СПОСОБ ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ ЦЕПИ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ РУЛЕВОГО ПРИВОДА УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано в электропневматических рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых снарядов и ракет.

В предлагаемом изобретении объектом рассмотрения является цепь потенциометрической обратной связи в составе потенциометра обратной связи и кинематической передачи к нему и оценка передающих свойств цепи потенциометрической обратной связи рулевых приводов [1, рис. 2.5; 2. рис. 21; 3, рис. 3.4; 4, стр. 15-28, рис. 11, 13], применяемых в качестве исполнительного устройства систем управления летательными аппаратами. Потенциометр обратной связи преобразует угловое положение рулей в электрический сигнал, который сравнивается в суммирующем устройстве усилителя с входным сигналом.

Для замкнутых автоматических систем, в том числе и замкнутых рулевых приводов [1-4], которые являются одной из разновидностей таких систем, цепь отрицательной обратной связи является одним из важных и определяющих элементов автоматических систем, влияющим на устойчивость, динамику и точность работы системы, на коэффициент передачи замкнутого контура системы. В общем случае цепь обратной связи является динамическим звеном со своим статическим коэффициентом передачи и постоянной времени.

Из теории автоматического регулирования и управления известно, что коэффициент передачи звена характеризуется отношением выходной величины к входной. В применении к цепи потенциометрической обратной связи это будет отношение напряжения U_пос на выходе потенциометра обратной связи к углу поворота рулей δ, т.е. K_пос=U_пос/δ, где K_пос - коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда. Физически коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи характеризует собой крутизну статической характеристики зависимости напряжения на выходе потенциометра обратной связи от угла поворота рулей.

Известен (прототип) способ оценки [6, стр. 118-119; 121-122] передающих свойств (передаточной функции) датчиков угловых положений при автоматическом измерении отклонения рулей. Практическое применение в качестве датчиков угловых перемещений находят высокоточные линейные потенциометры с линейной зависимостью их сопротивления от угла поворота или перемещения движка потенциометра В монографии [9] подробно рассмотрены вопросы теории, расчета, конструирования и технологии изготовления таких потенциометров. Передаточная функция потенциометра [6, стр.121] определяется из градиента напряжения (В/град или В/см) и определяется по формуле

где U₁ - напряжение питания потенциометра;

U₂ - выходное напряжение;

α - угол поворота ползунка (движка) потенциометра;

α_max - максимальный угол поворота ползунка потенциометра.

Недостатками известного способа оценки [6, стр. 121] являются низкие информативность и качество оценки коэффициента передачи.

Известный способ оценки передающих свойств потенциометра касается только одного из элементов цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда и не дает ответа на вопрос, в какой мере и как пригоден этот способ для оценки передающих свойств электромеханической системы обратной связи рулевого привода, а именно его цепи потенциометрической обратной связи в составе потенциометра обратной связи и кинематической передачи движка потенциометра обратной связи с осью вращения рулей.

Способ оценки передающих свойств цепи потенциометрической обратной связи рулевых приводов управляемых снарядов не нашел отражения в технической литературе и других источниках информации, хотя практическая потребность в таком способе является актуальной технической задачей для конструкторов-разработчиков, изготовителей, исследователей и испытателей рулевых приводов с потенциометрической обратной связью как при анализе, модернизации существующих, так и при разработке вновь создаваемых высокоточных комплексов управляемого вооружения.

В известных рулевых приводах [1-4] используются в качестве датчика обратной связи потенциометры как с линейным [1-3], так и угловым [4] перемещением движка потенциометра обратной связи. И в том и в другом случае напряжение на выходе потенциометра обратной связи изменяется пропорционально перемещению движка [9, стр. 5-19; 35-50; 82-91; 97-101; 144-151] потенциометра обратной связи по линейному закону с постоянной крутизной (коэффициентом передачи) статической характеристики.

Рулевой электропневматический привод [1, рис. 2-5; 2, рис. 2.1; 3, рис. 3, 4], применяемый в качестве исполнительного устройства систем управления летательными аппаратами, представляет собой замкнутую автоматическую систему. В состав привода входят сумматор, усилитель, электромеханический преобразователь, пневматическое распределительное устройство, пневматический исполнительный двигатель и потенциометрический датчик обратной связи.

Автоколебательный блок рулевого привода управляемого снаряда 9М117 [4, стр. 15-28, рис. 11, 13] содержит последовательно соединенные суммирующее устройство, корректирующий фильтр, триггерное устройство, усилитель мощности, рулевую машину с управляющим электромагнитом, потенциометр обратной связи, связанный с одним из входов суммирующего устройства, другой вход которого является входом привода. В качестве датчика обратной связи используется потенциометр обратной связи [4, стр. 20 6-й абзац сверху; рис. 13 поз. 42; рис. 16 поз. 10], кинематически связанный с рулями.

