книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

Рис. 1. Структурная схема микросхемы К1382НХ045 с подключенными внешними мостовыми чувствительными

элементами

сигналов в код положения используется алгоритм CORDIC. Микросхема обеспечивает выдачу данных о положении по интерфейсам SPI/SSI и аналоговому линейному интерфейсу.

На основе микросхемы К1382НХ045 возможно создание датчиков как линейного, так и углового положения, чтоопределяетсяконфигурациейсенсорнойсистемы.

Перспективным является применение микросхемы К1382НХ045 совместно с чувствительными элементами на основе туннельного магниторезистивного эффекта (TMR) [3]. Датчики на основе TMR-эффекта обладают очень высокой чувствительностью, изменение сопротивления составляет порядка 100 % от номинала, обеспечивая чувствительность порядка 1 В/В. Столь высокое значение изменения выходного напряжения позволяет состыковывать сенсорный элемент напрямую с входами АЦП микросхемы К1382НХ045, без использования предварительных усилителей. Это позволит повысить точность измерения угла за счет исключения влияния напряжения смещения первичных усилителей, а также снизить ток потребления датчика. Были проведены исследования работы датчика положения, представляющего собой малогабаритный квадратурный TMR-сенсор типа TMR3002 (производство – Китай), подключенный напрямую ко входам АЦП микросхемы К1382НХ045. Измеренная ошибка преобразования составила не более 0,5° в диапазоне температур -40…+85 °С.

III. МИКРОСХЕМА ОДНОКРИСТАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ЭНКОДЕРА ПОЛОЖЕНИЯ ENC_ASIC2

При создании данной микросхемы ставилась цель разработать однокристальный магнитный осевой (OnAxis) энкодер углового положения на основе интегрированной в кристалл микросхемы сенсорной системы на чувствительных элементах на эффекте Холла, который обеспечивает минимум навесных компонентов. Структурная схема микросхемы энкодера приведена на рис. 2.

Микросхема обеспечивает преобразование магнитного поля от диаметрально намагниченного магнита в синусно-косинусный сигнал с разрешением 12 бит (5,3 угл. мин) и временем преобразования до 150 нс. Конфигурация сенсорной системы обеспечивает минимизацию угловой ошибки из-за конечной геометрии

Рис. 2. Структурная схема микросхемы ENC_ASIC2

магнита [4] и компенсацию постоянной составляющей магнитного поля. В качестве преобразователя синуснокосинусного сигнала от сенсорной системы в код положения используется следящий преобразователь уголкод второго порядка оригинальной архитектуры, обеспечивающий монотонное преобразование без пропуска импульсов. В микросхеме реализован программируемый цифровой гистерезис на обратное вращение, обеспечивающий устойчивость работы системы при механических вибрациях.

Одно из основных планируемых применений микросхемы – использование ENC_ASIC2 в качестве датчика обратной связи по положению ротора для систем управления вентильными электродвигателями. На рис. 3 показан макет использования микросхемы для управления двигателем. На валу двигателя располагается диаметрально намагниченный магнит, напротив которого устанавливается плата с ENC_ASIC2. Микросхема обеспечивает выдачу на контроллер кода абсолютного положения по интерфейсу SSI и трех сигналов UVW интерфейса со сдвигом 120 град друг относительно друга для коммутации обмоток статора (эмуляция сигналов системы на основе трех датчиков Холла). Так как сигналы UVW преобразуются непосредственно из кода положения, то контроллеру нет необходимости проводить дополнительные вычисления. Благодаря высокому разрешению преобразования обеспечивается лучшая управляемость двигателем по сравнению с системами на трех датчиках Холла. Микросхема позволяет обеспечить измерение углового положения с полным разрешением в 4096 отсчетов ротора вращающегося со скоростью не менее 60 тыс. оборотов в минуту.

Однокристальное решение позволяет создавать миниатюрные датчики положения, размер платы датчика может составлять не более 20 мм в диаметре. При использовании магнита размерами D6×3 мм и магнитном зазоре порядка 1 мм общая высота датчика без вала и подшипников будет составлять порядка 6 мм.

