WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


Pages:   || 2 |

«ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НАВЕДЕНИЕМ И СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ОСНОВОНОГО ВООРУЖЕНИЯ ТАНКОВ ...»

-- [ Страница 1 ] --

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

“ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ”

На правах рукописи

Лазаренко Артем Александрович

УДК 623.412.6(043.3)

СИНТЕЗ И РАЗРАБОТКА ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ НАВЕДЕНИЕМ И СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ОСНОВОНОГО

ВООРУЖЕНИЯ ТАНКОВ

Специальность 05.13.03 – системы и процессы управления Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Александрова Татьяна Евгеньевна доктор технических наук, доцент Харьков – 2016

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

НТУ "ХПИ" – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт";

ТИУС – танковая информационно-управляющая система;

БЦВМ – бортовая цифровая вычислительная машина;

КУВ – комплекс управляемого вооружения;

ПН – пульт наведения;

ГДУ – гироскопический датчик угла;

ДЛУ _ датчик линейных ускорений;

ГДУС – гироскопический датчик угловой скорости;

ВТ – вращающийся трансформатор;

ЭБВ – электронный блок канала вертикального наведения;

ЭБГ – электронный блок канала горизонтального наведения;

ИОВ – исполнительный орган канала вертикального наведения;

ИОГ – исполнительный орган канала горизонтального наведения;

П – пушка;

Б – башня;

ЭМУ – электромашинный усилитель Г – генератор ЭДС – электродвижущая сила КО – компенсационная обмотка ПУ – предварительный усилитель ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ

Раздел 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор научно-технической литературы по теме диссертации

1.2 Описание инвариантного стабилизатора

1.3 Постановка задачи исследования

Выводы к разделу 1

Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗМУЩЕННОГО

ДВИЖЕНИЯ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И

СТАБИЛИЗАЦИИ ТАНКОВОЙ ПУШКИ

2.1 Танковая пушка с электрогидравлическим усилителем как объект стабилизации

–  –  –

2.3 Идентификация параметров математической модели возмущенного движения танковой пушки

2.4 Имитационная модель внешних возмущений, действующих на основное вооружение танка

–  –  –

Выводы к разделу 2

Раздел 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АНАЛОГОВОЙ

ИНВАРИАНТНОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ

ТАНКОВОЙ ПУШКИ

3.1 Передаточные функции замкнутой и разомкнутой систем наведения и стабилизации танковой пушки и танковой башни.

3.2. Формулировка требований к системе наведения и стабилизации танковой пушки и танковой башни

3.3. Выбор параметров аналоговой инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки.

Выводы к разделу 3

Раздел 4. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЦИФРОВОЙ

ИНВАРИАНТНОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ

ОСНОВНОГО ВООРУЖЕНИЯ ТАНКА

4.1 Расчет амплитуд и частот автоколебаний давления рабочей жидкости в гидросистеме стабилизатора вертикального наведения





4.2 Сравнительный анализ фильтрующих свойств цифровых низкочастотных фильтров

4.3. Разработка структуры цифровых инвариантных стабилизаторов танковой пушки и танковой башни

4.4 Выбор параметров цифрового инвариантного стабилизатора танковой пушки

Выводы к разделу 4

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Танком называется боевая гусеничная машина высокой проходимости, в которой органически связаны огневое могущество, подвижность и броневая защита. Все три основных боевых качества танка взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимообусловлены. Танки вмещают в себя наиболее выдающиеся достижения науки, техники и производства.

С 1940 года Украина является одним из ведущих государств мира в области танкостроения. Украинскими танкостроителями был создан лучший танк Второй мировой войны Т-34. Украинские танки первого послевоенного поколения Т-54 и Т-55 по своим тактико-техническим характеристикам превосходили танки развитых в промышленном отношении государств – США, Великобритании, Франции. Украинские танки второго послевоенного поколения Т-64 и его модификации, созданные в 60-х – 70-х годах предыдущего столетия, еще более укрепили позиции Украины как лидера мирового танкостроения, а принятыи на вооружение в 1987 году украинский танк Т-80УД с дизелем 6ТД-1 мощностью 1000 л. с., стал полноправным членом семьи танков третьего послевоенного поколения «Леопард-2» (ФРГ,1988), М1 «Абрамс» (США, 1985), «Челленджер-2» (Великобритания, 1981), «Леклерк»

(Франция, 1992), «Меркава» (Израиль, 1990), Т-80У (Россия, 1985).

К 10-летию независимости Украины украинскими танкостроителями был создан современный танк Т-84 «Оплот». Новый танк оснащен дизелем 6ТД-2 мощностью 1200 л. с., новым цифровым баллистическим вычислителем ТИУС-В, комплексом управляемого вооружения «Комбат» и прицелом, объединяющим дневной визуальный прицел, лазерный прицел-дальномер и тепловизионный прицел.

В 2000-х годах глубокая модернизация танка Т-64Б привела к созданию нового современного танка «Булат» с дизелем 5ТДФ МА мощностью 850 л. с., который вместе с танками Т-80УД «Береза» и Т-84 «Оплот» составляет основу бронетанковых сил Украины.

Вместе с тем, многочисленные демонстрации украинских танков на выставках и салонах вооружений и военной техники показывают не только их высокую эффективность, но и некоторые недостатки, среди которых основными являются:

высокая дымность отработанных газов, обусловленная отсутствием в отечественных танковых дизелях 5ТДФ МА, 6ТД-1, 6ТД-2 регулируемого наддува, обеспечивающего более полное сгорание топлива, и современной системы автоматического управления режимами работы танкового дизеля;

пониженная, по сравнению с зарубежными образцами, точность стрельбы, обусловленная отсутствием современного цифрового стабилизатора основного вооружения, способного реализовать сложные алгоритмы стабилизации;

пониженная, по сравнению с зарубежными образцами, маневренность и управляемость танка, обусловленная отсутствием бесступенчатого механизма поворота и системы автоматического управления таким механизмом.

Практически все перечисленные недостатки отечественных образцов бронетанковой техники обусловлены отсутствием современной цифровой танковой информационно-управляющей системы (ТИУС) на основе бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). Разработкой такой системы занимаются специалисты Львовского научно-исследовательского радиотехнического института и Харьковского конструкторского бюро по машиностроению имени А.А. Морозова Государственной компании «Укроборонпром» и Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» Министерства образования и науки Украины.

Одним из определяющих факторов огневого могущества современного танка является скорострельность и точность стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно линии прицеливания. Скорострельная отечественная 125-мм танковая пушка не только не уступает, но и превышает скорострельность лучших зарубежных образцов бронетанковой техники, что обеспечивается автоматическим механизмом заряжания, отсутствующим на большинстве зарубежных танков. Точность же стабилизации оси канала ствола относительно линии прицеливания в отечественных танках ниже, чем в зарубежных, что объясняется использованием устаревших стабилизаторов танковой пушки аналогового типа.

Первые стабилизаторы танковой пушки появились в 1948 году на английском танке «Центурион Мк3», в 1953 году на американском танке М48 «Паттон III», в 1954 году на советском танке Т-54А, созданном украинскими танкостроителями под руководством А.А. Морозова. Электронные блоки стабилизаторов танков первого послевоенного поколения были выполнены на радиолампах, имели невысокую надёжность, нестабильные значения характеристик и реализовывали простейшие пропорциональнодифференциальные алгоритмы стабилизации (ПД-алгоритмы). Они использовали информацию об угловом рассогласовании между осью канала ствола танковой пушки и нестабилизируемой линией прицеливания и информацию об угловой скорости пушки и башни в каналах вертикального и горизонтального наведения.

Стабилизаторы основного вооружения отечественных (Т-64 и его модификации) и зарубежных танков второго послевоенного поколения содержали электронные блоки, выполненные на полупроводниковых приборах. В канале горизонтального наведения стабилизатора танка Т-64 был введен датчик линейных ускорений, обеспечивающий свойство инвариантности замкнутой системы стабилизации к действию внешних возмущений, возникающих от действия центробежных сил при повороте танка и действия инерционных сил при ускоренно-замедленном движении. Кроме того, в отечественных танках второго послевоенного поколения использовалась независимая система стабилизации основного вооружения, в которой стабилизация линии прицеливания относительно направления на цель и стабилизация оси канала ствола относительно линии прицеливания осуществлялись независимо друг от друга. И, наконец, в украинских танках второго послевоенного поколения использовался комплекс управляемого вооружения (КУВ) «Кобра», содержащий управляемую ракету 9М112 и радиокомандную линию управления.

