книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

сервомотора является релейной, однако в сервомоторе применя­ ется вибрационная линеаризация. В этом случае средняя ско­ рость выходного вала будет пропорциональна управляющему напряжению иу.

Рис . 2.59. Устройство реверсивной электромагнитной муфты с тахогенератором

Если пренебречь временем срабатывания электромагнитных муфт, то уравнение вибрационно-линеаризованного сервомотора в зоне линейности может быть представлено уравнением интег­ рирующего звена

<2-103>

_

где -----1- = о)с0 — средняя угловая скорость выходного вала;

иу — управляющий сигнал.

Если учесть время срабатывания электромагнитных муфт, то уравнение линеаризованного сервомотора примет вид:

шсР = kuy(t - т),

где t — время срабатывания муфты, а его передаточная функ­ ция

W(p) — ke-v.

Недостатками сервомоторов с фрикционными муфтами явля­ ются: сложность конструкции, значительный вес, приходящийся на единицу полезной мощности, износ фрикционных поверхно­ стей и непостоянство коэффициента трения.

5.Сервомоторы с порошковыми муфтами

Воснове принципа действия порошковых муфт лежит спо­ собность ферромагнитного порошка изменять свои механические свойства под действием магнитного поля. В качестве ферромаг­ нитной массы используются частицы карбонильного железа диа­ метром ІО“2 н- ІО“4 мм, смешанные с жидким или порошкообраз­

157

ным за.полнителем. Если такую массу поместить в магнитное по­ ле, то частицы железа располагаются по силовым линиям, обра­ зуя своеобразные цепочки. При этом механические свойства фер­ ромагнитной массы изменяются, она как бы загустевает. С уве­ личением напряженности магнитного поля вязкость ферромаг­ нитной массы заметно возрастает. Конструкция порошковой муф­ ты цилиндрического типа изображена на рис. 2.60. Ведущая часть муфты представляет собой стальной цилиндр 2. Ведомая часть выполнена в виде тонкостенного стакана 4, расположенного между магнитопроводом 5 и цилиндром 2 ведущей части. Фер­ ромагнитная масса заполняет цилиндрические зазоры изнутри и снаружи стакана 4. Управляющая обмотка 3 расположена в ци­ линдрическом магиитопроводе 5, жестко соединенном с ведущей частью. Питающее напряжение подводится к управляющей об­ мотке через кольца 1.,

Если магнитного поля нет, то на ведомую часть передается незначительний момент, обусловленный трением в ненамагничен­ ной смеси. При протекании тока по управляющей обмотке возни­ кает магнитное поле (магнитные силовые линии показаны пунктиром на рис. 2.60). Смесь загустевает, и на ведомую часть передается значительный момент.

Запишем уравнение движения муфты, пренебрегая моментом нагрузки

J ---- = Л'І—kt i, dt

где M — вращающий момент;

] — момент инерции подвижных частей муфты; со— угловая скорость выходной оси;

ki— коэффициент пропорциональности; і — ток в обмотке управления.

Если за входную величину принимаются ток і, а за выходную

158

угловая скорость ш выходного вала, то передаточная функция муфты — интегрирующее звено

Обычно входной величиной является не ток, а управляющее на­ пряжение Wy, тогда необходимо учитывать связь

L —— Ri = му,

где L,R — соответственно индуктивность и активное сопротив­ ление обмотки управления.

Тогда передаточные функции муфты будут

где &= — — коэффициент усиления;

Достоинством порошковых муфт является плавная зависи­ мость передаваемого момента от тока в управляющей обмотке. Это свойство оказывается удобным для использования порош­ ковых муфт в сервомоторах САР.

Схема сервомотора с порошковыми муфтами приведена на рис. 2.61. Сервомотор имеет две порошковые муфты 3 и 4, управ­ ление которыми осуществляется через электронный усилитель 1 и 2. Выходной вал сервомотора соединяется с тахогенератором 5, сигнал с которого подается на вход электронного усилителя. Та­ ким образом осуществляется скоростная обратная связь, улуч­

159

шающая динамические свойства сервомотора. Моменты на вы­ ходе муфт 3 и 4 имеют разные знаки. Следовательно, если на­ пряжение иу па входе сервомотора равно нулю, то токи і\ и н через управляющие обмотки муфт равны и результирующий мо­ мент на выходном валу равен нулю. Если управляющее напря­ жение иу Ф О, то равенство токов нарушается и появляется ре­ зультирующий момент М, величина и знак которого зависят от величины разности токов А/ = г, — /2. В определенном диапазо­ не имеется пропорциональная зависимость момента от разности токов

М = К (і, - /,) = К А/,

Рис. 2.61. Схема сервомотора с порошковыми муфтами и тахогенератором

Следовательно, уравнение ненагруженного сервомотора будет иметь вид

К Аі,

где / — момент инерции вращающихся частей.

