Привода

1. Исполнительные устройства с гидродвигателями
Одним из преимуществ гидравлического привода можно назвать значительно
большие усилия на единицу подвижных масс, развиваемые гидродвигателями в сравнении
с электродвигателями. Последнее обстоятельство в свою очередь обусловливает малую
инерционность (высокое быстродействие) гидродвигателей.
Наиболее часто применяются гидродвигатели поршневого типа с золотниковым
распределителем. Принципиальная схема исполнительного устройства с гидравлическим
двигателем поршневого типа приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема исполнительного устройства с гидродвигателем
Рабочая жидкость нагнетается насосом в центральный канал золотниковой коробки.
При смещении золотника из среднего положения влево или вправо жидкость поступает в
соответствующую полость рабочего цилиндра. Вторая полость рабочего цилиндра через
один из боковых каналов золотниковой гильзы соединяется со сливным баком. При
возникновении разности давлений в полостях цилиндра поршень начинает перемещаться,
поворачивая руль.
Уравнения движения поршня
можно составить следующим образом. Пусть
золотник переместился из нейтрального положения на расстояние у вправо. Тогда
жидкость через образовавшуюся щель будет поступать в полость справа от поршня, а из
полости слева от поршня будет вытекать. Объемные расходы Qt и Q2 жидкости через
входное и выходное отверстия золотника в единицу времени определяются выражениями:
Q1    b  y  p1  p0 ,
Q2    b  y  p0  p2 ,
(1)
где
 - коэффициент расхода;
b - ширина окна на входе и на выходе ;
p1, p2 - давление масла на входе и на выходе;
p0 - давление масла в полостях цилиндра;
y - перемещение золотника.
Условие неразрывности потока жидкости позволяет написать равенство
Q1  Q2  Q .
(2)
Из равенства расходов Q1 и Q2 вытекает равенство правых частей в (1):
p1  p0  p0  p2 ,
(3)
или
p1  p2
2 .
Подставив значение p0 в первое из уравнений (1), получим
p0 
Q   b y 
p1  p2
.
2
(4)
При перемещении поршня объемный расход в единицу времени через окно
золотника равен объемному расходу в полости рабочего цилиндра. Это равенство
выражается формулой:
QS
dx
,
dt
(5)
где:
S — площадь поршня;
x — перемещение поршня.
Подставив в (5) значение расхода в единицу времени из (4), получим уравнеие
движения гидродвигателя:
dx
 k Д  y,
dt
(6)
где k2 
  b  p1  p2
2S
- коэффициент усиления гидродвигателя.
Угловое перемещение рулевого органа отличается от линейного перемещения
поршня передаточным числом i, зависящим от геометрических соотношений в системе
преобразования этих движений. Поэтому уравнение для всего исполнительного
устройства записывается так:
d
 k ИУ  y ,
dt
(7)
kД
.
i
Уравнение (7) описывает работу гидродвигателя без учета ограничения на величину
где k ИУ 
хода золотника. С учетом ограничения хода золотника шириной окна для описания
работы гидродвигателя к уравнению (7) должно быть добавлено звено типа насыщение с
уровнем насыщения max . При полном открытии окон золотника устанавливается
постоянная (максимально возможная) скорость поворота руля max .
Кроме ограничения на скорость поворота руля реальная статическая характеристика
гидродвигателя имеет зону нечувствительности, так как буртики золотника выполняются
несколько шире окон.
Конструкция гидропривода, при которой буртики золотника делаются несколько
шире окон, обусловлена сложностью наладки золотника при равных размерах окон и
буртиков. В некоторых случаях буртики золотника выполняются у’же окон. При этом
зона нечувствительности отсутствует, но все время расходуется жидкость.
Передаточная
функция
исполнительного
устройства
с
гидродвигателем
относительно угла поворота руля на основании (7) имеет вид
WИУ ( s) 
 ( s)
y ( s)