Зарубежные танки третьего послевоенного поколения в большинстве своем содержали БЦВМ, одной из функций которой была реализация алгоритмов наведения и стабилизация основного вооружения танков. Для отечественных танков третьего послевоенного поколения Т-80УД и Т-84 в начале 80-х годов предыдущего столетия широким фронтом развернулись работы по созданию цифровой ТИУС. Однако попытки отечественных танкостроителей использовать в стабилизаторах танковых пушек цифровые электронные блоки успехом не увенчались в связи с тем, что эти попытки сводились к реализации с помощью бортового вычислителя ПД-алгоритмов стабилизации, разработанных для электронных блоков стабилизаторов аналогового типа. Из всего комплекса управления огнем удалось создать только лишь цифровой баллистический вычислитель.

Создание в начале 2000-х годов современного украинского танка Т-84 «Оплот», не уступающего по своим тактико-техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам, а также огромный интерес, проявляемый военными специалистами различных стран к этому танку, привели к оживлению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию цифровой ТИУС для танка Т-84 «Оплот», в частности, цифровой высокоточной системы наведения и стабилизации основного вооружения танка.

Перечисленные обстоятельства определяют актуальность и практическую значимость темы диссертационной работы для народного хозяйства и обороны станы.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Работа выполнялась в соответствии с Государственной Программой модернизации колесной и гусеничной бронированной техники, разработанной Министерством обороны Украины и Министерством промышленной политики Украины согласно Закону Украины "Про визнання бронетанкової галузі однією з пріоритетних у промисловості України та заходів щодо надання їй державної підтримки" № 2211-III від 11 січня 2001 року.

В соответствии с упомянутой Государственной Программой, Министерством образования и науки Украины для НТУ «ХПИ» были разработаны Государственные заказы, выполнение которых легло в основу предлагаемой диссертационной работы:

ДЗ/142-2005 «Розроблення систем автоматичної стабілізації підвищеної точності для транспортних засобів спеціального призначення»

(№ ДР 0106U001519);

ДЗ/123-2006 «Розроблення інваріантних виконавчих механізмів для колісних та гусеничних машин і транспортних роботів» (№ ДР 0107U008172).

Выполнение предлагаемой работы связано также с госбюджетной темой Министерства образования и науки Украины:

М2417 «Розробка наукових основ і методів синтезу систем наведення і стабілізації танкового озброєння» (№ ДР 0105U000003).

В перечисленных работах соискатель был ответственным исполнителем отдельных этапов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка инвариантной системы управления наведением и стабилизацией основного вооружения современного танка, что позволяет повысить эффективность процессов наведения и стабилизации за счет повышения точности и помехозащищенности указанных систем.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

провести анализ существующих систем управления наведением и стабилизацией основного вооружения современных танков;

разработать адекватные математические модели возмущенного движения танковой пушки с электрогидравлическим усилителем в канале вертикального наведения и танковой башни с электромашинным усилителем и исполнительным электродвигателем в канале горизонтального наведения;

осуществить идентификацию численных значений параметров разработанных математических моделей путем сравнения результатов расчетов с результатами эксперимента;

разработать имитационную модель внешних возмущений, действующих на танковую пушку при криволинейном неравномерном движении танка в различных дорожных условиях;

разработать структуру и отыскать численные значения параметров системы управления наведением и стабилизацией танковой пушки, доставляющей замкнутой системе свойства инвариантности к действию внешних возмущений;

путем численного моделирования процессов управления наведением и стабилизацией оценить эффективность синтезированной инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки.

Объект исследования – процессы управления в автоматизированных аналоговых и цифровых системах наведения и стабилизации транспортных средств специального назначения.

Предмет исследования – автоматизированные аналоговые и цифровые системы наведения и стабилизации основного вооружения современного танка.

Методы исследования, используемые в работе:

методы теоретической и аналитической механики, технической гидравлики, электротехники, электроники при составлении математических моделей объектов наведения и стабилизации;

методы имитационного моделирования, теории вероятностей и теории случайных функций при моделировании внешних возмущений, действующих на объекты стабилизации;

методы классической и современной теории автоматического управления, теории оптимального управления, теории устойчивости движения, теории инвариантности при разработке инвариантного стабилизатора танковой пушки;

метод экспериментальных исследований, идентификации, нелинейного программирования при идентификации математических моделей возмущенного движения объектов стабилизации.

Научная новизна полученных результатов:

впервые:

получена обобщенная математическая модель возмущенного движения танковой пушки как объекта наведения и стабилизации, адекватность которой подтверждается решением задачи идентификации неопределенных значений параметров модели, путем сравнения расчетных и экспериментальных данных, полученных с использованием специального исследовательского стенда;

в самом общем виде разработана имитационная модель внешних возмущений, действующих на танковую пушку при неравномерном криволинейном движении танка;

разработана структура цифровой инвариантной системы управления наведением и стабилизацией танковой пушки, новизна которой подтверждена двумя патентами Украины на изобретения;

решена задача параметрического синтеза цифровой инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки, состоящая в отыскании численных значений варьируемых констант алгоритма наведения и стабилизации танковой пушки;

получила дальнейшее развитие:

методика параметрического синтеза стабилизаторов сложных технических объектов, находящихся под действием внешних возмущений;

задача структурно-параметрического синтеза анологового и цифрового стабилизаторов танковой пушки в каналах горизонтального и вертикального наведения, доставляющего замкнутой системе стабилизации свойство инвариантности к действию внешних возмущений без потери запаса устойчивости замкнутой системой.

Практическое значение полученных результатов для систем управления многомерными объектами заключается в разработке структурнологической схемы цифровой инвариантной системы управления наведением и стабилизацией танковой пушки, которая в отличие от известных содержит:

- датчики давления рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра канала вертикального наведения;

- цифровые низкочастотные фильтры Баттеруорта, реализуемых цифровым электронным блоком и подавляют высокочастотные помехи решетчатых функций, соответствующих выходным сигналам гироскопических датчиков угла и угловой скорости;

- датчики линейных ускорений канала горизонтального наведения;

- цифровые низкочастотные фильтры Ланцоша для оценки решетчатых функций угловых ускорений пушки в канале вертикального наведения и угловых ускорений башни в канале горизонтального наведения.

Предложенная методика параметрического синтеза цифровой инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки, состоящая в отыскании численных значений варьируемых констант алгоритмов наведения и стабилизации, которые реализуются цифровым электронным блоком.

Результаты диссертационной работы внедрены в Государственном предприятии «Львовский научно-исследовательский радиотехнический институт», а также в учебном процессе кафедры информационных технологий и систем колесных и гусеничных машин им. А.А. Морозова НТУ «ХПИ» при подготовке бакалавров и магистров специальности 7.050502 - электрические системы и комплексы транспортных средств.

Личный вклад соискателя. Все научные положения, разработки и выводы, приведенные в диссертации, являются результатом самостоятельных исследований сооискателя. Среди них: обоснование концепции перехода от аналоговых ПД-стабилизаторов к цифровым стабилизаторам, реализующим цифровые низкочастотные фильтры Баттеруорта и Ланцоша и содержащим датчики давления рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра; создание математических и имитационных моделей, адекватно отражающих динамические процессы в замкнутых системах наведения и стабилизации основного вооружения танков; развитие методики параметрического синтеза инвариантных систем наведения и стабилизации танковой пушки;

сравнительный анализ разработанной инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки со штатной системой.

Апробация результатов диссертации.

Основные научные результаты исследований, приведенных в диссертационной работе, докладывались, обсуждались и были одобрены на: ХІ (Харьков, 2011), ХІІ (Харьков, 2012) и ХІІІ (Харьков, 2013) Международных научно-технических конференциях "Интегрированные технологии и энергосбережение"; XIX Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика." (Николаевка, 2012); XVIII Международной научно-технической конференции "Силовая электроника и энергоэффективность" (Алушта, 2012); XV Международной конференции по математическому моделированию МКММ-2014 (Херсон, 2014); XIX Международной конференции по автоматическому управлению "Автоматика – 2012" (Киев, 2012).

В полном объеме работа докладывалась и была одобрена на объединенном научном семинаре кафедры информационных технологий и систем колесных и гусеничных машин им. А.А. Морозова и кафедры автоматики и управления в технических системах НТУ «ХПИ» (Харьков, 2016).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 16 работ, из них 12 статей в научных специализированных периодических изданиях Украины (2 - в изданиях, включенных в международные наукометрические базы), 1 статья в иностранном журнале, 2 патента Украины, 1 доклад опубликован в материалах научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 разделов, выводов, списка использованных источников информации и приложений.