Для сервомотора без обратной связи, когда за входную вели­ чину принимается управляющее напряжение ну, передаточная функция будет

(2.107)

Uy{p) ( Т р + \ ) р

іде ky — коэффициент усиления электронного усилителя; Т — постоянная времени обмоток порошковых муфт.

160

Если выходная величина — угол поворота, то

W A P ) = 7 7 ^ + 2с;г0р + 1 ’

w a(p) =

________ Л ________

(Т0*р'- + Х Т 0р + \ ) р

где

2 ѴТк ктг

Р и с. 2.62. Структурная схема сервомотора с порошковыми муфтами и скоростной об­ ратной связью

6. Гидравлические и пневматические исполнительные устройства

Гидравлические сервомоторы являются исторически первыми исполнительными устройствами, нашедшими широкое примене­ ние в системах автоматического регулирования. Хотя в насто­ ящее время очень широко применяются электрические сервомо­ торы, объем применения гидравлических сервомоторов остает­ ся большим. Особенно большое распространение они получили в системах автоматического регулирования режимов работы авиа­ двигателей. Одним из преимуществ гидравлических сервомото­ ров является чрезвычайно большая величина силы, приходящая­ ся на единицу веса подвижных частей. Поэтому инерционность их невелика.

Конструкция гидравлических сервомоторов довольно разно­ образна. Однако чаще всего применяются гидравлические серво­ моторы поршневого типа с золотниковым распределителем. Схе­ ма такого сервомотора приведена на рис. 2.63. Рабочая жид­ кость, в качестве которой в самолетных системах применяется масло или гидросмесь, нагнетается насосом в центральный ка-

нал 1. Если золотник 2 находится в среднем положении, то его буртики 7 закрывают доступ жидкости в рабочий цилиндр 4. Поршень 5 и выходной шток поршня неподвижны. Если золотник перемещается вправо, то открывается доступ жидкости в канал 3. Одновременно канал 6 сообщается с каналом 8, отводящим жид­ кость на слив. Давление в правой полости рабочего цилиндра становится больше давления в левой полости, и поршень дви­ жется влево. При перемещении золотника влево поршень дви­ жется вправо. Выведем уравнение движения сервомотора, т. е. установим связь между перемещением штока поршня у и переме­ щением штока управляющего золотника х.

сервом отора порш невого типа с з о ­ лотниковы м распределителем

Обозначим: V — скорость течения гидросмеси через щель х; b — ширина окна; 5 — рабочая площадь поршня. Тогда на ос­ новании известного закона неразрывности струи жидкости по­ лучаем уравнение движения

S

162

По своим динамическим свойствам гидравлический сервомо­ тор эквивалентен интегрирующему звену.

Статическая характеристика гидравлического сервомотора показана на рис. 2.64. Установившаяся скорость движения порш­

ня у пропорциональна перемеще­ нию золотника X . Максимальная

^77 = k (х - Ру) dt

пли

k l = — — коэффициент усиления;

[3= -Ь— — коэффициент обратной связи.

Іо

При наличии жесткой обратной связи гидравлический серво­ мотор по своим динамическим свойствам эквивалентен инерцион­ ному звену.

Гидравлические сервомоторы с обратными связями находят широкое применение для управления рулями современных ско­ ростных и тяжелых самолетов. Известно, что для перемещения рулей таких самолетов может потребоваться большое усилие, по­ этому возникает необходимость в использовании 'гидравлических сервомоторов или так называемых гидроусилителей (бустеров). Поскольку гидроусилитель должен обеопечить перемещение руля, пропорциональное отключению ручки, то он всегда имеет жест­