На рис. 4 приведены диаграммы работы микросхемы в многооборотном режиме (3 оборота) и установке электрического смещения кода углового положения на половину оборота магнита. В многооборотном режиме микросхема производит подсчет количества оборотов и формирование единого многооборотного кода положения. Количество подсчитываемых оборотов устанавливается программно. Для удобства использования

Рис. 3. Использование микросхемы ENC_ASIC2 для управления двигателем

Рис. 4. Диаграммы работы микросхемы ENC_ASIC2 для режима с тремя оборотами и смещением на половину оборота вала

микросхема формирует два сигнала опорной метки – опорная метка на один оборот (сигнал INDEX) и опорная метка многооборотного кода (сигнал INDEX_MT). При этом нулевое положение может быть сдвинуто как в пределах одного оборота, так и для всего многооборотного кода.

Также микросхема формирует сигнал компаратора положения JTYPE, порог срабатывания компаратора устанавливается программно. Компаратор позволяет обеспечить дополнительное управление, например, выдачу сигнала предупреждения при выходе угла за пределы допустимого или управление дополнительными механизмами вместо концевых выключателей.

Сравнение микросхемы с ближайшими аналогами приведено в табл. 1.

Микросхема работает с малогабаритным диаметрально намагниченным магнитом возбуждения, опти-

мальный размер магнита составляет D6×4 мм для магнита из материала NdFeB.

Конструкция датчика на основе ENC_ASIC2 показана на рис. 5 (корпус датчика скрыт). Расстояние между поверхностями магнита и микросхемы составляет порядка 1,0–2,0 мм. Как показано в [7], при таком расстоянии от неодимового магнита обеспечивается индукция магнитного поля порядка 30–80 мТ, что находится в диапазоне нормальной работы сенсорной системы микросхемы энкодера. Микросхема имеет встроенную систему автоматической регулировки усиления, обеспечивающую постоянство амплитуды сигналов на выходе сенсорной системы в зависимости от изменения расстояния между магнитом и микросхемой. В случае недостаточной или избыточной индукции магнитного поля микросхема формирует соответствующие сигналы ошибки, которые могут быть считаны как с соответствующих выводов микросхемы, так и посредством интерфейса SPI/SSI.

Используемая в ENC_ASIC2 сенсорная система позволяет в определенной мере компенсировать ошибку, связанную с отклонением магнита в горизонтальной плоскости в пределах порядка ±0,1–0,2 мм от центра сенсорной системы.

Рис. 5. Фрагмент трехмерной модели датчика угла на основе ENC_ASIC2, корпус датчика скрыт

Представленная на рис. 5 конструкция была опробована в железе. Результирующая ошибка преобразования энкодера составила порядка ±0,5° при разрешении преобразования 0,09°. Ошибка преобразования может быть уменьшена оптимизацией конструкции механики, улучшением качества изготовления механических узлов и отбором магнитов.

Магнитный принцип измерения положения позволяет в показанной на рис. 5 конструкции полностью отделить плату с микросхемой энкодера и другой электроникой от вращающегося вала с магнитом тонкой перегородкой (металлической немагнитной или пластиковой). Это позволяет загерметизировать электронику при негерметичной конструкции механической части датчика.

Микросхема ENC_ASIC2 может работать также в виде синусно-косинусного датчика, встроенный преобразователь угол-код при этом отключается. Данный режим работы применяется в случае необходимости получить более высокое разрешение преобразования, чем способен обеспечить встроенный следящий преобразователь. В частности, для получения разрешения преобразования до 16 бит совместно с ENC_ASIC2 может использоваться микросхема процессора положения

ENC_ASIC3.

Ошибка преобразования сильно зависит от точности сопряжения центра сенсорной системы и оси вала магнита. Для обеспечения калибровки механического положения сенсорной системы относительно оси вала микросхема обеспечивает выдачу аналогового сигнала, пропорционального механическому рассовмещению.