Полный объем диссертации составляет 173 страницы, с них 47 рисунков, 2 таблицы по тексту, 124 наименований источников информации содержит на 14 страницах, 2 приложения на 5 страницах.

–  –  –

1.1 Обзор научно-технической литературы по теме диссертации В СССР первая система наведения и стабилизации появилась в 1954 году на танке Т-54А, созданном украинскими танкостроителями под руководством А.А. Морозова.

Система наведения и стабилизации танка Т-54А содержала контур автоматической стабилизации пушки Д-10ТГ только лишь в вертикальной плоскости [1]. Поворот башни с пушкой совершался с помощью электропривода постоянного тока. В системе использовался прицел ТШ-2А-22. Структурная схема системы приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Структурная схема СНС танка Т-54А:

ПН – пульт наведения; ГДУ – гироскопический датчик угла; ГДУС – гироскопический датчик угловой скорости; ВТ – вращающийся трансформатор;

ЭБВ, ЭБГ – электронные блоки каналов вертикального и горизонтального наведения соответственно; ИОВ, ИОГ – исполнительные органы каналов вертикального и горизонтального наведения соответственно;П – пушка; Б – башня.

Система работает следующим образом. Наводчик с помощью пульта наведения ПН формирует сигналы, которые попадают на электромагнит наведения ЭН гироскопического датчика угла ГДУ канала вертикального наведения и на электронный блок канала горизонтального наведения ЭБГ. С выхода ЭБГ сигнал наведения подается на исполнительный орган ИОГ канала горизонтального наведения, представляющий собой последовательное соединение электромашинного усилителя с большим коэффициентом усиления по мощности и исполнительного электродвигателя постоянного тока, создающего управляющий момент, прикладываемый к башне. В канале вертикального наведения ЭН создается момент, который прикладывается к внутренней рамке гироскопического датчика угла ГДУ в соответствующую сторону. Поворот внешней рамки ГДУ фиксируется специальным бесконтактным устройством, называемым вращающимся трансформатором ВТ, выходной сигнал которого представляет собой переменный ток высокой частоты (400+500 гц), амплитуда которого пропорциональна углу поворота внешней рамки ГДУ. Сигнал с выхода ВТ подается на вход электронного блока канала вертикального наведения ЭБВ, в котором выпрямляется, усиливается и подается на вход исполнительного органа канала вертикального наведения ИОВ, представляющего собой электрогидравлический усилитель, выходной шток которого соединен с казенной частью танковой пушки П. Для повышения качества процессов стабилизации в канал вертикального наведения введена дополнительная обратная связь по угловой скорости поворота пушки, содержащая гироскопический датчик угловой скорости ГДУС и вращающийся трансформатор ВТ.

Двухканальный стабилизатор основного вооружения танка впервые появился в 1954 году на танке Т-54Б. Структурная схема этого стабилизатора приведена на рис. 1.2 [2].

Контуры стабилизации в каналах вертикального и горизонтального наведения полностью идентичны и отличаются только типом исполнительных органов, а именно, в канале вертикального наведения ИОВ представляет собою электрогидравлический усилитель, а в канале горизонтального наведения ИОТ представляет собой совокупность электромашинного усилителя и исполнительного электродвигателя.

Рисунок 1.2 – Структурная схема СНС танка Т-54Б

В 1958 году был принят на вооружение танк Т-55, созданный на базе танка Т-54Б. СНС танка Т-55 не отличалась от СНС танка Т-54Б. [3]. В дальнейшем на танке Т-55М, принятом на вооружение в 1983 году, использовался электронный баллистический вычислитель. Это привело к значительному повышению точности стрельбы, вследствие формирования поправок к углам, определяющим положение оси канала ствола танковой пушки, которые автоматически вводились в СНС и учитывали скорость танка, скорость цели, дальность до цели, скорость ветра и износ канала ствола танковой пушки.

В 1985 году был принят на вооружение танк Т-55 АМВ с новой пушкой Д-10Т2С, в боекомплект которой входит противотанковая ракета 9К116 с лазерным наведением, которое обеспечивается комплексом управляемого вооружения "Бастион''.

Представителем украинских танков второго послевоенного поколения является танк Т-64, принятый на вооружение в 1967 году и его модификации Т-64А (1968 г.) и Т-64Б (1976 г.) [4].

Танк Т-64 оснащен 115-мм пушкой Д-68, которая впервые в практике мирового танкостроения была оснащена механизмом заряжания. Использование механизма заряжания позволило исключить из состава заряжающего и соответственно уменьшить размеры башни, одновременно увеличив ее броневую защиту. Благодаря механизму заряжания скорострельность пушки Д-68 составляет 10 выстрелов в минуту, т. е. в два с половиной раза превышает скорострельность пушки танка Т-55 и его модификаций.

Достаточно высокая эффективность стрельбы из пушки танка Т-64 обеспечивается за счет использования прицела-дальномера ТПД-43Б со стабилизированным полем зрения. В двухплоскостном стабилизаторе 2Э18 танка Т-64 вместо гироскопического датчика угла использованы гироплатформы с системой разгрузки, которые не только измеряют угловое рассогласование оси канала ствола танковой пушки и линии прицеливания, но также осуществляют гироскопическую стабилизацию главного зеркала прицела относительно направления на цель, что представлено на рис. 1.3. Структурная схема стабилизатора 2Э18 танка Т-64 приведена на рис. 1.4.

Рисунок 1.3 – Схема прицела-дальномера:

1 – линия прицеливания; 2 – главное зеркало; 3 – перископный прицел; 4 – трехстепенной гироскоп; 5 – нижнее зеркало.

Исполнительным органом системы наведения и стабилизации танка Т-64 в канале горизонтального наведения, является высокомоментный гидромотор аксиально-поршневого типа. Стабилизатор танка Т-64 в канале горизонтального наведения содержит датчик линейных ускорений (ДЛУ) башни относительно ее собственной поперечной оси.

Рисунок 1.4 – Структурная схема СНС танка Т-64:

ГП – гироплатформа; ГЗ – головное зеркало прицела; ДЛУ – датчик линейных ускорений Если в канале вертикального наведения танковая пушка статически уравновешена относительно оси цапф, то танковая башня с пушкой неуравновешена относительно оси вращения башни (рис. 1.5). Поэтому составляющая линейного ускорения а y (t ) возникающая при повороте танка, направлена вдоль поперечной оси башни и вызывает возмущающий момент

–  –  –

относительно оси вращения башни, который уводит башню с пушкой от заданного наводкой направления на цель. Если стабилизатор танков Т-54Б и Т-55 в канале горизонтального наведения формирует алгоритм стабилизации в виде

–  –  –

где (t ) – угловое рассогласование оси канала ствола танковой пушки с линией прицеливания; – угловая скорость поворота башни, то стабилизатор танка Т-64 формирует алгоритм стабилизации в виде Рисунок 1.5 – К определению возмущающего момента, действующего на башню при повороте танка:

С – ствол; Б – башня; ЦВ – центр вращения башни; ЦМ – центр масс башни с пушкой; Fв (t ) – возвращающее усилие; h – расстояние между ЦВ и ЦМ.

–  –  –

При использовании алгоритма стабилизации (1.3), на выходе электронного блока (ЭБ) появляется сигнал, обусловленный последним слагаемым алгоритма (1.3), еще до появления углового рассогласования (t ). Для замкнутой системы стабилизации танковой башни с пушкой линейное ускорение системы стабилизации танковой башни a y (t ) является внешним возмущением, т.е. стабилизатор, реализующий алгоритм стабилизации (1.3), объединяет два известных принципа управления, а именно, принцип управления по отклонению путем реализации алгоритма (1.2) и принцип управления по возмущению путем измерения составляющей линейного ускорения башни вдоль ее поперечной оси с дальнейшим использованием измеренной величины в алгоритме (1.3). При такой комбинации двух принципов управления стабилизатор приобретает свойство инвариантности к действию внешних возмущений, и точность стабилизации оси канала ствола танковой пушки в плоскости горизонтального наведения значительно возрастает.

Танк Т-64А оснащен 125-мм пушкой Д-812А26 с механизмом заряжания и двухканальным стабилизатором 2Э23. Механизм заряжения обеспечивает скорострельность 8 выстрелов в минуту, что оценивается как высокий показатель для пушки такого калибра. Эффективность стрельбы повышена за счет нового прицела – дальномера ТПД-2-49, ночного прицела ТПН-1-49-2З и цифрового баллистического вычислителя.

