Введение

Первым ЗРК, специально разработанным по требованиям Сухопутных войск, стал комплекс «Круг». Разработка первого подвижного зенитно-ракет­ного комплекса средней дальности для частей ПВО Сухопутных войск армей­ского и окружного (фронтового) подчинения была начата по Постановлению СМ СССР от 13 февраля 1958 года в НИИ-20, а в КБ-8 Свердловского СНХ (КБ свердловского завода №8, позднее СМКБ «Новатор») началось проектирование ракеты. С целью обеспечения возможности прикрытия войсковых и танковых соединений при движении по пресечённой местности все боевые единицы ком­плекса: РЛС обнаружения и целеуказания, РЛС сопровождения целей и наведе­ния ракет, пусковые установки с ЗУР располагались на бронированных высо­ко­проходимых гусеничных самоходных базах.

Зенитно-ракетный комплекс средней дальности 2К11 «Круг» (SA-4 “Ganef”) принят на вооружение ПВО сухопутных войск Постановлением СМ от 26 ноября 1964 года. Поступая на вооружение, комплекс «Круг» заменил ЗРК СА-75 и С-75, находившиеся на вооружение частей ПВО армейского подчине­ния.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Цель курсовой работы

Целью данной курсовой работы является разработка САУ системы наве­дения наземной пусковой установки зенитно-ракетного комплекса «КРУГ». Данная система должна обеспечивать подъем ракетной платформы и учитывать возмущающие воздействия. Кроме того, система должна отвечать всем задан­ным в техническом задании параметрам, обеспечивая достаточное быстродей­ствие, а самое главное – точность регулирования.

1.2 Технические характеристики САУ системы наве­дения наземной пус-

ковой установки зенитно-ракетного комплекса «КРУГ»

Для нормальной работы системы необходимо и достаточно, чтобы она удовлетворяла следующим техническим характеристикам:

- тип ЗУР 3М8;

- стартовая масса, кг 2250;

- масса БЧ, кг 196;

- длина, м 4,78;

- число одновременно наводимых ракет 1;

- макс. угол пуска ракеты, ^о 45;

- частота опроса датчиков, 1/с 10;

-скорость обработки сигнала 35;

- максимальная ошибка регулирования, % 0,3;

- время регулирование не более 10 секунд.

1.3 Функциональная схема сау системы наве­дения наземной пус-

ковой установки зенитно-ракетного комплекса «КРУГ»

Информация о цели передается с радиолокационной базы на микропро­цессор пусковой ракеты. Сигнал, обработанный микропроцессором поступает на вход усилителя, на выходе которого подается напряжение на двигатель. Вал двигателя, вращаясь с некоторой угловой скоростью ω, приводит в движение привод редуктора, который в свою очередь поднимает ракетную платформу на необходимый угол φ. Изменение угла подъема регистрируется инклинометром (датчиком угла подъема). Одновременно эта информация передается и в микро­процессор. В тот момент, когда будет достигнут необходимый угол подъема, микропроцессор передаст сигнал о прекращении работы двигателя и платформа остановится.

В системе также необходимо учитывать возмущающее воздействие, такое как ветер, давление. Для их учета установим в систему датчик относительного давления. Все датчики расположены на ракетной платформе.

Система должна согласовываться со схемой рисунок 1.

P

U₁

U₅ U₂ U₃ ω S φ

U₄ φ

Рисунок 1 – Функциональная схема системы наведения

РС – радиолокационная станция; МП – микропроцессор;

У – усилитель; ДВ – двигатель; Р – редуктор;

РП – ракетная платформа; ДУН – датчик угла наклона,

ДД датчик давления

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Выбор микропроцессора

Одним из главнейших устройств в любой САУ можно считать устрой­ство сравнения, от точности, проведенной им операции будет зависеть, на сколько точным окажется управление. Таким образом, следует достаточно тща­тельно подойти к выбору этого элемента.