IV. МИКРОСХЕМА ПРОЦЕССОРА

ПОЛОЖЕНИЯ ENC_ASIC3

Одной из главных тенденций совершенствования микросхем для датчиков положения является увеличение разрядности преобразования. Для многих задач требуется разрешение преобразования на один период сигнала в 15–16 бит. Также до сих пор актуальным является использование преобразователей типа синус- но-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ)

Рис. 6. Структурная схема микросхемы ENC_ASIC3

разования данных положения (преобразователь уголкод), канал опорного импульса и систему прямого цифрового синтеза с выходным цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Вся обработка сигнала, включая демодуляцию сигнала с СКВТ/ЛВДТ и преобразование синусно-косинусного сигнала в код положения, осуществляется в цифровом виде. Преобразование в код положения осуществляется следящей системой второго порядка оригинальной конструкции, построенной полностью в цифровом домене. Система обеспечивает преобразование угол-код с максимальным разрешением 16 бит (0,33 угл. мин) при максимальной частоте слежения 30 Гц и соответственно частоте вращения до 1800 оборотов/мин. (для режима с разрешением 13 бит максимальная частота слежения составляет 240 Гц).

Микросхема обеспечивает формирование сигнала возбуждения первичной обмотки датчиков типа СКВТ/ЛВДТ с программируемой частотой от 30 Гц до 30 кГц, оцифровку и демодуляцию сигнала с вторичных обмоток трансформатора, с дальнейшим преобразованием сигнала в код положения. Выдача сигнала положения осуществляется широким набором интерфейсов – SPI/SSI, ин-

(ЛВДТ) и, соответственно, необходимость формировать частоту возбуждения трансформатора и обрабатывать модулированный сигнал с его вторичных обмоток. Для решения данных задач была разработана микросхема процессора положения. Упрощенная структурная схема микросхемы приведена на рис. 6.

Микросхема содержит два высокоразрядных сигмадельта модулятора, блок цифровой обработки и преоб-

модуляции (ШИМ), трехфазный UVW и параллельный. Микросхема позволит заместить широко используемые в настоящее время в отечественной аппаратуре специального применения микросхемы AD2S1210, AD2S82, AD2S83 и аналогичные производства Analog Devices,

США [8].

Сравнение микросхемы ENC_ASIC3 с аналогами приведено в табл. 2.

Микросхема также обеспечивает преобразование немодулированного синусно-косинусного сигнала от магнитных или оптических датчиков. Для формирования сигнала нулевой метки инкрементальных датчиков микросхема содержит канал опорного импульса.

Микросхема включает встроенные алгоритмы предварительной обработки сигнала:

–компенсацию температурного дрейфа напряжений смещения входных сигналов по встроенному датчику температуры, независимо для каждого канала;

–подстройку коэффициентов усиления каналов;

–компенсацию фазового сдвига между каналами. Коэффициенты настройки сохраняются в энергоне-

зависимой памяти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные АО «ЗНТЦ» микросхемы представляют собой современные и конкурентоспособные решения для создания датчиков положения на основе отечественной элементной базы. Благодаря высокой степени интеграции и большому количеству коммуникационных интерфейсов, данные разработки могут использоваться в широком классе применений. В частности, на основе микросхемы ENC_ASIC2 возможно создание компактных модулей датчиков положения для интеграции в вентильные двигатели, что соответствует современным тенденциям в приводной технике.

Благодарности

Разработка микросхем выполняется при финансовой поддержке Министерства образования и науки России,

код исследований RFMEFI57914X0059.

Библиографический список

1.К1382НХ045, БИС преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения (БИС датчика угла). URL: http: //www.zntc. ru/capabilities/design-center/products/1-angle-sensor.php.

2.Дюжев Н.А., Юров А.С, Стахин В.Г. Магниторезистивные сенсоры и датчики на их основе // Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур: материалы XIII науч.-практ. сем. 2013. С. 68–79.

3.Сысоева С. Магнитоуправляемые, MEMS и мультисенсорные датчики движения 2009 года– функциональнее, точнее, миниатюрнее предшественников// Компонентыитехнологии. 2009. №8. С. 54–63.

4.Ausserlechner U. A theory of magnetic angle sensors with Hall plates and without fluxguides // Progress In Electromagnetics Research B. 2013. Vol. 49. P. 77–106.

5.iC-MH, 12 bit angular Hall encoder datasheet. iC-Haus GmbH. 2008. URL: http: //www.ichaus.de/upload/pdf/Mh_b1es.pdf.

6.AM4096 – Angular magnetic encoder IC datasheet. RLS merilna tehnika, 2010.

7.Прокофьев Г.В., Стахин В.Г., Обеднин А.А. Современные отечественные специализированные микросхемы для датчиков положения // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3. С. 200–211.