Танк Т-64Б отличается от своего предшественника Т-64А новой 125-мм пушкой 2А46-2, которая позволяет вести стрельбу противотанковыми управляемыми ракетами 9М112 с помощью комплекса управляемого вооружения "Кобра". В комплекс управления огнем вошел новый лазерный прицел – дальномер 1Г42, баллистический вычислитель 1В517 и двухканальный стабилизатор 2Э26М. Ночные прицелы танков Т-64 и Т-64Б активного типа с инфракрасным излучателем и приемником.

Украинские танки третьего послевоенного поколения Т-80УД "Береза" и Т-84 "Оплот" выпускаются с новой пушкой 2А46М-1 украинского производства. Эффективность системы управления огнем этих танков повышена за счет использования индикаторной системы стабилизации поля зрения танковой пушки и введения тепловизора "Буран", заменившего устаревшие ночные прицелы с инфракрасными излучателями.

Схема индикаторной системы стабилизации поля зрения прицела танковой пушки приведена на рис. 1.6 [5]. При индикаторной стабилизации поля зрения гироплатформы ГП, рамки которой сохраняют неподвижное направление в пространстве и механически не связаны с подвижным (главным) зеркалом прицела ПЗ, как в стабилизаторах более ранних конструкций рис. 1.3.

Связь между гироплатформой ГП и подвижным зеркалом ПЗ осуществляется через следящий электропривод дистанционной передачи угла.

Если объект стабилизации поворачивается относительно оси, параллельной оси поворота подвижного зеркала ПЗ, то вместе с объектом поворачивается и статор вращающегося трансформатора ВТ1. Поскольку ротор ВТ1 вместе с внешней рамкой гироплатформы ГП остается неподвижным, то на выходе ВТ1 появляется сигнал переменного тока частотой 400 - 500 гц, амплитуда которого пропорциональна углу поворота объекта. Этот сигнал выпрямляется и усиливается в электронном блоке ЭБ и подается на исполнительный электродвигатель ИЭД, который через редуктор Р поворачивает ПЗ в направлении, противоположном направлению поворота объекта.

Рисунок 1.6 – Индикаторная схема стабилизации поля зрения прицела танковой пушки:

ГП – гироплатформа; ВТ – вращающийся трансформатор; ЭБ – электронный блок; ИЭД – исполнительный электродвигатель; Р – редуктор; ПЗ – подвижное зеркало прицела; НЗ – неподвижное зеркало Вращающийся трансформатор ВТ1 представляет собой бесконтактную электрическую машину переменного тока, на неподвижном статоре которой расположены обмотка возбуждения и сигнальная обмотка как показано на рис. 1.7. При подаче на обмотку возбуждения ОВ высокочастотного сигнала постоянной амплитуды на выходе сигнальной обмотки СО имеет место сигнал переменного тока той же частоты, амплитуда которого пропорциональна углу поворота ротора Р, связанного с осью внешней рамки гироплатформы ГП, относительно неподвижного статора С. В электронном блоке выходной сигнал вращающегося трансформатора выпрямляется (выделяется огибающая выходного сигнала). Таким образом вращающийся трансформатор ВТ1 вместе с выпрямителем электронного блока ЭБ можно считать усилительным динамическим звеном с коэффициентом усиления k ВТ. Аналогичным образом вращающийся трансформатор ВТ2, расположенный в цепи обратной связи, с выпрямителем электронного блока можно также считать усилительным звеном с коэффициентом усиления kОС.

Рисунок 1.7 – Схема возвращающего трансформатора:

Р – ротор; С – статор; ОВ – обмотка возбуждения; СО – сигнальная обмотка Схема размещения узлов двухканального стабилизатора танков Т-80УД "Береза" и Т-84 "Оплот" приведена на рис. 1.8.

Пульт наведения предназначен для управления приводами наведения пушки и поля зрения прицела в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также для производства выстрела из пушки и спаренного с ней пулемета. Рукоятки пульта наведения связаны с потенциометрами вертикального и горизонтального наведения. Они служат для регулирования величины и направления постоянного тока в обмотках электромагнитов наведения гироскопических датчиков углов.

В гироблоке размещены гироскопические приборы, предназначенные для измерения углов отклонения оси канала ствола танковой пушки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также для измерения угловых скоростей поворота пушки в этих плоскостях и для преобразования величин углов и скоростей в соответствующие им электрические сигналы.

–  –  –

Электронный блок содержит два усилителя каналов вертикального и горизонтального неведения. Оба усилителя конструктивно объединены и смонтированы в одном блоке. Усилители предназначены для выпрямления и усиления сигналов переменного тока, поступающих с выходов вращающихся трансформаторов гироскопических датчиков углов и угловых скоростей, а также с выхода вращающегося трансформатора датчика линейных ускорений.

Преобразователь напряжений предназначен для питания высокочастотным переменным током гиромоторов и вращающихся трансформаторов датчиков стабилизатора.

Электрогидравлический усилитель мощности служит для нагнетания рабочей жидкости в рабочие полости исполнительного гидроцилиндра и создания в них разности давлений, пропорциональной управляющему сигналу с выхода электронного блока.

Электромашинный усилитель является электрическим усилителем мощности. Он служит для усиления электрического сигнала, поступающего с выхода электронного блока, до величины, необходимой для работы исполнительного электродвигателя и состоит из виброусилителя и собственно электромашинного усилителя.

Исполнительный электродвигатель предназначен для перемещения башни с пушкой относительно корпуса танка при наведении и стабилизации.

Схема гидравлической системы стабилизатора приведена на рис. 1.9.

Если электромагнит управления усилителя 4 не развивает момента на коромысле 5, то иглы 1 и 6 устанавливаются потоками жидкости так, что в каналах 14 и 8 создается одинаковое давление. При этом усилия, действующие на плунжеры 2 и 7 также равны, а узлы 15 и 16 будут свободно устанавливаться в потоках жидкости. Давления в каналах 10 и 11 и в соединенных с ними полостях исполнительного гидроцилиндра будут одинаковы, вследствие чего корпус исполнительного гидроцилиндра остается неподвижным.

Рисунок 1.9 – Схема гидравлической системы стабилизатора:

Н1 – насос первого каскада; Н2 – насос второго каскада; 1, 6, 15, 16 – иголки;

2, 7 – плунжеры; 3, 5, коромысло; 4 – электромагнит управления.

При наведении пушки от пульта наведения или при отклонении ее от заданного наводкой направления при движении танка создается угол рассогласования между осью канала ствола и осью внешней рамки гироплатформы. На обмотку электромагнита 4 поступает сигнал управления с выхода электронного блока. Этот сигнал создает момент на коромысле 5, под действием которого одна из его игл 1 или 6 прижимается к своему седлу, прикрывая отверстие канала 14 или 8, а другая игла отходит от седла, открывая отверстие соответствующего канала. Плунжеры 2 и 7 перемещаются и через коромысло 3 перемещают иглы 15 и 16, в результате чего давления в каналах 10 и 11 изменяются, а также изменяются давления рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра. Вследствие разности давлений рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра корпус гидроцилиндра начинает перемещаться, увеличивая или уменьшая угол возвышения пушки, пока она не будет согласована с положением оси внешней рамки гироплатформы. При согласовании положения сигнал на электромагнит управления 4 не поступает и момент на коромысле 5 равен нулю. При этом иглы 1, 6, 15 и 16 свободно устанавливаются в потоках рабочей жидкости, не создавая разности давлений в полостях исполнительного гидроцилиндра.

Для предохранения системы от большого давления в электрогидравлическом усилителе установлены два предохранительных клапана 29, отрегулированных на давление 4,5-5 МПа.

Для блокировки (гидравлического стопорения) пушки предусмотрен запирающий золотник 27 и два шариковых клапана 23, которые фиксируются пружинами. При срабатывании электромагнита блокировки 18 золотник 27 перемещается и запирает рабочую жидкость в полостях исполнительного гидроцилиндра.

Первые публикации по анализу, синтезу и экспериментальным исследованиям систем наведения и стабилизации основного вооружения танков появились в работах сотрудников АБТВ Белоновского А.С., Корнеева В.В., Кузьмина Л.П., Павличука К.И., Кузнецова М.И., Кузнецова А.В., Фесенко М.Н., Долгова Н.Н. [6-12].

