подчиненного управления скольжением S вида (9) со входом и внешнюю

нагрузку, описываемую уравнениями (10)-(12);

б) локальных прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем управления линейной скоростью «бегущей дорожки» барабанного имитатора, объектом которых является математическая модель, описываемая нелинейной дифференциальной системой 4-го порядка вида (13)-(18), включающей двухконтурную систему подчиненного управления угловой скоростью барабанного имитатора с одним

входом (?) и внешнюю нагрузку, описываемую уравнениями (10)^(12);

в) взаимосвязанных прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем управления линейной скоростью «бегущей дорожки» барабанного имитатора, объектом которых является математическая модель, описываемая объединенной

дифференциальной системой 11-го порядка вида (1)-(18) с двумя входами и

мх(0 и одним выходом V(t), а также общей внешней нагрузкой - силой трения F.^ ), описываемой уравнениями (10)-(12), связывающими два подобъекта (1)! (9) и

(13)-(18) в единый взаимосвязанный объект управления.

В диссертации построены локальные и взаимосвязанные прямые, непрямые и комбинированные адаптивные системы управления скольжением по структурам А, Г и А+Г для всех видов ЭМУТ-1: ЭМУТ-5 и линейной скоростью барабанного имитатора по единой методике, вытекающей из материала глав 4 и 5. Разработаны расчетные схемы моделирования построенных локальных и взаимосвязанных адаптивных систем в среде Matlab-Simulink, проведено их сравнительное исследование, по результатам которого отобраны для микроконтроллерной реализации в макетных образцах создаваемой АЭМК модели ИКС-1 и испытательного стенда с барабанным имитатором локальные комбинированные адаптивные САУ, построенные по структурам А+Г. Программное обеспечение микроконтроллерных реализаций отобранных адаптивных САУ для внедрения в опытные образцы создаваемых изделий АЭМК модели ИКС-1 и испытательного стенда разработаны на базе промышленных микроконтроллеров, отлажены на макетах на базе платы сопряжения PCI, изготовлены и включены в состав электрошкафов управления АЭМК ИКС-1 и испытательного стенда.

Рассмотрим пример построения локальной комбинированной адаптивной системы управления скольжением по структуре А+Г для первого подобъекта вида (1)-(12), реализованной на бортовом микроконтроллере АЭМК модели ИКС-1.

Вектор состояния подобъекта вида (1)-(12) (ему присвоен верхний индекс «5») составляют семь независимых переменных:

* = (/,, /., гао6> тупл, юст, тулрст, сотг) , (44)

недоступными измерению являются переменные (0^, Шу1ш, С0СТ, тутрст, а

неопределенными являются соответствующие параметры и нелинейные функции подобъекта:

■/„6о, ./„о, г пн\ .г тр.ст О, в (/. Уу.тр.бар(^тр.барХ ./у .тр.ст

Линеаризованное описание подобъекта (1)^(12) с постоянными усредненными параметрами

•с. -с ¿и. с с=ф; (/:), к, к

имеет вид

*о = Аохо + Ьо ("о (0 + иЕ (0); У о = с(Гхо> (45)

где в уравнение измерения включена одна измеряемая переменная — угловая скорость тормозного генератора Ютг.

Все матрицы и векторы в уравнении (45) имеют размерности соответственно 7x7, 7x1 или 1x7, соответствующие размерности подобъекта и его скалярному входу.

Локальная комбинированная адаптивная система подобъекта (1)^(12) строится по структуре А+Г и состоит из следующих блоков:

а) сигнально настраиваемой модели

= АдХ'5 (но (0 + и£ (0) + и2 (г) (46)

б) стационарного наблюдателя состояния

х* = + 15с^(х5 -х5) + Ь0х(м„(0 + «£(*)); (47)

в) линейного (модального) управления

«л(0=кэтх* +ЦТ + к*Ш0б + к°тут +**&„ + к*тугрсТ + ^ютг; (48)

г) эталонной модели

= (49)

д) закона сигнальной настройки настраиваемой модели (46)

и,(0 = [[*, + Ш ■ /Л^)]^п{Р£(0} (50)

е) адаптивного закона (с настраиваемыми параметрами)

= к^(0с1!а8{//(х;5)}17 Xх + (51)

где матрица мажорирующих функций имеет вид

«^{//(х?)}' = сНа8{7/, 7/, трупп, со*, <};

г = 1,2,...,7; /7 = 0,1,3,5,...;

ж) алгоритмов настройки параметров адаптивного закона (51) в виде системы из 8 дифференциальных уравнений

|к?(0<- (Г); ^

(0 = - Ккь( 0.

где - положительные коэффициенты, е5 = х^ — х^ - вектор

ошибок,(ё5) = Ь^ГР'У(е,У), Рх - 7х7-матрица-решение матричного уравнения Ляпунова вида

(52)

з) закона сигнальной адаптации объекта:

«;(') =-(ЮЧС);

(55)

(56)

Аналогичным образом, в диссертации построены остальные локальные адаптивные системы первого подобъекта вида (1)^(12) седьмого или шестого порядков и все локальные адаптивные системы второго подобъекта вида (10)^(18), имеющего четвертый порядок. В диссертации построены также прямая с параметрической настройкой (А) и комбинированная (А+Г) взаимосвязанные адаптивные системы процесса испытаний как взаимосвязанного объекта, описываемого математической моделью вида (1)^(18) одиннадцатого порядка.