8.AD2S1210 Datasheet. Analog Devices Inc., США. URL: http: //www. analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/integrated-special- purpose-converters/synchroresolver-to-digital-converters/ad2s1210.html.

9.iC-TW8 16-bit SIN/COS interpolator with auto-calibration. iC-Haus GmbH, 2014. URL: https: //www.ichaus.de/product/iC-TW8.

В докладе рассматриваются вопросы разработки метода и технических средств измерения коэффициента сцепления (КС) покрытий взлетно-посадочных полос (ВПП) в экстремальных погодных условиях и корреляции результатов измерений с характеристиками торможения приземляющихся воздушных судов. Описывается концептуальная модель буксируемого измерительного комплекса, реализующего новую технологию измерения КС ВПП, опирающуюся на принцип управляемого торможения измерительного колеса с целью имитации им в процессе измерения антиблокировочных режимов торможения, близких к реальным режимам торможения колес самолета при посадке. Построены компьютерные модели процессов измерения КС и проведена серия исследований зависимости результатов измерений коэффициента сцепления с имитацией антиблокировочных режимов торможения измерительного колеса при вариациях их формы, интенсивности и частоты циклов торможения и средних значений скольжения антиблокировочных режимов торможения. Разработана эскизная конструкторская документация, изготовлен и проходит отладку экспериментальный образец создаваемого буксируемого измерительного комплекса нового поколения и планируется проведение его полунатурных испытаний на базе испытательного стенда с управляемым барабанным имитатором «бегущей дорожки», а также и аэродромных испытаний.

The paper deals with the development of the method and means of friction coefficient measurement of runway coatings under extreme weather conditions. The correlation of measurement results with the braking characteristics of the landing aircraft is discussed. The paper also deals with the conceptual model of a towed measuring complex, implementing a new runway friction coefficient measurement technology. The

technology is based on the principle of controlled deceleration of the measuring wheel to simulate them in the process of measuring in anti-lock braking modes. Simulated modes are close to real mode of braking aircraft wheels during landing, formed by aviation automation systems. Computer models of friction coefficient measurement processes are built. Series of experiments depending the results of friction coefficient measurements with simulated anti-lock braking mode on variations of their shape, intensity and frequency of braking and the average values of the slip anti-lock braking mode cycles are carried out. Design documentation is developed, experimental model of new towing measurement system is made and passed debugging tests. It’s seminatural tests based on the test stand with controlled drum simulator "treadmill" and airfield tests are also planned.

Ключевые слова: безопасность посадки воздушных судов, автоматически управляемое электромеханическое устройство торможения, электромеханический буксируемый измерительный комплекс, коэффициент сцепления, математиеская модель процесса торможения колеса, адаптивная система управления торможением, моделирование процесса измерения коэффициента сцепления, антиблокировочные режимы торможения, корреляция результатов измерения коэффициента сцепления c тормозными характеристиками самолета.

Keywords: safety landing of aircraf, automatically controlled electro-mechanical braking device, towed measuring system, friction coefficient, the mathematical model of wheel braking process, adaptive control system of braking, simulation of friction coefficient measurement, antilock braking modes, the correlation of friction coefficient measurement results with the braking characteristics of the aircraft.

ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Обзор мирового уровня серийно выпускаемых и эксплуатируемых мобильных установок для измерения КС, а в настоящее время их насчитывается в мире более 40 моделей и их модификаций, позволяет сделать вывод, что, как правило, все существующие буксируемые или встроенные в специальный автомобиль установки для измерения коэффициента сцепления колес воздушных судов с покрытием прокатывают специальное измерительное колесо по поверхности ВПП, принудительно равномерно подтормаживая его с постоянным значением скольжения, задаваемым кинематически (с помощью понижающего редуктора), поэтому в них нельзя управлять режимами торможения, а это далеко не соответствует действительным режимам торможения колес авиашасси самолетов при посадке [1].

Более чем полувековой мировой опыт в этой области, обобщенный в [2–5], выкристаллизовал важную, не решенную до настоящего времени проблему, названную в [2, гл. 1, с. 2] «проблемой корреляции между используемыми на земле устройствами измерения сцепления

ихарактеристиками торможения воздушных судов».

