Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ И АВТОПИЛОТОВ УПРАВЛЯЕМЫХ СНАРЯДОВ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано для проверки (контроля) качества функционирования рулевых приводов и автопилотов малогабаритных управляемых снарядов.

Рулевые приводы и автопилоты управляемых снарядов относятся к объектам с изменяющимися параметрами. В широких пределах по времени полета снаряда изменяется шарнирная нагрузка на рулях (от пружинной до перекомпенсации) из-за изменения скорости полета снаряда, максимальный развиваемый момент привода в управляемых снарядах, использующих, например, энергию сжатого воздуха за счет скоростного напора набегающего при полета снаряда, в широких пределах по времени полета изменяются также параметры сигнала управления.

Известен, например, управляемый снаряд 3ОФ39 [1], рули которого работают в трехпозиционном релейном импульсном режиме. Лазерная полуактивная головка самонаведения снаряда выдает на рулевой привод снаряда управляющий сигнал в виде серии импульсов напряжения фиксированной амплитуды, длительностью, пропорциональной смещению пятна рассеяния относительно центра площадок фотоприемного устройства, максимальная длительность импульсов составляет 40 мс.

Проверка качества функционирования рулевого привода и автопилота управляемого снаряда при отработке импульсных сигналов является актуальной технической задачей при проведении контрольно-испытательных операций при производстве высокоточного управляемого вооружения.

Сама же задача разработки комплексного способа проверки (контроля) качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов, например, с лазерной полуактивной головкой самонаведения [1] и др., при отработке импульсных сигналов управления не нашла отражения в технической литературе [2] и других источниках, что делает ее решение актуальным для конструкторов-разработчиков, исследователей и испытателей таких систем для оценки их качества функционирования и технического состояния.

Как показал многолетний положительный опыт разработки, исследований и эксплуатации рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов при отработке импульсных сигналов управления, основными показателями качества функционирования которых являются максимальные углы поворота рулей в установившемся состоянии, время эквивалентного запаздывания, оцениваемое по величинам времени срабатывания из нулевого положения на максимальные углы поворота рулей в установившемся состоянии при отработке переднего фронта импульса управления и временам срабатывания (отпускания) с максимальных углов поворота рулей в установившемся состоянии до точки входа в зону, ограниченную заданными значениями ухода нулевого положения рулей, при отработке заднего фронта импульса управления, величина перерегулирования рулей относительно нулевого положения при сходе с максимальных углов поворота рулей в установившемся состоянии, уход нулевого положения рулей в установившемся состоянии после схода с максимальных углов поворота рулей, частота и амплитуда автоколебаний рулей в установившемся состоянии после отработки импульса сигнала управления или при отсутствии сигнала управления.

Эти показатели качества с достаточной для практики степенью точности характеризуют качество функционирования и техническое состояние проверяемого рулевого привода или автопилота управляемого снаряда при отработке импульсных сигналов управления.

Понятие "время эквивалентного запаздывания" не является новым, оно введено, например, для оценки динамики разомкнутых пневмораспределителей [3, стp.85-92] рулевых приводов.

Как справедливо отмечается [3, стр.86, 1-й абзац снизу], "задача разработки методики динамической настройки разомкнутых релейных систем, основным показателем качества которых является время эквивалентного запаздывания, не нашла отражения в литературе, что делает ее решение актуальным".

Этот показатель представляет практический интерес и для оценки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов при импульсных сигналах управления, хотя он и не является единственным, как было отмечено выше.

В литературе [4, стр.61-63] для оценки качества функционирования системы привода введено понятие "уход нуля". Справедливо отмечено [4, стр.61], что влияние ухода нуля системы привода Δδ уменьшается при увеличении коэффициента усиления разомкнутого контура САУ. Под уходом нуля понимается величина отклонения ϕ_c системы, когда величина воздействия на ее входе ϕ_в = 0.
Правда, в работе [5] не раскрыта физическая суть появления ухода нуля в системе.