В диссертации проведены сравнительные исследования прямых (по структуре А) и комбинированных ( по структуре А+Г) взаимосвязанных и локальных (декомпозированных) адаптивных систем. Они показали, что наиболее эффективными являются, как и следует по определению, взаимосвязанные адаптивные системы управления объектом (1)^(18) 11-го порядка. Однако расчет, отладка и микроконтроллерная реализация взаимосвязанных адаптивных систем сталкивается со всеми трудностями построения, исследования и реализации аналитических систем большой размерности, осложняющимися, вдобавок, тем, что процессы выбора коэффициентов усилений алгоритмов настройки и мажорирующих функций в принципе не формализуемы. Поэтому, если локальные адаптивные системы управления являются достаточно эффективными, то их следует предпочесть взаимосвязанным, так как расчет, отладка и микроконтроллерная реализация их как независимых адаптивных систем значительно упрощается в силу меньшей размерности. При этом очевидно, что при декомпозируемом подходе в силу пренебрежения взаимосвязанностью подобъектов, выбор эталонных динамик локальных адаптивных подсистем «стеснен» компромиссом выбора их такими, которые обеспечивали бы устойчивость и удовлетворительную динамику взаимосвязанного объекта.

На рис. 13-16 приведены некоторые результаты исследования установленной в бортовом микроконтроллере АЭМК модели ИКС-1 локальной комбинированной адаптивной САУ торможением измерительного колеса с ЭМУТ-3 и учетом упругих свойств пневматика. На каждом из рисунков 13-16 показаны графики процессов торможения (скольжения 5(<)) колеса при реакции на ступенчатое входное

воздействие и® =0.1; (5° =0,1) при постоянном (кривая 1) и срывном (кривая 2) характере момента трения ИК с упругим пневматиком и сухим трением и при условии, что установка движется по гладкой однородной поверхности с коэффициентом сцепления (X = 0.7 (сухой асфальт).

На рис. 17, 18 приведены некоторые результаты исследования локальной комбинированной адаптивной САУ барабанным имитатором стенда с установленным на нем АЭМК модели ИСК-1. Рассмотрены процессы управления угловой скоростью барабана, соответствующей линейной скорости равной V — 60 км/ч в предположении наихудшего случая возмущения движения барабана со стороны измерительного колеса, когда его торможение характеризуется периодическими толчками (подобно режимам самолетных автоматов), вдобавок, с частотой, совпадающей с частотой упругих колебаний барабана.

жг

0.2

□ 15 0.1 0.05

/\ ^ 2

п Г> т

(

Рис. 13. В неадаптивной системе с подчиненным управлением и усредненными параметрами

•Лгг» Рхш

0.12

0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 О -0.02

Рис. 14. В неадаптивной системе с модальным управлением: при изменении упругости пневматика в четыре раза рпн = 0,12

0.12

0.08 0.06 0.04 0.02

О

?, С

Рис. 15. В комбинированной адаптивной системе: при изменении упругости в восемь раз

(д., =0,12/0

Рис. 16. В комбинированной адаптивной системе: при изменении момента инерции присоединенных масс кИКввосемь раз (J

60

гч-59

58

! 2! —!

¡7 N г ; 1

5.1 5.15 5.2 5.25 1, с

5 5.05

Рис. 17 - Переходные процессы по угловой скорости барабана (1 рад/с=1 км/ч) от наброса скорости скольжения (слева) и от наброса момента трения (справа) с управлением: кривые 1 - с подчиненным; кривые 2-е модальным (при номинальных параметрах); кривые 3-е адаптивным (при изменении упругости в 8 раз)

На рис. 17 видно, что при учете упругости трансмиссии система с подчиненным управлением неработоспособна (кривые 1), модальное управление остается эффективным только при номинальных параметрах (кривые 2), а адаптивное управление эффективно подавляет упругие колебания при изменении момента инерции барабана и (или) упругости трансмиссии. Из рис.18 видно, при скачкообразном торможении с номинальной амплитудой «провалы» по скорости барабанного имитатора не превышают ±1 км/ч, что удовлетворяет сертификационным требованиям, предъявляем с АЭМК.

В седьмой главе рассматриваются вопросы разработки на базе автоматизированного испытательного стенда с барабанным имитатором «бегущей дорожки» методики полунатурных испытаний в лабораторных условиях создаваемых АЭМК, а также методики калибровочных испытаний АЭМК с помощью переносного калибровочного стенда в аэродромных условиях.

50

60----И-д-' --г-

1

5.05 5.1 5.15 5.2 5.25 1, с

5.25 1, с

Рис. 18 - Вверху: переходные процессы по угловой скорости с подчиненным управлением (кривая 1) и адаптивным управлением (кривая 2); внизу: переходный процесс по моменту с подчиенным управлением (кривая 1) и возмущение по моменту торможения (кривая 2)

В диссертационной работе предлагается оптимизировать дорогостоящие и труднореализуемые в аэродромных условиях сертификационные испытания путем частичной их замены полунатурными стендовыми испытаниями в лабораторных условиях. В рамках данной главы разрабатывается методологическое, программное и аппаратное обеспечение государственных сертификационных и других испытаний создаваемых АЭМК на стенде в лабораторных условиях.

