Содержание к диссертации
Введение
1. Гидравлические усилители, как мехатронные устройства в составе электрогидравлических приводов 12
1.1. Гидравлические усилители с цифровым управлением 12
1.2. Гидравлический усилитель в системе электрогидравлического привода 16
1.3. Автономные аксиально-поршневые насосы с управлением от вентильного двигателя и с реверсивным клапаном расхода 17
1.4. Цифровые контроллеры 20
1.5. Сети контроллеров и синхронные протоколы 21
2. Мехатронный модуль гидравлического усилителя 25
2.1. Характеристика неизменяемой части ЭГУ и задача синтеза закона управления 27
2.2. Задача идентификации и встроенный модуль оценки параметров ЭГУ 28
2.3. Встроенный модуль синтеза закона управления 30"
2.4. Исследование системы управления ЭГУ с регулятором, полученным методом компенсации полюсов 33
2.5. Экспериментальные результаты и выводы 35
3. Мехатронная помпа. Исследование динамики приводов с объемно-дроссельным управлением 38
3.1. Исследование динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе с гидравлическими сопротивлениями в линиях всасывания и нагнетания 39
3.1.1. Задача плунжера - расчет расхода в поршневом цилиндре с неравномерным изменением геометрии цилиндра на основе уравнения неразрывности 40
3.1.2. Задача плунжера в адиабатическом приближении 45
3.1.3. Динамика распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе 47
3.2. Вопросы асимптотической аппроксимации уравнений гидростатического привода 50
3.2.1. Математическая модель привода 51
3.2.1.1. Модель двигателя 52
3.2.1.2. Уравнения компенсатора 53
3.2.1.3. Уравнения давления подачи и слива 53
3.2.2. Динамика гидропривода без потери энергии 54
3.2.3. Вопросы моделирования 59
3.3. Гидростатический привод с нелинейным управлением 61
3.4. Нелинейный метод адаптации в системе управления ЛЭД 67
4. Многоканальный комплекс управления 75
4.1. Децентрализация алгоритмов управления 76
4.2. Особенности реакции многоканальной системы на случайные управляющие воздействие с заданными статистическими характеристиками 80
4.2.1. Описание модели численного эксперимента 81
4.2.2. Параметры модели и условия численного эксперимента 82
4.2.3. Асинхронный режим опроса управляющих сигналов 83
4.2.4. Синхронный режим опроса управляющих сигналов 88
4.3. Выбор архитектуры и протокола взаимодействия программных компонентов в МКУ 91
Заключение 93
Список литературы 94
Приложение 98
- Гидравлические усилители с цифровым управлением
- Характеристика неизменяемой части ЭГУ и задача синтеза закона управления
- Исследование динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе с гидравлическими сопротивлениями в линиях всасывания и нагнетания
- Децентрализация алгоритмов управления
Введение к работе
Актуальность работы
Большое число современных машин работают в условиях высоких нагру-зок. Применение гидравлики в этих условиях до сих пор остается наилучшим, а порой и единственным техническим решением задачи проектирования исполнительного механизма. Гидравлические приводы это механизмы, которые передают энергию. Использование жидкости под высоким давлением в качестве рабочего тела в таких устройствах определяет ряд преимуществ перед другими видами трансмиссий. Основным преимуществом является эффективное соотношение развиваемых усилий к габаритам и весу. Развитие электроники позволило гидравлическому приводу иметь помимо высокой удельной мощности достаточно высокую точность управления и обеспечило тем самым дальнейшую перспективу применения гидравлики в самых различных областях машиностроения. Новое качество электронных систем управления, полученное за счет применения цифровых технологий обработки сигналов, привело к возникновению с одной стороны совершенно новых потребностей рынка гидравлических систем. С другой стороны новые приложения выдвинули и новые технические требования к самим гидравлическим механизмам и к их системам управления. Если раньше гидропривод традиционно применялся в авиационной транспортной индустрии, то сегодня наблюдается почти революционный перенос технологий электрогидравлического привода в индустриальный сектор и наземный транспорт. Вибростенды и вибрационные установки в геологоразведке, управление газовыми турбинами, автоклавы высокого давления в линиях изготовления композитных материалов, приводы тормоза в системах стабилизации курсовой устойчивости автомобилей - вот неполный перечень сегментов рынка машиностроения, где применяется гидравлическое оборудование. Данное оборудование требует дистанционного, распределенного управления элек-
трогидравлическим приводом с высокими динамическими характеристиками, с возможностью удаленного контроля, мониторинга и диагностики исполнительных механизмов. Такое бурное развитие выдвинуло ряд новых требований к технологии производства, особенно в секторе испытательного оборудования.
