книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

которых определяется инерционными свойствами последующих элемернтов системы управления. Нижнюю границу частоты авто­ колебаний определяют требования к системе управления в отно­ шении допустимой величины пульсаций на рвыходе релейного уси­ лителя. Практически в системах автоматического управления частота линеаризующих колебаний выбирается равной 10—20 Гц.

Релейные усилители ^внутренней линеаризацией широко при­ меняются в авиационной автоматике. Такие усилители встреча­ ются в следящих системах (системах отработки) счетно-решаю­ щих устройств, в автопилотах самолетов и управляемых ракет,

Р и с. 2.52. Схемы пропорционального поляризованного реле:

а — с обмотками возбуждения; б — с постоянными магнитами

Для преобразования электрических сигналов в пропорцио­ нальное перемещение якоря служит пропорциональное поляризо­ ванное электромагнитное реле (рис. 2.52,а), используемое в авто­ пилоте АП-28. Управляющие обмотки и в»\.2 реле вклю­ чены в анодные цепи ламп электронного усилителя. Угол

электромагнита намотана обмотка возбуждения л а которую подается напряжение при включении автопилота. Движение яко­ ря осуществляется в результате взаимодействия магнитных .по­ токов обмоток управления и обмотки .возбуждения.

потока. Магнитный поток обмоток возбуждения показан на чер­ теже сплошными линиями. Если магнитный поток обмоток уп­ равления отсутствует, то величины боковых составляющих пото­ ка, проходящих через боковые стенки якоря, одинаковы, и боко­ вые силы, действующие на якорь, уравновешивают друг друга. При появлении магнитного потока какой-либо обмотки управле­

ния появляется магнитный поток Фу управления (пунктирная кривая), который с одним из боковых потоков возбуждения Фб1 направлен встречно, а с другим Фб2— согласно. Вследствие это­ го нарушается равенство боковых магнитных потоков и начинает­ ся движение якоря. Якорь перемещается.в ту сторону, где проис­ ходит сложение бокового потока возбуждения и потока управле­ ния. При этом происходит перераспределение торцевых и боковых составляющих потоков между собой. На той стороне, в направ­ лении которой якорь движется, торцевой поток увеличивается, а боковой лоток уменьшается. На противоположной стороне, нао­ борот, уменьшается торцевой поток и увеличивается боковой. Вследствие этого наступает новое равенство боковых потоков и новое положение равновесия якоря. Величина отклонения яко­ ря от нейтрали определяется величиной тока управления, а на­ правление отклонения — его знаком. Электромагнит, вследствие значительной индуктивное™ и механической инерции, имеет за­ метную постоянную времени, достигающую 0,04 с. По динамиче­ ским свойствам такое реле следует отнести к колебательным звеньям.

Другой разновидностью управляющего реле, осуществляюще­ го преобразование электрического сигнала в пропорциональное ему перемещение якоря, служит устройство, представленное на рис. 2.52,6. Обмотки управления wyl и wyl включены таким об­ разом, что магнитные потоки в якоре, создаваемые ими при про­ хождении тока, направлены навстречу друг другу. Результирую­ щий магнитный поток Фу в якоре пропорционален разности то­ ков /1 и h, протекающих в обмотках. Магнитные потоки посто­ янных магнитов Ф„ замыкаются через торцы якоря.

Если сигнал управления отсутствует, то разность токов, про­ текающих по обмоткам, равна нулю, результирующий магнит­ ный поток Фу равен нулю и якорь реле удерживается в нейт­ ральном положении плоской механической пружиной. При появ­ лении сигнала управления ток в одной из обмоток становится больше, чем в другой. Разностный магнитный поток Фу взаимо­ действует с магнитными потоками постоянных магнитов Фп. В одной части воздушного зазора потоки ф п и Фу складываются, а в другой вычитаются. При этом появляется результирующий момент, стремящийся развернуть якорь в направлении суммарно­ го магнитного потока. Вращающий момент, приложенный к яко­ рю, пропорционален разности токов в обмотках те>у1 и wy2, а противодействующий момент механической пружины пропорцио­

нален углу поворота якоря. Следовательно, якорь поворачивает­ ся на угол, пропорциональный разности токов / 1 и 1%или сигналу управления. По динамическим свойствам такое реле может быть отнесено к колебательным звеньям с постоянной времени поряд­ ка 0,05 с.