Потенциометр обратной связи с помощью сферы 16 и вилки 18 соединен с осью 20 [4, стр. 21 2-й абзац снизу, рис. 13] рычага 12 [4, рис. 16], связанного с осью вращения лопастей (рулей) 7 блока рулевого привода.

Кинематическая связь в виде сферы и вилки представляет собой плоский кривошипно-кулисный механизм передачи угла поворота рулей к токосъемнику (движку) 9 потенциометра 10 [4, рис. 16].

Известен [5, стр. 250, рис. в] плоский кривошипно-кулисный механизм, содержащий кривошип, кулису и ползун.

Коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода определяется при расчете и математическом моделировании на АВМ или ЦВМ контура рулевого привода, исходя из заданного в техническом задании на разработку рулевого привода динамического коэффициента передачи замкнутого рулевого привода, определяемого как отношение первой гармоники угла поворота рулей δ^I к амплитуде U_m входного гармонического сигнала U_вх=U_msinω_вхt, где ω_вх=2πf_вx, на основании следующих соображений из передаточной функции замкнутого контура рулевого привода.

Структурная схема замкнутого рулевого привода имеет вид, представленный на фиг.1.

Передаточная функция замкнутого рулевого привода фиг.1 имеет вид

В известном рулевом приводе [1-4] передаточная функция цепи обратной связи без учета ее инерционности имеет вид

где К_ос - коэффициент обратной связи, равный

где К_пос - коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи;

- коэффициент суммирования по цепи образной связи.

С учетом коэффициентов суммирования по цепи обратной связи и по входу в суммирующем устройстве выражение для сигнала ошибки будет иметь вид

Передаточная функция прямой цепи контура ненагруженного рулевого привода в области paбочиx частот входного сигнала U_вх=U_msinω_вхt.

где K_пр - коэффициент усиления прямой цепи привода;

р - оператор Лапласа

После подстановки выражений (2) и (5) в выражение (1) передаточная функция замкнутого контура привода имеет вид

где - статический коэффициент передачи (град/вольт) замкнутого привода, определяемый величиной

T - постоянная времени замкнутого привода, равная

где D - добротность привода (1/сек), численно равная величине коэффициента усиления разомкнутого контура рулевого привода, определяющая скоростную ошибку привода Δδ_ск при отработке сигнала постоянной скорости

где - максимальная скорость ненагруженного рулевого привода.

В техническом задании на разработку привода вращающихся по крену управляемых снарядов задается кроме фазового сдвига динамический коэффициент передачи рулевого привода, который получается из выражения (6) после замены символа "p" на "jω" и равен

где - динамический коэффициент передачи замкнутого рулевого привода.

В рулевых приводах стабилизированных по крену управляемых снарядов в техническом задании на разработку привода задается статический коэффициент передачи рулевого привода.

Анализ выражения (9) показывает, что в качестве базовой величины в динамический коэффициент передачи входит статический коэффициент передачи , который определяется выражением (7) с учетом выражения (4)

обратно пропорционален коэффициенту передачи К_пос цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода.

Величина коэффициента К_пос при расчете и моделировании контура рулевого привода задается разработчиком привода и обеспечивается крутизной (чувствительностью) выбранного типа датчика обратной связи при заданной запитке с учетом кинематической передачи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи.

Из сказанного видно, что величина коэффициента передачи К_пос цепи потенциометрической обратной связи является одной из важных, определяющих и существенно влияющих на задаваемый в техническом задании динамический (и статический в том числе) коэффициент передачи рулевого привода управляемого снаряда и что при оценке коэффициента передачи K_пос цепи потенциометрической обратной связи должны учитываться вое особенности использования в качестве датчика обратной связи в составе схемы управления рулевого привода потенциометра обратной связи как на этапе выработки технических требований по контролю для внесения в конструкторскую документацию, так и при проведении контроля коэффициента передачи K_пос при изготовлении и проверках рулевого привода.

Из анализа схем и конструкций известных замкнутых рулевых приводов [1-4] в части выполнения отрицательной обратной связи, необходимой для выполнения поставленных перед приводом задач управления и регулирования, видно, что обратная связь по сути дела представляет собой сравнительно сложную электромеханическую систему и цепь потенциометрической обратной связи и ее рассмотрение не может сводиться к рассмотрению только потенциометра обратной связи, являющегося одним из элементов этой системы, а именно потенциометрическим датчиком обратной связи.

Цепь потенциометрической обратной связи в известных приводах [1-4] состоит из потенциометра обратной связи, кинематической передачи движка потенциометра обратной связи с осью вращения рулей и элемента суммирования выходного сигнала потенциометра обратной связи в сумматоре привода.