Внастоящее время в мире выполняется несколько международных проектов (RuFAB – Runway Friction Characteristics Measurement and Aircraft Braking [6], IRIS – Integrated Runway Information Systems [6], JWRFMP –

Программа измерения коэффициента сцепления ВПП в зимних условиях [7] и др.), выработаны некоторые рекомендации по корреляции в виде так называемых Международного (IRFI–International Runway Friction Index [7]) и Канадского (CRFI – Canadian Runway Friction Index[7]) индексов трения ВПП в зимних условиях, дающие не всегда надежные сведения, а главное – не внедренные в практику оперативных измерений коэффициента сцепления.

I. СОЗДАНИЕ БУКСИРУЕМОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ИМИТАТОРОМ РЕАЛЬНЫХ (АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ) РЕЖИМОВ ТОРМОЖЕНИЯ КОЛЕС САМОЛЕТА ПРИ ПОСАДКЕ

В настоящее время задачи создания и исследования новой технологии непрерывного измерения коэффициента сцепления взлетно-посадочных полос, обеспечивающей текущую (в реальном времени) корреляцию результатов измерения с реальными характеристиками торможения воздушных судов, и реализующего эту технологию буксируемого измерительного комплекса нового поколения, построенного на базе электромеханического имитатора измерительным колесом реальных тормозных режимов воздушных судов, решаются группой сотрудников кафедры систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с индустриальным партнером ООО «Невская инженерная компания» (СПб) в рамках проекта «Создание и исследование новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий и разработки на ее основе мобильного комплекса для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритет-

Рис. 1. Концептуальная компьютерная модель создаваемого буксируемого измерительного комплекса

ным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 – 2020 годы» (соглашение о предос-

тавлениисубсидииот«07» июля2014 г. №14.574.21.0081).

На рис. 1 представлена концептуальная компьютерная модель создаваемого буксируемого измерительного комплекса, воспроизведенная по разработанной в проекте конструкторской документации.

Создаваемый буксируемый измерительный комплекс состоит из следующих функциональных частей

(см. рис. 1) [8–10]:

♦Автоматически управляемое электромеханическое устройство (электромеханический имитатор) торможения измерительного колеса, выполненное на базе синхронной электрической машины с индуктором.

♦Электрошкаф управления и автоматики, содержащий блоки силовой и управляемой электроники, бортовой микропроцессор, коммутирующую аппаратуру, GPS-приемник, радиомодем, аккумулятор и зарядное устройство.

♦Независимая рычажная подвеска измерительного колеса состоит из шарнирно соединенной с несущей рамой балки, с которой шарнирно скреплена балка рычажной подвески с измерительным колесом, а также содержит встроенную тензометрическую систему.

♦Буксируемое шасси, выполненное на базе переднего моста серийного отечественного автомобиля.

♦Переносной компьютерный пульт управления и индикации оператора измерительного колеса, выполненный на базе бортового панельного компьютера с цветным сенсорным экраном 12” и оснащенный встроенным термопринтером, кнопочной клавиатурой, аккумулятором и зарядным устройством, обеспечивает все функции информационно-управляющей системы измерительного комплекса, осуществляя измерение, вычисление, документальную регистрацию и визуальную индикацию результатов измерений, а также визуализацию

ииндикацию электронной карты аэродрома и регистрацию на ней местоположения комплекса, передачу результатов измерения и обработанной информации с помощью GSM-модема в диспетчерскую службу аэродрома, регистрацию, архивирование и возможность воспроизведения всего объема результатов измерения коэффициента сцепления и обработанной информации, формирование и до-

кументирование экспертной информации, необходимой для принятия диспетчером аэродрома решения о безопаснойпосадкеподлетающеговоздушногосуднаидр.

II. АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ ТОРМОЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОЛЕСА

В силу повышенных требований к воспроизведению устройством торможения антиблокировочных программ скольжения измерительного колеса, задаваемых ступенчатыми функциями, воспроизводящими типовые двух- и трехфазные циклы торможения с частотой следования, равной 1…5 Гц, и средним заданным скольжением 0,1…0,2, разработаны два конкурентных варианта адаптивных систем управления торможением измерительного колеса как «идеального» имитатора антиблокировочных режимов торможения:

♦беспоисковая (аналитическая) адаптивная система

сэталонной моделью, регуляризованными алгоритмами параметрической настройки и идентификатором (наблюдателем) состояния [9, 11, 12];

♦интеллектуальная (нейронечеткая) адаптивная система, обученная на основе беспоисковой (аналитической) адаптивной системы [9, 13].

