1.4.10. Принципы построения систем управления положением. Системы управления положением исполнительного органа.

Системы регулирования положения имеют очень широкий диапазон назначения. Они применяются в различных промышленных установках и работах в качестве систем наведения антенн, оптических радиотелескопов. Множество исполнительных двигателей от единиц до сотен кВт, их питание осуществляется от электромашинных, тиристорных преобразователей, транзисторных усилителей мощности.

Контроль положения осуществляется с помощью датчиков, которые в аналоговой илидискретной форме дают информацию о перемещении рабочего органа на протяжении всего пути. Вкачестве датчиков используются сельсины, импульсные и цифровые датчики и др. В большинстве случаев мощные промышленные системы управления положением привода строятся по принципам подчиненного регулирования при питании ДПТ от ТП. На рис. 1.85 СУ положением в которой при переключении переключателя П осуществляется замыкание аналогового или цифрового контура.

Рис.1.85. Схема системыуправления положением.

В первом случае измерительными элементами являются сельсины, работающие в трансформаторном режиме. Сельсин-приемник (СП) связан с исполнительным органом (ИО), который приводится от двигателя М через редуктор РД. Подача на вход управляющего воздействия, которым является поворот сельсина датчика (СД) на некоторый угол φ_у относительно СП, вызывает появление на его однофазной обмотке напряжения переменного тока U_ссд, значение которого определяется значением угла рассогласования ¸ а фаза – направлением поворота (знаком угла). Фазочувствительным выпрямителем (ФЧВ) напряжение выпрямляется, полярность Uфчв определяется знаком рассогласования.

Напряжение, появляется на выходе РП, воздействуя на вход контура скорости, и двигатель вращается, отрабатывая рассогласования пока не установится равенство φ=φ_у.При ограничении входного напряжения РП значением U .огррп максимальная скорость двигателя не превышает номинального значения ω_н.

В цифровом контуре положения измерительным элементом является дискретный датчик обратной связи (ДОС). С помощью схемы преобразования (СП) с него снимается сигнал в двоичном коде, благодаря чему датчик вместе со схемой преобразования представляет собой преобразователь «угол-код» (ПУК) или преобразователь «линейное перемещение-код».

Вычислительное устройство (ВУ), сравнивая полученные в цифровой форме предписанное значение и истинное значение, определяет код ошибки и вырабатывает в цифровой форме корректирующий сигнал, преобразуя результат вычислений в напряжение, действующее на вход контура скорости. Наиболее перспективное направление при создании цифровых систем управления положением – применение управляющих ЦВМ.

По принципу действия ЦВМ выполняет необходимые математические операции в течение определенного времени, называемого периодом дискретности. Если ЦВМ решает сложные задачи управления всем технологическим процессом и рассматриваемая система – одна из локальных систем, то период дискретности не будет сделан достаточно малым и использование ЦВМ в контуре регулирования нерационально. Тогда СУП выполняется как автономная, а ЦВМ вырабатывает предписанное значение перемещения в цифровом виде.

В цифровом контуре регулирования значения величины, полученной при математических действиях за период дискретности, остается неизменный и в последующий период дискретности. Происходит процесс квантования по времени (процесс превращения непрерывной функции времени в ступенчатую). Цифровое представление величин характеризуется тем, что возможна фиксация не любых значений величины, а ряда значений, отличающихся друг от друга на единицу младшего разряда. Так происходит квантование по уровню. Значит цифровой контур – нелинейная дискретная система.

В общем случае структуру цифровой системы регулирования положения (СРП) представляем в виде (рис.1.86.). Цифровые корректирующие устройства ЦКУ1 и ЦКУ2 обрабатывают информацию соответственно в ЦВМ и ВУ, реализуя принятые законы управления. Эффект квантования по времени учитывается введением импульсных элементов (ключи), с периодами дискретности Т1, Т2, Т3. Квантование по уровню осуществляется нелинейными элементами НЭ1, НЭ2, НЭ3, имеющими релейную характеристику с числом ступеней N=2α-1, где α – число используемых двоичных разрядов. Экстраполятор Э преобразует дискретный сигнал в непрерывный. Экстраполяция – (лат. выпрямляю, изменяю) отыскание значений функции в точках, лежащих вне интервала, содержащего известныезначения этой функции. Выходное напряжение экстраполятора воздействует на аналоговую неизменяемою часть контура положения с передаточной функцией.

