Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ тепловой схемы и постановка задачи теплового регулирования сферической плавающей гироплатформы 18
1.1. Анализ тепловой схемы 18
1.2. Технические требования к тепловому регулированию 28
1.2.1, Обоснование требований к температурной стабильности.. 28
1.3. Система теплового обеспечения сферической плавающей гироплатформы модернизированной конструкции 33
1.3.1. Характеристика системы терморегулирования 34
1.4 Постановка задачи исследования 38
Глава 2, Математическая тепловая модель системы терморегулирования сферической плавающей гироплатформы 40
2.1. Цель и задачи математического моделирования, методика проектирования математической тепловой модели 40
2.1.1. Методика проектирования математической тепловой модели 41
2.2. Математическая тепловая модель 42
2.2.1. Параметрическая идентификация - методика расчета коэффициентов теплообмена 43
2.2.1.1. Тепловая модель сферической плавающей гироплатформы 43
2.2.1.2. Коэффициент теплоотдачи в каналах гиросферы 45
2.2.1.3. Коэффициент теплоотдачи в сферическом зазоре между гиросферой и электродом 46
2.2.1 4 Коэффициент теплоотдачи в сферическом зазоре между электродом и теплообменником 49
2.2.1 .5, Свободная конвекция в газовых полостях гиросферы 50
2.2.1.6. Теплопроводность однородной сферической стенки 52
2.2.1.7- Параметрическое исследование теплопередачи в сферической гироплатформе 54
2,2.1.8. Методика экспериментальной оценки тепловых проводимо стен 57
2.2.2. Конструктивная тепловая схема 58
2.2.3. Система дифференциальных уравнений 60
2.3. Устойчивость и динамическая точность 64
2,3.1. Структурные схемы 65
2.3.2. Передаточные функции 70
2.3.3. Законы регулирования 73
23.4. Жидкостная комбинированная система терморегулирования 74
2.3.4.1. Динамика и качество регулирования 77
2.3.5. Математическое моделирование и экспериментальные исследования трех и чстырехканальной зонной системы терморегулирования 79
Глава 3. Многоканальная система терморегулирования в связанной постановке ... 86
3.1 Анализ двухканальной системы регулирования в связанной постановке 86
3.1 1. Динамическая точность регулирования 89
3,2. Синтез и исследование трехканальной системы терморегулирования в связанной постановке 94
3.2.1. Структурная схема, передаточные функции объекта регулирования 94
3.2.2. Эквивалентная система, характеристика сепаратных каналов, структурные схемы эквивалентных каналов 97
3.2.3. Матричные структурные схемы оригинальной и эквивалентной системы 99
3.2.4. Устойчивость, динамическая точность, качество регулирования сепаратных каналов эквивалентной системы 103
3.2.5. Настройка параметров регуляторов по критериям быстродействия и точности регулирования 108
3.3. Экспериментальные исследования много контурной системы терморегулирования в связанной постановке 113
3.3.1. Характеристика натурной модели трехканальной системы регулирования 114
3.3,2. Коэффициенты регуляторов Кр с компенсацией перекрестных связей 116
Глава 4. Расчетно-экспериментальные исследования системы теплового обеспечения сферической плавающей гироплатформы инвариантной к типу и условиям эксплуатации объекта применения 121
4.1 - Постановка задачи исследований- Характеристика режимов работы и систем охлаждения 121
4.1 Характеристика режимов работы 122
4,1.2. Системы охлаждения 122
4.2. Расчетно-экспериментальные исследования тепловой схемы гироплатформы с жидкостной системой отвода тепла 124
4.2. Математическое моделирование 125
4,2.2. Экспериментальные исследования 129
4.3, Расчетно-экспериментальные исследования тепловой схемы гироплатформы с воздушной системой отвода тепла 134
4.3.1, Математическое моделирование 135
4,3.2. Экспериментальные исследования 137
4.4. Эффективность применения жидкостной и воздушной системы отвода тепла 140
4.5. Погрешности гироскопических чувствительных элементов в составе гироплатформы при работе на тепловой инерции 142
Заключение 149
Литература 150
Приложения 159
- Технические требования к тепловому регулированию
- Устойчивость и динамическая точность
- Синтез и исследование трехканальной системы терморегулирования в связанной постановке
- Расчетно-экспериментальные исследования тепловой схемы гироплатформы с жидкостной системой отвода тепла
Введение к работе
Актуальность работы. Сферическая плавающая гироплатформа (СПГ) предназначена для применения в качестве командного прибора (КП) автономной системы управления летательными аппаратами, ракетоносителями типа "Энергия", "Протон". Аналогом такого прибора является инерциальный блок AIRS (Advanced Inertia! Reference Sphere), разработанный в лаборатории Ч, Дрейпера в 70-88Г.Г-, США.
Для решения задачи достижения минимальной погрешности автономного управления и навигации движущихся аппаратов (например, наведение космического объекта по баллистической траектории на поверхность Земли в квадрат со стороной порядка 200м), точность азимутальной выставки СПГ должна быть на уровне единиц угл.сек. Одним из перспективных путей решения этой задачи является применение СПГ с высокоточными поплавковыми двухстепенными гироскопами и гироинтеграторами линейных ускорений, работающей в период предстартовой подготовки и полной точностной готовности к пуску в режиме непрерывной аналитической калибровки систематических составляющих погрешностей гироприборов и аналитической азимутальной выставки гироплатформы в условиях отсутствия прямой оптической связи с подвижной частью СПГ, что позволяет отказаться от наземного комплекса азимутальной выставки.
С помощью системы командной прецессии гироплатформа приводится в заданное вращение относительно ииерциальной системы координат и выходные сигналы интеграторов обрабатываются в ЭВМ так, что систематические ошибки измерения кажущегося ускорения и систематические уходы гироплатформы оцениваются и компенсируются с необходимым тактом (например, 6 минут). Одновременно определяется ориентация связанного с ги-роплатформой приборного трехгранника относительно местной системы координат (в точке старта или связанной с корпусом объекта).