На всех стадиях проектирования и разработки АЭМК от макетов до опытных образцов и установочных серий требуется проведение большого объема различных видов отладочных, приемочных и квалификационных испытаний, связанных с необходимостью прокатывания АЭМК в аэродромных условиях. Необходимость периодических выездов на аэродром для проведения отладочных испытаний создаваемых образцов в движении затрудняет и даже делает невозможным проведение оперативной проверки принимаемых конструкторских и программных решений, что снижает качество проектирования и растягивает его во времени. Особенно важным этапом введения создаваемых АЭМК являются государственные сертификационные испытания, которые регламентируются такими основополагающими документами, разрабатываемыми МАК, как «Сертификационные требования к измерителям коэффициента сцепления аэродромных покрытий» и «Программа и методика сертификационных испытаний измерителей коэффициента сцепления». Однако проведение сертификационных испытаний с выполнением всех предписаний этих документов в аэродромных условиях в сильной степени затруднено, так как связано с поиском или специальной подготовкой протяженных участков аэродромных покрытий, имеющих на все протяжении однородный коэффициент сцепления, соответствующих таящему льду, утрамбованному снегу, слою воды или снегу с водой и т.д. При этом проведение сертификационных испытаний трудоемко и не только требует значительных финансовых затрат, но и затягивается на годы, так что сертифицируемое изделие за время испытаний успевает даже морально устареть, так как у разработчиков появляются новые предложения по улучшению создаваемых АЭМК, не включенные в заявление на сертификацию.

В разработке в диссертации «Методики и программы стендовых сертификационных испытаний в лабораторных условиях» за основу принята «Методика и программа сертификационных испытаний в аэродромных условиях», разработанная МАК и, также, как в последней, рассматриваются методические указания по проведению испытаний или иной проверки сертифицируемого АЭМК на соответствие каждому из 27 пунктов «Сертификационных требований», разработанных МАК (см. Приложение 3), с заменой везде, где это возможно, аэродромных испытаний и проверок испытаниями на стенде с «бегущей дорожкой» в лабораторных условиях. Разработанная в диссертации методика сертификационных испытаний в лабораторных условиях может рассматриваться как основа для переработки и утверждения требований МАК и признания легитимности лабораторных испытаний АЭМК на

стендах с «бегущей дорожкой» при сертификации аэродромного оборудования в области обеспечения безопасности посадки воздушного транспорта.

В этой же главе разработана методика периодической калибровки тензоизмерительной системы создаваемого АЭМК, выполняемой на базе описанного выше переносного метрологического стенда в аэродромных условиях по месту эксплуатации АЭМК, а также программное и аппаратное обеспечение автоматизации процесса калибровки, поддерживаемой компьютерной панельной станцией АЭМК, по результатам которой компьютером заполняется протокол калибровки (см. Приложение 4).

Восьмая глава посвящена вопросам разработки функциональных структур, принципиальных электрических схем силовой и управляющей электроники, а также алгоритмического и программного обеспечения микроконтроллерных адаптивных САУ

и компьютерных систем автоматизации создаваемых АЭМК и сгецдов для их испытаний.

Наиболее наукоемкими составными частями создаваемых АЭМК и автоматизированного электромеханического стенда с «бегущей дорожкой» для их испытаний являются электрошкафы управления с силовой и управляющей электроникой и компьютерные панельные станции, осуществляющие полную автоматизацию процессов измерения КС аэродромных Рис.19. Вид внутреннего покрытий и процессов испытаний АЭМК. Электрошкаф устройства электрошкафа управления (ЭШУ) АЭМК (рис.19) располагается на БЭТ и управления (ЭШУ) связан с компьютерным пультом управления и индикации

(ПУИ), проводной или беспроводной связью. В нем расположены: драйвер ЮВТ; датчик тока; модуль ЗУ; плата управления с микроконтроллером; силовой транзистор ЮВТ; ОРБ-приемник; силовой трехфазный мостовой выпрямитель постоянного тока; гелевый аккумулятор; влагозащищенные соединительные разъемы. Разработаны полный комплект электрических принципиальных схем плат всех модулей ЭШУ, схема его внутренних соединений и программное обеспечение микроконтроллера. Разработана автоматизированная информационно-управляющая система АЭМК, которая реализуется на базе промышленного компьютера в виде переносного пульта оператора комплекса. Компьютерный ПУИ (см. рис.20) выполнен на базе промышленного компьютера ТРС 1260Н фирмы АёуаЩесЬ.

В соответствии с выполняемыми ПУИ функциями, разработано полное алгоритмическое и программное обеспечение.

Основное окно панели

Рис. 20 Компьютерный переносной пульт

управления и

индикации ШУИ)

Рис. 21. Основное окно панели визуализации и управления

Рис. 22. Меню выбора протоколов

визуализации и управления процессом измерений на сенсорном цветном экране ПУИ

появляется при включении электропитания установки (рис.

21). Основное окно является виртуальной панелью, содержащей все органы управления процессом измерений и визуализации его результатов. После окончания измерительного заезда оператор может просмотреть полученную и обработанную информацию, нажав в основном окне на кнопку «ПРОСМОТР ПРОТОКОЛОВ», и передать ее на КДП аэродрома. При нажатии на

кнопку «ПРОСМОТР ПРОТОКОЛОВ», появляется диалоговое окно меню выбора протоколов (см. рис. 22).