III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ РЕЖИМОВ ТОРМОЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОЛЕСА НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНЫХ ПОЛОС

Обоснование новой технологии измерения коэффициента сцепления наиболее эффективно можно провести методами математического моделирования при условии построения адекватной математической модели процесса измерения коэффициента сцепления покрытия взлетно-посадочной полосы, которая будет состоять из трех взаимосвязанных между собой математических моделей: математической модели процесса торможения измерительного колеса с электромеханическим устройством торможения как нелинейного объекта управления; математической модели адаптивной системы автоматического управления торможением (скольжением); математической модели изменения (распределения) значений располагаемого (максимального) коэффициента сцепления вдоль покрытия ВПП.

В докладе приводятся некоторые результаты исследований корреляции между значениями коэффициента сцепления μeff, измеренными в антиблокировочных режимах, и располагаемыми (максимальными) значениями коэффициента сцепления μmax, заданными математической моделью распределения коэффициента сцепления вдоль ВПП.

Исследования проводились при следующих вариациях данных: антиблокировочные режимы торможения включали двухфазный цикл торможения (скольжения) (один прямоугольный импульс на период) и трехфазный цикл торможения (два прямоугольных импульса на период неодинаковой высоты и неодинаковой ширины) (рассмотрены две модификации трехфазных циклов);

среднее значение скольжения за период антиблокировочного цикла Sср = 0,1; 0,2; частота следования антиблокировочных циклов f = 5 (Гц); длина измеряемого участка ВПП Lвпп = 3600; 360; 200 (м); среднее значение располагаемого коэффициента сцепления, задаваемое численной моделью ВПП μmax = 0,2; 0,4; 0,6; 0,8.

План проведенных исследований содержал 144 эксперимента. Во всех экспериментах измерялось среднее значение μeff, усредненное по всей длине измеряемого участка ВПП. В целом по всем экспериментам средний измеренный коэффициент сцепления μeff изменялся в диапазоне от 30 до 96 % от среднего значения, заданного численной моделью ВПП: μeff = (0,3 … 0,96) μmax и очень слабо зависел от заданных вариаций частоты f, среднего скольжения Sср и длины измеряемого участка. Отметим, что полученные результаты согласуются с данными, приведенными [2, гл. 1, с. 6–7], где указывается, что действие антиблокировочных тормозных систем воздушных судов в зависимости от исполнения обеспечивают от 30 до 90 % располагаемой (максимальной) величины коэффициента сцепления ВПП.

На рис. 2–4 показаны выборочные результаты моделирования процессов измерения коэффициента сцепления в адаптивной системе торможения с параметрической настройкой. Условия модельных экспериментов описаны в подрисуночных надписях.

а

б

Рис. 2. Графики процессов измерения коэффициента сцепления в адаптивной системе торможения с двухфазным программным циклом антиблокировочного режима торможения со скольжением 0,1 (амплитуда 1,0, заполнение 10 %) и частотой 5 Гц при следующих средних значениях программных антиблокировочных режимов торможения: а – μср = 0.2; б – μср = 0,4

б

Рис. 3. Графики процессов измерения коэффициента сцепления в адаптивной системе торможения с трехфазным программным циклом антиблокировочного торможения со скольжением 0,1 (амплитуда первой фазы 0,6 и заполнение 10 %, амплитуда второй фазы 0,3

изаполнение 13 %) и частотой 5 Гц при следующих значениях программных антиблокировочных режимов торможения:

а– μср = 0,2; б – μср = 0,4

На всех рисунках цифрами обозначены следующие кривые: 1 – программное (антиблокировочное) скольжение измерительного колеса; 2 – измеренное скольжение измерительного колеса; 3 – измеренный коэффициент сцепления.

На рисунках отчетливо наблюдаются характерные особенности графиков измеряемого коэффициента сцепления, а именно срывные явления, характеризующие эффект Штрибека, и затухающие колебания, подавляемой низшей частоты упругих деформаций.

