Система стабилизации средне - магистрального грузопассажирского самолета АН-74 в ПРОДОЛЬНОМ движении

По полученным графикам можно сделать вывод, что при повышение коэффициента усиления регулятора приводит к увеличению быстродействия и уменьшению статической ошибки регулирования.Исследуемая система управления в канале продольного движения - устойчива, но требует улучшения показателей качества.2.8 Синтез дискретной системыКоррекцию в САУ можно производить не только с помощью аналоговых, но и с помощью цифровых устройств. Преимуществом цифровых корректирующих устройств является то, что их можно включать в различные места схемы (цифровая обработка информации в датчиках, цифровые регуляторы (ЦР) для каждого объекта управления, для каждого канала, в обратные связи).В системе управления с обратной связью функции регулятора или корректирующего устройства может выполнять цифровой компьютер. Компьютер получает и обрабатывает сигнал в цифровом (численном) виде, а не в виде непрерывной переменной. В цифровой системе управления обязательно присутствует компьютер, входной и выходной, сигнал которого представлены в виде числового кода. Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму осуществляет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), Выходной сигнал компьютера (цифровой) преобразуется в непрерывную форму с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП).Цифровая система оперирует с данными, получаемыми из непрерывного сигнала путем выборки его значений в равноотстоящие моменты времени. В результате получается временная последовательность данных, называемая дискретным сигналом. По месту включения КУ системы с последовательной коррекцией, очень важным этапом синтеза КУ является выбор периода квантования .Период квантования в дискретной системе управления определяем по формуле: . (2.16)Подставив значения, получили Т0.16 с.Следующий этап построения дискретной системы корректирующего устройства выполняется следующим образом: заменим экстраполятор нулевого порядка и непрерывное корректирующее устройство одним микроконтроллером. Для построения микроконтроллера необходимо найти z – преобразование от передаточной функции непрерывного корректирующего устройства с учетом выбранного периода квантования.Определения z – преобразование от передаточной функции непрерывного корректирующего устройства будем производить в приложении пакета MATLAB с использованием соответствующих команд:>> p=c2d(a,0.16) Sampling time: 0.16Получим:. (2.17)Выражение представляет собой дискретную передаточную функцию корректирующего устройства – вычислителя продольного канала.Таким образом, был произведен синтез и анализ дискретной системы.Показатели качества спроектированной системы удовлетворяют всем требованиям технического задания.Построение дискретной системы будет осуществляться в среде пакета MATLAB с использованием приложения Simulink. Для этого введено в непрерывную систему дискретный элемент (ZOH) – экстраполятор нулевого порядка.Модель исследуемой дискретной САУ, построена в приложении пакета MATLAB – Simulink, представлена на рис. 2.11Рисунок 2.11 - Схема моделирования дискретной системыИспользуя модель дискретной системы, представленную на рис. 2.12, строим переходные характеристики САУ.Переходная характеристика дискретной системы по углу тангажа:Рисунок 2.12 - Результат моделирования дискретной системы по углу тангажа по задающему воздействиюРисунок 2.13 - Результат моделирования дискретной системы по углу тангажа по возмущающему воздействиюОсновные показатели качества дискретной САУ в режиме стабилизации самолета АН-74 имеют следующие значения:1) время переходного процесса при ступенчатом воздействии - =45с;2) перерегулирование =9%.Таким образом, дискретная система удовлетворяет требования технического задания по всем рассматриваемым показателям качествам управления..3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬЭкспериментальную часть представленного проекта осуществляем на универсальном лабораторном стенде.