Протоколы измерений, записываемых и хранящихся на диске в ПУИ, могут быть представлены в четырех видах:

1. Протокол в стандартном виде. При нажатии в основном окне на кнопку «ПРОТОКОЛ В СТАНДАРТНОМ ВИДЕ» появляются столбцовые цветные диаграммы распределения значений измерения коэффициента сцепления вдоль измфяемого участка по обоим направлениям (см. рис. 23);

2. Протокол в виде графиков. При нажатии в основном окне на кнопку «ПОКАЗАТЬ ПРОТОКОЛ В ВВВДЕ ГРАФИКОВ»

Рис.23. Окно просмсяра стандартного шда

протокола

Рис.24. Окно просмотра прогокига в вцлр графиков

распределения скольжения и

Рис. 25. Окно просмотра протокола на карте

появляются графики распределения значений коэффициента сцепления, скольжения и линейной скорости АЭМК вдоль измеряемого участка (см. рис. 24);

3. Протокол на карте аэродрома. При нажатии в основном окне на кнопку «ПОКАЗАТЬ ПРОТОКОЛ НА КАРТЕ» появляется карта аэропорта с указанием места проведения измерений (см. рис. 25). На карте ставится метка начала измерений - белая буква «Н» в черном круге;

4. Протокол в числовом виде. При нажатии в основном окне на кнопку «ПОКАЗАТЬ ПРОТОКОЛ В ЧИСЛОВОМ ВИДЕ» появляются таблицы числовых значений коэффициента сцепления, линейной скорости АЭМК вдоль измеряемого участка (см. рис. 26). Разработанный компьютерный ПУИ является универсальным прибором обслуживания любой модели АЭМК для измерения КС и может выступать в качетсве

самостоятельного рыночного продукта.

В этой главе также разработана информационно-управляющая система испытательного стенда, реализованная на базе панельного промышленного компьютера и промышленного контроллера, на котором реализованы функции сбора и обработки информации, а также алгоритмы адаптивного управления. Аппаратный уровень реализации составляет блоки силовой электроники, усилители, датчики и другое оборудование, помещенное в стойку с электрошкафом и ПУИ (см. рис.9). Выполнено алгоритмическое, программное, схемотехническое и конструкторское обеспечение ЭШУ и ПУИ испытательного стенда.

В девятой (заключительной) главе разрабатываются технические требования и технико-экономическое обоснование мероприятий по созданию на базе ОАО «Ковровский электромеханический завод» (КЭМЗ) высокотехнологичного производства нового поколения АЭМК непрерывного измерения КС аэродромных покрытий и стендового оборудования для их испытаний.

В этой главе даются общие сведения о предприятии ОАО «КЭМЗ», организующем серийное производство, о его уникальном опыте в области создания новейших высокотехнологичных разработок продукции военного и гражданского назначения, в том числе дистанционно-управляемых мобильных робоготехнических комплексов для антитеррористических операций. Указываются потенциальные потребители разрабатываемой в диссертации продукции. Излагаются вопросы

Рис. 26. Окно просмслра протокола в числовом

маркетингового анализа и сбыта продукции, исследуются рынки сбыта. Составляется примерный производственный план создания производства по серийному выпуску мобильных комплексов, рассчитанный на 3 года и завершающийся выпуском и квалификационными испытаниями установочной серии модификаций создаваемых буксируемых и встраиваемых в автомобиль АЭМК нового поколения. Излагаются вопросы финансово-экономического обоснования реализуемости проекта по созданию высокотехнологичного производства буксируемых и встраиваемых в автомобиль АЭМК на основе анализа финансового состояния ОАО «КЭМЗ», анализа рисков субсидирования проекта и обоснования методом NPV окупаемости и эффективности проекта, обсуждаются вопросы социально-экономического эффекта проекта. В Приложении 5 приведены разработанные в диссертации исчерпывающие технические требования к создаваемой серийной продукции, согласованные с 62-мя ГОСТами РФ.

Заключение. В диссертационной работе осуществлена заявленная цель и решены все задачи, перечисленные в разделе «Общая характеристика работы».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации, входящие в Перечень ВАК РФ:

1. Шепудыю В.Н, Пугпв ВВ. Адапгавные системы управления нелинейными механическими объектами с Mi югарезо! и отыми упругими деформш щями.// Mexaripoi вша, №3,2001. -С. 11-19. 2 Шелудько В.Н., Путов В. В., Низовой A.B., Путов A.B. Автоматизированная мобильная электромеханическая установка нового поколения доя измерения фрикционных свойств кзлето-посадочной полосы'/ Авиакосмическое ириборостроа тие № 5.-2004,- С. 27-37

3. Шелудько В.Н., Путов В.В., Козлов Ю.К. Прямые и непрямые адаптивные системы с сигнальной настройкой, построенные на основе метода мажорирующих функций//Известия государственного электротехнического университета. Серия «Автоматизация и управление».- №1.-2005.- с.3-9

4. Шелудько В. Н., Лебедев В. В., Путов В.В., Казаков В.П., Зунг Ч.А. Семейство адаптивных систем управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом с неопределенными параметрами и неполными измерениями// Известия государственного электротехнического университета. Серия «Автоматизация и управление». №1.-2006.- С. 3-9

5. Шелудько В. Н., Путов A.B., Друян Е.В. Система автоматического управления электромеханическим каскадом торможения буксируемого колеса в задачах исследования аэродромных и автодорожных покрытий// Известия государственного электротехнического университета. Серия «Авгомапоация и управление». №1.-2006.-С.38-43

6. Шелудько В.Н., Путов В.В., Хильченко В.Е., Путов A.B. Мобильная электромеханическая установка нового поколения для оперативного контроля аэродромных покрытий// Мехатроника, автоматизация и управление № 10.-2007-С.25-30

7. Шелудько В.Н, Путов В. В., Лебедев В.В, Зунг Ч.А, Казаков В.Н, Путов А.В, Друян Е.В. Семейство аналитических и интеллектуальных адаптивных систем управления нелинейными упругими электромеханическими объектами// Мехатроника, автоматизация и управление № 10.-2007.- С. 16-25