9 Требуемый уровень точности азимутальной выставки во многом определяется стабильностью взаимного углового положения осей чувствительности гироскопических чувствительных элементов (ГЧЭ) на уровне (4-6)10-2 дуг.сек. за такт калибровки-выставки, которая в свою очередь зависит от температурной стабильности как непосредственно ГЧЭ, так и их установочных баз в корпусе сферической платформы (СП), в т.ч.: по корпусной часта ГЧЭ - не хуже 2-Ю"3 С ; по градиентам температуры установочных баз ГЧЭ - не хуже 4-10"2оС. В процессе предварительных тепловых испытаний СПГ установлено, что в СП, в процессе ее вращения в режиме командной прецессии, из-за неоднородности условий теплообмена с корпусной частью СПГ в зонах экваториального кольца и электродов, наблюдаются изменения температуры до 0,5С, вариация которых носит случайный характер, плохо поддается систематическому учету и компенсации с помощью пассивных средств теплового обеспечения. В связи с этим большую значимость, актуальность и научный интерес представляет собой задача синтеза и исследования многоконтурной системы терморегулирования (СТР) СПГ с компенсацией перекрестных межканальных связей по возмущающим воздействиям в едином объекте регулирования.
Особую важность и актуальность приобретает также и задача разработки математической модели тепловых режимов и системы терморегулирования (СТР) СПГ, которая позволяет на всех этапах проектирования и отработки конструкции СПГ смоделировать стационарные и динамические температурные режимы работы прибора, оценить динамику и качество регулирования СТР СПГ, динамику температурного поля СП и дать экспертную оценку вероятного поведения точностных параметров ГЧЭ в различных режимах и условиях работы изделия, что существенно снижает затраты и сроки разработки прибора,
С целью отработки конструктивных и схемных решений по системе теплового обеспечения СПГ в целом и схемотехнических решений по
многоконтурной СТР актуальной является и задача создания полномасштабной натурной тепловой модели прибора и управляющего вычислительного комплекса, позволяющего уточнить математическую тепловую модель СПГ, структуру регуляторов СТР и параметры регулирования.
Учитывая современную тенденцию к разработке универсальных образцов изделий относительно способов базирования и эксплуатации, актуальной является и задача создания конструктивной тепловой схемы СПГ, инвариантной к типам объектов применения и условиям эксплуатации, что придает ей высокие технико-экономические и эксплуатационные качества: снижение затрат на разработку конструкторской, технологической, технической документации, средств испытаний, программно-математического обеспечения и снижение эксплуатационных расходов.
В связи с вышеизложенным, задачи разработки многоконтурной системы терморегулирования СПГ в связанной постановке и создания тепловой конструктивной схемы прибора, инвариантной к различным типам изделий и условиям эксплуатации, являются актуальными.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является синтез и исследование многоконтурной зонной системы терморегулирования СПГ в связанной постановке и расчетно-экспериментальное обоснование инвариантности тепловой конструктивной схемы прибора к типу объекта применения и условиям его эксплуатации,
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:
1. Разработка методики математического моделирования динамики
температурного поля СПГ в условиях эксплуатационных тепловых режимов.
2. Разработка методики синтеза и анализа многоканальной системы тер
морегулирования СПГ с компенсацией перекрестных межканальных связей
по возмущающим воздействиям в едином объекте регулирования,
3. Обоснование требований к точностным параметрам СТР СПГ в
соответствии тактико-техническим требованиям к СПГ.
Обоснование выбора конструктивной тепловой схемы СПГ как объекта терморегулирования.
Разработка и исследование натурной тепловой модели СПГ с целью экспериментального определения параметров теплообмена, оценки динамики температурного поля СПГ, параметров и качества терморегулирования.
Разработка испытательного стенда экспериментальных исследований динамических температурных процессов в СПГ.
Исследование тепловой схемы СПГ с целью определения условий инвариантности СПГ к типу изделий и условиям эксплуатации.
Методы исследования, В соответствии с поставленными целями и задачами исследований в работе применены аналитические и экспериментальные методы исследования сложных систем.
Для решения задач научного направления использовались следующие методы исследований:
при разработке тепловой математической модели СТР СПГ применен метод поэтапного моделирования;
при разработке вычислительных программ математических тепловых моделей СПГ применен метод численного интегрирования дифференциальных уравнений - метод Рунге-Кутта;
при проведении синтеза и анализа многоканальной связанной по возмущениям СТР применен метод частотного анализа, метод оценки устойчивости по критерию Рауса - Гурвица, метод D-разбисния и метод эквивалентных схем;
при разработке математической и натурной тепловой модели СПГ применен метод параметрической идентификации, реализованный в виде разработанных методик расчета коэффициентов теплообмена, тепловых про-водимостей по конструктивным уровням прибора, расходно-массовьгх характеристик и параметров теплоотдачи в сферических и плоских каналах стати-ко-гидродинамического подвеса (СГДП) сферической платформы.
Для решения задач технического направления применен метод натурного .моделирования конструктивной тепловой схемы прибора и СТР СПГ на основе разработанных и изготовленных тепло-гидравлических макетов и управляющего вычислительного комплекса (УВК) на основе персонального компьютера PC IBM.
Научная новизна работы. Автором, в процессе проведения исследований, получены новые научные результаты:
1, Разработана методика математического моделирования тепловых ре
жимов СПГ и создана математическая тепловая модель СПГ с программным
обеспечением вычислительного эксперимента по оценке динамики темпера
турного поля прибора в условиях эксплуатациошплх тепловых режимов.
2. Разработана методика и проведен синтез и анализ многоканальной СТР,
разработана и исследована математическая модель зонной СТР СПГ с регу
ляторами индивидуальной настройки с компенсацией перекрестных межка
нальных связей,
3. Разработана жидкостная система терморегулирования с центробежным насосом СГДП в качестве исполнительного органа СТР.