Стенд состоит из двух частей: аналоговой и цифровой. Аналоговая часть включает в себя аналоговую вычислительную машину МН-7, электромеханический блок с усилителем мощности, смонтированные на одном столе, а цифровая состоит из платы сопряжения, расположенной в стенде налогового моделирующего стенда, и платы, установленной в персональном компьютере. Общий вид лабораторного стенда:Рисунок 3.1 - Внешний вид лабораторного стенда- блок питания;- электронно-лучевой индикатор;- панель управления;- наборное поле;- электромеханический блок:а) двигатель;б) генератор;в) тахогенератор;г) импульсный датчик числа оборотов;– усилитель мощности;7 – плата сопряжения;– розетка;– тумблер.Графическое представление функциональной схемы исходной САС, построенной по принципу управления по задающему воздействию, представлено на рис. 3.2.Рисунок 3.2 – Функциональная схема исходной САСНа рис. 3.2 приняты следующие обозначения:ОАС – объект автоматической стабилизации;УАС – устройство автоматической стабилизации;УМ – усилитель мощности;РМ – рабочий механизм;ЭД – электродвигатель;UУ(t) – напряжение управления;UЗ(t)– задающее воздействие;Мвр(t) – вращающий момент двигателя на РМ;Мс(t) – момент сопротивления;fi(t) – возмущающие воздействия;Эi(t) – подводимая энергия.3.1 Определение масштабных коэффициентов и номиналов элементов схемы САУНеобходимость определения масштабных коэффициентов обусловлена ограниченным набором номиналов элементной базы стенда. В связи с этим не во всех случаях можно реализовать на стенде необходимые значения входных и исходных сигналов, коэффициентов передачи и постоянных времени элементов системы и системы в целом.Определение масштабных коэффициентов и номиналов элементов схемы усилителя мощности.Уравнение вход-выход для УМ в следующем виде: .(3.1)На основании технических характеристик УМ и универсального стенду, определяем масштабные коэффициенты УМ, значения которых следующие:,(3.2)где - масштабный коэффициент УМ за входом;входное напряжение УМ, реализованного на стенде;(3.3)где - масштабный коэффициент УМ за выходом;выходное напряжение УМ, реализованного на стенде;(3.4)где - масштабный коэффициент УМ за временем.Подставив полученные значения масштабных коэффициентов, выражение (3,2) -(3,4), у выражение (3.1), получаем следующие значения постоянной времени и коэффициента передачи УМ, реализованного на стенде:.(3.5)Схема набора усилителя мощности на универсальном лабораторном стенде представлена на рис. 3.1.Рисунок 3.1 - Схема набора УМНа основании выражений (3.5) и (3.6) и схемы набора УМ (рис. 3.1), получаем следующие номиналы элементов схемы УМ: (3.6)где R=1 МОм.Определение масштабных коэффициентов и номиналов элементов схемы рулевой машины.Для удобства определения и реализации масштабных коэффициентов, запишем передаточную функцию РМ, выражение (2.6), в виде двух передаточных функций в следующем виде : (3.7)где - передаточная функция РМ без интегрирующей составляющей; - передаточная функция интегрирующей составляющей РМ. Передаточная функция РМ без интегрирующей составляющей имеет следующий вид:(3.8)Передаточная функция интегрирующей составляющей РМ имеет следующий вид:.(3.9)На основании передаточных функций РМ, выражение (3.8) и (3.9), записываем уравнение вход-выход для РМ в следующем виде:;(3.10)=.(3.11)На основании технических характеристик РМ и универсального стенда, определяем масштабные коэффициенты РМ, значение которых следующие:(3.12)где - масштабный коэффициент РМ без интегрирующей составляющей за входом;- входное напряжение РМ без интегрирующей составляющей, реализованной на стенде; град/В,(3.13)где - масштабный коэффициент РМ без интегрирующей составляющей за выходом; - исходное напряжение РМ без интегрирующей составляющей, реализованной на стенде;,(3.14)где - масштабный коэффициент РМ за временем; град/В,(3.15)где - масштабный коэффициент интегрирующей составляющей РМ за входом;- входное напряжение интегрирующей составляющей РМ, реализованной на стенде; град/В,(3.16)где - масштабный коэффициент интегрирующей составляющей РМ за выходом; исходное напряжение интегрирующей составляющей РМ, реализованной на стенде.