8. Шелудько В. Н., Путов В. В., Друян Е.В., Путов A.B. Испытательный стенд для нового поколения буксируемых электромеханических установок аэродромного обслуживания// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- № 4.-2010.- С. 22-28

9. Шелудько В.Н., Путов В.В., Путов A.B., Русяева Т.Л. Автоматически управляемая буксируемая электромеханическая установка доя измерения коэффициента сцегшишя аэродромных и автодорожных покрытий ИСК-1// Известия СПбГЭТУ < ЛЭТИ».- № 9.-2010,- С. 67-74

10. Шелудько В.Н., Путов В.В., Путов A.B., Сколяров Я.Н. Автоматически управляемые электромеханические устройства торможения транспортных колес// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- № 8.-2010,- С. 61-68

11. Шелудько В.Н., Путов В.В., Чьен Н.К., Белградская Е.В. Непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления линейными объектами// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- № 7.-2011,- С. 71-81

12. Шелудько В.Н., Путов В.В., Путов A.B., Друян Е.В. Адаптивная система управления торможением электромеханических движителей транспортных колес с пневматическими шинами// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- № 9.-2011.- С. 73-81

13. Шелудько В.Н., Путов В.В.,. Герман-Галкин С.Г., Чьен Н.К, Сравнительное исследование прямойине!ршойадщтшнька1стемупрашенияаашхрашымэлектроприводом с нелинейными упрупши®ойсгаами//ИзвесшяСПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. - Вып.5. - С.82-87.

14. Шелудько В.Н., Путов В.В., Друян Е.В., Путов A.B. Вопросы управления электромеханическим испытательным комплексом с барабанным имитатором движения для электромеханических движителей колес транспорта // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- № 4.-2012,- С. 44-59

15. Шелудько В.Н., Путов В.В., Чьен Н. К. Сравнительное исследование непрямых и прямых адаптивных систем с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2012-Вып2.-С5&66

16. В.Н. Шелудько Создание нового поколения автоматизированных комплексов контроля и испытаний для обеспечения безопасности посадки воздушных судов// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- № 3.-2013,- С. 58-73

Патенты и свидетельства регистрации программы ЭВМ:

17. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, Е.В. Друян Программа управления испытательным стендом для измерительных мобильных установок аэродромного обслуживания // //№ 2010615788. Заявка № 2010614032 от 07.07.2010. зарегилрировано в Реестре программ доя ЭВМ 07.092010

18. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.Н. Шелудько,

A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян Программа распознавания геометрических фигур на основе нейронной сети. //№ 2011613278. Заявка № 2011611559 от 10.03.2011. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.04.2011

19. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.Н. Шелудько,

B.В. Путов, ВЛ Казаков, ЕВ. Друян Программа контроллера электромеханического измерпеля кгоффициезпасцешишя аэродромных и автодорожных 1юкрьпий//№ 2011613150. Заявка№ 2011611369 ог 02.03.2011. зарегистрировано в Peecipe программ для ЭВМ 21.04.2011

20. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян, Т.Л. Русяева, А.Н. Щербаков Программа контроллера системы термостатирования тензометрического датчика усилия буксируемого измерителя коэффициента сцепления. //№ 2011616448. Заявка № 2011614641 от 23.06.2011. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.08.2011

21. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян, А.Н. Щербаков Программа термостатирования тензометрического датчика усилия динамометрического барабанного стенда для испытаний измерителей коэффициента сцепления //№ 20116165351. Заявка № 2011613452 от 13.05.2011. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.07.2011

22. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, В.П. Казаков, Е.В. Друян, Программа для промышленного компьютера к «Мини ИКС» //№ 2012617099. Заявка № 2012615050 от 19.06.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.08.212

23. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, В.П. Казаков, Е.В. Друян, Программа для микроконтроллера к «Мини ИКС» № 2012617096. Заявка № 2012615047 от 19.06.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.08.212

24. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, Путов A.B., В.П. Казаков, Е.В. Друян, Программа для калибровки и проверки платы тензодатчика измерителя коэффициента сцепления// № 2012617098. Заявка № 2012615049 от 19.06.2012. з^зегисфтфовано в Реестре гцхярамм для ЭВМ 08.08212

25. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов Устройство измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями// Патент на полезную модель. № 118753 от 27.07.2012

26. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян, К.В. Игнатьев Программа для построения графиков аналоговых сигналов «Цифровой осциллограф». // № 2012660694. Заявка №2012618407 от 04.10.2012. з^тегистрировш ю r Реестре программ для ЭВМ 28.11.2012

27. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян Набор библиотек для выполнения лабораторных работ на микроконтроллере Atmqji 128// № 2013610851. Заявка per. 2012619751 от 12.11.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013

28. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян Программа для управления шлагбаумом.// № 2013610848 Заявка per. 2012619754 от 12.11.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013

29. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян, Игнатьев К.В. Программа управления двухмассовым упругим стендом № 2012660851. Заявка № 2012618912 от 22.10.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29.11.212

30. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.В. Лебедев Система управления электромеханическим устройством торможения транспортных колес//заявка на полезную модель. 08.10.2012

31. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. В.В. Путов, В.Н. Шелудько, A.B. Путов, В.П. Казаков, Е.В. Друян, Игнатьев К.В. Программа управления автономным асинхронным генератором // № 2012617097. Заявка № 2012615048 от 19.06.2012. зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 08.08.212 Монография и учебные пособия:

32. В.В. Путов, В.Н. Шелудько Адаптивные и модальные системы управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами. СПб.: ООО «Техномедиа» / изд-во «Элмор», 2007. 244 с.