148

§ 2.3. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Пополнительные устройства (исполнительные органы) в си­ стемах автоматического регулирования в соответствии с сигна­ лами, получаемыми от усилителен .или измерительных органов, так воздействуют иа объект регулирования через его регулирую­ щие органы, что возникшее отклонение регулируемой величины от заданного значения ликвидируется или стремится к устано­ вившемуся значению. Наиболее распространенными исполни­ тельными устройствами являются сервомоторы или серводвига­ тели.

В силовых следящих системах автосопровождения цели сер­ вомоторы поворачивают стволы пушек и радиолокационные ан­ тенны . В системах автоматической стабилизации сервомоторы перемещают или поворачивают регулирующие органы объектов регулирования. Регулирующими органами таких объектов, как самолет пли ракета, являются рули. Сервомотор, снабженный ре­ дуктором, тормозными и выключающими устройствами, иногда называют приводом регулирующего органа. Приводы рулей са­ молета называют также рулевыми машинами. Сервомотор всег­ да жестко связан с регулирующим органом, и поэтому, как пра­ вило, характер движения регулирующего органа определяется динамическими свойствами сервомотора.

По виду энергии, .используемой в сервомоторах, последние можно подразделить на электрические (постоянного и перемен­ ного тока), гидравлические, пневматические. Кроме того, разли­ чают сервомоторы пропорционального действия и сервомоторы постоянной скорости. У первых зависимость скорости вращения ■от входной величины — пропорциональная, у вторых — релей­ ная. По режиму работы исполнительные устройства существенно отличаются от механизмов дистанционного управления и от при­ вода. В приводе механизмы работают в повторно-кратковремен­ ных или длительно-установившихся режимах.

Исполнительные устройства работают в режиме непрерывных случайных колебаний. Это обусловлено тем, что на систему авто­ матического регулирования в процессе работы действуют возму­ щения, носящие, как правило, случайный характер. Под влияни­ ем этих возмущений регулируемая величина отклоняется от за­ данного значения, что вызывает сигнал управления и перемеще­ ние регулирующего органа. Ввиду того, что возмущения действу­ ют непрерывно, движение исполнительного устройства также происходит непрерывно. Исполнительные устройства непрерывно меняют скорость движения как по величине, так и по знаку. Это и приводит к тому, что в сервомоторах непрерывно происходят переходные процессы, обусловленные пуском, торможением и из­ менением направления вращения. Такой режим является, безус­ ловно, более тяжелым и напряженным по сравнению с режимом

149

работы привода, поэтому к сервомоторам предъявляются более высокие требования с точки зрения динамических свойств. С це­ лью улучшения динамических свойств сервомоторов при их кон­ струировании стремятся снизить их собственные инерционные си­ лы и моменты.

Помимо специфических требований высокого быстродействия, исполнительные устройства летательных аппаратов должны удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к авиацион­ ному оборудованию. Рассмотрим электрические исполнитель­ ные устройства.

1.Электродвигатель постоянного тока

снезависимым возбуждением

Вкачестве сервомоторов широко применяются электродвига­ тели с независимым возбуждением, управляемые со стороны яко­ ря путем изменения напряжения на щетках. Схема такого дви­

гателя приведена на рис. 2.53. Если пре­ небречь индуктивностью обмотки якоря, то уравнение напряжений цепи якоря запишется так:

где Ф — пбток возбуждения; со— угловая скорость якоря;

с — коэффициент пропорциональности, определяемый кон­ струкцией двигателя.

Момент, развиваемый двигателем,

М = кх Ф ія,

где ki — коэффициент пропорциональности, зависящий от кон­ струкции двигателя.

Использовав (2.94) и (2.95), получим выражение для момен­ та при постоянном потоке возбуждения

где k ~ k x Ф и kE= сФ — коэффициенты пропорциональности. Полученное выражение является уравнением семейства

внешних или электромеханических характеристик двигателя.