кую отрицательную обратную связь. Конструктивно обратная связь в нем может выполняться не за счет рычага, а за счет раз­ мещения золотника внутри поршня. Схема действия гидроусили­ теля с внутренним золотником показана на рис. 2.65. При откло­ нении ручки управления 1 влево перемещается золотник гидро­ усилителя 2 так, что в левую полость цилиндра 3 начинает посту­ пать гидросмесь. Под давлением смеси поршень перемещается вправо, отклоняя руль. При этом жидкость сливается из правой части цилиндра через каналы 4 и 5. При отклонении ручки в обратную сторону смесь поступает в правую полость и руль от­ клоняется вверх. Таким образом, весь шарнирный момент руля воспринимается поршнем гидроусилителя и летчику приходится затрачивать небольшое усилие на перемещение золотника. Об­ ратная связь осуществляется за счет того, что движение поршня происходит всегда в ту же сторону, что и движение золотника. В связи с этим происходит перекрытие проточных отверстий при перемещении поршня. Коэффициент обратной связи в сервомо­ торах с внутренним золотником всегда равен единице. Постоян­ ная времени самолетных гидроусилителей (бустеров) лежит в пределах 0,01—0,25 с.

Гидравлические сервомоторы обладают рядом положитель­ ных качеств, важнейшие из которых следующие:

а) высокие динамические свойства; б) возможность получения требуемой скорости на выходе без

применения редукторов; в) большая удельная мощность, особенно при высоких рабо­

чих давлениях.

Основными недостатками гидравлических сервомоторов явля­ ются: наличие гидросети и связанная с этим ограниченная высот­ ность действия, вследствие влияния температуры и давления на рабочую смесь; трудности производства и эксплуатации.

В настоящее время в системах управления ракетами широко применяются пневматические сервомоторы. Принцип действия и конструктивное выполнение пневматических сервомоторов мало отличаются от гидравлических исполнительных устройств. Одна­ ко, вследствие того, что в сервомоторах отработанный воздух вы­ брасывается наружу, сокращается общая длина трубопроводов.

164

При относительно низких давлениях в качестве управляющего элемента применяется струйная трубка (рис. 2.66). Сжатый воз­ дух подводится через перекрещивающиеся управляющие отвер­ стия. Отработанный воздух выбрасывается наружу через эти отверстия.

В отличие от гидравлических сервомоторов, где сжимаемость рабочей смеси практически отсутствует, в пневматических серво­ моторах имеет место влияние сжимаемости воздуха. Особенно заметно это влияние при наличии больших .нагрузок и у быстро­ действующих сервомоторов.

При малых нагрузках и небольших частотах изменения вход­ ного сигнала динамика пневматического сервомотора (рис. 2.66) описывается уравнением инерционного звена. При больших ча­ стотах входного сигнала появляются дополнительные фазовые сдвиги, обусловленные влиянием сжимаемости воздуха, которые могут достигать значительной величины. Чисто эксплуатацион­ ным недостатком сервомоторов является возможность их отказов вследствие замерзания конденсированных паров влаги в каналах. Достоинствами пневматических сервомоторов являются:

а) простота аккумулирования энергии; б) отсутствие обратных трубопроводов; в) малый вес и габариты; г) высокое быстродействие системы;

д) высокая удельная мощность.

§ 2.4. КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Для улучшения динамических свойств системы автоматиче­ ского регулирования используются корректирующие устройства, позволяющие обеспечить устойчивость и заданные характерристи.

165

кн качества процесса регулирования. За счет введения корректи­ рующих устройств возможно также увеличить точность работы системы. Свое 'Название корректирующие устройства получили в результате того, что благодаря включению их в контур системы исправляются в нужную сторону временные и частотные харак­ теристики САР. Корректирующие устройства можно разделить на две большие группы: последовательные и параллельные. Пер­ вые включаются в прямой канал прохождения сигнала управле­ ния, вторые представляют собой обратные связи вокруг отдель­ ных звеньев системы с более или менее сложными передаточны­ ми функциями.

Как последовательные, так и параллельные корректирующие устройства могут быть пассивными и активными.

Устройства пассивного типа не содержат источников энергии и мощность выходного сигнала у них меньше, чем входного.

Устройства активного типа содержат усилители и потребля­ ют энергию источников питания, следовательно, мощность сиг­ налов на выходе активных корректирующих устройств может превышать мощность сигналов на входе.

Рассмотрим пассивные корректирующие устройства.

1. Техническая реализация дифференцирующих звеньев

Примерами идеальных дифференцирующих устройств могут служить тахогенератор и двухстепенной гироскоп.

Однако в природе идеальных дифференцирующих устройств не существует, так как любой из указанных элементов обладает запаздыванием, которым мы при выводе уравнений пренебрега­ ли. Так, например, при учете индуктивности обмотки якоря и со­ противлении нагрузки, не равном бесконечности, передаточная

W (р) = k р.

Такую идеализацию часто применяют при расчете автопилотов

166