В этих работах рассматриваются линейные упрощенные математические модели возмущенного движения танковой пушки, а коэффициенты усиления линейного стабилизатора выбираются на основе рассмотрения диаграммы Вышнеградского замкнутой системы стабилизации. В те времена электронные блоки стабилизаторов были построены на радиолампах и имели нестабильные значения коэффициентов усиления. В этих же работах было обращено внимание на то, что процессы стабилизации оси канала ствола танковой пушки зависят от температуры окружающей среды, которая влияет на вязкость рабочей жидкости гидравлической системы стабилизатора. В работах [7] и [8] была поставлена проблема создания стабилизатора с высокой стабильностью коэффициентов усиления, значения которых мало зависят от действий внешних и внутренних возмущений, действующих на замкнутую систему стабилизации. Иными словами, была поставлена проблема создания робастного стабилизатора, которая в те годы не могла быть реализована вследствие использования примитивной электронной техники и отсутствия общей теории синтеза робастных систем.

В работе сотрудника ВНИИТрансмаш Жарова Ю.С. [13] впервые предложена идея создания стабилизатора, который является инвариантным к действию внешних возмущений. Для этого в канал горизонтального наведения танковой пушки автор предложил ввести дополнительную обратную связь по току якоря исполнительного электродвигателя, величина которого пропорциональна внешнему воздействию, возникающему вследствие неуравновешенности танковой башни относительно оси ее поворота, что является причиной возникновения центробежной возмущающей силы при повороте танка. Дальнейшее развитие этой идеи нашло воплощение в создании стабилизатора канала горизонтального наведения с датчиком линейных ускорений танковой башни относительно собственной поперечной оси. Теоретическое обоснование этой идеи было изложено в статье [14], которая начинает цикл важных работ по созданию современных стабилизаторов, проводимых под руководством Свердлова Р.И. сотрудниками ВНИИТрансмаш Безенкина К.А., [15, 16], Ледовского А.Д. [17], Щеголева В.И., Парфенова А.С., Знатнова Ю.Н., Тарасова В.В.[18], Лассаля Ф.П.[19], Матвеева М.М., Акопского А.Г. [20], Конобасова М.В., Пейсаховича Г.А., Филановского В.З.[21], Лайхтмана И.Е.[22], Голуба Г.Г., Дороговой И.А.[23].

В работе [15] автор показал необходимость учета дорожных условий при оценке точности стабилизатора танковой пушки, а в работе [16] на основе многочисленных экспериментов построил область устойчивости стабилизатора в плоскости варьируемых параметров, которая отличается от областей устойчивости, полученных в работах [6, 7, 8], с помощью линейных математических моделей стабилизатора. Тем самым автор показал, что нелинейности стабилизатора оказывают существенное влияние на его динамические характеристики.

В статье [17] авторами получены и проанализированы экспериментальные частотные характеристики стабилизатора, а выбор его варьируемых параметров осуществлялся исходя из требований к амплитудно-частотным и фазо-частотным характеристикам.

В работе [18] рассмотрена возможность построения инвариантного стабилизатора путем использования датчика линейных ускорений в канале горизонтального наведения. К моменту публикации работы [18] идея использования датчика линейных ускорений в канале горизонтального наведения стабилизатора уже получила практическое воплощение в танках Т-64 и ТА. Тем не менее, в работе [18] предлагалась методика выбора параметров оптимального инвариантного стабилизатора, что позволило повысить его точность. Довольно полная математическая модель возмущенного движения замкнутой системы стабилизации предложена в работе [19]. В этой же работе выбор варьируемых параметров стабилизатора осуществлялся путем построения области устойчивости в области этих параметров.

Выбор параметров исполнительных органов стабилизатора танковой пушки в работе [20] предлагается осуществлять таким образом, чтобы собственная частота колебаний стабилизатора не совпадала с частотой собственных колебаний подрессоренной части корпуса танка.

Преимущества нелинейных законов стабилизации в сравнении с линейными законами обосновывается в работах [21, 22]. B этих работах алгоритм стабилизации предлагается формировать в виде

–  –  –

В этом случае при малых значениях (t ) реализуется релейный закон стабилизации, что приводит к повышению точности стабилизации оси канала ствола относительно линии прицеливания. Вместе с тем, построение области устойчивости замкнутой системы стабилизации с нелинейным стабилизатором (1.4) сталкивается со значительными трудностями. Поэтому в работе [23] предлагается методика линеаризации математической модели, суть которой состоит в том, что экспериментальная частотная характеристика замкнутой системы стабилизации с нелинейным стабилизатором (1.4) аппроксимируется частотной характеристикой условно-линейного стабилизатора, линейная математическая модель которого и взята за основу для решения задачи параметрического синтеза.

Гидропривод канала вертикального наведения танковой пушки разрабатывался в НИИ "Сигнал" (г. Ковров). Здесь была создана научная школа регулируемого гидропривода, основателем и многолетним руководителем которой был профессор В.К. Кутузов - Главный конструктор НИИ "Сигнал" и заведующий кафедрой гидравлики Владимирского политехнического института. Работы представителей этой школы Ростовской М.И., Милова Е.С., Слипенко Г.К., Хромушкина В.М., Иванова В.Е. создали теоретическую базу для создания и совершенствования гидравлических стабилизаторов танковых пушек [24-28].

К концу 80-х годов предыдущего столетия аналоговые системы управления подвижными объектами практически полностью исчерпали себя.

Наступило время цифровых систем автоматики с вычислительными машинами в контуре управления. В работах Б.И. Гинзбурга и его сотрудников проанализированы дальнейшие пути развития танковых систем управления огнем [29-31]. Сделан вывод о том, что дальнейшее повышение точности стрельбы может быть достигнуто на пути использования цифровых стабилизаторов танковой пушки. Однако синтез цифровых стабилизаторов повышенной точности возможен только при наличии адекватных математических моделей возмущенного движения объектов стабилизации, а также имитационных моделей случайных внешних возмущений, действующих на объект стабилизации [32]. Именно эти проблемы оказались в центре внимания украинских танкостроителей после распада СССР. В работах, выполненных под руководством профессоров Е.Е. Александрова и Б.А. Олиярника, разработаны математические модели упругой танковой пушки как объекта стабилизации [33-36], рассмотрены внешние возмущения, действующие на танковую пушку в различных условиях движения танка [37-38], намечены основные направления разработки высокоточных систем стабилизации вооружения танка [39-44].

Интенсивное развитие вооружений и военной техники привело к созданию электронных систем наведения и стабилизации объектов военного назначения – летательных аппаратов и других подвижных объектов, антенн радиолокационных станций и т. п. После Второй мировой войны в США, Великобритании и СССР появились первые стабилизаторы танкового вооружения, использование которых значительно повысило боевую эффективность танков. Дальнейшее совершенствование систем автоматики объектов военного назначения вызвало появление современной теории управления, основанной на использовании метода пространства состояний. Методы современной теории управления являются эффективным средством анализа и синтеза систем наведения и стабилизации сложных технических объектов по сравнению с классической теорией автоматического управления.

Развитие современной теории управления во второй половине прошлого века отражало соперничество двух сверхдержав СССР и США в области вооружения и военной техники.

Создателями современной теории управления принято считать американских ученых Р. Беллмана, Р. Калмана и Ю. Ту, а также советских ученых Л.С. Понтрягина, Н.Н. Красовского, А.А. Красовского и А.М. Летова [45-51].

Еще Я.З. Цыпкин в одной из первых работ в области современной теории управления [52] показал, что любое из направлений современной теории управления сводится к решению задач оптимизации некоторых функций или функционалов, с помощью которых количественно оценивается то или иное свойство системы. Математическое моделирование сложных технических систем включает такие обязательные процедуры как идентификация математической модели и ее декомпозиция.

Важнейшей проблемой математического моделирования сложных технических объектов является их идентификация, проводимая с целью адекватности создаваемой математической модели и реального технического объекта. Вопросам идентификации сложных систем посвящены работы В.Ф. Губарева [53-59], Л.С. Житецкого [60], О.Г. Руденко [61], М.М. Лычака [62,63], Г.М. Бакана [64], А.П. Сарычева [65-67], С.В. Соколова [68], Е.М. Потапенко [69], Л.Н. Блохина [70], Ю.Л. Меньшикова [71], В.Б. Ларина и А.С. Апостолюка [72-75].

Декомпозиция математических моделей сложных технических систем обычно основана на разделении движений в сложных системах на быстрые и медленные движения и пренебрежении при определенных условиях быстрыми движениями при изучении медленных движений. В основе принципа декомпозиции положен метод разделения движений, сформулированный в работе Е.И. Геращенко и С.М. Геращенко [76]. В настоящее время принцип декомпозиции получил свое развитие в работах В.Д. Романенко и Ю. Л. Милявского [77].