4. Разработана, создана и испытана полномасштабная натурная тепло-
гидравлическая модель СПГ, позволяющая получать достоверные результаты
по оценке температурных режимов прибора в условиях применения различ
ных типов системы отвода тепла (СОТ), качества работы многокоитурной
СТР с регуляторами индивидуальной настройки.
Выбрана и экспериментально - расчетными исследованиями обоснована конструктивная схема СПГ инвариантная к объекту применения и условиям эксплуатации, с минимизированными тепловыделениями, обеспечивагощая удовлетворительное качество работы СТР СПГ.
Разработан и применен в технологии экспериментальных исследований высокопроизводительный управляющий вычислительный комплекс на базе PC IBM, магистрально-модульной технологии измерения и управления.
13 Новизна работы подтверждается 7 авторскими свидетельствами ВНИИГПЭ на изобретение [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69]. Положснияп выносимые на защиту.
Методика математического моделирования тепловых режимов СПГ, математическая тепловая модель СТР СПГ, результаты вычислительного эксперимента, программное обеспечение,
Методика исследования и синтеза многоконтурной СТР СПГ в связанной постановке с регуляторами индивидуальной настройки с компенсацией перекрестных связей в едином объекте регулирования.
Результаты синтеза и анализа многоконтурной СТР СПГ.
Конструктивная тепловая схема СПГ.
Тепло-гидравлическая модель СПГ и результаты экспериментальных исследований многоконтурной СТР СПГ в связанной постановке.
Управляющий вычислительный комплекс для исследований и отработки многоконтурной СТР СПГ,
Результаты расчетно-экспериментальных исследований инвариантности тепловой схемы СПГ к типу объекта применения и условиям эксплуатации.
Практическая значимость работы. 1« Программная и натурная реализация задачи компенсации случайных температурных составляющих погрешности азимутальной выставки СПГ,
Конструктивная тепловая схема СПГ, инвариантная к типу и условиям эксплуатации объектов применения, внедренная в конструкторскую документацию на опытно-конструкторский образец прибора.
Созданный и внедренный в технологию экспериментальных исследований управляющий вычислительный комплекс, методика экспериментальных исследований СТР СПГ могут быть использованы при разработке широкого класса командных гироскопических приборов: гиростабилизаторов кар-дановых схем подвеса, бесплатформенных инерциальных навигационных систем.
14 4, Расчетно-аналитические исследования и экспериментальная отработка динамики и качества терморегулирования гироплатформы показали принципиальную и практическую реализацию комфортных температурных условий работы ГЧЭ в режиме аналитической калибровки-выставки СПГ и возможность достижения минимального влияния температурных возмущений на точность азимутальной выставки СПГ,
Обоснованность и достоверность полученных научных и практических результатов. Полученные научные и практические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований с использованием современных измерительных и вычислительных средств. Достоверность полученных результатов подтверждена высокой сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований на полномасштабной физической модели СПГ с помощью управляющего вычислительного комплекса.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
L На Всесоюзном семинаре Сенсор-87 по электронным датчикам, г.Черновцы, 1987г.
На 2-м международном симпозиуме СССР-КНР по вопросам инерци-альньтх навигационных технологий, С, Петербург, 1992г.
На первой научно-практической конференции памяти главного конструктора академика В.И. Кузнецова, г, Москва, 2003г.
На второй научно-практической конференции памяти главного конструктора академика В.И. Кузнецова, г, Москва, 2004г.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены и опубликованы в 7 научных печатных работах, в научно-технических отчетах ФГУП НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова и в 7 авторских свидетельствах на изобретение.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в процессе проектирования и
15 разработки приборов СПГ: КИ85-2-КТМ, КИ35-ЗЭК(экспериментально-конструкторский образец)^ КИ85-ЗЭНИ (прибор для летных экспериментально-натурных испытаний), КИ85-3 ОКР (прибор опытно-конструкторской разработки), полномасштабных тепло-гидравлических макетов КИ85-2-КТМ/Т1, КИ85-2-КТМ/Т2, КИ85-3- КТМ/ТЗ в ФГУП НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова. При изготовлении перечисленных приборов на Московском заводе электромеханической аппаратуры (МЗЭМА), а также при проведении исследований СПГ в фирме "Конус", Получено 3 акта внедрения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, заключения, списка используемой литературы, приложений и актов о внедрении. Объем диссертации составляет 158 печатных страниц, включая 50 рисунков, 24 таблиц. Список литературы содержит 77 наименований.
Do введении обоснована актуальность научной работы5 сформулированы цель и задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также приведены краткие сведения о структуре и содержании диссертации.
В первой главе рассмотрены результаты сравнительного анализа базовой конструктивной тепловой схемы СПГ и прототипа - инерциального блока AIRS. Сделаны выводы, что конструктивные принципы построения тепловой схемы приборов практически одинаковы и определяются идентичностью тактико-технических характеристик (ТТХ), условий эксплуатации, уровнем точностных характеристик ГЧЭ. Показано, что наряду с достижением теплового баланса на требуемом уровне рабочих температур в СП наблюдается температурная нестабильность в зонах установки ГЧЭ в условиях квазиста-ционариого теплового режима прибора при командной прецессии СП в процессе аналитической калибровки-выставки, что не позволяет обеспечить требуемую точность азимутальной выставки СПГ. Причиной выявленной температурной нестабильности является ряд недостатков базовой конструкции
СПГ (присущих и блоку AIRS), которые с учетом условий эксплуатации и
требований к точности азимутальной выставки СП, определяют основные направления исследований по модернизации конструкции и повышению эффективности тепловой схемы СПГ, а также определяют основные технические требования к системе терморегулирования СПГ- В соответствии требованиям ТТХ СПГ и уровню точностных параметров ГЧЭ* определяющих точность решения азимутальной выставки прибора, определены основные требования к системе терморегулирования СПГ. В конце главы дана характеристика и структура модернизированной конструктивной тепловой схемы СПГ, приведены выводы.