150

Внешняя характеристика устанавливает связь между вращаю­ щим моментом и скоростью вращения двигателя при постоянном значении входного напряжения. Для двигателя постоянного тока зависимости М— /(<») при и= const являются линейными. Запи­ шем уравнение движения якоря

где J — момент инерции подвижных частей, приведенный к ва­ лу двигателя;

Мн— момент нагрузки, приведенный к валу двигателя. Пусть двигатель не нагружен или слабо нагружен, что типич­

но для следящих систем и вообще для сервомоторов. Тогда, пре­ небрегая моментом нагрузки и моментом трения, запишем

«о, то по динамическим свойствам электродвигатель представля­ ет собой инерционное звено. Для улучшения динамических свойств двигателя обычно стремятся снизить элек?ромеханическую постоянную за счет уменьшения момента инерции якоря J или других параметров, влияющих на Т.

Электромеханическая постоянная для двигателей мощностью 20 — 100 Вт имеет порядок 0,02 — 0,04 с, для электродвигателей мощностью от 20 до 1000 Вт лежит в пределах 0,04— 0,1 с. Ко­ эффициент усиления k бывает порядка 40 — 60Ѵс В.

Обычно у двигателя, работающего в САР, за выходную вели­

151

В установившемся режиме угловое ускорение d2 а = 0, и двига­

~с№

тель вращается с постоянной угловой скоростью

da

---- = іш, dt

а угол .поворота вала есть интеграл от приложенного напряже­

Из (2.100) получим передаточную функцию сервомотора, когда выходной величиной является угол поворота вала двигателя, а входной — напряжение на щетках. В этом случае передаточная функция двигателя есть произведение инерционного и интегри­ рующего звеньев

Рис . 2.54. Конструкция сервомотора с независимым воз­ буждением:

1 — р е д у к т о р ; 2 — к о р п у с ; 3 — я к о р ь ; 4 — о б м о т к а в о з б у ж д е н и я ; 5 — к о л л е к т о р ; 6 — щ е т к и

При использовании двигателей постоянного тока в качестве сервомоторов их непременно снабжают понижающими редукто­ рами. Передаточное число редуктора і или его коэффициент уси­

ходе редуктора, то в коэффициент усиления k входит множите­ лем передаточное число і. Постоянная времени сервомотора с ре­

JRa

дуктором по-прежнему равна: ------, но теперь ki kE

J "f- /рр>

152

ная времени Т определяется только моментом инерции сервомо­ тора. Это справедливо также для следящих систем управления артустановкамп самолета. Несмотря на большой вес артустановки (несколько сотен килограммов), инерционность системы определяется моментом инерции сервомотора, весящим 20 -г-

30 кг.

При разработке сервомоторов с независимым возбуждением стремятся максимально уменьшить момент инерции якоря. Для этой цели в последнее время применяют электродвигатели с не­ зависимым возбуждением с печатным якорем. У такого двигате­ ля вращаются только медные проводники, вмонтированные пе­ чатным способом в диск из прочной пластмассы. Конструкция серводвигателя изображена на рис. 2.55.

Рис. 2.55. Конструкция сервомотора с печатным ротором;

1 — м а г н п т о п р о в о д ; 2 — п е ч а т н ы й р о т о р ; 3 — в а л ; 4 — в т у л к а ; 5 —

2.Электродвигатель постоянного тока

споследовательным возбуждением

Схема сервомотора приведена на рис. 2.56. Сервомотор имеет две обмотки возбуждения, соединенные последовательно с яко­ рем. Магнитные потоки обмоток направлены навстречу друг другу. Направление тока в якоре не меняется при переключении обмоток, а магнитные потоки обмоток возбуждения изменяют

153

свое направление. Вследствие этого направление вращения опре­ деляется положением контактов реле. Скорость вращения после разгона устанавливается постоянной. Характеристика сервомото­ ра является релейной. Достоинством сервомоторов этого типа яв­ ляется большой пусковой момент, обусловленный тем, что в мо­ мент разгона тон возбуждения максимален и равен току якоря. Управление таким двигателем осуществляется от релейного уси­ лителя, но это является его недостатком, так как релейные уси­ лители имеют разрывные характеристики. Для получения плав­ ных характеристик можно применить вибрационную линеариза­ цию.

Р и с. 2.56. Схема сервомотора постоян­ ного тока с последовательным возбуж­ дением

В конструктивном отношении сервомотор с последовательным возбуждением аналогичен двигателю с независимым возбужде­ нием.

Электродвигатели данного типа попользуются в качестве при­ вода створок капотов, в механизме управления триммерами, в прицелах и т. п.