Причиной ухода нуля является несимметрия параметров элементов системы (измерителя ошибки, усилителя, электромагнита, распределителя [4, рис.38]).

По мнению заявителя и авторов предлагаемого изобретения, более правильным понятием является не "уход нуля", а "уход нулевого положения рулей", так как более правильно говорить о нулевом положении рулей рулевого привода или автопилота, чем о каком-то абстрактном понятии "ноль" или "уход нуля". Ведь физически руль занимает какое-то вполне определенное угловое положение вокруг оси вращения рулей, в том числе оно может быть при отсутствии сигнала управления как нулевым при симметричных параметрах элементов, так и ненулевым при несимметричных параметрах.

Поэтому этот показатель "уход нулевого положения рулей" принят для оценки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов, в том числе как один из основных параметров, характеризующий рулевой привод или автопилот при отсутствии импульсного сигнала управления или после его отработки в установившемся состоянии.

Уход нулевого положения рулей может быть ощутимой величиной по сравнению с максимальным углом поворота рулей, что будет уменьшать линейную зону по перегрузке управления.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили методы исследования автоматических систем по частотным характеристикам [5].

Известен метод (аналог) экспериментального определения частотных характеристик автоматических систем и их элементов при синусоидальном входном воздействии [5, стр.89-133].

Недостатком этого метода является сложность реализации, связанная с наличием сложной и дорогостоящей специальной аппаратуры, не выпускаемой промышленностью в настоящее время, для выделения первой гармоники выходного сигнала.

Известен метод определения частотных характеристик линейных объектов при типовом периодическом воздействии на входе [5, стр.157-159], например, воздействие типа периодических колебаний прямоугольной формы вида 1 и 3 на рис. 3-3 [5], если отсчет вести сверху вниз.

Недостатком этого метода является также сложность реализации, связанная с выделением первой гармони, и ограниченность использования только для исследования линейных объектов.

Известен метод определения частотных характеристик линейных объектов по кривым переходного процесса при непериодическом входном воздействии, например, при входном воздействии в виде прямоугольного импульса [5, стр.160-178, рис. 3-4, в]. Метод этот также сложный, малоинформативный, трудоемкий, причем правильный результат может быть получен при определении частотных характеристик по кривой переходного процесса в том случае, когда используется линейный объект.

Общим для всех этих трех методов является определение частотных характеристик исследуемых систем, что само по себе является привлекательным для оценки одного из показателей качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и оценки их динамики как одного из основных элементов, определяющих динамику всей системы управления управляемого снаряда, а недостатком - их сложность реализации, что отмечалось выше, и малая информативность о состоянии контролируемого объекта, так как в результате получаем только оценку по одному параметру (частотной характеристике), что недостаточно для оценки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов при отработке импульсных сигналов управления.

Наиболее близким к предлагаемому способу проверки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов является способ проверки (прототип) электропневматического рулевого привода по переходному процессу [6, стр.151-157] при отработке рулевым пневмоприводом больших скачков входного угла. Переходный процесс рулевого пневмопривода приведен для различных характеров шарнирной нагрузки (пружинной, перекомпенсации, нулевой) с различными значениями момента инерции руля и характеризует процесс движения руля на участках разгона, перерегулирования и в установившемся состоянии при исследовании нелинейной математической модели силового пневмопривода при вычислении на ЭВМ.

Недостатком известного метода проверки качества функционирования рулевого привода и автопилота по переходному процессу являются следующие:
1. Малая информативность о состоянии реального контролируемого объекта (рулевого привода, автопилота) при отработке импульсных сигналов управления с большой амплитудой, соответствующей максимальному углу отклонения рулей (на упор) в ту и другую сторону, и возврат с этих углов в установившееся состояние.