Среди устройств автоматики наиболее широкое распространение полу­чили микропроцессорные комплекты (МПК) серий К580, К583, К588. При вы­боре МПК следует руководствоваться следующими соображениями:

- высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

- возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

- возможность программной коррекции;

- малое энергопотребление;

- доступность элементов;

- мощная и гибкая система команд МП;

- наличие встроенных ЦАП и АЦП.

На основании этих критериев выбираем МП серии К1813ВЕ1. Это одно­кристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном мас­штабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 8-ю разрядным ПЗУ, ОЗУ (емкостью 40х25 слов), ALU, двумя вход­ными и четырьмя выходными аналоговыми каналами.

Этот МП выполнен по высококачественной n-МОП–технологии, со­вместим с БИС серии К580. В нем реализована мощная и гибкая система команд с расширенными возможностями адресации памяти.

Выбранный микропроцессор обладает необходимой производительно­стью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информа­ции, возможностью программной коррекции ЛСУ, совместим с БИС, и имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени благодаря встроенным АЦП и ЦАП.

2.1.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м и к р о п- р о ц е с с о р а

25-ти разрядное АLU;

16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов);

время преобразования, мкс не более 50

нелинейность ЦАП и АЦП, % <0,1

тактовая частота, МГц 5

напряжение питания, В 2

потребляемая мощность, В*А 1,0

входное аналоговое напряжение не более, В 2

выходное сопротивление (хранение), кОм не менее 100

выходной ток, мА 0,4-2

входной ток не более, мА 2,0

диапазон рабочих температур, ⁰С от –10 до 70

2.1.2 Р а с ч е т п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и м и к р о п-

р о ц е с с о р а

Переда­точная функция цифрового устройства микропроцессор является стандартной W(p)=1.

2.2 Выбор двигателя

Для корректной работы устройства требуется двигатель постоянного тока большой мощности. Выбор двигателя будем вести исходя из требуемой мощности для подъема ракетной платформы.

Учитывая что ракета длинной l=4,78 м, массой m=2250 кг, временем макси­мального подъема платформы t=12 сек, то вычислим необходимую мощ­ность:

P=F*l/t Вт (1)

где F=2250/0,102=22058 Н

Исходя из того, что максимальный угол подъема платформы 45^о найдем центр масс ракеты и рассчитаем мощность.

P=22058*2,5/12~4,4 кВт.

На основе полученных данных выберем исполнительный двигатель типа МИ-52.

2.2.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и д в и г а –

т е л я.

Мощность Р_н, кВт 4,5

Скорость вращения n_н, об/мин 1500

Напряжение U_н, В 220

Ток якоря I_н, А 2

Сопротивление цепи якоря R_д, Ом 0,26

КПД η_д, % 85

Момент инерции J_д, кгм² 0,15

2.2.2 Р а с ч е т п е р е д а то ч н о й ф у н к ц и и д в и г а – т е л я.

Передаточная функция исполнительного двигателя по углу поворота имеет вид (если пренебречь индуктивностью цепи якоря)

(2)

где К_д - коэффициент усиления двигателя, рад/В*с :

К_д = η_{н /} U_н = 150/220 = 0,681

Т_{д -} электромеханическая постоянная времени:

(3)

В формуле (3) α=1,2 - постоянный коэффициент;

J_c - cуммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя.

(4)

где (5)

(6)

где ω_н = πn_н/30 – скорость вращения вала двигателя

Нагрузочные характеристики двигателя:

J_о=5000 кг.м²; М_ос= 8500 Нм;

ω_оmax= 0,8 с^-1;

ξ_omax= 1,42 с^-2 ;

η_р = 0,72.

