книги из ГПНТБ / Костин С.В. Рулевые приводы

дит под действием незначительных по величине управля­ ющих перепадов давлений. Однако следует отметить, что конструктивное выполнение и компоновка электрогидравлического усилителя с обратной связью в некоторых слу­ чаях отличается определенной сложностью.

Этот класс усилителей применяется в быстродейству­ ющих рулевых 'приводах контура стабилизации беспи­ лотных летательных аппаратах и резервированных мно­ гоканальных гидравлических системах управления.

Основное допущение, которое следует сделать при вы­ воде линеаризованного уравнения рассматриваемого уси­ лителя, это то, что силы сопротивления и масса распре­ делительного золотника малы и ими можно пренебречь.

Тогда движение электрогидравлического усилителя (см. рис. 1.26) описывается системой линеаризованных уравнении:

уравнение движения астатического гидроусилителя

где RT— гидродинамическая реакция на якорь электро­ механического преобразователя.

В частном случае, для гидроусилителя сопло-заслон­ ка (см. рис. 1.26) при рз—Р4= 0

*о.с=1-

Решая систему уравнении (1.105) совместно Мпреоб­ разуя их по Лапласу при Нулевых начальных условиях, получим передаточную функцию электрогид-равлическОго

7Ö

усилителя с жесткой обратной связью в виде апериоди­ ческого звена [4]

1О.С

Т э г у — постоянная времени электрогидравлнческо-

Try — постоянная времени гидроусилителя с жест­ кой обратной связью, причем

к°эгу=----------— коэффициент передачиСэМП^о.с

Для широкого класса электромеханических преобра­ зователей

Сравнивая постоянные времени (1.109) и (1.95), рассчи­ танные для одинаковых условий, можно доказать, что постоянная времени электрогидравлического усилителя с обратной связью значительно меньше постоянной.време­ ни электрогидравлического усилителя статического типа.

Это говорит о больших динамических преимуществах электрогидравлического усилителя с обратной связью, которые существенно проявляются при управлении рас­ пределительными золотниками больших диаметров (d3> >0,8 см).

Формула (1.109) показывает, что для уменьшения постоянной времени нужно увеличивать коэффициент kQh, т. е. увеличивать расход жидкости, поступающей в

71

камеры управления распределительного золотника, на единицу перемещения якоря электромеханического преобразователя.

1.10. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПОЗИЦИОННОЙ (УПРУГОЙ) ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Электрогидравлический усилитель со свободноплаваю­ щим золотником, имеющий упругую (пружинную) об­ ратную связь на заслонках (см. рис. 1.27), отличается простотой конструкции и повышенной надежностью.

Рис. 1.28. С тр уктур н а я схема электрогидравлического усилителя с механической позиционной обратной связью

Учитывая допущения и обозначения, принятые в уравнении (1.105), запишем систему линеаризованных уравнений движения электрогидравлического усилителя

d (Ах) kQh

dt ~ А3 ДА;

(1.110)

kFi Д/ = СэмпД/г + с0,с (Д/г + Д*) + А2ЛсД/г,

где с0.с■—коэффициент жесткости пружины обратной связи, приведенный к оси сопел (см. рис. 1,27, б), который определяется по формуле

Структурная динамическая схема (рис. 1.28), состав­ ленная на основании преобразованных по Лапласу урав­ нений (1.110), показывает, что сигналом рассогласования в электрогидравлическом усилителе с пружинной обрат­ ной связью является результирующий крутящий момент (или усилие Fx) на якоре электромеханического преоб­

72

разователя, который дополнительно в этом случае выпол­ няет функции измерителя рассогласования.

Анализ структурной схемы как следящей системы с отрицательной обратной связью, в которой введено обоз­ начение передаточной функции астатического гидроуси­ лителя

W-ГУ: KQh

позволяет записать передаточную функцию электрогидравлического усилителя в виде апериодического звена

Быстродействие электрогидравлического усилителя определяется величиной постоянной времени (1.113), ко­ торая тем меньше, чем больше жесткость пружины об­ ратной связи. Из формулы (1.112) следует, что для уве­ личения со.о при выбранном значении Хтах, нужно уве­ личивать тяговое усилие, а следовательно, мощность электромеханического преобразователя.