33. Шелудько В.Н., Путов В.В. Системы управления многостепенными механическими объектами с упругими деформациями: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во CI 1Ь1 ЭТУ «ЛЭТИ»,2009.166с

34. Путов В.В, Путов А. В, Шелудько В.Н. Автоматизированные мобильные электромеханические комплексы для аэродромных и автодорожных измерений. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 116 с.

Другие статьи и доклады на конференциях (36 публикаций) приведены в библиографии к диссертации.

Подписано в печать 06.05.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 2,0. 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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)»

СОЗДАНИЕ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

КОМПЛЕКСОВ КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОСАДКИ ВОЗДУШНОГО

ТРАНСПОРТА

Специальность

05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

Шелудько Виктор Николаевич

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д. т. н., профессор Путов В. В.

Пермь 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 13

1 Исследование мировых тенденций развития 32

международных требований в области обеспечения безопасности посадки воздушных судов

1.1 Исторический экскурс. Актуальность проблемы торможения колес 32 и измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий

1.1.1 Предварительные замечания 32

1.1.2 Метод Колерада торможения «юзом» (Kollerud method) 36

1.1.3 Tapley-method (Метод деселерометра) 37

1.1.4 Метод непрерывного торможения (Skiddometer method) 39

1.1.5 Постановка проблемы адекватности результатов измерений 43

1.2 Международные требования к системам контроля при 44 торможении с антиблокировкой

1.2.1 Международные требования к фрикционным свойствам 44 поверхностей аэродромных покрытий

1.2.2 Международные требования к системам контроля с непрерывным 46 торможением (с антиблокировкой)

1.3 Коррелируемость показаний систем контроля в национальной и 51 мировой практике

1.3.1 Постановка проблемы коррелируемости средств измерений с 51 торможением с антиблокировкой

1.3.2 Калибровочные и корреляционные испытания 53

1.3.3 Методика корреляционных испытаний, проводимых NASA (США) 56

1.3.4 Построение корреляционной функции 60

1.4 Обзор некоторых важных положений и проблем, связанных с 62 безопасностью торможения воздушных транспортных средств

1.4.1 Проблема корреляции результатов измерений при торможении с 63 антиблокировкой

1.4.2 Проблема адекватности измерений в условиях загрязнений 67

резиновыми отложениями

1.4.3 Проблема адекватности измерений увлажненной поверхности 67

1.4.4 Проблема аквапланирования 69

1.4.5 Постановка проблемы измерения с управляемым торможением 70

1.5 Главные направления развития 2 методов и техники систем 71

0/

торможения при измерении фрикционных свойств покрытий

1.6 Формирование современного синтетического облика систем 75 торможения дискретного и непрерывного действия с измерением фрикционных свойств покрытий

1.7 Выводы по первой главе 80 2 Разработка и сравнительный анализ семейства 85

управляемых электромеханических устройств

торможения измерительных (транспортных) колес на основе электрических машин постоянного и переменного тока

2.1 Анализ тормозных режимов колес воздушного судна на 86 различных стадиях его торможения при посадке

2.2 Общий способ построения управляемых электромеханических 94 устройств торможения

2.3 Автоматически управляемое электромеханическое устройство 100 торможения, выполненное на основе двух электрических машин постоянного тока, включенных по схеме электромеханического каскада взаимной нагрузки

2.4 Базовая система автоматического управления 106 электромеханическим устройством торможения, выполненным на основе двухмашинного электромеханического каскада взаимной нагрузки (ЭМУТ-1)

2.5 Автоматически управляемое электромеханическое устройство 111 торможения, выполненное на основе машины постоянного тока с независимым возбуждением, включенной по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения (ЭМУТ-2)

2.6 Автоматически управляемое электромеханическое устройство 117 торможения, выполненное на основе синхронного генератора с постоянными магнитами, включенного по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения (ЭМУТ-3)

2.7 Автоматически управляемое электромеханическое устройство 122 торможения, выполненное на основе вентильной синхронной машины с постоянными магнитами и машины постоянного тока с независимым возбуждением, включенных по схеме каскада взаимной нагрузки (ЭМУТ-4)

2.8 Автоматически управляемое электромеханическое устройство 127 торможения, выполненное на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, включенного по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения (ЭМУТ-5)

2.9 Выводы по второй главе 139

3 Создание нового поколения автоматизированных 141 электромеханических комплексов непрерывного измерения фрикционных свойств аэродромных покрытий и стендового оборудования для их испытаний

3.1 Мобильные установки непрерывного измерения коэффициента 142 сцепления с регулируемым торможением измерительных колес

3.2 Создание электромеханической буксируемой установки для 147 непрерывного измерения коэффициента сцепления покрытий с автоматически управляемым устройством торможения измерительного колеса

3.2.1 Предварительные замечания 147

3.2.2 Описание первого образца электромеханической буксируемой 149 установки нового поколения АТТ-3

3.3 Разработка второй модели АТТ-ЗМ электромеханической 151 установки непрерывного измерения коэффициента сцепления на базе двухмашинного каскада торможения

3.4 Назначение и технические характеристики установки измерения 155 коэффициента сцепления ИКС-1

3.5 Механическая конструкция шасси мобильной 157 электромеханической установки измерения коэффициента сцепления ИКС-1