2. Нет контроля ухода нулевого положения рулей при отсутствии сигнала управления, хотя в общем случае, например, при действии значительной нагрузки перекомпенсации, уход нулевого положения рулей может достигать очень значительных величин по сравнению с максимальным углом поворота рулей (δ_m).
3. Нет контроля частоты и амплитуды автоколебаний рулей при отсутствии сигнала управления, тогда как частота автоколебаний и амплитуда автоколебаний являются комплексными обобщенными параметрами, характеризующими динамику рулевого привода в области высоких частот.

4. Нет оценки частотных характеристик рулевого привода в виде упрощенного аппроксимирующего динамического звена, например, временем эквивалентного запаздывания.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности и надежности контроля качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов при отработке импульсных сигналов управления.

Поставленная задача решается за счет того, что замеряют время эквивалентного запаздывания рулевого привода или автопилота при отработке импульсного сигнала управления, соответствующего максимальному углу поворота рулей в одну (упор +δ_m) и другую (упор -δ_m) сторону, нагружают рули шарнирным моментом и выставляют давление питания привода, соответствующими выбранному режиму полета снаряда, проводят реагистрацию сигналов управления и углов поворота рулей с выхода датчика углов поворота рулей, определяют максимальные углы поворота рулей в установившемся состоянии и времена срабатывания на эти углы, определяют время срабатывания с максимального угла +δ

При проверке качества функционирования рулевых приводов и автопилотов в предлагаемом варианте проверки рули работают в трехпозиционном режиме, т.е. при отсутствии сигнала управления рули находятся в нулевом положении, при подаче импульса управления на тот или другой входы канала управления привода и автопилота рули будут перемещаться соответственно на один или другой упоры.

Современная технология создания новых комплексов управляемых снарядов предполагает широкое применение средств полунатурного моделирования при испытаниях опытных образцов различных блоков аппаратуры системы управления, в том числе таких, как рулевой привод и автопилот. Имитация штатных условий функционирования на этапе лабораторной отработки позволяет существенно повысить достоверность результатов и тем самым сократить объем трудоемких и дорогостоящих полигонных испытаний. Особую эффективность имеет такой подход при разработке и испытаниях воздушно-динамических рулевых приводов (ВДРП) и автопилотов, для которых характерна существенная зависимость качества отработки командного сигнала от аэродинамической нагрузки и давления питания на различных участках полета снаряда, в том числе и на начале управляемого участка. Отсюда вытекает актуальность создания технических средств имитации аэродинамических воздействий на ВДРП не только для полунатурных испытаний опытных образцов в составе модели контура управления, но и для проверки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов на всех этапах их производства и испытаний.

Известна принципиальная схема нагрузочного стенда [7, стр. 315-317, рис. 10-10], который позволяет создавать с помощью пластинчатой пружины шарнирную нагрузку, нагрузку сухого трения, динамическую нагрузку. Настройка, поддержание параметров сухого трения, установка соосности представляют немалые трудности. Имитация несимметричной нагрузки двумя пластинчатыми пружинами [7, рис. 10-12] осложняет настройку и подготовку к работе нагрузочного стенда.

Испытать пневмоприводы на известном стенде не представляется возможным, так как отсутствует устройство для подачи сжатого воздуха рабочего давления к проверяемому рулевому приводу.

Предлагаемый способ проверки реализуется стендом, принципиальная схема которого приведена на фиг.1. Стенд содержит генератор импульсных сигналов 1, пульт управления и контроля 2, источники электро- 3 и пневмопитания 5, например, сеть высокого давления, регистрирующий блок 4, основание 6 с закрепленным на нем проверяемым блоком 7 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота с раскрытыми воздухозаборниками 8 и рулями 9, связанными с пружинами 10 механизма нагружения рулей, устройство пневмопитания, включающее пневморегулятор 11 параметров потока сжатого воздуха, ресивер 12 с измерительным манометром 13 и клапаном сброса 14, коллектор - пневмораспределитель 15 потока сжатого воздуха, пневмоподводы 16 к воздухозаборникам 8 и соединительные пневмошланги 17. Пневмоподвод 16 к каждому из воздухозаборников 8 выполнен в виде съемного проходного наконечника 18 с двумя окнами, входное из которых представляет штуцер 19 цилиндрического типа и соединено пневмошлангом 17 с коллектором-пневмораспределителем 15, выходное окно 20 по форме и площади соответствует приемному окну воздухозаборника и соединено встык с воздухозаборником с герметизацией по месту стыка через уплотнительный элемент 21 по периметру окна, уплотнительный элемент 21 со стороны воздухозаборника выполнен с направляющим воротничком (на схеме фиг.1 не показан), внешние размеры которого соответствуют внутренним размерам окна воздухозаборника 8, а наконечник 18 снабжен откидным пружинным фиксирующим устройством 22, выходная лапка 23 которого прижата пружиной 24 к нижней поверхности воздухозаборника со стороны, противоположной входному окну воздухозаборника 8.