Как отмечалось выше, в предлагаемом изобретении объектом рассмотрения является цепь потенциометрической обратной связи в составе потенциометра обратной связи и кинематической передачи к нему и оценка передающих свойств цепи потенциометрической обратной связи. Элемент суммирования, выполненный, как правило, чаще всего на операционном усилителе с использованием в прямой цепи усилителя и его отрицательной обратной связи высокоточных резисторов с точки зрения передающих свойств элемента суммирования при оценке цепи потенциометрической обратной связи легко учитывается коэффициентом усиления, равным отношению величин резисторов обратной связи и прямой цепи усилителя, на вход которой подается напряжение с выхода потенциометра обратной связи. Причем такое описание справедливо в очень широком диапазоне частот от нулевых частот и до частот, в диапазоне которых оцениваются запасы устойчивости линейного привода или обеспечиваются параметры (частота, амплитуда) автоколебаний релейного автоколебательного привода Т.е. усилитель и суммирующее устройство (сумматор), выполненное на его базе, в этой полосе частот можно считать безынерционным.

Такое же утверждение можно считать справедливым в части инерционности суммирующего устройства и для случая его выполнения на пассивных элементах без применения операционного усилителя, т.е. на резисторах.

В электромеханической системе обратной связи рулевых приводов [1-4] потенциометрический датчик, являясь датчиком информации системы обратной связи по положению, не может рассматриваться вне его кинематической связи с объектом управления. Эта связь может оказывать и оказывает на практике отрицательное влияние и причем иногда существенное на передающие свойства цепи потенциометрической обратной связи в части искажения линейности статической характеристики цепи потенциометрической обратной связи из-за нелинейности статической характеристики кинематической передачи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи, из-за наличия люфта в системе. Все это приводит к снижению точности отработки рулевым приводом сигналов управления, так как управление приводом осуществляется по ошибке рассогласования между заданным углом поворота рулей и отрабатываемым, информация о котором поступает с выхода цепи потенциометрической обратной связи.

Известно [6, стр. 181 1-й абзац снизу], что в современных системах автоматического управления летательными аппаратами широко применяются различные специальные датчики, например датчики угла. Точность работы системы в целом в значительной мере зависит от работы этих элементов, поэтому к их точностным характеристикам предъявляются высокие требования.

Известно также [6, стр. 175-176 Раздел 5.9. Испытания элементов сервопривода], что обычно характеристики стандартных элементов, применяемых в сервоприводах, известны, но эти характеристики могут меняться в зависимости от того, в какой схеме работает элемент. Характеристики потенциометров при работе в системе также могут отличаться от справочных данных. Поэтому при испытаниях необходимо дополнительно определять точность работы потенциометра в данной конкретной схеме.

Конечно, все это сказанное относится к потенциометру обратной связи известных рулевых приводов [1-4] и цепи потенциометрической обратной связи этих приводов и является также одним из подтверждений актуальности технической задачи оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда.

Оценка передающих свойств цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда связана с необходимостью поиска ответа разработчиком рулевых приводов на два основных вопроса:

1) какие именно параметры цепи потенциометрической обратной связи должны быть заданы для оценки передающих свойств цепи в конструкторской документации на привод и как, каким способом определить их технически обоснованную величину;

2) как и с помощью каких простых, надежных и доступных технических средств провести объективную и качественную экспериментальную оценку этих параметров.

Известный способ оценки [6, стр. 121] передающих свойств потенциометра касается только одного из элементов цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда и не дает ответа на эти вопросы, что является недостатком этого способа для оценки передающих свойств цепи потенциометрической обратной связи в составе потенциометра обратной связи и кинематической передачи движка потенциометра обратной связи с осью вращения рулей.

Известно (аналог) устройство [6, стр. 147-150, фиг.5.14; стр. 306-307, рис. 174] для контроля в процессе производства переменных сопротивлений (потенциометров), содержащее измерительный мост, два первых плеча которого образованы контролируемым потенциометром, два других плеча составлены из эталонных сопротивлений, источник напряжения постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь и регистрирующее устройство, шаговый двигатель, кинематически связанный с движком потенциометра, генератор, коммутатор и двоичный счетчик. Недостатками устройства являются его сложность, невозможность его применения для контроля коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда без доработки устройства в части введения жесткой кинематической связи шагового двигателя с рулями без люфтов и мертвых ходов для обеспечения точности контроля и введения высокоточного измерительного датчика угла поворота рулей для контроля задаваемых углов поворота рулей, отсутствие получения в результате контроля устройством конкретной фактической величины коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи в виде числовой величины, равной отношению полученного напряжения на выходе потенциометра обратной связи при заданном фиксированном угле поворота рулей.