3.6 Разработка автоматизированного стенда для полунатурных 167 испытаний буксируемых установок измерения коэффициента сцепления

3.7 Выводы по третьей главе 178

4 Разработка математических моделей динамики 180 электромеханических устройств торможения измерительных (транспортных) колес и динамических процессов их стендовых испытаний

4.1. Математическая модель и базовая система подчиненного 180

управления ЭМУТ-1

4.2. Математическая модель и базовая система подчиненного 188 управления ЭМУТ-2

4.3. Математическая модель и система подчиненного управления для 191 электромеханического устройства торможения, выполненного на основе синхронного генератора с постоянными магнитами, включенного по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения (ЭМУТ-3)

4.4 Математическая модель и система подчиненного управления для 195 электромеханического устройства торможения, выполненного на основе вентильной синхронной машины с постоянными магнитами и машины постоянного тока с независимым возбуждением, включенных по схеме силового каскада взаимной нагрузки (вариант ЭМУТ-4)

4.5 Математическая модель и система подчиненного управления для 196 электромеханического устройства торможения, выполненного на основе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, включенным по схеме управляемого динамического (реостатного) торможения (ЭМУТ-5)

4.6. Построение нелинейной упругой математической модели 197 процессов электромеханического торможения измерительного (транспортного) колеса

4.6.1. Модель упругих свойств пневматика транспортного колеса с 197 учетом сухого, полусухого и жидкостного трения. Сухое, полусухое и жидкостное трение

4.6.2 Математическая модель зависимости трения от скольжения 200 транспортного колеса без учета упругих свойств пневматика

4.6.3 Математическая модель трения измерительного колеса, не 201 учитывающая деформацию пневматика

4.6.4 Математическая модель зависимости трения от скольжения 204 транспортного колеса, учитывающая упругие свойства пневматической шины

4.6.5 Постановка задачи непрерывного измерения коэффициента 208 трения с одновременной минимизацией тормозного пути колеса катящегося вдоль поверхности и непрерывного измерения коэффициента трения скольжения колеса

4.6.6 Математическая модель динамики транспортного колеса, 209 учитывающая нелинейные упругие свойства трансмиссии и пневматической шины

4.6.7 Уравнения движения измерительного (транспортного) колеса с 211 учетом нелинейных упругих свойств трансмиссии и пневматика

4.7 Разработка математической модели электромеханического 214 испытательного комплекса «стенд - испытуемая установка». Предварительные замечания

4.8 Математическая модель динамики электромеханического 219 испытательного комплекса «стенд-испытуемая установка»

4.9 Постановка задач управления динамикой испытательного 225 электромеханического комплекса и обсуждение путей их решения

5

4.10 Выводы по четвертой главе 228

5 Разработка теоретических и методологических основ 230

построения адаптивных систем управления динамикой электромеханических устройств торможения колес и динамическими процессами их стендовых испытаний как классом нелинейных динамических объектов

5.1 Математические модели многомассовых нелинейных упругих 231 механических объектов. Управляемость и наблюдаемость. Постановка задач управления упругими колебаниями

5.1.1. Математические модели многомассовых нелинейных упругих 231 механических объектов. Две формы моделей

5.1.2 Векторно-матричная запись уравнений скоростной формы 237 описания многомассового упругого механического объекта

5.1.3. Математическая модель многомассового упругого 238 механического объекта с учетом зазоров в упругих связях

5.1.4. Постановка задач управления упругими механическими объектами 240

5.1.5. Важное замечание об обоснованности применения стационарных 242 наблюдателей в реализации адаптивных систем управления не полностью измеримыми упругими объектами

5.2 Прямая адаптивная система управления с эталонной моделью и 244 параметрической настройкой с мажорирующими функциями для многомассовых упругих механических объектов с зазорами

5.2.1 . . Предварительные замечания 244

5.2.2. Прямая адаптивная система с параметрической настройкой, 246 мажорирующими функциями и наблюдателем для управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом

5.2.3. Возможные дальнейшие упрощения адаптивной системы с 249 параметрической настройкой и мажорирующими функциями

5.3 Прямая адаптивная система управления с сигнальной настройкой, 252 мажорирующими функциями и наблюдателем для многомассовых нелинейных упругих механических объектов

5.4 Непрямая адаптивная система управления с сигнально 253 настраиваемой моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для многомассовых нелинейных упругих механических объектов

5.5 Непрямая адаптивная система с параметрически настраиваемой 57 моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для многомассовых нелинейных упругих механических объектов

5.6 Комбинированная адаптивная система с эталонной и сигнально 259

настраиваемой моделями, стационарным наблюдателем и составным модальным, прямым параметрически настраиваемым и непрямым сигнальным управлением для многомассового нелинейного упругого механического объекта

5.6.1 Предварительные замечания. Достоинства и недостатки 259 построенных прямой и непрямой адаптивных систем

5.6.2 Комбинированная адаптивная система с прямым параметрически 262 настраиваемым управлением и сигнально-настраиваемой моделью

с мажорируюшимифункциями и наблюдателем для

многомассовогонелинейного упругого объекта 5.7 Выводы пятой плаве 267

6 Разработка адаптивных систем автоматического 269 управления электромеханическими устройствами торможения измерительных (транспортных) колес и процессами их стендовых испытаний, обеспечивающих требуемую динамическую точность имитации реальных режимов торможения колес авиашасси воздушных судов

6.1 Построение адаптивной системы управления электромеханическим 271

торможением измерительного (транспортного) колеса, реализованным на базе ЭМУТ-1 и ЭМУТ-4