б

Рис. 4. Графики процессов измерения коэффициента сцепления в адаптивной системе торможения спрограммным трехфазным циклом антиблокировочного торможения, со скольжением 0,1 (амплитуда первой фазы 0,3 и заполнение 10 %, амплитуда второй фазы 0,2

изаполнение 35 %) и частотой 5 Гц при следующих средних значениях программных антиблокировочных режимов торможения: а – μср = 0,2; б – μср = 0,4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Указывается на то, что в области обеспечения безопасности посадки воздушных судов в экстремальных погодных условиях предпосадочные измерения коэффициента сцепления ВПП слабо коррелируют с реальными характеристиками торможения самолетов, что создает угрозу неадекватной оценки безопасности посадки.

2.Описывается концептуальная модель буксируемого измерительного комплекса, реализующего новую технологию измерения коэффициента сцепления ВПП, опирающуюся на выдвинутый авторами проекта принцип управляемого электромеханического торможения измерительного колеса с целью имитации им в процессе измерения антиблокировочных режимов торможения, близких к реальным режимам торможения колес самолета при посадке, формируемых авиационными системами антиюзовой автоматики.

3.Для повышения точности воспроизведения электромеханическим устройством торможения измерительного колеса антиблокировочных режимов торможения предлагается адаптивная система автоматического управления торможением (скольжением).

4.На основе модели Бурхарда и аддитивно вводимых случайных процессов разработан комплекс математических моделей распределения значений коэффициента сцепления вдоль ВПП с различными описательными характеристиками (снег; мокрый асфальт со снегом; очень мокрый асфальт; мокрый асфальт).

5.Построены компьютерные модели процессов измерения коэффициента сцепления и впервые в мировой практике в этой области проведена серия исследований зависимости результатов измерений КС с имитацией антиблокировочных режимов торможения ИК при вариациях их формы, интенсивности и частоты циклов торможения и средних значений скольжения антиблокировочных режимов торможения.

6.Разработана эскизная конструкторская документация, изготовлен и проходит отладку экспериментальный образец создаваемого буксируемого измерительного комплекса нового поколения и планируется проведение его полунатурных испытаний на базе испытательного стенда с управляемым барабанным имитатором «бегущей дорожки», а также и аэродромных испытаний.

Благодарности

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 го-

ды», соглашение № 14.574.21.0081 от 08.07.2014 IDRFMEF155414X0081

Библиографический список

1.On correlation between the airport runway friction coefficient measurement results and the real-life aircraft take-off and landing braking characteristics / V.V. Putov, A.V. Putov, V.N. Sheludko, V.P. Kazakov, A.D. Stockaia, M.M. Kopichev, K.V. Ignatiev // Proceedings of International Conference on Soft Computing and Measurements, SCM. Saint Petersburg. 2015. P. 119–121. (May 19–21).

2.Циркуляр ИКАО «Руководство по аэропортовым службам. Часть 2. Состояние поверхности покрытия» (Doc 9137-AN898-ICAO). 4-е изд. / Международная ассоциация гражданской авиации. 2002.

3.Циркуляр ИКАО «Состояние поверхности ВПП: оценка, измерение и представление данных» / Международная ассоциация гражданской авиации (Cir 329 – AN/191-ICAO). 2012.

4.Руководство по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации (РЭГА РФ-94). М.: Воздушный транспорт, 1995.

5.FAA Advisory Circular 150/5320-12C/ Appendix 3/ Measurement, Construction and Maintenance of Skid Resistant Airport Pavement Surfaces. 1997.

6.Kleine-Beek W. Runway friction characteristics measurement and aircraft braking. HindSight, 2011. № 12. P. 39–41.

7.Braking availability tester (BAT) for realistic assessment of aircraft landing distance on winter runways / K. Joshi, S. Jeon, H. Kwon,

S.Tighe // Journal of aerospace engineering. 2013. № 11. DOI: 10.1061/(ASCE) AS.1943-5525.0000395

8.Отчет о прикладных научных исследованиях «Создание и исследование новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий и разработка на ее основе мобильного комплекса для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта», этап 1 (соглашение № 14.574.21.0081 от 08.07.2014) //

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2014. 292 с.

9.Отчет о прикладных научных исследованиях «Создание и исследование новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий и разработка на ее основе мобильного комплекса для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта», этап 2 (соглашение № 14.574.21.0081 от 08.07.2014) //

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб.,2014. 399 с.