Каждая пружина 10 механизма нагружения рулей расположена в двух подвижных стойках 25 соосно с осью вращения рулей каждого из каналов управления проверяемого блока воздушно-динамического рулевого привода или автопилота. Кроме того, в состав стенда входят накидная вилка 26, вкладыши 27, стягивающий винт 28, паз 29 для компенсации температурных удлинений пружины 10 и от угла поворота рулей 9, индикатор 31 (шкала со стрелкой) угла поворота рулей, направляющие 32, 33 для продольного и поперечного перемещения стоек 25, устройство 30 обеспечения равномерности и плавности изменения шарнирного момента по всему диапазону изменения углов поворота рулей, выдвижные подшипники качения 35, посадочные места 36, рычаг 37, пружина 34, стопорные винты 38.

Стенд фиг. 1 работает следующим образом. Проверяемый блок 7 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота с раскрытыми рулями 9 и воздухозаборниками 8 устанавливается и крепится на основании 6 (элементы крепления ввиду их не принципиальности на фиг.1 не показаны). Один из рулей 9 каждого из каналов управления блока нагружается шарнирным моментом пружинного типа, реализуемым с помощью пластинчатой пружины 10, расположенной в двух стойках 25 соосно с осью вращения рулей. До установки пружины на рули проводится настройка пружины 10 по требуемой величине момента за счет изменения ее длины путем перемещения стоек 25. Симметричность момента при отклонении пружины в обе стороны обеспечивается смещением стоек 25 в поперечном направлении, фиксация стоек 25 от смещения проводится винтами 38. Определяется необходимая длина l₁ пружины между стойками исходя из обеспечения требуемой для проверки блока максимальной величины момента нагрузки при повороте пружины на угол, равный максимальному углу поворота рулей рулевого привода Величина момента создается рычагом с перемещаемым на нем эталонным грузом (на фиг.1 не показано), угол поворота пружины при повороте рычага определяется индикатором 31. При снятии груза угол поворота пружины составляет около нуля градусов, что обеспечивается поворотом вокруг продольной оси двух вкладышей 27 и их фиксацией от проворота стягивающим винтом 28 во второй стойке 25.

После настройки пружины на необходимый момент, выставки нулевого положения и симметрирования нагрузки ослабляют винты 38 и проводится установка пружин на соответствующие рули с помощью вилки 26, обеспечивающей соединение с лопастью руля без бокового зазора. Далее перемещением стоек 25 выставляется выверенная длина пружины l₁, стойки фиксируются винтами 38, проверяются величина и симметрия момента нагрузки (с учетом) момента сопротивления повороту рулей проверяемого блока воздушно-динамического рулевого привода или автопилота. Для исключения дополнительной составляющей момента нагрузки из-за поперечной несоосности точек крепления пружины и подшипников рулей блока подшипники качения 35 выводятся из своих посадочных мест 36 в стойке 25 по внешнему кольцу подшипника качения. После этого механизм нагружения рулей готов к работе. Для компенсации температурных удлинений пружины 10 и от угла поворота пружины 10 с рулями пружина 10 в задней стойке 25 имеет минимальный гарантированный зазор (~ 0,05-0,15 мм на сторону) в пазу между вкладышами 27 по периметру сечения пружины. Этот зазор достаточен для исключения зажима пружины в пазу, так как в противном случае может появиться также дополнительная составляющая нагрузки.