Системы управления электрогидравлическими приводами всегда считались «методически» или «алгоритмически» зависимыми от конечного объекта
управления, в который входит гидропривод как узел и имеет для данного приложения конкретный алгоритм управления. Необходимость снизить издержки «специализации» заставляет сегодня пересматривать концепцию такого подхода в производстве и переходить к выпуску так называемых мехатронных гидравлических модулей или компонент.
Мехатронный гидравлический модуль в классическом определении [1] это сплав механики, электроники и программных средств обработки информации, объединенный требованиями технологичности и экономичности производства,, который делает гидравлический механизм максимально унифицированным, позволяет менять его параметры и перестраивать режимы его работы на информационном уровне. Ключевые позиции в этом направлении занимают электрогидравлические усилители, насосы переменной производительности и автономные гидростатические приводы, оснащенные электромеханическими преобразователями сигналов и электронными средствами обработки этих сигналов.
При разработке мехатронных модулей необходимо, таким образом, решать задачи из области механики, гидравлики, электроники, программирования, передачи и обработки информации. Несомненно, что ведущую роль в концепции мехатронного подхода к проектированию электрогидравлических приводных систем играет стандартизация, но даже при строгом соблюдении норм возникает целый ряд проблем, которые обусловлены технологией производства гидравлических распределителей, насосов, гидроцилиндров и т.д., а также условиями их эксплуатации. Во-первых, существует технологический разброс параметров. Во-вторых, имеется эксплуатационный уход параметров. В-третьих, как мы уже отметили, статические и динамические характеристики модулей долж-
ны иметь возможность настройки в зависимости от конкретного технического приложения.
Один из способов решить перечисленные проблемы и упростить интеграцию гидравлических модулей в конечное изделие является создание встроенных систем управления, когда, например, гидравлический усилитель выпускается производителем со встроенным контроллером с предоставлением интерфейса дистанционного управления, систем контроля, мониторинга, настройки динамических и статических параметров.
Другой важный аспект проблемы, это создание многоканальных комплексов управления, которые обеспечивают согласование работы мехатронных модулей в децентрализованной среде гидравлических компонент со встроенной электроникой. Архитектура таких комплексов может быть самой различной, от полностью централизованной до независимой по каждой степени свободы.
При создании электрогидравлических приводных систем возникает необходимость проведения исследований в смежных областях науки и техники: от изучения термодинамических процессов изменения состояния рабочей среды в плунжерных парах и динамики нестационарных уравнений, описывающих работу цилиндровых групп, до разработки алгоритмов управления электродвигателями и методов синхронного управления многоканальными приводами. В условиях многоканального управления методы адаптивного управления, методы идентификации динамического состояния и синтеза наблюдателей, методы настраиваемых моделей приобретают новое качество, которое и определяет концепцию мехатронного подхода.
Описанный в общих чертах «Мехатронный» принцип интеграции особенно актуален для авиационных рулевых приводов с резервированием каналов управления. Для данного типа приводных систем характерна структурная избыточность в целях обеспечения надежности и отказоустойчивости. Привод с такой архитектурой состоит из независимых каналов - резервов распределения энергии рабочего тела на общую нагрузку, другими словами, расхода жидкости в гидравлический двигатель. Задача согласования динамических параметров ре-
зервов и их синхронизация тесно связана с проблемами взаимной нагрузки выходных звеньев многоканального привода, которая непосредственным образом связана с проблемой энергосбережения и с проблемой стабильности динамических характеристик всего привода. Следует отметить, что наличие двух и более резервов переносит систему управления таким приводом в класс электромеханических комплексов, для которых централизованная архитектура системы управления становится достаточно сложной в реализации и, соответственно, менее надежной. Закономерный вопрос, насколько эффективной будет децентрализованная архитектура управления? Переходя от общей формулировки проблемы к конкретным задачам, необходимо определить, какие регуляторы применять и как организовывать межканальные связи в мультипроцессорной цифровой системе управления гидроприводом.
Цель и задачи исследований.