k ИУ
.
s
(8)
При выводе уравнения (7) не учитывалась инерция жидкости и всех подвижных
частей, соединенных с поршнем, а также внешние силы, приложенные к штоку —
шарнирный момент и силы трения.
Если учесть инерцию подвижных частей, то при отклонении золотника поршень
будет приобретать скорость с некоторым запаздыванием, и уравнение и передаточная
функция исполнительного устройства приобретут такую же форму, как для привода с
электродвигателем. Однако постоянная времени исполнительного устройства TИП у
гидропривода очень мала и ею обычно пренебрегают.
2. Исполнительные устройства с пневмодвигателями
Пневматические рулевые приводы широко применяются в системах управления ЛА.
Использование сжатого газа в качестве источника энергии очень удобно в системах
управления ЛА, у которых время полета до цели невелико. Сжатый газ находится в
баллонах под большим давлением и при включении системы управления, будучи
пропущен через понижающий давление редуктор, используется для привода органов
управления ЛА.
Конструктивно пневмодвигатели выполняются в двух вариантах: с золотниковым
газораспределением и со струйной трубкой. Принципиальная схема исполнительного
устройства с пневмодвигателем, имеющим золотниковое газораспределение, аналогична
схеме устройства с гидродвигателем, приведенной на рис. .
Схема пневмодвигателя со струйной трубкой изображена на рис. 2. При среднем
положении струйной трубки давление газа на обе стороны рабочего поршня одинаково, и
поршень находится в покое. Поворот струйной трубки на величину у нарушает равенство
давлений на рабочий поршень, и поршень приходит в движение.
Рис. 2. Принципиальная схема исполнительного устройства
с пневмодвигателем со струйной трубкой
Сравнивая пневмодвигатели с золотником и со струйной трубкой, можно отметить,
что управление струйной трубкой требует меньших усилий, чем управление золотником,
поскольку между струйной и приемными трубками имеется зазор и поэтому сухое трение
отсутствует.
С другой стороны, расход газа в двигателе со струйной трубкой получается
значительно больше, чем в двигателе с золотником, так как при работе двигателя большая
часть газа вытекает через зазор в атмосферу. В двигателе с золотником расход газа
ограничен объемом, который выталкивается из полости цилиндра, соединенной с
атмосферой, за счет перемещения поршня.
Рабочие процессы, протекающие в пневмодвигателях, осложняются влиянием
сжимаемости газа, резкими изменениями характера истечения газа через малые отверстия
при изменении давления в объемах, соединяющихся через эти отверстия, и т. п. Поэтому
детальный расчет пневмодвигателей связан с большими трудностями.
Ниже
приводятся
упрощенные
уравнения
движения
уравнения получены с использованием следующих допущений:
1) давление воздуха на входе в струйную трубку постоянно;
пневмодвигателя.
Эти
2) коэффициенты расхода газа постоянны.
При этих допущениях уравнение движения подвижных частей пневмодвигателя
может быть записано в следующей форме:
m
d 2x
dx
 Sp  kT
 kн x ,
2
dt
dt
(9)
где:
т - масса поршня и штока, а также приведенная масса всех присоединенных к
штоку подвижных частей;
x - перемещение поршня;
S - площадь поршня;
p - разность давлений в полостях цилиндра;
kT - коэффициент, характеризующий силы вязкого трения;
kн - коэффициент, характеризующий шарнирный момент.
Изменение разности давлений на поршень в полостях цилиндра можно приближенно
описать уравнением первого порядка:
dp
dx
 p  k1 y  k 2 ,
dt
dt
(10)
T - постоянная времени;
где
k2 - коэффициент передачи;
k1 - коэффициент, характеризующий изменение удельного веса газа при
перемещении поршня.
Постоянная времени Т и коэффициент передачи k2 зависят от давления, утечек и
T
удельного веса газа.
p
Исключая
из
уравнения
(9)
с
помощью
(10),
получим
уравнение
пневмодвигателя:
mT d 3 x m kT
d 2x k
k
dx k
 3  (  T )  2  ( T  Н T  k2 )   н  x  k1 y .
S dt
S S
dt
S
S
dt S
(11)
Это уравнение можно дополнительно упростить, пренебрегая первым и последним
членами левой части уравнения (11), ввиду их малости. Кроме того, момент нагрузки от
аэродинамических
сил
также
может
быть
сделан
достаточно
малым
путем
соответствующего выбора положения оси подвеса руля. Поэтому коэффициент kн/S также
может быть принят равным нулю. При этих упрощениях (11) приобретает вид:
TД
d 2 x dx