Во второй главе рассмотрена методика поэтапного математического моделирования и параметрической идентификации конструктивной тепловой схемы СПГ, разработка алгоритма и вычислительной программы в среде языка TURBO PASCAL (DELPFY) для отработки тепловой математической модели динамики тепловых режимов СПГ с 13 каналами автоматического регулирования температуры ГЧЭ, установочных баз ГЧЭ, СГДП и хладагента СОТ. Приведен сравнительный анализ результатов вычислительного эксперимента по математическому моделированию и экспериментальных исследований квазистационарных тепловых режимов прибора с имитацией условий эксплуатации и типовых возмущений, в т.ч. для трех вариантов СТР СПГ; жидкостной СТР; зонной 3-канальной СТР; зонной 4-канальной СТР.
В конце главы приведены выводы.
Третья глава посвящена разработке методики синтеза и исследования зонной 3-х канальной СТР в связанной постановке методом эквивалентных схем как многоконтурной СТР с однотипными каналами регулирования, общим объектом регулирования и межканальными связями по возмущению и регулирующему воздействию, рассмотрены результаты решения задачи нахождения условий сепаратности (независимости) каналов регулирования, проведения расчетной и экспериментальной оценки устойчивости и динамической точности регулирования с регуляторами индивидуальной настройки.
17 В материалах главы приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований динамики и качества регулирования связанной СТР, определены условия и технические решения по компенсации перекрестных связей, определены параметры регуляторов индивидуальной настройки, проведен анализ результатов расчетных и экспериментальных исследований много-контурной СТР СП, рассмотрен разработанный и примененный управляющий вычислительный комплекс (УВК) на базе PC IBM с технологией магист-рально-модульного стандарта измерений, дана оценка эффективности его применения. В конце главы приведены выводы.
В четвертой главе представлен анализ материалов расчетно-аналитических и экспериментальных исследований конструктивной тепловой схемы СПГ, проведенных с целью определения условий и параметров инвариантности прибора к типу объекта применения, типу системы охлаждения и условиям эксплуатации, рассмотрены расчетная и экспериментальная оценка запаса времени точностной невозмущенности СПГ в режиме основной работы на тепловой инерции, - без активных средств отвода тепла, - применительно к изделиям с временем активной работы до 30 мин. В конце главы приведены основные выводы,
В заключении сделаны выводы по результатам расчетно-анапитических и экспериментальных исследований многоконтурной СТР и тепловой конструктивной схемы СПГ, инвариантной к типам объекта применения и условиям эксплуатации.
Технические требования к тепловому регулированию
Данные сравнительного анализа ТТХ блоков СПГ и AIRS приведены в таблице 25 приложения L Результаты анализа требований к точностным параметрам ГЧЭ сведены в таблицу 26 приложения 1.
Анализ данных таблицы 26 позволяет сделать следующие выводы: 1. Основными параметрами, определяющими точность азимутальной вы ставки СП, являются: -суммарный дрейф ГБ на уровне 10 дуг. мин /мин; -суммарная погрешность ГИ по масштабному коэффициенту с учетом тяже ния 10" м/сек ; -стабильность взаимной неортогональности осей чувствительности ГИ на уровне нескольких сотых долей угловой секунды. 2, Высокий уровень стабильности параметров ГЧЭ определяет высокий уро вень требований к стабильности температуры корпусов и установочных баз ГЧЭ, а также к стабильности их температурных градиентов. Температурная стабильность корпуса и установочных баз ГИ
На рис. 1.4 показана иллюстрация механизма действия температурного градиента между установочными базами ГИ на взаимное положение осей чувствительности. Из [30, 36, 72] следует, что при перепаде температуры в 1DC (по граням куба, описанного по вершинам радиусом сферы 162 мм) приобретенная неортогональность 04 ГИ составляет 1 угловую секунду.
А. Допустимый угол отклонения О.Ч, ГИ В дальнейшем это соотношение принято как числовое выражение 4 влияния температурного изменения (нестабильности) установочной базы Ш на угловое отклонение 011 Поэтому, для обесценения требуемой взаимной угловой стабильности ОЧ ГИ, необходимо стабилизировать межполостпые градиенты температуры установочных баз ш уровне 0,04-0,06. Что же касается температуры корпуса ГИ, то за основу принята суммарная погрешность по масштабному коэффициенту и тяжеишо, которая связана с темпера-гурой корпуса функцией влияния КТП1 - 6-Ю" м/сек Г С, Іісли на установочной базе ГИ температура изменится на PC (тепловая проводимость между корпусом и установочной базой ? = І Вт/С), то в соответствии с функцией влияния цофешноеть (р+т) составит 6 10"6м/сек2. Следовательно, СТС ГИ должна стабилизировать температуру корпуса при допустимой погрешности КГ7-И0 м/сек2 на уровне 0,015 0,002С. Отсюда точность стабилизации температуры установочных баз ГИ при допустимой нсортогональности ОЧ ГИ 0?06 МЦ)4" должна быть на уровне 0,04-Ю,06"С за нремя такта режима К-В. І щературиад стабильность кщ?нуі П
На рис. 1-5 показана иллюстрация допустимого углового отклонения ОЧ ГЬ относительно осей координат, связанных с корпусом ГБ. При возник-новении градиента температуры на установочных Йгпах величиной 1С, на торцах корпуса возникает изменение температуры в 1С, С учетам функции
Рабочая жидкость СГДП выполняет роль теплоносителе, обеепечи-вшошего іа счет интенсивной циркуляции с суммарным расходом до 20л/мни теплообмен между СП и сферическим кораусум СПГ. Поэтому изменение температуры или расходных характеристик жидкости неизбежно отражается пп стабильности температуры СП. Экспериментальные исследования показали, что влияние изменения температуры жидкости СГДП на температуру установочных баз ГЧЭ составляет 0,3 С/С, т.е. при изменении температуры жидкости СГДП на ГС изменение температуры установочных баз равно 0,ЗХ\ Таким образом, принятші стабильность темпершур установочных бат ГИ 0,04С определяет необходимость стабилизации температуры жидкости СГДП на уровне 0Л5С ІМ! ршурная ст нлшостьхмдагещ;аХШ?