При эксплуатации сервомоторов постоянного тока необходи­ мо учитывать наличие щеточно-коллекторного узла, .что влечет за собой ограничение высотности и снижение эксплуатационной на­ дежности. Свободными от этих недостатков являются сервомото­ ры переменного тока, не имеющие подвижных контактов.

3- Электрические двигатели переменного тока

В системах автоматического регулирования широкое приме­ нение нашли двухфазные асинхронные двигатели небольшой мощности. Они выполняются в виде двигателей с короткозамкну­ тым ротором или в виде двигателя е тонкостенным полым ро­ тором. Такой двигатель иногда называют индукционным. Кон­ струкция индукционного двигателя типа ДИД-0,5 приведена на рис. 2.57. Схематическое изображение двухфазного асинхронного двигателя приведено на рис. 2.58. Здесь обмотка возбуждения w aподсоединяется через фазосдвигающую схему или через кон­ денсатор к сети переменного тока. К управляющей обмотке w y подводится напряжение иу, амплитуда и фаза которого меняются

154

соответственно сигналу управления. Обе обмотки уложены в -пазах статора. Оси обмоток сдвинуты в пространство на 90°. При на­ личии напряжения в управляющей обмотке в статоре образуется вращающееся эллиптическое магнитное поле. Это поле создает

Р в с. 2.57. Конструкция двухфазного индукционного дви­ гателя с полым ротором;

/ — к о р п у с ; 2 — с т а т о р ; 3 — п о д ш и п н и к и ; 4 — р о т о р

токи в стержнях короткозамкнутой обмотки либо в теле цилинд­ ра ротора индукционного двигателя. Взаимодействие поля наве­

dt

155 •

где Т —- электромеханическая постоянная времени;

k — коэффициент усиления сервомотора.

Передаточная функция сервомотора переменного тока W(p) =

= ^ ^ ^ — есть произведение инерционного и интегрирующего

звеньев. При питании двигателя напряжением с частотой 400 Гц Т примерно равна 0,05-^- 0,04 с. Так, например, электромехани­ ческая .постоянная времени двухфазного индукционного двигате­ ля типа ДИД-0,5, широко применяемого в самолетном оборудо­ вании, -составляет 0,1 с, а его коэффициент усиления равен 47 1/сВ. Вследствие отсутствия щеток момент трения у таких дви­ гателей имеет малую величину, -следовательно, он может начать вращаться при небольшом пусковом напряжении, меньшем, чем, например, двигатель постоянного тока. Напряжение трогания двигателя составляет 0,4 В. Другим преимуществом этого двига­ теля по сравнению -с двигателем постоянного тока является то, что он потребляет меньшую мощность от усилителя, так как большая часть мощности потребляется непосредственно из -сети. Недостатком индукционного двигателя является больший вес, приходящийся на единицу мощности по сравнению с двигателем ■постоянного тока, и большее значение постоянной Г. Вес двигате­ ля ДИД-0,5 составляет 50 г, а мощность на валу равняется 0,3 Вт.

По сравнению с двигателями постоянного тока сервомоторы переменного тока отличаются более высокой надежностью и не требуют повышенного внимания при эксплуатации.

4. Электрические сервомоторы с фрикционными электромагнитными муфтами

Общим недостатком рассматриваемых сервомоторов является их инерционность, довольно значительная постоянная времени Т. Чтобы исключить влияние инерционности электрического серво­ двигателя на динамику САР, применяют электрические серво­ моторы с фрикционными электромагнитными муфтами. При на­ личии такой муфты электродвигатель всегда включен в сеть и вращается с постоянной скоростью в одну сторону.

На рис. 2.59 схематически показано устройство реверсивной электромагнитной муфты. С помощью двигателя с постоянной скоростью в различных направлениях вращаются шестерни 2 и 4. К шестерням электромагнитами 1 и 5 прижимается диск 3 с пробковыми фрикционными накладками. Под влиянием сигнала управления в-клю-ченным оказывается один или другой электро­ магнит. Следовательно, направление вращения выходного -вала 7 сервомотора определяется знаком сигнала управления. На вы­ ходном валу сервомотора помещен тахогенератор переменного тока 6 для создания обратной связи по -скорости. Характеристика

156