1.11. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ СИНТЕЗА ДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО СЛЕДЯЩЕГО РУЛЕВОГО ГИДРОПРИВОДА

Следящий рулевой гидропривод с электрическим управлением (см. рис. 1.2, рис. 1.5 и рис. 1.6) применяет­ ся на летательных аппаратах различного класса.

Основным требованием к такому приводу является сочетание предельной простоты конструкции и надеж-

73

кости работы с высокими динамическими и энергетиче­ скими характеристиками.

Требование простоты конструкции, надежности и ма­ лых сдвигов по фазе в широком диапазоне частот ис­ ключает применение сложных фильтров и гибких обрат­ ных связей с машинными преобразователями энергии для коррекции динамических свойств следящего при­ вода.

Динамическая структура рулевого гидравлического привода должна формироваться исключительно с исполь­ зованием гидравлических и транзисторных элементов, обладающих высокими динамическими свойствами, но без введения сложных корректирующих устройств.

Рис. 1.29. Структурная схема следящего гидропривода с электріг ческнм управлением

Однако это не исключает применения локальных кор­ ректирующих и обратных связей с целью улучшения динамических характеристик отдельных элементов следя­ щего привода. Например, применение обратной гидроме­ ханической связи по динамическому давлению для уве­ личения демпфирования гидропривода, а также введение обратных связей по току и напряжению в транзисторном усилителе с целью уменьшения постоянной времени элек­ трической цепи в случае необходимости следует считать не только рациональным, но и неизбежным.

Динамические свойства линейной модели следящего гидропривода с электрическим управлением (см. рис. 1.2 и 1.6), имеющего динамическую структуру, показанную на рис. 1.29, определяются передаточной функцией ра­ зомкнутого контура [4]

74

гидропривода, определяемые по фор­

Kü^kyksi-ykvxk0,c— коэффициент добротности следяще­ го гидропривода с электрическим уп­ равлением.

Устойчивость и быстродействие следящего привода

Тэгу

трогидравлического усилителя;

1 соу = —— — сопрягаемая частота апериодического звена

Ту

транзисторного усилителя сигнала ошибки. Частота среза устойчивого следящего гидропривода без коррекции зависит в основном от коэффициента доб­

ротности:

соср = KD.

С увеличением добротности и частоты среза (в допус­ тимых пределах изменения запасов устойчивости) поло­ са пропускания увеличивается, а сдвиг по фазе на конт­ рольной частоте уменьшается.

Для приводов самолетов и вертолетов, как показывает статистика, значение добротности рулевых приводов со­ ставляет 10—40 1/с, а для приводов других классов ле­ тательных аппаратов — 50—500 1/с.

При высоких добротностях (KD= 200—500 1/с) синтез динамической структуры следящего привода с допусти­ мыми запасами устойчивости требует прежде всего син­ теза электронных и гидравлических элементов с исклю­ чительно высокими динамическими свойствами. Напри­

75

мер, быстродействующие следяіцие гидроприводы должны формироваться на основе элементов, имеющих сопрягаемые частоты, значительно большие частоты сре­ за. Постоянные времени этих элементов не должны пре­ вышать (1—2) 10_3 с. Такие высокие динамические ха­ рактеристики должны иметь такие элементы следящего гидропривода, как транзисторный усилитель сигнала ошибки, электромеханический преобразователь, гидро­ усилитель, а также электрогидравлический усилитель.

Исполнительный гидропривод рулевых систем лета­ тельных аппаратов с небольшой массой 'нагрузки имеет постоянную времени колебательного звена, как правило, достаточно малую (Гк^ 2 -1 0 _3 с).

Таким образом, устойчивость и быстродействие ли­ нейной модели следящего гидропривода без коррекции динамических свойств полностью определяются соотно­ шением сопрягаемых частот элементов с частотой среза привода, которая в основном зависит от коэффициента добротности. В свою очередь, частота среза рулевого привода и, следовательно, его добротность определяются расчетными значениями частоты собственных колебаний летательного аппарата в режиме стабилизации. Чем больше частота собственных колебаний летателы-юго ап­ парата, тем больше должна быть частота среза и поло­ са пропускания рулевого привода.

Следует заметить, что частота собственных колеба­ ний увеличивается с уменьшением момента инерции ле­ тательного аппарата и увеличением скорости полета (числа М ).