Экспериментальное значение функции влияния нестабильности температуры хладагента СОТ на температуру установочных баз ГЧЭ составляет величину Kff! - 0?2"/С [37]. Поэтому, с целью минимизации температурных возмущений на установочных базах ГЧЭ допустимая нестабильность температуры хладагента па входе в прибор - не более 0,5 %\ Требования к системе теплоюш.о спечения СПГ
Технические требования к системе теплового обеспечения СПГ определяются уровнем ТТХ СПГ через функции влияния температурной неста билыюсти на точностные параметры СПГ, а также задачами, выполняемыми СТО [39]. Задачи СТО включают 3 основных направления: -достижение теплового баланса и рабочих температур гироплатформы; -обеспечение стабильности температурных градиентов в квазистационарном тепловом режиме при циклическом вращении гиросферы в режиме К-В; -обеспечение теплового баланса и термической устойчивости СТС ГЧЭ в режиме основной работы.
Исходя из проведенного анализа приняты следующие требования к тепловому регулированию СПГ: стабильность температуры корпусов ГЧЭ на уровне (l-s-2) 10 С за такт режима К - В; стабильность межполостных градиентов температуры установочных баз ГЧЭ на уровне (4 6) 10"2 С за такт режима К - В; стабильность среднеобъемной температуры рабочей жидкости СГДП на уровне 1,0 10"иСзатактрежимаК-В; рабочий диапазон температуры блоков встроенной электроники в пределах 45 60 С за такт режима К-В; рабочий диапазон температуры хладагента на входе в прибор в пределах 18- -20 С со стабильностью на уровне 07 5С за такт режима К - В.
Установленные и принятые в дальнейших исследованиях технические требования к СТО СПГ приведены в таблице 1.
Обозначения в таблице 1: СТС ГБ - система термостатирования ГБ; СТС ГБ - система термостатирования ГИ; СТР СП - СГДП - система терморегулирования СП; СТР СОТ - система те морегулирования СОТ; 6П дуг. минУмин - стабильность дрейфа ГБ, независящего от ускорения; Кг;, дуг. минУмин/С - функция влияния нестабильности температуры корпуса ГБ на стабильность погрешности SQ; 5tK_rE, С - стабильность температуры корпуса ГБ; 5(д-Ьт) 10б м/с2 - стабильность суммарной погрешности ГИ; Кі+т 10 м/с - функция влияния нестабильности температуры корпуса ГИ на стабильность погрешности 5(р,+т) 106 м/с2; StK-ги С - стабильность температуры корпуса ГИ; 8фоч-гИї мкрд - стабильность взаимного положения 04 ГИ; Кбф, мкрд/ С - функция влияния нестабильности межполостных градиентов температуры установочных баз ГИ на стабильность неортогональности взаимного положения 04 ГИ; 5ty_B ГИэС - стабильность градиентов температуры установочных баз ГИ; Ксгдп,С/С - функция влияния нестабильности температуры СГДП на стабильность температуры установочных баз ГИ; 51сгдп С - стабильность температуры рабочей жидкости СГДП; 5txcob С - стабильность температуры хладагента СОТ. КСОТЇ С/С - функция влияния нестабильности температуры хладагента СОТ на температурную стабильность установочных баз ГЧЭ. Блок-схема связи точностных характеристик СТО с точностью азимутальной выставки СП приведена на рис- П-2 приложения Ь
Устойчивость и динамическая точность
Жесткие требования к точности стабилизации температурного режима СПГ при работе в квазистационарных тепловых условиях режима калибровки - выставки СП, режиме ОР, крайне ограниченные возможности в отношении полезных объемов и площадей внутри СП для размещения ГЧЭ и соответствующей электроники, а также требования к снижению термонапряженности конструкции путем уменьшения тепловыделений входящих в СП приборов и систем автоматики и электропитания заставляют на этапах конструирования и исследования СТО СПГ рассмотреть несколько вариантов структуры СТР СП с целью поиска наиболее удовлетворительного с точки зрения точности регулирования, конструктивной реализуемости и минимума энергозатрат- В настоящем разделе рассмотрены три основных варианта структуры СТР СП, которые прошли экспериментальную проверку на натурной модели прибора СПГ: комбинированная жидкостная СТР [3, 4] с исполнительным устройством - НЦ СГДП, реализующим регулирующее воздействие в жидкости СГДП в виде вариации собственных тепловыделений; зонная трехканальная электронагревательная СТР СП; зонная четырехканальная жидкостная СТР СП - вариант объединения первых двух систем,
Структурная схема одноканальною комбинированной жидкостной СТР. Одноканальная СТР представляет собой жидкостную систему терморегулирования» выполняющую задачу термостабилизации среднеобъемной температуры жидкости СГДП и минимизации межполостных градиентов температуры установочных баз ГЧЭ за время такта осреднения параметров в режиме К - В, при возможных возмущающих воздействиях в СП до 30 Вт, Конструктивно жидкостная СТР расположена в границах СГДП и является электронагревательной автоматической системой, использующей теплообмен с источниками тепла в гиросфсрс. Регулирующим воздействием является тепловая энергия, выделяющаяся в статоре электродвигателя НЦ по сигналу об изменении среднеобъемной температуры жидкости СГДП в напорной магистрали СП. С целью повышения точности стабилизации температуры установочных баз ГИ дополнительно используются три канала информации с датчиков температуры, размещенных на установочных базах ГИ, сигналы с которых суммируются с сигналом от датчика температуры, расположенного в жидкости СГДП. Вариация тепловыделений в НЦ может осуществляться двумя способами: - путем изменения угла включения питающего импульсного трехфазного напряжения, в результате чего происходит изменение к.п.д. электродвигателя; - путем вариации частоты вращения рабочего колеса НЦ за счет изменения фазы питающего напряжения.