Целью данной диссертационной работы является разработка практически реализуемых алгоритмов управления мехатронными электрогидравлическими компонентами и создание на их основе децентрализованной многоканальной системы динамического управления авиационными рулевыми приводами.
В диссертационной работе решаются задачи:
Разработка алгоритма идентификации импульсной динамики гидравлического усилителя с непосредственным управлением золотником. Разработка закона управления идентифицируемого гидравлического усилителя. Создание мехатронного модуля гидравлического усилителя на основе разработанных алгоритмов идентификации и синтеза закона управления.
Исследование физических процессов в объемных распределителях с каналом контроля на основе насоса переменной производительности. Соз-
дание математической модели, описывающей динамику распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе.
Моделирование динамики гидростатического привода с последовательными каналами управления расходом, состоящими из нереверсивного аксиально-поршневого насоса и пропорционального гидравлического усилителя.
Разработка законов управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием.
Моделирование многоканальной цифровой системы управления. Исследование реакций системы в асинхронном и синхронном режимах опроса управляющих сигналов. Разработка требований к программным компонентам и протоколу их взаимодействия в многоканальных системах управления авиационными приводами.
Объект исследований
В качестве объекта исследований выбран электрогидравлический привод с несколькими каналами управляющих воздействий. В работе рассматривается дроссельный резервируемый привод, в котором все каналы одинаковые, и привод, в котором используются сервомеханизмы распределения расхода различного типа, а именно электрогидравлический привод с объемно-дроссельным управлением.
Предмет исследований
Предметом изучения являются модели и алгоритмы цифрового управления электрогидравлическими мехатронными компонентами, протоколы межканального обмена в распределенных системах динамического управления, обеспечивающие нужное качество управления и надежность функционирования та-
ких систем, энергосбережение, технологичность и экономичность их производства.
Методы исследований
При проведении исследований и разработок были использованы подходы и методы теории управления, спектрального анализа, методы канонической теории возмущений в гидродинамике и теории случайных процессов. В процессе математического и полунатурного моделирования процессов управления применялись методы расчета разностных схем дифференциальных уравнений в средах программирования C++, PASCAL, MATLAB, методы разработки цифровой аппаратуры и программного обеспечения на базе сигнальных процессоров TEXAS INSTRUMENTS.
Научные результаты.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
Алгоритмы идентификации и закона управления мехатронного электрогидравлического усилителя.
Математическая модель физического процесса всасывания и нагнетания в аксиально-поршневом насосе гидростатического привода с объемным управлением.
Нестационарные уравнения гидростатического привода с объемно -дроссельным управлением.
Нелинейный закон управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием.
Условия синхронного режима децентрализованной системы динамического управления с цифровым каналом обмена данными. Про-
токол взаимодействия программных компонентов в многоканальной системе динамического управления.
Научная новизна:
Алгоритмы идентификации и закона управления мехатронного электрогидравлического усилителя отличаются от алгоритмов, основанных на стандарте PLC, подсистемами самоидентификации и автонастройки параметров управления.
Математическая модель распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе отличается учетом динамического характера процессов всасывания и нагнетания в плунжере.
Нестационарные уравнения гидростатического привода с объемно -дроссельным управлением отличается от гармонически линеаризованных моделей адекватным представлением о мультипликативном входном воздействии в приводе с объемно-дроссельным управлением
Нелинейный закон управления гидростатическим приводом с мультипликативным входным воздействием в отличие от линейных регуляторов делает характеристики системы управления инвариантными относительно амплитуды входного сигнала.
Переход от детерминистского определения синхронизма к его статистической оценке позволил вывести условия синхронного режима в децентрализованной системе управления электрогидравлического привода и получить синхронный протокол межканального обмена данными, который отличается отсутствием необходимости в передаче пакетов временных меток.
Практическая значимость
Предложенная в работе архитектура мехатронного модуля была использована при разработке гидравлического усилителя УГ-133М со встроенным цифровым контроллером. Эффективность подхода подтверждена полученной низкой трудоемкостью выполнения технологических операций настройки и проверки мехатронного клапана при его серийном производстве на предприятии ОАО «ПМЗ ВОСХОД».
На основе выдвинутой концепции построения программного контроля и протокола межканального взаимодействия разработан и внедрен многоканальный комплекс управления гидравлическими рулевыми приводами и их системами. Комплекс прошел успешные испытания в составе системы рулевых приводов для самолета пятого поколения Т50.