Оптимальное передаточное число редуктора i_р

(7)

J_р = 1*10^-4 кг.м² - момент инерции редуктора

кг*м²

где М_н номинальный момент двигателя, Н*м

М_н = 9,55Р_н/n_н = 9,55*4500/1500 = 28,65 Н*м

Согласно формулам (5) и (6) вычислим коэффициенты двигателя

Рассчитаем электромеханическую постоянную времени по формуле (3)

с

Тогда передаточная функция исполнительного двигателя равна:

2.3 Выбор операционного усилителя

Выбор усилителя мощности производится по следующим показателям:

- вид входного и выходного сигнала, тип питания;

- требуемая мощность;

- надежность, независимость от внешних влияний (особенно коэффици­ента усиления), чувствительность, малые массогабариты.

Номинальная мощность усилителя должна удовлетворять неравенству

Р_ун  Р_н / η_д ,

Исходя из того, что выходное напряжение микропроцессора равно 2В, выби­раем высоковольтный и мощный операционный усилитель типа 157УД1.

2.3.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и у с и л и т е л я.

Напряжение питания, В ±3, ±20.

Входной ток, мА 0,5.

Коэффициент усиления, В/мВ 110.

Диф. входное сопротивление, Мом 1.

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс 0,5.

Максимальный выходной ток, А 2.

Выходное сопротивление, Ом 10.

Примечание Тепловая защита от перегрузки.

2.3.2 Р а с ч е т п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и у с и л и - т е л я.

Также как и любое стандартное усилительное (пропорциональное звено), данный усилитель обла­дает постоянным передаточным числом, или

2.4 Выбор редуктора

Редуктор предназначен для передачи механической энергии от электро­двигателя к исполнительному органу системы и согласования скоростей враще­ния. Для системы необходим червячный редуктор с высокой точностью.

Передаточное число редуктора было определено в пункте 2.2.2 и равно 322,5. Округляем его до ближайшего по ГОСТ стандартного значения для ре­дукторов 320.

Так как передаточное число достаточно велико, то выбираем червячный редуктор Ч – 60 (как наиболее отвечающий массогабаритным требованиям к проектируемому регулятору при данном передаваемом моменте).

2.4.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и р е д у к –

т о р а.

Допустимый крутящий момент, кгс*м 8,5.

КПД, % 50. Допустимая нагрузка, кгс 800.

Масса, кг 5,6.

Межосевое расстояние, м 0,3.

Передаточное число 360.

2.4.2 Р а с ч е т п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и р е д у к –

т о р а.

Требуемый коэф­фициент передачи составляет:

2.5 Выбор датчика угла наклона

В системе для корректной работы необходимо измерять угол подъема ракетной платформы. Устройство, предназначенное для измерения угла наклона называется инклинометром.

В данной установке обязательными критериями выбора инклинометра являются: счет угла подъема до 45⁰, погрешность датчика не более 0,3%, малые габариты датчика, ударопрочный корпус.

Исходя из вышеперечисленных критериев выберем инклинометр ДК1-В. Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной - так называемой рабочей плоскости и практи­чески не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сиг­нал слабо зависит от изменения температуры.

2.5.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т ер и с т и к и и н к л и н о -м е т р а.

Полный диапазон ±60°(120°).

Линейный диапазон ±45°(0°- 90°).

Порог чувствительности 0.001°.

Диапазон рабочих температур, °С -40 ... +60.

Погрешность при поперечном наклоне до 45° ±0.1%.

Постоянная времени прибора 0,015.

Полоса пропускания (-3dB), Гц 3.

Температурный коэффициент “0” 0,01%/°С.

Длительная стабильность (10000 часов) ±0,15%.

2.5.2 Р а с ч е т п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и и н к л и -н о м е т р а.

Значение мак­симального тока соответствует значению максимального угла подъема. Исходя из того, что график работы инклинометра - линейная характеристика, то переда­точная функция звена будет равна:

(8)

где Т - постоянная времени прибора;

k = U₃/φ (9)

U₃ – выходное напряжение инклинометра, В;

φ – линейный диапазон инклиномера, рад;

k = 10/ 0,7= 1,42

Тогда передаточная функция инклинометра равна:

2.6 Выбор датчика давления

В системе необходимо учитывать возмущающее воздействие, такое как давление и ветер. Для этого вводим в систему цифровой манометр давления.