С точки зрения минимизации возмущений СП предпочтительнее является способ с вариацией к.п.д электродвигателя, т.к. практически не меняются рабочие характеристики давления и расхода рабочей жидкости СГДП. Но с точки зрения реализуемости и ресурсной надежности выгоднее второй способу т.к. отсутствуют предельные режимы работы электрорадиоэлементов электронных устройств управления НЦ. Экспериментальные исследования ЖСТР СП подтвердили техническую реализуемость обоих способов формирования регулирующего воздействия с обеспечением удовлетворительного качества регулирования. КОБ WOE - передаточная функция объекта электронагревательная зонная СТР СП - система автоматического регулирования температуры установочных баз ГИ, выполняющая задачу термостабилизации температурных градиентов между установочными базами. Конструктивно СТР расположена в СП, электронная часть в составе блоков встроенной электроники, датчики температуры и нагреватели - на установочных базах ГИ. Регулирующими воздействиями является тепловая энергия нагревательных элементов. Параметром регулирования - текущая температура установочных баз. Преимущества зонной СТР: максимальная стабильность межполостных градиентов температуры установочных баз; невозмущаемость характеристик жидкости СГДП. Недостатки: наличие перекрестных связей по объекту регулирования между каналами, требующих дополнительных схемных решений по компенсации связей и оптимизации параметров регуляторов. Для упрощения аналитических и экспериментальных исследований, в данной главе диссертации межканальные связи по объекту регулирования не рассматриваются. Подробным исследованиям по компенсации межканальных перекрестных связей посвящена глава 3, На рис.2.14 приведена структурная схема зонной трехканаль-ной СТР. Рис, 2Л4. Структурная схема зонной трехканальной СТР С целью упрощения обозначений в выражениях аналитических и численных исследований СТР здесь и далее приняты порядковые номера значений температуры и источников тепловыделений, соответствующих обозначениям в математической модели третьего этапа детализации.
Недостатки- те же, что и у двух рассмотренных ранее вариантов СТР, однако, в условиях высоких требований к ТТХ СПГ, применение такой комбинированной СТР вполне оправданно.
Принцип действия СТР основан на том, что канал регулирования среднеобъемной температуры СП по отклонению температуры жидкости СГДП (1), будучи высокочастотным по сравнению с каналами регулирования температуры установочных баз ГИ, обеспечивает быстрое (грубое) регулирование температуры по объему СП в целом, в то время как низкочастотные каналы регулирования температуры установочных баз обеспечивают медленное (точное) регулирование оставшейся нескомпенсированной ошибки и, в случае реализации интегрального регулирования, сведение ошибки регулирования к нулю. Передаточные функции объекта регулирования по регулирующему воздействию
Для вывода передаточных функций объекта регулирования воспользуемся системой дифференциальных уравнений (1) приложения 2. Для упрощения преобразований воспользуемся 1, 2 и 5 уравнениями системы, при этом: во втором уравнении опустим слагаемое при Од-З и 2-4 учитывающие связь установочных баз с ГЧЭ и БВЭ; в пятом уравнении опустим слагаемое при (75-6 у учитывающее связь рабочей жидкости СГДП с корпусом СПГ. Вывод передаточной функции Wp/Vp) - зависимость температуры жидкости в НЦ от вариации мощности Р1 в НЦ.
Синтез и исследование трехканальной системы терморегулирования в связанной постановке
Решение задачи синтеза и исследования трехканальной СТР в связанной постановке определяется нахождением условий сепаратности каналов регулирования, оценки устойчивости и динамической точности регулирования с регуляторами индивидуальной настройки. Для решения этой задачи использованы метод исследования многосвязанных однотипных систем и синтеза регуляторов сепаратных каналов индивидуальной настройки [42,44,45]. Характеристика СТР и допущения: - трехканальная СТР состоит из трех одинаковых систем с перекрестными связями между ними; - прямые каналы передачи регулирующих воздействий одинаковы и находятся в едином о ъекте симметричной конструкции; - в силу идентичности каналов используются одинаковые регуляторы, отличающиеся только параметрами закона регулирования; - перекрестные связи действуют в объекте регулирования через общую среду теплообмена; - передаточные функции перекрестных связей одинаковы и отличаются величиной коэффициентов передачи; - уравнения и передаточные функции объектов регулирования каждого из каналов принимаются одинаковыми в силу идентичности элементов конструкции, регуляторов, возмущающих воздействий, теплофизических свойств материалов, 3.2.1. Структурная схема, передаточные функции объекта регулирования На рис- 3.6 приведена структурная схема трехканальной связанной системы.
Структурная схема трехканальной СТР (рис.3.6), отражающая взаимосвязь регулирующих воздействий Uj, возмущений Fj и регулируемых параметров Yj в объекте регулирования, в дальнейшем будет называться структурной схемой оригинальной СТР. В силу образования замкнутых контуров, например: ДХі - Ui - Y21 -»Y2 - ДХг - ЇІ2 - Y12 - Yi - ДХі ,- динамика и качество регулирования могут оказаться неудовлетворительными. Поэтому, главной целью исследований является синтез регуляторов индивидуальной настройки, обеспечивающих "развязку" каналов регулирования и удовлетворительную динамику регулирования, соответствующую требованиям к СТР.