6.1.1 Прямая (локальная) адаптивная система управления торможением с 273

ЭМУТ-1 (ЭМУТ-4)

6.1.2 Непрямая (локальная) адаптивная система управления 277

торможением с ЭМУТ-1 (ЭМУТ-4)

6.1.3 Комбинированная (локальная) адаптивная система управления 278

торможением с ЭМУТ-1 (ЭМУТ-4)

6.2 Построение адаптивных систем управления электромеханическим 279

торможением измерительного (транспортного) колеса, реализованным на базеЭМУТ-2

6.2.1 Прямая (локальная) адаптивная система управления торможением 281 с ЭМУТ-2

6.2.2 Непрямая (локальная) адаптивная система управления 283 торможением с ЭМУТ-2

6.2.3 Комбинированная (локальная) адаптивная система управления 284 торможением с ЭМУТ-2

6.3 Построение адаптивных систем управления электромеханическим 284 торможением измерительного (транспортного) колеса, реализованным на базе ЭМУТ-3 и ЭМУТ-5

6.3.1 Прямая (локальная адаптивная система управления торможением 285

с ЭМУТ-3 (ЭМУТ-5)

6.3.2 Непрямая (локальная) адаптивная система управления 288 торможением с ЭМУТ-3 (ЭМУТ-5)

6.3.3 Комбинированная (локальная) адаптивная система управления 288 торможением с ЭМУТ-3 (ЭМУТ-5)

6.4 Расчет прямой (локальной) адаптивной системы управления 289 электромеханическим торможением измерительного (транспортного) колеса с пневматической шиной

6.4.1 Математическая модель электромеханического торможения колеса 289 с упругим пневматиком

6.4.2 Линейное (модальное) управление электромеханическим 293 устройством торможения колеса с упругим пневматиком

6.4.3 Идентификатор состояния (наблюдатель) электромеханического 295 устройства торможения колеса с упругим пневматиком

6.4.4 Эталонная модель электромеханического устройства торможения 297 колеса с упругим пневматиком

6.4.5 Прямое адаптивное управление с параметрической настройкой 297 электромеханическим устройством торможения колеса с упругим пневматиком

6.5 Моделирование основных режимов работы систем управления 299 электромеханическим устройством торможения колеса в среде Ма1:1аЬ

6.5.1 Исследование характеристик системы подчиненного управления 301 ' электромеханическим устройством торможения колеса с

«жестким» и упругим пневматиком

6.5.2 Исследование характеристик системы модального управления 307 электромеханическим устройством торможения колес с «упругим» пневматиком

6.5.3 Исследование характеристик системы адаптивного управления 312 электромеханическим устройством торможения колеса с упругим пневматиком и изменяющимися параметрами

6.6 Построение прямых локальных и взаимосвязанных адаптивных 318 систем автоматического управления движением электромеханического испытательного комплекса «стенд испытуемая установка»

6.6.1 Построение первого варианта взаимосвязанной адаптивной 318 системы управления движением электромеханического испытательного комплекса

6.6.2 Построение второго варианта прямой адаптивной системы 324 управления испытательным комплексом, состоящей из двух

8

адаптивных (локальных) подсистем

6.7 Расчет подчиненной, модальной и прямой (локальной) адаптивной 328 систем управления скоростью барабанного имитатора движения поверхности покрытия

6.7.1 Исходные данные двухмассового упругого электромеханического 328 объекта

6.7.2 Расчет двухконтурной системы подчиненного управления 328 скоростью барабана с жесткой связью и эталонной моделью

6.7.3 Расчет модальной системы управления скоростью барабана с 329 учетом упругости

6.7.4 Расчет адаптивного управления скоростью барабанного имитатора 332 с учетом упругости

6.8. Исследование моделированием локальных адаптивных систем 334 управления испытательным комплексом

6.9 Выводы по шестой главе. Сравнительный анализ прямых, 337 непрямых и комбинированных адаптивных систем управления

7 Разработка на базе создаваемого испытательного 340 оборудования методики полунатурных лабораторных испытаний мобильных комплексов и калибровки их измерительных систем

7.1 Методика стендовых сертификационных испытаний 342 электромеханических измерителей коэффициента сцепления непрерывного действия нового поколения в лабораторных условиях

7.1.1 Подготовка к стендовым испытаниям 343

7.1.2 Программа испытаний 344

7.1.3 Испытания 347

7.1.4 Методика испытаний установки с электромеханическим 347 устройством торможения

7.2 Методика метрологического обслуживания (калибровки) 366 мобильного электромеханического комплекса. Программное и аппаратное обеспечение калибровки

7.2.1 Разработка стенда для калибровки мобильного 367 электромеханического комплекса

7.2.2 Механическая конструкция платформы стенда 368

7.2.3 Механическая конструкция весов стенда 372

7.3 Методические указания по калибровке мобильного комплекса. 373 Программное обеспечение методики калибровки

7.3.1 Общие требования к проведению калибровки мобильного 373 комплекса для измерения коэффициента сцепления покрытий

7.3.2 Подготовка к проведению калибровки комплекса 375

7.3.3 Проведение калибровки мобильного комплекса. Алгоритмическое 380 и программное обеспечение калибровки

7.3.4 Измерение текущего радиуса измерительного колеса 383

7.3.5 Определение погрешности измерения коэффициента сцепления 384

7.3.6 Оформление результатов калибровки 385

7.3.7 Завершение калибровки мобильного комплекса 386

7.4 Вывод