Стабилизатор основного вооружения украинских танков "Булат", "Береза" и "Оплот" в канале горизонтального наведения содержит датчик линейных ускорений, выход которого соединен со входом электронного блока. Такая структура стабилизатора в канале горизонтального наведения придает ему свойство инвариантности к действию возмущающих центробежных сил, действующих на танковую башню в процессе поворота танка. В настоящей работе обосновывается необходимость и предлагается конструкция инвариантного стабилизатора в канале вертикального наведения. При разработке такого стабилизатора использовались результаты теории инвариантных автоматических систем, основы которой были изложены в работах Б.Н. Петрова и А.Н. Кухтенко [78-80]. В дальнейшем теория инвариантных систем разрабатывалась в работах В.М. Кунцевича, Б.Н. Пшеничного, Б.Т. Поляка [82-83].

Обзор научно-технической литературы по теме настоящей работы позволяет сделать вывод, что развитие и совершенствование танковых систем наведения и стабилизации вооружения осуществляется в следующих направлениях:

- создание адекватной математической модели возмущенного движения замкнутой системы наведения и стабилизации танковой пушки с учетом нелинейных характеристик стабилизатора с последующей ее декомпозицией и идентификацией;

- создание адекватной имитационной модели внешних возмущений, действующих на пушку в процессе движения танка по случайной поверхности;

- в решении задачи параметрического синтеза стабилизатора танковой пушки, обеспечивающего высокую точность стабилизации оси канала ствола относительно направления на цель;

- в разработке инвариантного к действию внешних возмущений стабилизатора, обеспечивающего высокую точность стабилизации при широком спектре внешних возмущений, действующих на танковую пушку.

Решение перечисленных выше задач возможно при использовании последних достижений таких направлений современной теории управления:

- математическое и имитационное моделирование сложных технических систем;

- теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов;

- теория инвариантных САУ.

Учитывая, что замкнутая система наведения и стабилизации танковой пушки является сложной технической системой, возмущенное движение которой описывается системой дифференциальных уравнений высокого порядка, использование для решения задач синтеза последних достижений перечисленных выше направлений современной теории управления невозможно без использования современных программных продуктов, в частности, таких как процедура Minimize программного продукта MathCAD или процедура Optimization Тооlbох программного продукта МАТТLAB.

1.2 Описание инвариантного стабилизатора

Современный стабилизатор танковой пушки содержит гироскопические датчики углового отклонения оси канала ствола в вертикальном и горизонтальном каналах наведения относительно линии прицеливания, гироскопические датчики угловой скорости вращения танковой пушки относительно оси цапф в канале вертикального наведения и танковой башни в канале горизонтального наведения, а также датчик линейных ускорений танковой башни относительно собственной поперечной оси инерции. Выходные сигналы датчиков подаются на входы электронного блока, который формирует алгоритмы стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно направления на цель, а также сигналы управления, подаваемые на входы исполнительных органов стабилизатора в каналах вертикального и горизонтального наведения.

Танковая пушка статически уравновешенная относительно оси цапф, но сухое и жидкостное трение в оси цапф танковой пушки обусловливает возмущающий момент, который способствует отклонению оси канала ствола от заданного направления в вертикальной плоскости при продольно-угловых колебаниях корпуса танка. Центр тяжести танковой башни с пушкой смещен относительно оси вращения башни, поэтому при повороте танка центробежная сила, приложенная к центру тяжести башни, создает возмущающий момент относительно оси вращения башни, который способствует отклонению оси канала ствола от заданного направления в горизонтальной плоскости.

Алгоритмы стабилизации башни с пушкой, кроме информации об угле отклонения и угловой скорости вращения башни в горизонтальной плоскости, учитывает также информацию о составляющей линейного ускорения танковой башни относительно собственной поперечной оси инерции, т.е. в канале горизонтального наведения стабилизатор объединяет два известных принципа управления - по отклонению и по возмущению. Таким образом, в канале горизонтального наведения стабилизатор является инвариантным к воздействию внешних возмущений, обеспечивая повышение точности стабилизации в горизонтальной плоскости.

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача повышения точности стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно направления на цель путем сочетания двух принципов управления в канале вертикального наведения [85-86].

Технический результат достигается тем, что в полостях исполнительного гидроцилиндра установлены датчики давления рабочей жидкости, выходы которых электрически соединены со входами электронного блока. Хотя танковая пушка статически уравновешена относительно оси цапф, в процессе движения танка в повороте на танковую пушкувоздействует возмущающий инерционный момент, который вызывает перепад давления рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра. Если измерять перепад давления рабочей жидкости и ввести измеряемую величину в алгоритм стабилизации, то стабилизатор в вертикальном канале наведения начнет реагировать на внешнее возмущение не дожидаясь отклонения оси канала ствола от направления на цель в вертикальной плоскости.

Структурная схема предлагаемого стабилизатора показана на рис. 1.10

Рисунок 1.10 – Структурная схема стабилизатора:

1 – пушка; 2 – башня; 3 – пульт наведения; 4, 5 – гироскопические датчики углов отклонения; 6, 7 – гироскопические датчики угловой скорости; 8 – датчик линейных ускорений; 9 – электронный блок; 10 – гидравлический усилитель; 11 – исполнительный гидроцилиндр; 12 – электромагнитный усилитель;

13 – исполнительный электродвигатель; 14 – понижающий редуктор; 15, 16 – датчики давления рабочей жидкости.

Схема включает танковую пушку 1, вращающуюся в вертикальной плоскости относительно оси цапф, и танковую башню 2, вращающуюся в горизонтальной плоскости относительно оси погона башни; пульт наведения 3, с помощью которого наводчик совмещает линию прицеливания с направлением на цель; гироскопические датчики отклонения оси канала ствола танковой пушки в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно линии прицеливания 4 и 5; гироскопические датчики угловой скорости вращения танковой пушки относительно оси цапф в вертикальной и танковой башни с пушкой в горизонтальной плоскостях 6 и 7; датчик линейных ускорений танковой башни относительно собственной поперечной оси инерции 8; электронный блок 9, входы которого электрически соединены с выходами датчиков 4, 5, 6, 7 и 8, а выходы электрически соединены с исполнительными органами стабилизатора, а именно, с электрогидравлическим усилителем 10, гидравлически соединенным с исполнительным гидроцилиндром 11, выходной шток которого шарнирно связан с казенной частью пушки 1 в вертикальной плоскости, и с электромашинным усилителем 12 электрически соединенным с исполнительным электродвигателем постоянного тока 13, якорь которого через понижающий редуктор 14 связан с погоном танковой башни 2 в горизонтальной плоскости. В полостях исполнительного гидроцилиндра 11 установлены датчики давления рабочей жидкости 15 и 16, выходы которых электрически соединены с выходами электронного блока 9.

Стабилизатор танковой пушки работает следующим образом. С помощью пульта наведения 3 наводчик формирует электрические сигналы постоянного тока на электромагниты наведения гироскопических датчиков углов 4 и 5, которые создают механические моменты, прикладываемые к внутренним рамкам гироскопических датчиков. Под действием этих моментов внешние рамки гироскопических датчиков 4 и 5 прецессируют в соответствующих направлениях. С внешними рамками гироскопов механически соединено главное зеркало прицела, которое перемещается вместе с внешними рамками гироскопов до попадания в зеркало изображения цели и образования линии прицеливания. В этот момент процесс наведения на цель прекращается и начинается процесс стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно образованной линии прицеливания (воображаемой линии, соединяющей цель с ее изображением в главном зеркале прицела). Угловые отклонения оси канала ствола танковой пушки 1 относительно линии прицеливания в вертикальной плоскости и танковой башни 2 в горизонтальной плоскости измеряются гироскопическими датчиками 4 и 5; угловая скорость вращения пушки 1 в вертикальной плоскости и башни с пушкой 2 в горизонтальной плоскости измеряется гироскопическими датчиками угловой скорости 6 и 7;

составляющая линейного ускорения танковой башни относительно ее собственной поперечной оси инерции измеряется датчиком линейных ускорений 8, а давление рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра 11 измеряется датчиками давления 15 и 16. На основе информации из выходов этих датчиков электронный блок формирует алгоритмы стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно направления на цель в вертикальной и в горизонтальной плоскостях.

1.3 Постановка задачи исследования

Анализ научно-технической литературы по разработке инвариантных стабилизаторов основного вооружения танков позволяет сделать вывод о том, что до 90-х годов предыдущего столетия стабилизаторы, использующие аналоговые электронные блоки управления, исчерпали свои возможности.