Известно (прототип) устройство [6, стр. 121] для замера передаточной функции потенциометра из градиента напряжения (В/град или В/см). Хотя само устройство и не раскрыто в этом источнике информации, но из анализа формулы градиента напряжения потенциометра в виде отношения напряжения на выходе потенциометра к угловому или линейному перемещению движка потенциометра (в зависимости от типа потенциометра с круговой или линейной обмоткой) можно сделать однозначный вывод о том, что устройство для замера коэффициента передачи потенциометра должно содержать источник напряжения питания потенциометра, задатчик перемещения движка потенциометра, индикатор перемещения движка (ползунка) потенциометра (угла поворота для потенциометра с круговой обмоткой и линейного перемещения движка для потенциометра с линейной обмоткой) и измеритель напряжения (вольтметр) на выходе потенциометра.

Недостатком этого устройства является малая информативность о состоянии контролируемого объекта и малая точность замера коэффициента передачи. Это обусловлено тем, что реально при работе в составе объекта управления движок потенциометра связан кинематически с выходом объекта управления, угловое или линейное перемещение которого потенциометр преобразует в соответствующее напряжение, а выход объекта управления (рули, как в случае рулевого привода) находится под воздействием нагружающих моментов (развиваемого момента привода, момента шарнирной нагрузки и др.), снижающих достоверность и точность замера угла поворота движка потенциометра, а следовательно, и точность замера коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности и качества оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда, повышение объективности, достоверности и точности контроля, снижение трудоемкости и стоимости контроля коэффициента передачи без применения сложных, дорогостоящих и громоздких приборов и оборудования, повышение точности отработки приводом сигналов управления и точности удержания нулевого положения рулей при отсутствии сигналов управления.

Это достигается за счет применения предлагаемого способа оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда, основанного на определении крутизны статической характеристики зависимости напряжения на выходе потенциометра от углового или линейного перемещения его движка.

Новым по сравнению с прототипом является то, что устанавливают на установочном столе рулевой привод с раскрытыми рулями, подают напряжение U_зяп на запитку потенциометра обратной связи, поворачивают рули на максимальный угол в одну (+δ_max) и другую (-δ_max) стороны путем поочередного приложения вращающего момента соответствующего знака, равного развиваемому моменту привода, измеряют угломером углы поворота рулей +δ_max, -δ_max со стороны нагруженного руля, одновременно при этом измеряют вольтметром напряжения на выходе потенциометра обратной связи, по результатам измерений определяют коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода по соотношению

сравнивают полученные значения К_пос, определенные путем натурных замеров, с номинальным и предельным значением К_пос, вычисленным теоретическим путем из соотношений

где U_пос - номинальное или предельное напряжение на выходе потенциометра обратной связи;

U_зап - напряжение запятки потенциометра обратной связи;

δ - угол поворота рулей;

ϕ_раб - рабочая длина обмотки потенциометра обратной связи;

ϕ - номинальное или предельное перемещение движка потенциометра обратной связи, определяемое через конструктивные размеры кинематической передачи механической системы рули - движок потенциометра по зависимости

ϕ=f(δ),

для заданного номинального δ_ном и предельных (δ_max, δ_min) углов поворота рулей.

Под перемещением ϕ понимается угловое или линейное перемещение движка потенциометра обратной связи в зависимости от конструктивного выполнения обмотки потенциометра обратной связи. Для привода [4] с круговой обмоткой потенциометра это угол поворота движка потенциометра обратной связи, для приводов [1-3] с линейной обмоткой потенциометра это линейное перемещение движка потенциометра обратной связи.

Номинальное и предельное (максимальное и минимальное) напряжение на выходе потенциометра обратной связи определяются с учетом предельного напряжения запитки U_зап и погрешности его измерения, с учетом допуска на рабочую длину обмотки и величину закоротки потенциометра

Предлагаемый способ реализуется устройством, содержащим источник питания, вольтметр и угломер, связанные с потенциометром обратной связи рулевого привода, в которое введены стол для установки и закрепления на нем рулевого привода с раскрытыми рулями и устройство нагружения рулей, обеспечивающее их поворот на максимальные углы +δ_max, -δ_max, выполненное в виде легкосъемного уравновешенного рычага, надеваемого на руль, и эталонного груза, обеспечивающего вращающий момент, равный развиваемому моменту рулевого привода.

На фиг.1 представлена структурная схема рулевого привода; на фиг.2 - принципиальная схема кинематической передачи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи; на фиг.3 - обмотка потенциометра обратной связи; на фиг.4 - принципиальная схема кривошипно-кулисного механизма; на фиг.5 - расчетная схема кривошипно-кулисного механизма; на фиг.6 - график зависимости угла поворота движка потенциометра обратной связи от угла поворота рулей; на фиг.7 - расчетная схема кривошипно-кулисного механизма с учетом допусков на установку потенциометра обратной связи; на фиг.8 - зависимость напряжения на выходе потенциометра обратной связи при отсутствии (поз. 8) и наличии (поз. 9) люфта в кинематической передаче рули - движок потенциометра обратной связи; на фиг.9 - принципиальная схема кинематической передачи механической системы рычаг - потенциометр обратной связи; на фиг.10 - принципиальная схема устройства для контроля коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда; на фиг.11 - принципиальная схема потенциометра обратной связи.