Гидравлические усилители с цифровым управлением
Рассматриваются два основных типа электрогидравлических усилителей (ЭГУ) с дистанционным цифровым управлением. Усилитель сопло-заслонка и усилитель с непосредственным управлением золотником от линейного электродвигателя. Конструктивные особенности и связанные с этим преимущества и недостатки этих двух типов ЭГУ хорошо изучены [2,3,13,14,15] и мы не будем на них останавливаться. Отметим лишь, что все более жесткие требования к динамике и точности позиционирования золотника в ЭГУ определяют полностью дистанционный характер управления [30,31], т.е. отсутствие механических обратных связей и позиционирование золотника по датчику. Требование надежности предполагает наличие зонального и встроенного контроля отказов.
Предметом наших исследований является динамика ЭГУ с цифровым управлением. При этом предполагается, что ЭГУ работают в качестве сервомеханизмов в многоканальной системе, например, в приводе с резервированием электрогидравлических исполнительных элементов [32,33], поэтому ЭГУ должны иметь, вообще говоря, какой-либо механизм статической и динамической синхронизации золотников. Последнее требование наличия механизма согласования приводит к децентрализованной архитектуре управления контурами ЭГУ в многоканальных приводах и к еще более жестким требованиям статической и динамической точности управления золотником.
Опыт производства таких электрогидравлических усилителей показывает, что мы все чаще сталкиваемся с проблемой «грубости» управления. Для нового поколения ЭГУ пока что не удается получить систему управления одновременно с низкой чувствительностью к отклонению параметров и высокой точностью. Другими словами, отдельно выпущенный контроллер, реализующий закон управления в классе линейных предельных фильтров, и отдельно выпущенный ЭГУ не стыкуются в серии. Если быть более конкретным в части постановки задачи, то возникает необходимость настройки каналов контроля в широком смысле этого понятия, начиная со статической калибровки диапазонов сигналов с датчиков, управляющих сигналов и кончая синтезом и заданием параметров закона управления для конкретного усилителя, а это уже предполагает информационный подход к задаче.
Итак, мы вплотную подошли к необходимости не просто цифрового управления, а использования основополагающих принципов мехатроники в гидравлике.
Возвратимся к теме исследований импульсной динамики ЭГУ и кратко остановимся на рассмотрении методов проектирования цифровых систем управления, но уже с позиций мехатроники. До настоящего момента часто практикуют подход к проектированию систем цифрового управления, основанный на переоборудовании [4]. Это означает, что создается цифровая система управления, эквивалентная аналоговой. Импульсный характер неизменяемой части объекта управления в случае цифрового управления учитывается эквивалентным запаздыванием экстраполятора. Во многих случаях этого бывает достаточно для аналоговой аппроксимации импульсной передаточной функции ЭГУ и последующего синтеза закона управления.
Однако такой подход вовсе не гарантирует, что итоговая цифровая система управления, полученная методом переоборудования, будет эквивалента аналоговой. Поясним сказанное на простейшем примере.
Рассмотрим простой усилитель тока, работающий на индуктивную нагрузку, охваченный токовой обратной связью. Модель системы представляет апериодическое звено 1-ого порядка, охваченное обратной связью.
Как видно из этого простого примера, синтез управления в цифровой системе должен основываться на априорном знании о виде передаточной функции неизменяемой части в импульсном представлении! Более того, новое качество для системы с цифровым управлением можно получить, если априорную информацию о виде импульсной передаточной функции объекта детализировать до получения конкретных значений параметров, т.е. идентифицировать объект управления в импульсном представлении на этапе настройки.
Свойство «интеллектуальности» современных микропроцессорных контроллеров открывает в этом направлении широкие возможности и позволяет осуществлять процедуру, которую мы назвали «Препроцессингом». В простом варианте под термином «Препроцессинг» понимают контроль параметров ЭГУ на этапе инициализации программы управления. Сегодня в электрогидравлических усилителях и приводах применяются в основном статические элементы препроцессинга, такие как выборка смещения нуля, проверка управляющих обмоток электромагнитных преобразователей на предмет обрыва или короткого замыкания [5]. Появление высокопроизводительных микропроцессоров позволяет реализовать во встроенном контроллере частотные методы для определения динамических характеристик ЭГУ и в полной мере использовать те или иные методы идентификации динамического состояния. Закономерно возникает идея синтезировать закон управления на этапе препроцессинга встроенного контроллера. Как показали результаты исследований и дальнейшее внедрение разработанных алгоритмов, применение препроцессинга с идентификацией и синтезом закона управления дает высокую эффективность данной технологии в серийном производстве электрогидравлических распределителей.