Однако создание цифровых электронных блоков стабилизаторов основного вооружения, реализующих сложные логические алгоритмы стабилизации, в том числе алгоритмы, доставляющие замкнутой системе стабилизации свойство инвариантности к действию внешних возмущений, сдерживались следующими причинами:

отсутствовала адекватная математическая модель возмущенного движения замкнутой системы стабилизации основного вооружения танка.

Существующие в то время модели были способны отразить лишь одну сторону проблемы и не носили системного характера;

средства вычислительной техники в тот период были не в состоянии осуществлять решение задач анализа и синтеза замкнутых цифровых систем наведения и стабилизации основного вооружения танка из-за высокого порядка математических моделей возмущенного движения таких систем;

отсутствовала работоспособная методика синтеза цифровых систем стабилизации подвижных объектов; теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов, разработанная Р. Беллманом, А.М. Летовым и А.А. Красовским, не нашла широкого использования в инженерной практике;

отсутствовали адекватные имитационные модели внешних возмущений, действующих на танковое вооружение в процессе движения танка в различных дорожных условиях;

отсутствовала элементарная база для построения цифровых систем наведения и стабилизации танкового вооружения, сохраняющих работоспособность в условиях вибрации, ударных нагрузок и высоких значений ускорений, характерных для танка, ведущего боевые действия в сложных дорожных условиях.

Бурное развитие вычислительной техники, современной теории автоматического управления и её элементарной базы в начале 90-х годов предыдущего столетия позволило поставить задачу создания высокоточной цифровой системы наведения и стабилизации основного вооружения танка, а именно танковой пушки при стрельбе бронебойными, осколочно-фугасными и кумулятивными снарядами и управляемыми ракетами, обладающей свойствами инвариантности к действию внешних возмущений при движении танка в сложных дорожных условиях.

Для решения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

произвести анализ существующих систем наведения и стабилизации основного вооружения танка;

разработать адекватную математическую модель возмущенного движения танковой пушки в канале вертикального наведения и танковой башни в канале горизонтального наведения;

осуществить идентификацию параметров разработанной математической модели путем сравнения результатов расчетов с результатами эксперимента;

разработать имитационные модели внешних возмущений, действующих на основное вооружение танка в каналах вертикального и горизонтального наведения;

сформировать требования к системе наведения и стабилизации основного вооружения танка, формализовать эти требования и представить их в виде требования минимума некоторого функционала качества;

решить задачу структурно-параметрического синтеза инвариантной системы наведения и стабилизации основного вооружения танка в каналах вертикального и горизонтального наведения.

Решение поставленных задач оказывается возможным не только вследствие разработки математических и имитационных моделей рассматриваемого объекта проектирования, а также бурного развития вычислительной техники и элементарной базы современной электронной техники. Существенное значение имеет также развитие современной теории управления, в частности, теории оптимального управления, теории инвариантных систем управления и других направлений современной теории управления.

–  –  –

Обзор литературных источников по проблеме синтеза инвариантных стабилизаторов основного вооружения танков позволяет сделать следующие выводы:

для повышения точности стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно линии прицеливания необходимо придание цифровому стабилизатору свойства инвариантности к действию внешних возмущений;

для решения задачи синтеза высокоточного инвариантного цифрового стабилизатора основного вооружения танка необходима разработка математической модели возмущенного движения объекта стабилизации, адекватно отражающей динамические свойства объекта, а также адекватной имитационной модели внешних возмущений, действующих на объект стабилизации.

для придания системе наведения и стабилизации танковой пушки в канале вертикального наведения свойства инвариантности к действию внешних возбуждений предложена структурная схема стабилизатора канала вертикального наведения, отличающаяся от штатной схемы наличием датчиков давления рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра электрогидравлического усилителя, выходные сигналы которых подаются на входы электронного блока стабилизатора.

Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗМУЩЕННОГО ДВИЖЕНИЯ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И

СТАБИЛИЗАЦИИ ТАНКОВОЙ ПУШКИ

2.1 Танковая пушка с электрогидравлическим усилителем как объект стабилизации Основу ведения боя в современных условиях составляет стрельба с ходу при высокой скорости и маневренности движения танка. Вероятность попаданий при стрельбе с ходу из танковой пушки без стабилизатора не превышает 0,07. Применение систем наведения и стабилизации танкового вооружения позволяет повысить вероятность поражения цели при стрельбе с ходу в 7 – 10 раз. Поэтому все современные танки мира оборудованы стабилизаторами танкового вооружения, позволяющими вести прицельный огонь с ходу. Вероятность огневого поражения цели при максимальных скоростях движения, высокой маневренности и эффективном уклонении танка от огневого поражения противника в значительной степени определяется точностью поддержания заданного направления танкового вооружения на цель при интенсивных возмущающих воздействиях со стороны корпуса танка. Поэтому вопросы дальнейшего повышения точности стабилизации танкового вооружения являются актуальной проблемой как при разработке новых систем танкового вооружения, так и при модернизации существующих систем, находящихся на вооружении.

На танковую пушку действуют два вида внешних возмущений. В канале вертикального наведения - продольно-угловые перемещения корпуса танка, обусловленные рельефом местности и продольно-угловыми колебаниями подрессоренной части танка относительно неподрессоренной. Эти перемещения, благодаря трению в осях цапф, вызывают возмущающие моменты, действующие на орудие. Кроме того, в обеих каналах наведения действуют инерционные возмущения, обусловленные поворотом корпуса танка и ускоренным или замедленным его движением. Аналогичные моменты действуют на башню со стороны корпуса танка через погон.

Для обеспечения стабилизатору свойства инвариантности к воздействию внешних возмущений в канале вертикального наведения рекомендуется измерять разницу давлений рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра. Действительно, разница давлений рабочей жидкости пропорциональна внешнему возмущению, действующему со стороны пушки на выходной шток исполнительного гидроцилиндра при продольно-угловых колебаниях подрессоренной части корпуса танка или его повороте. Если в полости исполнительного гидроцилиндра установить датчики давления рабочей жидкости, выходные сигналы которых подать к входам электронного блока, сформировать разницу этих сигналов и добавить эту разницу с определенным коэффициентом усиления к алгоритму стабилизации, то в канале вертикального наведения стабилизатор получит свойство инвариантности к воздействию внешних возмущений.

Структурная схема предлагаемого стабилизатора показана на рис. 1.10.

Из анализа схемы можно записать алгоритмы стабилизации, реализуемые электронным блоком в каналах вертикального и горизонтального наведения

–  –  –

(t ), (t ) – угловое отклонение оси канала ствола танковой пушки от где линии прицеливания в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

d(t )

– угловая скорость вращения пушки относительно оси цапф в dt вертикальной плоскости;

d (t )

– угловая скорость вращения башни с пушкой в горизонтальной dt плоскости;

p(t ) – разность давлений рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра;

a y – составляющая линейного ускорения вдоль собственной поперечной оси башни представленная на рис. 2.1.

–  –  –

На рис. 2.1 представлены следующие системы координат: ok xk yk – система координат, связанная с подрессоренной частью корпуса; oб xб yб – система координат, связанная с башней; oп xп yп – система координат, связанная с пушкой, oц - центр масс башни с пушкой.

Алгоритмы (2.1) и (2.2) обеспечивают повышенную точность стабилизации за счет сочетания двух принципов управления, по отклонению и по возмущению, как в канале горизонтального, так и в канале вертикального наведения.

Создание системы наведения и стабилизации танковой пушки, реализующей алгоритмы, обеспечивающие высокую точность стабилизации оси канала ствола относительно линии прицеливания, требует разработки адекватных математических моделей систем и агрегатов стабилизатора. Исполнительным органом в канале вертикального наведения танковой пушки является электрогидравлический усилитель (ЭГУ), содержащий управляющий электромагнит, гидравлическую часть и исполнительный гидроцилиндр, выходной шток которого шарнирно связан с казенной частью танковой пушки и обеспечивает поворот пушки в вертикальной плоскости относительно оси цапф.

Схема ЭГУ приведена на рис. 2.2, где приняты следующие обозначения: ЭМ – электромагнит; О1, О2 – обмотки электромагнита; К – коромысло электромагнита; П – фиксирующая пружина; И1, И2 – запорные иглы; Н – насос; ГЦ – гидроцилиндр; КЧ – казенная часть пушки, ОЦ – ось цапф.