Синтез быстродействующего следящего гидроприво­ да с электрическим управлением основан на решении ря­ да сложных технических задач.

Прежде всего синтез динамических параметров дол­ жен осуществляться в комплексе с синтезом оптимальных энергетических характеристик, при этом конструкция должна быть простой и должна обеспечивать высокую надежность системы управления.

Иначе говоря, задачи динамики, энергетики и надеж­ ности должны решаться одновременно путем синтеза оп­ тимальных структур гидравлических, электронных и электромеханических быстродействующих элементов без введения сложных корректирующих устройств.'

В целом синтез динамических характеристик следя­ щего гидропривода с электрическим управлением заклю­

76

чается в согласовании сопрягаемых частот динамических элементов с требуемой частотой среза и выборе с этой целью оптимальной схемы и динамической структуры электрогндравлических устройств управления.

Для того чтобы обеспечить в следящем гидроприводе без коррекции с небольшой массой нагрузки, .когда сок^= ^ (2—3)соср, два противоречивых требования — высокое быстродействие и допустимые запасы устойчивости — не­ обходимо выполнить следующие условия сопряжения частот:

1 (0гу--- —— — сопрягаемая частота гидроуеили-

I Г У

теля;

1

“эмп— —------—сопрягаемая частота электроме- і эмп

ханического преобразователя. Наиболее сложной проблемой метода согласования

сопрягаемых частот является выбор рациональной схе­ мы, обоснование динамической структуры, разработка оптимальной конструкции и совершенной технологии из­ готовления электронных и гидравлических усилителей и исполнительных устройств. Следует отметить, что этот метод синтеза основан на использовании высоких дина­ мических возможностей гидродвигателей и электрогидравлических усилителей.

Проведя теоретический анализ динамики электрогидравлических усилителей (1.7, 1.9) и обеспечивая условие синтеза (1.115), можно выбрать или разработать опти-

77

мальную схему быстродействующего ЭГУ с обратной связью.

Теоретические ооновы исполнительных гидроприво­ дов (см. 1.3) позволяют оценить динамику и рассчитать постоянные времени, сопрягаемую частоту и коэффици­ енты демпфирования рассматриваемых гидроприводов.

1.12. РАСЧЕТ РУЛЕВОГО ГИДРОПРИВОДА АВТОПИЛОТА

Рулевой гидропривод автопилота относится к классу следящих (автоматизированных) гидроприводов с элек­ трическим управлением, включающих в себя рулевую машину, электронный или транзисторный усилитель сиг­ нала ошибки и датчик обратной связи (см. рис. 1.2).

Рулевой гидропривод должен сочетать в себе такие важные качества как высокое быстродействие и боль­ шую мощность, необходимую для приведения в движе­ ние рулей, нагруженных шарнирным моментом; стабиль­ ность характеристик при изменении температуры и на­ дежность; высокие энергетические характеристики и малую массу; простоту конструкции и удобство эксплуа­ тации и хранения.

Основной задачей расчета рулевого гидропривода следует считать поиск рациональной функциональной и структурной схемы и определение конструктивных и ди­ намических параметров, удовлетворяющих требованиям быстродействия, устойчивости и энергетики.

Расчет рулевого гидропривода можно разделить «а следующие этапы.

П е р в ы й этап. Обоснование технических требова­ ний к рулевому приводу с учетом особенностей его рабо­ ты в контуре стабилизации рассматриваемого класса ле­ тательного аппарата.

В т о р о й этап. Выбор и обоснование структуры следящего гидропривода, исходя из требований к дина­ мическим и энергетическим характеристикам.

Построение частотных характеристик разомкнутого кон­ тура привода.

Ч е т в е р т ы й этап . Расчет элементов и определе­ ние обобщенных динамических и энергетических харак­ теристик следящего привода.

78

П я т ы й этап. Исследование устойчивости и вы­ нужденных колебаний рулевого гидропривода с учетом нелинейных характеристик насыщения по расходу и дав­ лению, а также трения в гидродвигателе.

Обоснование технических требований к рулевому приводу

Обоснование технических требований представляет собой сложную задачу, которая решается на стыке та­ ких научно-технических направлений как теория систе­ мы управления и аэродинамическая компоновка, кон­ струкция летательного аппарата и теория рулевого при­ вода.

Для расчета рулевого привода необходимы следую­ щие данные:

7 9