 kД y ,
dt 2 dt
(12)
где:
m kT
 T
S
S
- постоянная времени двигателя;
TД 
kT
 k2
S
kД 
k1
kT
 k2
S
- коэффициент усиления двигателя.
Угол поворота руля  и линейное перемещение поршня x связаны между собой
передаточным отношением i. Поэтому на основании (12) можно записать уравнение
движения исполнительного устройства относительно угла поворота руля:
TИУ
d 2 d

 k ИУ y ,
dt 2 dt
(13)
где:
TИУ  T Д - постоянная времени исполнительного устройства;
k ИУ 
kД
- коэффициент усиления устройства.
i
На основании уравнения (13) получаем передаточную функцию исполнительного
устройства с пневмоприводом:
WИУ ( s ) 
 ( s)
y( s)

k ИН
.
(TИУ s  1) s
(14)
3. Усилительно-преобразовательные устройства и обратная
связь рулевых приводов
Усилительно-преобразовательное устройство выполняет в составе рулевого привода
следующие функции:
1. Формирует сигнал ошибки как разность между входным сигналом и сигналом
обратной связи.
2. Усиливает этот сигнал, т.е. преобразуют сигнал ошибки в электрический ток,
достаточно большой, чтобы управлять работой исполнительного устройства. В качестве
усилителей в рулевых приводах обычно применяют электронные или магнитные
усилители.
В исполнительном устройстве с электродвигателем ток с выхода усилителя подается
в обмотку якоря двигателя постоянного тока или в управляющую обмотку двигателя
переменного тока.
3. В исполнительном устройстве с гидродвигателем или пневмодвигателем
управляющий ток преобразуется в перемещение золотника или поворот струйной трубки
с помощью электрического устройства перемещения золотника или поворота струйной
трубки.
Все перечисленные процессы происходят довольно быстро. Поэтому передаточную
функцию усилительно-преобразовательного устройства часто принимают в виде
усилительного звена или
апериодического звена с небольшой постоянной времени
(несколько сотых долей секунды), т.е.:
WУП ( s ) 
y( s)
KУП
y( s)

.
 KУП , или WУП ( s ) 
 ( s ) TУП s  1
 ( s)
(15)
В пневматических рулевых приводах со струйной трубкой дополнительно часто
приходится учитывать так называемое чистое (или транспортное) запаздывание. Это
запаздывание равно интервалу времени  , которое проходит с момента изменения
положения струйной трубки до момента изменения давлений на поршень в полостях
цилиндра.
Величина интервала транспортного запаздывания зависит от длины шлангов или
каналов, соединяющих выход струйной трубки с полостями цилиндра, а также от
давления подводимого газа. Она может составлять несколько сотых долей секунды.
Математически чистое запаздывание описывается соотношением
pцил (t )  pстр.тр. (t   ) ,
(16)
pцил - разность давлений газа на поршень в цилиндре;
где:
pстр.тр. - разность давлений на срезе струйной трубки.
Соотношению (26) соответствует передаточная функция:
Wстр. ( s)  es .
(17)
Обратная связь в рулевом приводе служит для построения привода как замкнутой
автоматической системы с отрицательной обратной связью. Использование обратной
связи позволяет улучшить качество регулирования в замкнутом приводе по сравнению с
разомкнутым рулевым приводом, т. е. приводом без обратной связи.
Технически обратная связь привода реализуется с помощью потенциометра обратной
связи, который устанавливается на штоке поршня или непосредственно на руле.
Математически обратную связь можно описать усилительным звеном с коэффициентом