Применяемый метод однотипных связанных систем заключается в переходе к более простым эквивалентным уравнениям объекта регулирования, в проведении вычислений над эквивалентными уравнениями с последующим пересчетом результатов для уравнений оригинальной системы. Эквивалентная система значительно проще поддается исследованию и в то же время отражает вес основные свойства оригинальной системы. Передаточные функции Прямой канал.
Передаточная функция объекта регулирования в прямом канале Wii представляет собой апериодическое звено 1-го порядка с запаздыванием, полученное из экспериментальных исследований тепловой схемы прибора КИ85-3-КТМ/ТЗ, Выражение для передаточной функции имеет вид:
Для упрощения вычислений при исследовании методом эквивалентных схем будем считать, что внешние возмущения Fj, F2, F3 по сравнению с воздействиями по перекрестным связям малы и динамика регулируемых параметров будет определяться характером и интенсивностью возмущений по перекрестным связям от соответствующих регуляторов. Закоті регулирования.
Передаточные функции регуляторов выбраны в процессе анализа устойчивости и качества регулирования, см. главу 2. Таким образом, в дальнейшем, при исследовании динамики регулирования СТР в связанной постановке, в качестве законов регулирования используется ПИД - регулятор с пе редаточной функцией вида;ЛУ (р)= Кр= 200 Вт/С — коэффициент передачи регулятора; Тц = 500с - постоянная времени интегральной части; Тд = 5с — постоянная времени дифференцирующей части; Ть = 20с - "балластная" постоянная времени, отражающая динамику интегральной части ПИД - регулятора, учитывается как параметр реального регулятора при анализе динамической точности частотными методами [42]. или в векторной записи: Y = [W0KoE + WnKnEIU + FKFWFE; (3.25)
Принимаем, что FKFWFE = 0, а не диагональные элементы матрицы КпЕ равны между собой. Обозначим U—KpWP(/ - у)Е - (3.26)
матричное уравнение регуляторов. В уравнении (3.25) произведение матриц КПЕ = А называется матрицей преобразования- В целом решение задачи компенсации перекрестных влияний связано и определяется выбором матрицы преобразования, которой является каноническая матрица Л матрицы А. Переход к эквивалентной системе производится путем замены переменных уравнений (3.23) с помощью матрицы преобразования С - матрицы канонического базиса матрицы А [44 С- 33? 34] и [13, С,70]. Таким образом, новые выражения для векторов переменных будут связаны с начальными следующими соотношениями:
Умножая слева уравнения (3.25) и (3-26) на матрицу С1 и вводя формально перед векторными переменными в правых частях уравнений сомножителем матричную единицу в форме Е = ОС" , после несложных преобразований получаем эквивалентную систему уравнений (3,28):
где , = \VPE(/ — ц) -- регулятор;
Полученная после перехода к новым переменным эквивалентная система с точностью до обозначений совпадает с исходной. Изменился лишь только член уравнений, содержащий матрицу А Матричная структурная схема эквивалентной системы (рис. 3.8) сохраняет форму и передаточные функции структурной схемы исходной системы (рис.3.7) и отличается от нее лишь значением матрицы коэффициентов передачи перекрестных связей. В эквивалентной системе уравнения объекта регулирования и регулятора сепаратных каналов сохраняют свою форму и коэффициенты, т.е. эквивалентная система уравнений имеет удобную физическую интерпретацию: система автоматического регулирования, отличающаяся некоторыми характеристиками. Это позволяет сохранить за переменными и уравнениями эквивалентной системы соответствующую терминологию- Сепаратный канал в эквивалентной системе сохраняет в основных чертах структуру сепаратного канала оригинальной системы. Сепаратные каналы эквивалентной системы изолированы друг от друга. Каждая из сепаратных систем эквивалентной системы соответствует определенному характеристическому числу передаточной матрицы и его собственному вектору, играющим важную роль в формировании свойств и характеристик эквивалентной системы.
Расчетно-экспериментальные исследования тепловой схемы гироплатформы с жидкостной системой отвода тепла
СОТ охлаждающей жидкости типа ПФДТ-100 с теплофизическими параметрами: СР=1005 Дж/кг С - удельная теплоемкость при постоянном давлении; Х= 8,17 10"2 Вт/м- С-удельная плотность; v = 1,4 10" м/с — кинематическая вязкость-Эксплуатационные параметры: Gv " 5-К) л/мин - объемный расход;tBx 18-К20"С - температура хладагента СОТ на входе в прибор; StBx = 055С — стабильность температуры хладагента СОТ на входе в прибор; ДРспг 1 атм. при Gy -б л/мин - гидравлическое сопротивление контура охлаждения.
Хладагент СОТ через гидроразъем Г\ и открытый клапан ЗГКі поступает на вход прибора и затем через ЭГК2 и Гг возвращается в СОТ, В режиме ОР срабатывают пироклапаны ПКь П1 2 ПКз и электрогидроклапаны ЭГКь ЭГКг- Циркуляция хладагента осуществляется с помощью ЭНА, установленного в приборе СПГ, Сброс тепла СПГ происходит в комбинированном теплообменнике КТ, объединяющем в себе жидкостной жидкостно-воздушный теплообменник. После срабатывания пироклапана ПКз аммиак из баллона Б под давлением подается в КТ, охлаждая одновременно хладагент СПГ и воз-дух? используемый для охлаждения электроники системы управления объектом (БЭ СУ), 4,2Л. Математическое моделирование
Математическое моделирование, квалифицируемое как вычислительный эксперимент, проведено на основе математической тепловой модели СПГ [39], рассмотренной в главе 2 диссертации. Характеристика теплового состояния прибора при вычислительном эксперименте: на момент включения СПГ температура всех точек прибора равна температуре окружающей среды + 20С, и температура хладагента СОТ во всех точках гидромагистрали также равна 4- 20С; начало работы характеризуется выделением тепла Рспг, началом процессов теплообмена через тепловые проводимости между элементами СПГ, теплоносителем и окружающей средой, а также работой регуляторов СТР СПГ в режиме максимальной мощности; установившийся режим характеризуется обнулением левых частей дифференциальных уравнений математической модели, т.е. отсутствием изменения или изменением температуры в контрольных точках в допустимых пределах; регуляторы СТР СП работают в режиме минимальных вариаций в нагревательных элементах; включение режима калибровки-выставки СП характеризуется квазистационарным тепловым режимом, при котором происходит медленное изменение температуры СП в пределах ± 0,5С.