На схеме фиг.1 W_пp(p) - передаточная функция прямой цепи контура привода; W_oc(p) - передаточная функция цепи обратной связи привода; U_вх - входной сигнал; U_ос - сигнал обратной связи; (ΔU=(U_вх-U_ос) - сигнал ошибки; δ - угол поворота рулей.

На схеме фиг.2 1 - ось вращения рулей; 2 - ось вращения движка потенциометра обратной связи; 3 - потенциометр обратной связи; 4 - полуось; 5 - вилка; 6 - рычаг; 7 - шпангоут с площадкой дли установки и закрепления потенциометра обратной связи; L₁ - длина плеча от оси вращения рулей до оси силового цилиндра рулевого привода; L₂ - длина рычага от оси вращения движка потенциометра до оси передачи шаровая опора - вилка; L₃ - расстояние от оси шаровой сферы передачи до оси вращения рулей, определяется расчетом L₃=(L₄-L₅)+L₂; L₄ - линейная величина установки посадочной площадки потенциометра обратной связи в шпангоуте относительно оси вращения рулей; L₅ - расстояние от оси вращения движка потенциометра обратной связи до основания потенциометра; ϕ - угол поворота движка потенциометра обратной связи; i - передаточное число, связывающее углы поворота движка потенциометра обратной связи и рулей (ϕ=iδ); на фиг.3, 4, 5, 7 О - ось вращения рулей; О₁ - ось вращения движка (рычага) потенциометра обратной связи; λ - люфт в кинематической цепи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи.

При анализе кинематической схемы (фиг.2) поворота движка потенциометра 3 обратной связи, на оси которого закреплен рычаг 6, в зависимости от поворота рулей рулевого привода механизм передачи угла классифицирован как плоский, кривошипно-кулисный с двумя степенями свободы, где звено рычага L₂ (фиг.4) потенциометра обратной связи является кривошипом, звено от оси вращения рулей до оси сферы рычага потенциометра L₃ является кулисой и жестко связано с рулями, сфера рычага потенциометра является ползуном. Классификация принята в соответствии с известной схемой [5, стр. 250, рис. в] плоского кривошипно-кулисного механизма.

Для определения зависимости угла поворота ϕ движка потенциометра обратной связи (угла поворота звена L₂) от угла поворота рулей δ (угла поворота звена L₃), где звено L₃ является ведомым, рассматривается схема механизма, представленная на фиг.4.

Из анализа схемы видно, что при повороте на угол δ звена L₃ его рабочая длина уменьшается (точки m и n фиг.4). Чем больше угол поворота δ, тем больше эта разница, что видно по увеличению расстояния между точками m и n.

Для вывода зависимости ϕ=f(δ) из схемы фиг.4 видно, что определение угла ϕ при заданном угле δ сводится к решению косоугольного треугольника 00₁m.

Из справочной литературы [7, стр. 363] известно, что в косоугольном треугольнике с углами А, В, С и сторонами а, в, с углы определяются из зависимостей.

Используя принятые обозначения и схему фиг.5, имеем

A=δ;

B=γ;

C=180°-ϕ;

b=L₃-L₂;

a=L₂.

Учитывая, что в косоугольном треугольнике OO₁m сумма углов равна 180° (фиг.5), получаем

δ+(180°-ϕ)+γ=180°,

откуда имеем

Используя зависимость (12), принятые обозначения и согласно схеме фиг.5, получим

откуда имеем

Подставляя полученное выражение (15) в выражение (14), получаем зависимость угла поворота движка потенциометра обратной связи ϕ (угла поворота рычага L₂ потенциометра) от угла поворота рулей δ

Передаточное число i кинематической передачи

Для малых углов δ

Из анализа зависимостей (16), (17) видно, что они имеют нелинейный характер.

На примере рулевого привода с параметрами

δ_max=13⁺¹ град

L₁=32±0,1 мм

L₂=13,5±0,1 мм

L₄=42±0,1 мм

l₅=13±0,05 мм

L₃=(L₄-L₅)+L₂=(42-13)+13,5=42,5 (фиг.2)

и потенциометром обратной связи (фиг.3) с круговой обмоткой с рабочим углом

ϕ_раб=120⁺⁴ град

проведена оценка погрешности угла поворота ϕ движка потенциометра обратной связи между значениями, вычисленными по зависимости (16), и знамениями, вычисленными по зависимости угла поворота движка потенциометра обратной связи через передаточное число ϕ=iδ. Величина передаточного числа i для рассматриваемого привода для малых углов δ составляет

Для наглядности и возможности количественной оценки информация по зависимости угла поворота ϕ движка потенциометра обратной связи от угла поворота δ рулей, полученная по формуле (16) и по соотношению ϕ=iδ, представлена табличным методом в таблице и графически на графике фиг.6. Также в таблице представлена относительная погрешность Δ%, полученная по формуле

Из анализа данных таблицы и графика на фиг.6 видно, что зависимость ϕ=f(δ) является нелинейной по сравнению с соотношением ϕ=iδ. До углов поворота рулей порядка 6° значения углов ϕ, вычисленные по зависимости ϕ=f(δ) и ϕ=iδ незначительно отличается дрyг от друга. Свыше 6° наблюдается нелинейность зависимости ϕ=f(δ).