Характеристика неизменяемой части ЭГУ и задача синтеза закона управления
Задача синтеза закона управления клапаном состоит в получении системы управления с астатизмом первого порядка и с минимальной статической ошибкой 1-ого порядка. Если система управления имеет заранее заданную структуру, например, это регулятор ПИД, то синтез закона управления не вызывает особых затруднений.
Однако на практике задача синтеза, как задача настройки параметров управления конкретной технической реализации контроллера, не такая уж и простая в условиях технологических допусков на электронную и электромеханическую часть ЭГУ.
Поясним проблему на примере аналоговой схемы управления ЭГУ с регулятором ПИД.
Система управления с регулятором ПИД дает достаточно хорошие результаты, однако, для этого надо обеспечить аналоговую схему как минимум пятью элементами начальной настройки ПИД, смещений нулей датчика и усилителя тока электродвигателя. К чему это ведет?
Допустимое отклонение собственной частоты механической системы «золотник на пружине» от номинального значения, например, на 20% требует соответствующей подстройки 3-ех коэффициентов регулятора ПИД, предполагая, что остальные параметры схемы управления в норме и нам известны текущие параметры ЭГУ, а именно декремент затухания, комплексное индуктивное сопротивление и величина ЭДС в обмотках электродвигателя.
Даже для этой, достаточно простой системы управления, выработать методику настройки, пригодную в условиях серийного производства, оказалось практически невозможно. На подобную регулировку может потребоваться несколько часов, солидный комплекс измерительного оборудования и достаточно квалифицированный специалист. Ситуация знакома не только нам, но и нашим зарубежным конкурентам, где затраты на испытания доходят до 40-50% себестоимости изготовления гидравлических усилителей.
Микропроцессорное управление позволило качественно изменить технологию синтеза закона управления. Схема коммутации сигналов обратной связи, каналов контроля и режимы (алгоритмы) управления - это, по сути, программный код для микропроцессорного контроллера. Вполне естественно процедуру оценки параметров ЭГУ и процедуру синтеза управления "интегрировать" в одном устройстве. Эту интеграцию программного кода мы определили как самонастраивающийся алгоритм управления.
Для синтеза закона управления с заданными параметрами нам необходимо знать дискретные уравнения состояния ЭГУ. Важность проблемы перехода к импульсному представлению при идентификации и синтезе управления мы обсудили в главе 1.
Дифференциальные уравнения, которые описывают динамику ЭГУ, имеют третий порядок. Какой бы метод мы не использовали - метод Z преобразований или метод переходной матрицы состояния, вывод точных дискретных уравнений состояния для системы 3-го порядка получается очень громоздким, поскольку он связан с нахождением корней характеристического уравнения ЭГУ. В результате полученные выражения практически не удается использовать для аппроксимации передаточной функции ЭГУ, например, по частотному отклику разомкнутого контура ЭГУ. По этим причинам использовалось преобразование непрерывной системы уравнений ЭГУ в S-области в эквивалентную дискретную передаточную функцию в Z-области с помощью метода Z-форм.
Достаточно точную оценку коэффициентов передаточной функции (2) можно получить, например, по частотному отклику разомкнутого контура в определенном диапазоне частот.
Алгоритм оценки основан на аппроксимации экспериментальной амплитудной фазовой частотной характеристики (АФЧХ), полученной в комплексной форме W(jak) = Ret+ j. Im аналитическим выражением (1)
Как уже было отмечено, что если структуру системы управления мы выбираем заранее, то модуль синтеза представляет собой программный код расчета коэффициентов передаточной функции регулятора в соответствии с полученными оценками динамических свойств разомкнутого контура.