2.6.1 Т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и м а н о -

м е т р а.

Диапазон давления, бар 0 – 1, 2, 7, 20, 30, 70, 140, 200, 300, 700.

Точность: ± 0,1% ИВ в диапазоне 20-100% шкалы.

±0,02%ВПИ в диапазоне 0-20% шкалы.

Разрешение, бар от 0,01 до 0,0001.

Постоянная времени прибора 0,05.

Питание батарейки 3* АА (RS6).

Рабочая температура, °С -10 … +50°С .

2.5.2 Р а с ч е т п е р е д а т о ч н о й ф у н к ц и и м а н о -

м е т р а.

Исходя из того, что график работы манометра - линейная характеристика, то переда­точная функция звена будет равна:

(10)

где Т - постоянная времени прибора;

k = U₃/φ (11)

U₃ – выходное напряжение инклинометра, В;

φ – линейный диапазон манометра, рад;

k = 3 / 5= 0,58

Тогда передаточная функция манометра равна:

2.7 Передаточная функция ракетной платформы

Ракетная платформа в системе представляет собой инерционное звено, передаточная функция которой равна:

(12)

где Т = φ_вых / φ_вх = 0,099

Тогда передаточная функция платформы будет иметь вид:

2.8 Передаточная функция САУ наве­дения наземной пусковой уста­-

новки зенитно-ракетного комплекса «КРУГ»

Система рисунок 1, с учетом полученных передаточных функций, мо­жет быть представлена в виде рисунок 2.

1

110

0,003

Рисунок 2 – Структурная схема системы наве­дения наземной пусковой

уста­новки зенитно-ракетного комплекса «КРУГ»

Передаточную функцию всей системы получим путем перемножения передаточных функций последовательных звеньев системы и сложения парал­лельных звеньев.

(13)

Проведем преобразование полученной формулы (13) при помощи пакета Mathcad и получим передаточные функции замкнутой и разомкнутой системы:

(14)

(15)

3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

3.1 Классификация приборов измерения механических величин

В данной системе датчиком обратной связи является прибор измерения механических величин. Проведем классификацию этих приборов.

Приборы измерения механических величин

Преобразователи положения

Преобразователи

вибрации

Преобразователи

углов поворота

(энкодеры)

Преобразователи

угловых

перемещений

Преобразователи

углов наклона

(инклинометры)

Преобразователи

линейных

перемещений

Индуктивные

Преобразователи

угловой

скорости

Дифференциаль-ные емкостные

Фотоэлектрические

Рисунок 3 - Классификация приборов измерения механических величин

Преобразователи положения предназначены для преобразования инфор­ма­ции о место­нахождении объектов, перемещающихся относительно чувстви­тельного элемента преобразователя, в дискретный электрический сигнал. Мак­симальная частота срабатывания преобразователя при активной нагрузке не ме­нее 1 кГц.

Преобразователи измерительные линейных и угловых переме­щений предна­значены для получения информации в виде аналогового электрического сиг­нала о линей­ном или угловом положении или перемещении подвижных ор­ганов исполнительных механизмов и используются в устройствах цифровой ин­дикации и программного управления в измеритель­ной технике, станко­строении, робототехнике, судостроении и т. п. Тип преобразователя — синусно-косинус­ный.

Преобразователи круговых перемещений предназначены для преобразо­вания информации о величине и направлении пере­мещения рабочих органов стан­ков, машин, приборов и других в электрический сигнал. Принцип действия преобразователя ос­нован на модуляции светового потока растровым сопря­же­нием, состоящим из подвижного и неподвижного лимбов с равными уг­ло­выми шагами и совмещенными центрами. Модулированный пере­мещением световой поток на фотоприемнике преобразуется в ана­логовый электриче­ский сигнал и поступает в нормирующий элек­тронный блок, в котором про­исходит преобра­зование аналогового сигнала в цифровой.

Исходя из выше приведенной классификации будем использовать диф­ферен­циальный емкостной инклинометр.