Относительная погрешность Δ% отклонения значений до 6° практически мала и не превышает 0,5%. Свыше 6° погрешность Δ% растет с увеличением угла поворота рулей и при угле 14° составляет ~2,7%, что видно из таблицы.

Конечно, приведенный пример на конкретном приводе носит иллюстративный характер с тем, чтобы показать, что такая зависимость ϕ=f(δ) существует и требует оценки как при разработке конструкции привода, так и при определении ее характеристик точности.

На предельные (максимальный, минимальный) углы поворота движка потенциометра обратной связи от угла поворота рулей влияют следующие факторы:

1) допуск на длину звена L₂;

2) допуск на расстояние между осями вращения потенциометра обратной связи и рулей (L₃-L₂), для рассматриваемого примера привода допуск составляет ΔY=±0,1 мм;

3) допуск с учетом длины перемещения установки потенциометра обратной связи на шпангоуте относительно оси вращения рулей вдоль продольной оси Х рулевого привода (фиг.7), для рассматриваемого привода допуск составляет ΔX=±1,25 мм.

Из анализа схемы фиг.7 видно, что при смещении оси вращения движка потенциометра на величину ΔX при угле отклонения рулей δ=0 движок потенциометра будет повернут на угол ϕ₀ (положения на схеме отмечены пунктирными линиями), величина которого определяется из прямоугольного треугольника O₁m₀C

и для рассматриваемого примера привода при ΔX=1,25 мм

L₂=13,5 мм составляет

ϕ₀=5,3°.

Очевидно, что при повороте рулей на угол δ от нулевого положения угол ϕ в одну сторону будет больше, чем в другую на угол ϕ₀. Физически наличие угла ϕ₀ при нулевом положении рулей приводит к появлению электрического ненуля Δδ, равного

что далеко не всегда допустимо, так как будет снижать линейную зону в рулевом приводе при отработке сигнала управления, т.е. снижать линейную зону по перегрузке управления в управляемом снаряде.

Без принятая специальных мер не удается уменьшить отрицательное влияние на точность работы привода допуска ΔX. Уменьшить это влияние можно, например, за счет введения регулируемого допуска ΔX при установке потенциометра в приводе путем введения в крепежных лапках потенциометра вместо круглых продольных отверстий под крепежные винты. Симметрирование осуществляется при перемещении потенциометра выбором такого положения, при котором обеспечивается равенство сопротивления потенциометра с заданной точностью установки, например, не более 6 Ом для принятого в примере привода с потенциометром сопротивления обмотки R_пот=335-550 Ом в нормальных климатических условиях при отклонении рулей на максимальный угол по часовой и против часовой стрелке.

При съеме информации с выхода потенциометра обратной связи при работе рулевого привода кроме люфта в паре вилка - шаровая опора из-за наличия бокового зазора между наружной поверхностью оси 2 диаметром α и внутренней поверхностью отверстия диаметром D в корпусе потенциометра 3 (фиг.9) обратной связи проявляется дополнительная составляющая люфта в кинематической передаче рули - движок потенциометра обратной связи. Движок (токосъемник) жестко связан с осью потенциометра, на фиг.9 эта связь ввиду ее непринципиальности не показана. Зазор Δd_max=D_max-d_min выбирается при разработке конструкции потенциометра минимально возможным, но достаточным для обеспечения нормального функционирования потенциометра без заклинивания его оси в корпусе во всех условиях эксплуатации рулевого привода.

Физический смысл проявления люфта из-за зазора Δd объясняется следующим. При повороте вилки 5 (фиг.2), жестко связанной с полуосью 4 рулей рулевого привода из-за трения в шаровом соединении вилка - рычаг возникает опрокидывающий момент, приложенный к рычагу 6 (фиг.9) со стороны шаровой опоры и направленный в зависимости от направления вращения рулей по или против часовой стрелке в плоскости чертежа. Этот момент приводит к выбору зазора Δd в вертикальной плоскости. После этого начнется выборка зазора Δd в боковом направлении (перпендикулярно плоскости чертежа) под действием силы, прикладыввемой со стороны направляющей вилки к шаровой сфере рычага (перпендикулярно плоскости чертежа фиг.9, фиг.2). До тех пор, пока этот зазор Δd не будет выбран, не будет вращения оси 2 с рычагом 6, т.е. не будет изменения напряжения на выходе потенциометра 3, пропорционального углу поворота рулей.