Здесь обратим внимание на следующее: интерес представляет лишь технология получения программного кода управления для платформ на базе серийных сигнальных процессоров (DSP). На сегодняшний день доступные для промышленного применения DSP имеют тактовую частоту от 100 - 200 МГц, 128 КБ оперативной памяти, 16 каналов контроля АЦП, 4-6 каналов контроля ЦАП или ШИМ, 2 коммуникационных интерфейса. Несмотря на достаточно высокую производительность, современные DSP в разумном ценовом диапазоне не в состоянии выполнить не только код генерации программы закона управления, но и рабочий код, автоматически сгенерированный той или иной средой Control Work Shop типа RTW MATLAB и прочее.
Исследование динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе с гидравлическими сопротивлениями в линиях всасывания и нагнетания
Рассматривается аксиально-поршневой насос с клапанным распределением. Этот тип насоса отличается компактностью, высоким КПД, большими оборотами и большой энергоемкостью на единицу веса. Поэтому аксиально-поршневые насосы нашли широкое применение в автономных приводах аэрокосмического назначения. Идея использовать технические преимущества аксиальных поршневых насосов в объемно-дроссельном приводе потребовала знания реакции переменных состояния рабочей жидкости (давления и скорости потока) в линиях нагнетания и всасывания насоса на изменение скорости вращения плунжерных пар, т.е. построения динамической модели насоса.
Особенностью насоса является то, что получение требуемых характеристик обеспечивается распределением потока рабочей жидкости за счет изменения гидравлического сопротивления в линии всасывания насоса. Однако наличие сопротивления потока всасывания естественным образом должно приводить к неполному заполнению рабочего объема плунжера насоса, что отрицательно сказывается на его работе. Такой режим работы насоса получил название режима «голодания». До сих пор нет четкого понимания физического процесса, описываемого термином «режим голодания», также как и его количественной оценки.
В работе сначала рассматривается общая задача нелинейной механики распределения и заполнения плунжера рабочей жидкостью. Для исследования используется методы канонической теории возмущений. Рассматривается решение на конечном интервале времени в зависимости от медленного меняющегося параметра - величины сопротивления дросселя в линии всасывания. Такой подход основан на том, что фаза подачи и всасывания разделены по начальным условиям, поэтому возможно получение общего квазипериодического решения для расчета подачи насоса на основе решения на периоде.
Задача расчета динамики распределения жидкости в аксиально-поршневом насосе сводится к рассмотренной задаче плунжера в фазе всасывания и фазе нагнетания при вращении вала насоса. Связь по начальным условиям фаз всасывания и нагнетания дают динамическое преобразование, описывающее работу насоса.
Без ограничений общности, допустим, что на положительной половине периода происходит всасывание рабочей жидкости в цилиндр. Для расчета объема всасывания воспользуемся общими уравнениями неразрывности для цилиндра [20]. Полагаем, что объемный модуль упругости постоянный во всем диапазоне рабочих давлений, а утечки нулевые.
В области є »1 решение для Q = Sx(t)+Q0. В конце такта всасывания Q=Q0- Условие є »1 означает высокую проводимость дроссельного отверстия в линии нагнетания. Отсюда следует, что в конце периода всасывания плунжер заполнен, a Q0 — это не что иное, как объем объема плунжера за вычетом рабочего объема или в безразмерных единицах v0 = J3 -1.
Решение показывает, что нелинейный характер уравнения дросселя в приближении, выраженном уравнением (6), приводит к локальному (во временной области) изменению частоты изменения расхода жидкости при гармоническом воздействии в общей задаче потока с неравномерным изменением геометрии цилиндра.
В цилиндре с дроссельным окном всасывания происходит как заполнение, так и вытеснение жидкости в зависимости от направления хода поршня. Из вида характеристики следует, что для плунжеров с дросселем в линии всасывания может существовать область параметра, когда в цилиндре возникает ненулевой объем жидкости, обусловленный исключительно наличием дросселя в линии всасывания, а не только геометрией расположения окна. Таким образом, становится ясно, что уравнение (8) являются адиабатическим уравнением расхода в цилиндре в приближении р -1» sin(r), т.е. для достаточно большого объема плунжера. Константа v0, которая выбиралась нами из физических соображений, действительно равна v0 = р -1. Из сравнения (8) и (21) видно, что модельное представление п. 3.1.1. необходимо дополнить параметром относительного давления в линии всасывания.
Координата X, с которой связано движение плунжера насоса, описывается функцией синуса с частотой вращения вала насоса. Всасыванию соответствует положительная половина периода - обратный ход. В этом интервале открывается отверстие всасывания, происходит заполнение рабочей жидкостью полости плунжера. Далее плунжер возвращается к нулевому положению и закрывает магистраль всасывания.