К проверяемому блоку 7 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота подключается пульт управления и контроля 2, который электрически связан с источником электропитания 3 и генератором импульсных сигналов 1. На регистрирующий блок 4, например, светолучевой осциллограф типа Н-115, подключаются выходы датчиков угла поворота рулей и выход генератора импульсов 1. Далее производится включение источников электро- и пневмопитания 3 и 5. Величина рабочего давления выставляется по показаниям манометра 13. От источника сжатого воздуха 5, например сети высокого давления, через пневморегулятор 11, ресивер 12, коллектор-пневмораспределитель 15, пневмошланги 17, пневмоподводы 16 сжатый воздух поступает на входы воздухозаборников 8 и далее в блок 7.

Кроме того, предлагаемый стенд позволяет также имитировать несимметричный шарнирный момент, например, от угла атаки снаряда, создаваемый за счет разворота пружины 10 с вкладышами 27 в стойке 25.

При отсутствии сигнала управления на управляющих входах +У, -У, +Z, -Z рули находятся в нулевом положении с точностью не более угла ±δ₀, где -δ₀ заданное значение ухода нулевого положения рулей, определяемое несимметрией параметров элементов рулевого привода или автопилота, таких как, например, несимметрией времени срабатывания пневмораспределителя, несимметрией по скорости перемещения рулей и развиваемому моменту исполнительного двигателя рулевого привода или автопилота, несимметрией момента нагрузки и др.

При подаче импульса управления +У pyли будут отклоняться нa упор (в идеальном случае), при снятии (отключении) сигнала рули будут возвращаться в нулевое положение. Этот процесс вместе с сигналом управления U_y фиксируется регистрирующим блоком 4 на осциллограмму, вид которой представлен на фиг.2, где U_y - сигнал управления +У, δ - угол поворота рулей, δ₀ - заданное значение ухода нулевого положения рулей.

Проводится обработка осциллограммы с определением максимального угла поворота рулей +δ

Поочередно подавая сигнал управления на вход -У, +Z, -Z, проводится определение показателей качества функционирования блока 7 и по этим входам. Причем знаки сигналов +У и +Z соответствуют движению pyлей в одну сторону, -У и -Z - в другую сторону.

Полученные значения измеряемых параметров сравнивают с заданными на выбранных расчетных режимах и принимают решение о качестве функционирования проверяемого рулевого привода или автопилота.

По результатам определения времени t_ср, угла δ

Для обеспечения этого режима работы импульсные сигналы подаются одновременно на входы +У и -У таким образом, чтобы передние и задние фронты импульсов совпадали по времени. Аналогично делается для пpoвepки и втopoгo кaнaлa для сигналов +Z и -Z.

Таким образом, предлагаемые способ проверки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов и стенд для его осуществления с достаточной для практики степенью точности, надежности и трудоемкости позволяют проводить оценку качества продукции на различных этапах изготовления и испытаний рулевых приводов и автопилотов малогабаритных управляемых снарядов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. 152-мм выстрел 3ВОФ64 (3ВОФ93) с осколочно-фугасным управляемым снарядом 3ОФ39 и зарядом 1 (уменьшенным переменным зарядом). Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3ВОФ64.00.00.000 ТО (3ВОФ93.00.00.000 ТО). М., Военное издательство, 1990.

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

3. Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов. Сборник научных трудов. Тула, Тульский политехнический институт, 1990.

4. Шорников Е.Е. Проектирование автоматических систем. Учебное пособие. Тула, Тульский политехнический институт, 1984.

5. Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М-Л., ГЭИ. 1963.

6. Крылов Б.Г., Рабинович Л.В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. М., Машиностроение, 1987.

7. Мелкозеров П.С. Приводы в системах автоматического управления. М-Л., Энергия, 1966.