Для примера в рассматриваемом приводе с параметрами

d=2,500^+0,010 мм

L₆=3,7 мм

R=0,5 мм (радиус фаски)

максимальный зазор Δd составляет 0,028 мм, что приводит к величине люфта, равной

При работе привода из-за износа деталей оси потенциометра и отверстия в корпусе потенциометра зазор Δd увеличивается, что приводит к увеличению люфта.

Чтобы не затенять чертежи фиг.2, 9, направление действия силы трения, боковой силы и возникающих моментов от действия этих сил не показаны.

По полученной зависимости (16) перемещения ϕ движка потенциометра обратной связи от углов поворота рулей δ через конструктивные размеры кинематической передачи механической системы рули - движок потенциометра обратной связи для номинальных и предельных размеров передачи вычисляют соответствующие перемещения ϕ_ном, ϕ_max, ϕ_min движка потенциометра для заданного номинального δ_ном и предельных (δ_max, δ_min) углов поворота рулей, определяют номинальное и предельное напряжение на выходе потенциометра обратной связи по соотношению

где U_пос - напряжение на выходе потенциометра обратной связи;

U_зап - напряжение запитки потенциометра обратной связи;

ϕ - перемещение ϕ_ном, ϕ_max, ϕ_min (угловое или линейное) движка потенциометра обратной связи;

ϕ_раб - рабочая длина (угловая или линейная в зависимости от того, какой потенциометр, с круговой или линейной обмоткой) обмотки потенциометра обратной связи, с учетом допусков на напряжение запитки и погрешности его измерения, на рабочую длину обмотки, на величину закоротки потенциометра

Для повышения надежности контактирования во всех условиях эксплуатации рулевого привода управляемого снаряда токосъем с потенциометра обратной связи (фиг.11) осуществляется двумя токосъемниками 18а, 18б, расположенными на диаметрально противоположных сторонах обмотки потенциометра. В реальности эти токосъемники бывают смещены друг относительно друга по длине потенциометра, что приводит к появлению сопротивления закоротки R_зак, величина которого оговаривается в документации на потенциометр, и к уменьшению снимаемого с выхода потенциометра напряжения.

В соответствии с техническими требованиями чертежа на потенциометр, принятого в качестве примера привода, устанавливается:

“допускается закоротка витков потенциометра до 16 Ом, т.е. изменение сопротивления между выводами 1 и 2 при среднем положении движка 18 и отрыве одного из контактов 18а или 18б на обмотке не более 16 Ом”.

Поскольку величина закоротки не привязана к величине сопротивления потенциометра, которая задана в требованиях чертежа на обмотку 335-550 Ом в нормальных климатических условиях, то оценка влияния закоротки на напряжение на выходе потенциометра проводится для случая наименьшего сопротивления обмотки 335 Ом, где влияние закоротки будет наибольшим.

Относительная величина изменения (уменьшения) напряжения на выходе потенциометра обратной связи из-за закоротки витков потенциометра определяется зависимостью

где R_пот - сопротивление обмотки потенциометра;

R_зак - сопротивление закоротки,

ϕ_раб - рабочий угол обмотки,

(ϕ₁+ϕ₂) - суммарный угол поворота движка потенциометра при повороте рулей на угол

Определяют номинальный и предельный коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи из соотношения

для полученных номинального и предельных напряжения U_пос и угла δ.

Для рассматриваемого примера привода коэффициент передачи К_пос составляет

без учета люфта в кинематической цепи рули - движок потенциометра обратной связи.

При наличии люфта в кинематической цепи рули - движок потенциометра обратной связи коэффициент передачи K_пос будет уменьшаться на величину λ/δ, где λ - люфт цепи, δ - номинальный (δ_ном) и предельные (δ_max, δ_min) углы поворота рулей.

Зависимость напряжения на выходе потенциометра обратной связи от угла поворота рулей при отсутствии люфта (зависимость 8) и наличии люфта (зависимость 9) приведена на фиг.8.

Очевидно, что при оценке коэффициента передачи К_пос на линейном участке люфт не влияет на его величину, так как на линейном участке зависимости 8 и 9 имеют одинаковый наклон. На номинальном δ_ном и предельных углах δ_max, δ_min будут получаться заниженные напряжения на выходе потенциометра, а следовательно, и заниженные значения К_пос по сравнению с полученными. Так, например, при величине люфта λ=1,3° для δ_ном=13° уменьшение коэффициента передачи будет составлять 1,3°/13°=0,1, т.е. на 10% меньше по сравнению с определенным без учета люфта.