Нагнетанию (или подаче) соответствует отрицательная половина периода — рабочий ход. В этом временном интервале происходит сжатие рабочего объема, открытие клапана, подача рабочей жидкости в магистраль нагнетания и закрытие клапана.
Децентрализация алгоритмов управления
Параллельные процедуры обеспечения работы исполнительных устройств за счет использования отдельных цифровых контроллеров позволяют во многих случаях упростить систему управления сложной системы и дают возможность повысить ее надежность [36,37]. Такие системы принято называть децентрализованными. В настоящей работе термин «децентрализация» будет обозначать не столько способ технической реализации физического разделения элементов мультипроцессорной системы, сколько определенный подход к задаче синтеза законов управления сложного объекта. Сложным объектом будем называть многомерную динамическую систему, состояние которой описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями высокого порядка.
Определим формальную процедуру децентрализации следующим образом. Будем вместо исходной многомерной динамической системы исследовать близкую к ней систему с разделяющимися переменными, на которую действует «возмущение». Невозмущенная система, таким образом, состоит из независимых подсистем, или, как говорят в технике, каналов. Будем говорить, что исходная система может быть децентрализована, если для каждого канала невозмущенной системы можно задать управляющее воздействие, которое является функцией переменных состояния только данного канала.
Это типовая и широко используемая сегодня структура резервируемого привода, в которой перемещение золотника обеспечивает электромагнитный преобразователь с несколькими управляющими обмотками. Положение выходного звена контролируется несколькими датчиками положения. Обычно в авиационном приводе уровень резервирования составляет 4, мы для простоты изложения, положим уровень резервирования равным двум, как представлено на Рис. 40.
Если запись (39) рассматривать как результат структурного преобразования системы управления и как результат приведения исходной системы к виду жордановой канонической формы, то данные операции, хорошо известные в теории САР, выполняются введением новых переменных, при этом вводится инвариант в новой системе. Эта операция и есть, собственно, формальное описание введения структурной избыточности.
Можно забыть о начальных условиях в (39), тогда (38) это частный случай более широкого класса систем с межканальным взаимодействием. Мы, таким образом, получили достаточно обширный класс систем для изучения, структура которых определила по большому счету архитектуру модуля МКУ. Общие рассуждения, приведенные здесь, несомненно, обусловлены конкретными задачами:
U В ряде конструкций многоканальных приводов намеренно меняется уровень взаимодействия (параметр ипсилон в нашем примере) за счет введе ния обратной связи по рассогласованию каналов. Это приводы с так называемой «стяжкой» золотников. Сегодня как никогда актуальна проблема надежности, которая требует в резервируемых приводах встроенной системы контроля (ВСК) каналов привода. Вопрос важный в современных условиях и представляет собой серьезную теоретическую проблему, как сделать оценку достоверности отказа и выполнить соответствующую перестройку закона управления многоканальной системы в случае отказа и изменения ее размерности в момент отказа.
В вопросах синтеза закона управления или при исследовании динамических характеристик создаваемых систем управления мы до сих пор мы применяли детерминистский подход, в котором входные полезные или возмущающие воздействия задаются в виде известных функций времени. На определенном этапе данный подход оправдывает себя, как, например, в задаче идентификации и автоматического синтеза, рассмотренной в главе 1, где мы применяли гармонические воздействия и классический частотный метод исследования динамического состояния.
При проектировании многоканальных систем мы будем использовать статистический подход [25]. Согласно статистическому подходу управляющие или возмущающие воздействия не являются регулярными в указанном выше смысле детерминистского подхода, что более соответствует действительному положению вещей, т.к. на практике, как правило, отсутствует достоверная информация о характере воздействий в системе.
В ряде случаев управляющее воздействие можно считать случайной величиной, для которой известны априорные данные о статистических характери стиках, например, при работе системы под воздействием помехи типа белого шума.
Опрос каналами значения управляющего сигнала моделируется экстрапо-лятором нулевого порядка, обозначенный CAN_SAMPLE с периодом квантования Tsc. Оценка качества производится с помощью вычислений спектральной плотности сигналов: положения золотника двухканальной системы, сигнала положения золотника «канал - модели» и их разности.