Подставив полученные значения масштабных коэффициентов, выражение (3.10) -(3.14), у выражение (3.11), и, выражение (3.16) - (3.17) у выражение (3.12) получаем следующие значения постоянной времени и коэффициента передачи РМ, реализованной на стенде:;(3.17)(3.18)Схема набора рулевой машины на универсальном лабораторном стенде представлена на рис. 3.2.Рисунок 3.2- Схема набора РМНа основании выражений (3.16) - (3.18) и схемы набора РМ, рисунок 3.2, получаем следующие значения номиналов элементов схемы:(3.19)где Rо=1МОм,Со=0,1 мкФ;,(3.20)R=1МОм.Определение номиналов элементов схемы сумматора.Схема набора сумматора на универсальном лабораторном стенде представлена на рис. 3.3.Рисунок 3.3 - Схема набора сумматораНа основании схемы набора сумматора, рис. 3.3, записываем уравнение, которые реализует сумматором в следующем виде:.(3.21)Выражение (3.21) выполняется при выполнении следующих условий:R1=R=Rо.(3.22)На основании выражений (3.22), получаем следующие номиналы элементов сумматора:R1=R=Rо=1 МОм;Определение масштабных коэффициентов и номиналов элементов схемы усилителя.Дополнительный усилитель используется для инвертирования сигнала с целью получения необходимого знака сигнала.На основании этого получаем следующее значение коэффициента передачи дополнительного усилителя, реализованного на стенде:.(3.23)Схема набора дополнительного усилителя на универсальном лабораторном стенде представлена на рис. 3.4.Рисунок 3.4 - Схема набора усилителяНа основании выражения (3.23) и схемы набора усилителя, рис. 3.4, получаем следующие номиналы элементов дополнительного усилителя:,(3.24)Rо=R=1 МОм.3.2 Анализ функциональных свойств САУАнализ функциональных свойств САУ реализованной на универсальном лабораторном стенде будем осуществлять по переходным характеристикам системы.Переходная характеристика САУ по задающему действию:Рисунок 3.5 - Переходная характеристика САУ по задающему действиюПереходная характеристика САУ по возмущающему действию:Рисунок 3.6 - Переходная характеристика САУ по возмущающему действиюНа основании этого, основные показатели качества САУ в режиме стабилизации продольного движения АН-74, реализованной на универсальном лабораторном стенде.1)перерегулирование - = 0;2)время переходного процесса - = 6 с.Представленные значения показателей качества САУ отличаются от значений полученных в пункте 3, это объясняется ограниченным набором номиналов элементной базы универсального лабораторного стенда.4 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬПроизведем проектирование специализированного вычислителя, построенного на базе микроконтроллера МК51, которая реализует полученный закон управления.4.1 Преобразование алгоритмов управления для реализации в вычислителеВходной информации для вычислителя является сигнал с датчика угла тангажа, что представляются уравнениями однополярных сигналов в диапазоне 0..10В. Это отвечает изменению в диапазоне углов -25…+25 град.Выходной информацией является сигнал управляющего воздействия также приведенный к диапазону амплитуд 0..10 В.Поскольку входной параметр алгоритма поступает непосредственно с соответствующего датчика, то первоначальная обработка не нужна.Передаточная функция вычислителя имеет вид:.(4.1)Переходим к уравнению цифрового регулятора в оригиналах:Y[kT0]=Y[(k-2)T0]-2Y[(k-1)T0]-5.02U[(k-2)T0]+0.88U[(k-1)T0]--3.7U[kT0].4.2 Построение функциональной схемы вычислителяВычислитель включает в себя такие блоки: процессорный блок, блок параллельного ввода и АЦ-преобразования, блок последовательного ввода, блок параллельного вывода и ЦА-преобразования. Все блоки объединены физически раздельными шиной адреса (ША) разрядностью m=16, шиной данных (ШД) разрядностью m=8 и сигналами управления. Функциональная схема вычислителя представлена на рис. 4.1Рисунок 4.1 – Функциональная схема вычислителя4.3 Выбор элементной базыНеобходимо выбрать следующие элементы: микроконтроллер, микросхемы АЦП и ЦАП, операционные усилители, резисторы и конденсаторы.