Рис.1.86. Структура цифровой системы регулирования положения.

Системы управления положением исполнительного органа.

Управление угловым положением требует не только достаточно полной информации о таковом и о скорости его изменения, но и возможности целенаправленных изменений углового движения. Нужные для этой цели управляющие моменты создаются системой исполнительных органов.

По принципу действия исполнительные органы можно разбить на два типа: использующие для создания управляющих моментов внешние по отношению к КА силы и основанные на реактивных принципах.

К первому типу относят такие исполнительные органы, которые создают управляющие моменты в результате взаимодействия с магнитным полем Земли, например, за счет расположения токонесущих контуров или поворачиваемых постоянных магнитов так, чтобы изменялся магнитный момент и в результате целенаправленного взаимодействия с магнитным полем Земли создавались нужные управляющие моменты, приложенные к корпусу. Преимуществом подобных моментных магнитоприводов является то, что для их функционирования потребна лишь электроэнергия, в принципе восполняемая от солнечных батарей, а недостатком - существование одного направления, вокруг которого принципиально невозможно создание управляющего момента, т. е. направление, параллельное вектору магнитной индукции Земли в данной точке орбиты.

Ко второму типу исполнительных органов относят реактивные двигатели ориентации (ДО), создающие реактивные силы и гироскопические силовые стабилизаторы (ГСС), создающие реактивные моменты.

Рис. 1.87. Расположение двигателей ориентации относительно главных центральных осей инерции КА при управлении ориентацией с помощью сил.

Для обеспечения полного управления ориентацией, т. е. управления по трем осям, необходимо, чтобы расположение осей было согласовано с эллипсоидом инерции (рис. 1.87), оси совпадали с главными центральными осями инерции, а включение одного давало бы момент только вокруг одной из таких осей. Пусть триэдр жестко связанных с корпусом осей OXYZ совпадает с главными центральными осями инерции, а показанные на рис. 1.88 плоскости являются плоскостями симметрии эллипсоида инерции. Оси сопел A, B, Слежат в плоскостях, проходящих через центр масс О и перпендикулярных осям инерции, относительно которых происходит управление; удалены от соответствующей оси на расстояниеl и, кроме того, перпендикулярны прямой, соединяющей точку их установки и ось, вращение вокруг которой они обеспечивают. Поэтому включение любого создает момент только относительно одной главной оси инерции.

Преимуществом такой схемы является наличие минимального количества (шесть), а недостатком - приложение к корпусу при включении одного не только момента, но и силы, что малосущественно, но на длительных межпланетных трассах нежелательно. Чисто моментное управление можно обеспечить за счет удвоения количества, включаемых попарно. Как известно из механики, место приложения пары сил несущественно. Это положение предоставляет определенную свободу при компоновке. Схема такого расположения показана на рис.1.88, причем двигатели, обеспечивающие вращение вокруг одной главной центральной оси инерции, обозначены одинаковыми буквами.

Рис. 1.88. Расположение двигателей ориентации относительно главных центральных осей инерции КА при управлении ориентацией парами сил

Иногда размещение диктуется их расположением на одном агрегатном отсеке (рис. 1.89), когда все они сосредоточены в одной плоскости и управление вокруг осей О_К иO_Zпроисходит за счет управления силами, а по оси О_Х - пар сил.

Техническое решение реактивных двигателей ориентации может быть различным. Чаще всего используют два типа таких: работающие на сжатом газе и на одно- или двухкомпонентном топливе. В работающем на сжатом газе (рис. 1.89), в баллоне хранится сжатый до большого давления газ (обычно азот), давление которого в редукторе снижается до нужного значения.

Рис. 1.89. Расположение двигателей ориентации в одной плоскости.