Принципиальная схема устройства для экспериментальной оценки (контроля) коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда приведена на фиг.10. Схема содержит установленный на установочном столе 17 рулевой привод 9 с рулями 10 с потенциометром обратной связи 3 (кинематическая связь движка 18 потенциометра 3 с осью вращения рулей 1 на схеме не показана, чтобы не затенять чертеж), угломер в виде шкалы 13 и стрелки 14, жестко связанной с рулем 10 (например, надеваемой на руль), устройство нагружения в виде надеваемого на руль 10 рычага 11 с эталонным грузом 12, источник питания 15 и вольтметр 16.

В качестве угломера может быть использован любой другой, например оптический, угломер [8, стр. 547; 10, стр. 2-256] с более высокой точностью замера угла поворота рулей, чем угломер стрелка-шкала.

Принцип действия

Рулевой привод 9 с рулями 10 устанавливается на установочном столе 17. На корпусе привода устанавливается и закрепляется хомут со шкалой 13 (хомут и элементы крепления на схеме фиг.10 не показаны). На руль надевается и крепится рычаг 11 со стрелкой 14 (элементы крепления на схеме фиг.10 не показаны ввиду непринципиальности). Запитывается от источника питания 15 потенциометр образной связи 3, напряжение с выхода потенциометра 3 подается на вход вольтметра 16, например универсального вольтметра типа В7-16 с цифровым отсчетом показаний. На плече рычага 11 устанавливается эталонный груз 12 весом Р так, чтобы вращающий момент от действия груза M=Pl, где l - расстояние от оси вращения рулей до места установки груза, был равен вращающему моменту рулевого привода. При этом рули поворачиваются на максимальный угол (на упор) +δ_max (по часовой стрелке, как это изображено на фиг.10). Угломером в виде стрелки 14 со шкалой 13 замеряется угол поворота рулей +δ_max и измеряется вольтметром 16 напряжение на выходе потенциометра обратной связи 3. После перестановки эталонного груза 12 на другое плечо рычага 11 таким же образом измеряются при отклонении рулей на другой упор максимальный угол -δ_max и напряжение . По результатом измерений определяется коэффициент передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода по соотношению

и сравнивается с расчетным и принимается решение о завершении оценки.

С помощью устройства (фиг. 10) можно определить статическую характеристику зависимости

U_пос=f(δ)

для текущих дискретных значений угла отклонения рулей при их повороте до упора +δ_max по часовой стрелке, с упора +δ_max до упора -δ_max против часовой стрелки и с упора -δ_max до δ=0 по часовой стрелке. При этом эталонный груз 12 снимается и вращающий момент для отклонения на текущие дискретные углы δ создается рукой. Статическая характеристика зависимости U_пос=f(δ) приведена на фиг.8, при наличии люфта (поз. 9) имеет вид петли, шириной равной 2λ, где λ - величина люфта.

При доработке схемы устройства фиг.10, суть которой сводится к введению в схему элемента, позволяющего дискретно отклонять руль на текущий фиксированный угол δ, можно снять статическую характеристику зависимости U_пос=f(δ) и определить по ней величину люфта.

Предлагаемый способ оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда за счет применения предлагаемого простого, надежного и доступного технического средства для его осуществления обеспечил повышение информативности и качества оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда на всех этапах разработки, изготовления и испытаний рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов. Эффективность способа и технического средства подтверждена многолетней практикой оценки и контроля рулевых приводов и автопилотов с потенциометрической обратной связью управляемых снарядов и ракет различного класса и назначения.

Таким образом, предлагаемый способ оценки коэффициента передачи цепи потенциометрической обратной связи рулевого привода управляемого снаряда по сравнению с известным позволяет обеспечить объективную и качественную оценку коэффициента передачи и не требует применения сложных, дорогостоящих и громоздких приборов и оборудования, позволяет повысить точность отработки рулевым приводом сигналов управления и точность удержания нулевого положения рулей при отсутствии сигналов управления.

Источники информации

1. Костин С.В., Петров Б.И., Гамынин Н.С. Рулевые приводы. М.: Машиностроение, 1973 г.

2. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. Под общей редакцией В.А. Чащина. М.: Машиностроение, 1987 г.

3. Крымов Б.Г., Рабинович Л.В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1987 г.

4. Выстрел ЗУБК10-1 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10-1.00.00.000 ТО. М.: Военное издательство, 1987 г.

5. Политехнический словарь. Издание второе. Главный редактор академик А.Ю.Ишлинский. М.: Советская энциклопедия, 1980 г.

6. Авдошин М.Ф., Ремизов Б.А. Автоматизация контроля и испытаний автопилотов и их элементов. М.: Машиностроение, 1965 г.

7. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. М.: Наука. 1972 г.

8. Политехнический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1980 г.

9. Белевцев A.T. Потенциометры Издание 3-е, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1969 г.

10. Белкин И.М. Средства линейно-угловых измерений. Справочник. М.: Машиностроение, 1987 г.