Формат входных и выходных данных определяет точность представления информации в цифровом виде. Требуемая длина разрядной сетки определяется:(4.2)где - разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), - дополнительные разряды для компенсации вычислительной погрешности.Значение рассчитывается исходя из обеспечения точности преобразования не хуже точности измерений, следовательно, ; 0.5%.Абсолютная погрешность АЦ-преобразования составляет:,(4.3)где - максимальное значение сигнала, принимаемого с датчика.Вес младшего разряда выходного кода АЦП определяется как:. (4.4)Тогда. (4.5)Принимаем значение =8 разрядов, т.е. АЦП должен быть как минимум 8-разрядным. Поскольку необходимо предусмотреть обработку данных в знаковом формате, то количество значащих разрядов равно , т.е. условие (4.7) не выполняется. Поэтому окончательно принимаем разрядность АЦП , а обработку данных будем выполнять в формате n=16, соответственно количество дополнительных разрядов n=6, полностью покрывает возможную вычислительную погрешность.Значение кода, получаемого с АЦП, непосредственно соответствует уровню входного сигнала в вольтах, но не выражает значения параметра в физических единицах. Машинное представление физического значения параметра и код АЦП связаны соотношением:, (4.6)где - коэффициент преобразования АЦП; - максимальное значение выходного кода АЦП, определяемое его разрядностью:, (2.7) - коэффициент передачи датчика и схемы нормализации сигнала для измерения угла тангажа.Учитывая заданные значения параметров алгоритма и сравнительную вычислительную простоту, реализуем машинную обработку информации в формате (фиксированная запятая – дробовая арифметика) разрядность n=16. Поскольку при реализации алгоритма данные будут представлены в формате ФЗ – ДА с требованием к значению любого параметра , то стоит выполнить операционное масштабирование вычислительного алгоритма. Тип процессора выбираем из соображений наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Таким образом, выбран ATmega16 - 8-разрядный микроконтроллер семейства AVR, предназначенный для встраиваемых приложений. Заданный период дискретности составляет =0.002с=200мкс. Тактовая частота используемого микроконтроллера ATmega16 МГц, следовательно, период импульсов для таймера ATmegа16 составит =2мкс. Максимальный интервал времени, реализуемый таймером =65535мкс. Поскольку > , то данный период дискретности может быть реализован только аппаратными средствами ATmegа16 (таймер в 16-битовой конфигурации счетного регистра).Учитывая рассчитанную разрядность АЦП и диапазон входных сигналов, а также необходимость прямого сопряжения АЦП с ATmega16, выбираем ИС АЦП типа К1113ПВ1 (имеет вход «сброса-запуска» и выход «готовность данных», время преобразования =32мкс).Основным параметром при выборе ЦАП является разрядность выходного кода. Выбираем ИС типа КR572РА1 (10-разрядный ЦАП). Схема включения этой ИС требует использования операционных усилителей на выходе в качестве повторного сигнала. Для этих целей используем операционные усилители типа TL072 Полный алгоритм функционирования вычислителя для реализации алгоритма стабилизации состоит из таких этапов:прием кода АЦП со значением угла тангажа, продолжительность ожидания сигнала готовности от АЦП контролируется программно;масштабирование и преобразование формата для ;реализация вычислительных алгоритмов соответственно к соотношению;ожидание завершения периода вычисления, реализованное через организацию пустого цикла с выходом по прерыванию от таймера;запись стартового числа и переход к пункту 1.