10.Отчет о прикладных научных исследованиях «Создание и исследование новой технологии измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий и разработка на ее основе мобильного комплекса для прогнозирования безопасной посадки воздушного транспорта», этап 3 (соглашение № 14.574.21.0081 от 08.07.2014) //

СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2014. 144 с.

11.Путов В.В. Прямые и непрямые беспоисковые адаптивные системы с мажорирующими функциями и их приложения к управлению нелинейными механическими объектами с упругими деформациями // Мехатроника, автоматизация и управление. 2007.

№10. С. 4–11.

12.Adaptive Control System of Transport Wheels Electromechanical Braking / V. Putov, V. Sheludko, A. Putov, A. Stotckaia // International Review of Automatic Control (IREACO). 2014. Vol. 7. No. 5.

P.492–499.

13.Neural network control system for two-mass elastic electromechanical system / Putov V.V., Putov A.V., Ignatiev K.V., Kopichev M.M. // Proceedings of International Conference on Soft Computing and Measurements. SCM 2015. Saint Petersburg. May 19–21. P. 141–143.

14.Вопросы управления электромеханическим испытательным комплексом с барабанным имитатором движения для электромеханических движителей колес транспорта / В.В. Путов, В.Н. Шелудько, Е.В. Друян, А.В. Путов // Известия СПбГЭТУ. – «ЛЭТИ».

№4. 2012. С. 44–59.

Рассмотрена проблема существования обменных колебаний мощности между параллельно работающими генераторами судового электротехнического комплекса. Проведены экспериментальные исследования на действующем судне морского флота. Предложен метод устранения обменных колебаний мощности. Результаты исследований подтверждены математическим моделированием.

The problem of the existence of fluctuations of exchange capacity between the parallel running generators marine electrical complex. Experimental studies on the existing marine vessel. A method for eliminating power exchange fluctuations.

Ключевые слова: обменные колебания мощности, математическая модель, параллельная работа, электротехнический комплекс, синхронный генератор, генераторный агрегат.

Keywords: an electrical complex, exchange fluctuations in power, generating set, mathematical model, parallel operation, synchronous generator.

I. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Важная роль в инфраструктуре России принадлежит морскому флоту. Для безопасной и экономически выгодной работы судна необходимо обеспечить высокое качество производимой на нем электрической энергии.

Современные судовые электроэнергетические системы (СЭЭС) имеют большое количество систем автоматики, обеспечивающих параллельную работу судовых дизель-генераторных агрегатов (ДГА) [1].

Одной из малоизученных проблем параллельной работы дизель-генераторных агрегатов на основе синхронных генераторов переменного тока являются обменные колебания мощности [2, 3]. Обменные колебания мощности между параллельно работающими агрегатами приводят к повышенному износу регуляторов частоты вращения, ограничивают использование мощности генераторных агрегатов, вызывают пульсацию напряжения

судовой сети, уменьшают коэффициент полезного действия механизмов, а также отрицательно сказываются на психофизическом состоянии экипажа, снижают эффективность и надежность работы систем автоматизации, могут привести даже к выпадению синхронного генератора из синхронизма, вплоть до обесточивания судов, что является аварийной ситуацией.

Требования классификационных обществ и международные стандарты не содержат допустимых норм, ограничивающих величину таких колебаний. Существующие методы организации и управления параллельной работой дизель-генераторов не позволяют эффективно устранять обменные колебания мощности [2, 3], что и обусловило выполнение этого исследования. Поэтому целью исследования является разработка метода уменьшения амплитуды обменных колебаний мощности, повышение технико-экономической эффективности параллельной работы судовых синхронных генераторов путем совершенствования их системы управления.

II. ЭКСЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ДГА

Для проведения экспериментальных исследований было выбрано судно-паром «Ейск» Керченской паромной переправы, осуществляющее регулярные грузопассажирские перевозки между портом «Крым» и портом «Кавказ». Основными задачами экспериментального исследования заявлено исследование поведения электроэнергетической системы судна и качества вырабатываемой ею электроэнергии в различных режимах ее работы, а также выяснение вопроса о наличии обменных колебаний мощности при параллельной работе судовых дизель-генераторных агрегатов [4].

Для исследования применялся контрольно-измери- тельный комплекс на основе цифрового запоминающего двухканального осциллографа «Owon» и соединенно-