Результаты математического моделирования разогрева СПГ в режиме ПлГ приведены на рис. П-30 приложения 4. Из рисунка видно, что точностная готовность по температуре достигается:- по ГБ через 1,1 час; - поГИ через 2,8 час; -по СП и СГДП через 1,4 час Величина значений рабочих температур составляет:- по ГБ 54,8С со стабильностью 2 10 3оС за такт режима К-В;- по ГИ 50,0С со стабильностью 1#10"2оС за такт режима К-В;- по НЦ, установочным базам ГБ, ГИ 36,0С со стабильностью 5-10"2оС за за такт режима К-В.
Переход из режима ПлГ в ПсГНачальные условия - параметры теплового режима в ПлГ.В рамках вычислительного эксперимента на 1000 секунде от начала вычислений происходит выключение питания НЦ (циркуляции рабочей жидкости СГДП), части БВЭ и циркуляции хладагента СОТ. Суммарная величина тепловыделений СПГ снижается до 100 Вт,
На рис. П-31 приложения 4 показана динамика температурного поля СПГ при переходе в режим ПсГ. Температура НЦ, уст- баз ГБ, ГИ увеличилась до 39С. Температура ГБ и ГИ сохраняется неизменной за счет работы СТС ГЧЭ.
Пуск из режима ПлГ На 100 секунде от начала вычислений наступает момент начала ОР:- отключается работа СОТ;- температура окружающей прибор среды увеличивается от 20"С до 50С.
На рис. П-32 приложения 4 показана динамика температурного поля СПГ за время ОР:- температура НЦ, уст. баз ГЧЭ увеличивается с 39С до 44С;- температура корпусов ГБ и ГИ остаются на уровне 54,8С и 50,4С соответственно, со стабильностью 2»1(Г"2оС за 6 мин первого этапа ОР3 а за 20 мин до конца ОР обнуляются токи нагревателей СТР ГБ и за 10 мин — токи нагревателей СТР ГИ. Это приводит к росту погрешностей ГЧЭ, зависящих от температуры. На рис, рис. 43 и 4.4 показана динамика температуры и погрешностей ГИ и ГБ, из которых видно, что погрешность ГИ Й(ц 0 к концу ОР увеличивается от величины МО"6 м/с2 до ОЛЗ КГ6 м/с2, а погрешность ГБ - от величины ЫО4 дуг. мин/мин до ;по радиальной разбалансировкс - 2 10 дуг. мин/мин; по осевой разбалансировкс - 4,5в10 3 дуг. мин/мин.
Следует отметить, что по условиям данного вычислительного эксперимента отсутствует теплоизоляция корпуса прибора. При введении теплоизоляции с суммарной тепловой проводимостью о = 2 Вт/С (повышается температурное сопротивление в 17 раз) динамика температуры ГБ может снизиться до уровня сотых долей градуса в минуту, что позволит СТР ГБ сохранить термическую устойчивость и погрешность ГБ на уровне 10" -10 дуг. мин/мин.
Начальные условия-установившийся тепловой режим ПсГ. На 1000 секунде от начала вычислительного эксперимента происходит начало ОР:- прибор переводится на полную тепловую нагрузку 500 Вт;- включается циркуляция рабочей жидкости СГДП;- включается СТР СП;- прибор находится в теплоизоляции относительно окружающей среды.
На рис. П-33 приложения 4 показана динамика температурного поля СПГ за время ОР:- температура НЦ, уст. баз ГЧЭ снижается до 33,5С;- температура ГБ и ГИ остается неизменной на уровне 5438С и 50,4С со стабильностью 2 10 3оС за такт режима К-В. На рис. рис, 4.5, 4.6 показана динамика температуры и погрешностей ГБ и ГИ, откуда видно, что погрешности ГИ за время ОР изменяются в пределах от 10"6 м/с2 до 10 5 м/с2 , а погрешность ГБ в пределах от 10"4 до 2 10_3 дуг. мин/мин, что вполне удовлетворительно для решения задачи 4,2.2. Экспериментальные исследования Задачи исследования:.- оценка динамики температурного поля СПГ (КИ85-3) в условиях тепловыхрежимов ПлГ и ПсГ, а также имитация пуска из режима ПсГ;- оценка вероятных погрешностей ГЧЭ в условиях указанных режимов. Условия эксперимента:- объект испытаний - тепло-гидравлическая модель СПГ - КИ85-3-КТМ/ТЗ;- средства испытаний - стенд тепловых испытаний с УВК-204 на базе PC IBM [38] (см. приложение к главе 4): количество каналов информации - 100 каналов; автоматическое регулирование температуры: СТР ГЧЭ - 9 каналов; СТР уст, баз ГИ - 4 капала; СТР СОТ - 1 канал.Тепловая нагрузка изменяется в зависимости от вида моделируемого режима работы прибора (ПлГ, ПсГ или ОР) - от 100 Вт до 470 Вт. Точность измерения стабильности температуры - не хуже 0,01 %. Точность измерения электрической мощности - не хуже 0,05 %. Датчики температуры-терморезисторы типа ТР-1ДР-5 ОЖО.468.224 ТУ, ОЖ0.468.257ТУ [1, 2, 27,]. В таблице 20 приведены основные характеристики терморезисторов. Метрологическое обеспечение измерений приведено в приложении 4.