Реализация вычислительных зависимостей в соответствии с алгоритмом представлена на рис. 4.2 Рисунок 4.2 – Блок-схема работы вычислителяЗАКЛЮЧЕНИЕВ данном дипломной проекте была разработана система стабилизации средне – магистрального грузопассажирского самолета АН-74 в продольном движении.При установившемся движении ЛА должны быть достигнуты: заданное время переходного процесса, точность выполнения команд, слабая реакция на внешние возмущения, оптимальность полета (минимальная затрата топлива, минимизация времени полета, максимальная дальность и т.д.), безопасность полета.Система стабилизации предназначена для измерения значений параметров состояния, сравнения их с требуемыми, и, в случае отклонения, коррекции значений управляющих воздействий для уменьшения ошибок полета.В результате выполнения дипломного проекта были рассмотрены возможные методы и пути решения задачи в целом, сформирована структурно-функциональная схема канала системы стабилизации, разработаны математические модели ЛА как объекта управления и проанализированы его динамические свойства, структура и принципы управления объектом, произведен приближенный параметрический синтез аналогового и цифрового регулятора. Было проведено проектирование платы и построение алгоритмов управления вычислительного устройства, разработка технологического процесса сборки платы вычислительного устройства.Экспериментальную часть представленного проекта осуществлено на универсальном лабораторном стенде.Решены вопросы экономического обеспечения разработки и безопасности жизнедеятельности.Полученные результаты удовлетворяют требованиям технического задания по динамическим, массово-габаритным характеристикам спроектированного канала системы управления.ЛИТЕРАТУРА1. Летов А.М. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969 г., 232 с.2. Беллман Р. Динамическое программирование. ИЛ, 1960 г.3. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука,1966 г.4. Кротов В.Г., Гурман В.И., Букреев В.З. Новые методы вариационного исчисления в динамике полета. М.: Машиностроение, 1969 г.5. Соколов Ю.Н. Компьютерный анализ и проектирование систем управления. Харьков: «ХАИ», 2005 г., 260 с.6. Моделирование динамических систем в среде SIMULINK/Кортунов В.И,Дыбская И.Ю. - Харьков: ХАИ, 1999 г., 131 с.7. Микропроцессоры: В 3 кн. Кн. 1: Архитектура и проектирование микроЭВМ.Организация вычислительных процессов / Под ред. Л.Н. Преснухина. - Мн.:Высшая школа, 1987. 8. Павлов В.А., Понырко С.А., Хованский Ю.М. Стабилизация летательныхаппаратов и автопилоты. М.: Высшая школа, 1964 г., 484 с.9.Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. Машиностроение,1973 г.10. Михайлов И.А. и др. Системы автоматического управления самолетом.Машиностроение, 1987 г.11. Бородин В.Т. Рыльский Г.И. Пилотажные комплексы и системы управления самолетов и вертолетов. Машиностроение, 1978.12. Системы стабилизации летательных аппаратов. Вартанян В.М., Борушко Ю.М., Сысун А.И. - Харьков: ХАИ, 1989 г., 86 с.13. Потемкин В.Г. Система Маtlab: справочное пособие. М: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997 г., 350 с.14. Байбородин Ю.В. и др. Бортовые системы управления полетом. Транспорт, 1975.15. Гуськов Ю.П., Загайнов Г.И. Управление полетом самолетов. Машиностроение, 1980 г.16. Шаталов А.С. и др. Летательные аппараты как объекты управления. Машиностроение, 1972 г.17. Михайлов А.С. и др. Системы автоматического и директорного управления самолетом. М.: Машиностроение, 1974 г.18. Тангеев Ю.И. и др. Системы стабилизации. М.: Машиностроение, 1974 г.19. Синяков А.Н., Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления ЛА и их силовыми установками. М.: Машиностроение, 1987 г.20. Заболотный В.А. Проектирование технологических процессов сборки электронных устройств приборов и систем управления летательных аппаратов. Харьков: ХАИ, 1997 г., 43 с. Приложение АОбщий вид самолета Ан-74-300ТКПриложение БМатематическая модель объекта управленияG=mg=186200м/, где g=9.8.;;;гдекг/;;;;;(1) (2)(3)