Математическая модель возмущенного движения ЭГУ канала вертикального наведения приведена в работе [93] и записывается в виде

–  –  –

где i y (t ) – управляющий сигнал, формируемый электронным блоком стабилизатора;

(t ) – угол поворота коромысла электромагнита ЭГУ;

p(t ) – перепад давления рабочей жидкости в полостях исполнительного гидроцилиндра, причем

–  –  –

I k – момент инерции коромысла относительно оси поворота;

f – коэффициент гидравлического трения в оси поворота коромысла;

c – коэффициент жесткости фиксирующей пружины;

Tг – постоянная времени гидросистемы ЭГУ.

Знак "минус" в правой части уравнения (2.4) означает, что положительному углу поворота коромысла (против часовой стрелки) соответствует отрицательный перепад давления рабочей жидкости (2.5).

Стабилизирующее усилие Fc (t ) на штоке гидроцилиндра пропорционально величине p(t )

–  –  –

Паспортные данные ЭГУ включают его статическую характеристику, пользуясь которой могут быть оценены значения коэффициентов пропорциональности kе, kд и k m. Вместе с тем, значения таких конструктивных параметров ЭГУ как I k, f, c и Tг не могут быть оценены с помощью статической характеристики ЭГУ, поэтому возникает проблема идентификации математической модели (2.3), (2.4) в смысле её адекватности реальному объекту.

<

2.2. Танковая башня с электромашинным усилителем как объектстабилизации

Рассмотрим рис. 1.8. Усилитель мощности системы наведения и стабилизации в канале горизонтального наведения содержит два каскада усиления.

В качестве первого каскада усиления используется поляризованное реле РПБ-5, линеаризованное с помощью автоколебаний, передаточный коэффициент которого составляет kny. В качестве второго каскада усиления используется электромашинный усилитель (ЭМУ) с поперечным полем. Принцип действия ЭМУ объясняется схемой, приведенной на рис. 2.3.

Обмотки управления ОУ1 и ОУ2 являются обмотками возбуждения ЭМУ.

Эти обмотки включены встречно, так что потоки возбуждения, создаваемые обмотками ОУ1 и ОУ2, имеют противоположные направления. На обмотки управления ОУ1 и ОУ2 подаются слаботочные управляющие сигналы U y (t ) с выхода электронного блока стабилизатора, причем, если сигнал управления, формируемый электронным блоком, положителен U y (t ) 0,то он подается на обмотку ОУ1, если же U y (t ) 0, то тот же сигнал подается на обмотку управления ОУ2.

–  –  –

Обмотки управления ОУ1 и ОУ2 создают малые магнитные потоки Фy (t ). При вращении якоря генератора Г в магнитном потоке Фy (t ) в обмотке якоря индуцируется большая электродвижущая сила (ЭДС), которая через щетки q – q создает в обмотке якоря значительный ток, который в свою очередь создает значительный магнитный поток Фq (t ), направленный перпендикулярно потоку Фy (t ). Этим магнитным потоком в обмотке якоря между щетками r – r индуцируется большая ЭДС eэм у(t ), полярность которой зависит от того, на какую из обмоток ОУ1 или ОУ2 подается сигнал U y (t ).

При включении нагрузки на рабочие щетки r – r по обмотке якоря протекает ток нагрузки, который вызывает поток реакции якоря Фря (t ), который направлен навстречу потоку управления Фy (t ), причем величина потока Фря (t ) значительно превышает величину потока Фy (t ), что приведет к уменьшению ЭДС eэм у(t ). Для компенсации влияния нагрузки на поток управления на статоре ЭМУ расположена компенсационная обмотка КО, подключенная последовательно в цепи нагрузки, а магнитный поток Фk (t ), создаваемый этой обмоткой, направлен навстречу потоку Фря (t ) и компенсирует этот поток.

Коэффициентом усиления ЭМУ называется отношение мощности сигнала eэм у(t ) к мощности сигнала U y (t ). Обычно этот коэффициент достигает 10000.

Ток в обмотке управления i y (t ) изменяется в соответствии с дифференциальным уравнением

–  –  –

где Ly и ry – соответственно индуктивность и активное сопротивление обмотки управления ОУ.

Поток возбуждения, создаваемый обмоткой управления, равен

–  –  –

Исполнительный орган канала горизонтального наведения танковой пушки представляет собой последовательное соединение ЭМУ с передаточной функцией (2.16) и исполнительного электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, расчетная схема которого приведена на рис. 2.4.

–  –  –

На рис. 2.4 введены такие обозначения: ЭД – электродвигатель; ОВ – обмотка возбуждения; Р – редуктор; ОУ – объект управления. Уравнение ЭДС и напряжений цепи якоря записывается в виде

–  –  –

где iя (t ) – ток цепи якоря;

U я (t ) – напряжение, приложенное к цепи якоря;

eя (t ) – противо ЭДС якоря;

Lя (t ), rя (t ) – индуктивность и сопротивление цепи якоря.

Противо ЭДС якоря определяется соотношением

–  –  –

k м – коэффициент пропорциональности;

i p – передаточное отношение понижающего редуктора;

i я (t ) – ток якоря исполнительного электродвигателя.

Через M в (t ) в уравнении (2.33) обозначен возмущающий момент. Передаточная функция танковой башни записывается в виде соотношения

–  –  –

2.3 Идентификация параметров математической модели возмущенного движения танковой пушки Идентификация математической модели исследуемого объекта является обязательным элементом процесса математического моделирования. Это обусловлено тем что, численные значения многих конструктивных параметров моделируемого объекта, как правило, заранее не известны и, тем самым, разработанная математическая модель не является адекватной моделируемому объекту.

Обычно идентификация математической модели объекта осуществляется путем сравнения его экспериментальных и расчетных динамических характеристик с последующей минимизацией функций невязок, представляющих собой количественную оценку расхождения этих характеристик.

Перейдем к решению задачи идентификации математической модели возмущенного движения электрогидравлического усилителя танковой пушки с использованием результатов стендовых испытаний моделируемого объекта.

В математической модели (2.3) неизвестными являются величины I k, f, c и Tг, т. е. значения параметров электромагнита управления электрогидравлического усилителя. Решение проблемы осуществляется путем сравнения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ЭГУ, а именно, расчетной АЧХ M р (), построенной на основе математической модели ЭГУ, и экспериментальной АЧХ M э (), построенной с помощью исследовательского стенда, созданного на Машиностроительном заводе "ФЭД" (г. Харьков), серийно выпускающем гидравлический привод вертикального наведения основного вооружения украинских танков "Булат", "Береза" и "Оплот".

Исследовательский стенд № 6.365.8140 Г3 предназначен для испытаний и настройки параметров гидропривода ПВ1888. Принципиальная гидравлическая схема стенда приведена на рис. 2.3, где приняты обозначения:

ЗУ – заправочная установка; Ф1, Ф2 – фильтры гидравлические; Д1, Д2, Д3, Д4 – дроссели гидравлические; КП1, КП2 – краны проходные; Б – бак гидравлический; Н – насос; ЭД – электродвигатель; МН1, МН2, МН3 – манометр гидравлические (10 МПа); ЭГУ – электрогидравлический усилитель; Ц – цилиндр гидравлический; РА – регистрирующая аппаратура; ИР – измерительный резистор; Т – торсион; З – задатчик.

Рисунок 2.3 – Схема гидравлическая принципиальная стенда ПВ1888.

В качестве задатчика используется генератор ГЗ-16 колебаний синусоидальной формы, которые подаются на обмотку управления ЭГУ, а в качестве регистрирующей аппаратуры - электронно-лучевой осциллограф К-20на вход которого подается сигнал с выхода измерительного резистора ИР.

На вход ЭГУ от задатчика З подадим синусоидальный сигнал

–  –  –

постоянной амплитуды A 0.1 А и с частотой, изменяемой в интервале (20 250) с-1. Тогда поршень гидроцилиндра Ц без нагрузки со стороны торсиона Т совершает синусоидальные колебания

–  –  –

где B() – амплитуда колебаний поршня гидроцилиндра, зависящая от частоты сигнала;

() – фазовый сдвиг выходного сигнала (2.38) относительно входного (2.37).

Ордината амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) разомкнутого гидропривода представляет собой отношение амплитуды выходного сигнала (2.38), соответствующей текущей частоте, к амплитуде входного сигнала (2.37) <

–  –  –

Экспериментально полученную при помощи описанного выше исследовательского стенда АЧХ разомкнутого гидропривода обозначим M э (), в отличие от расчетной АЧХ W p (), полученной с помощью уравнений возмущенного движения ЭГУ (2.3), (2.4) и уравнения возмущенного движения поршня гидроцилиндра

–  –  –

mn – масса поршня;

k m – коэффициент пропорциональности.

Из уравнений (2.3), (2.4) и (2.40) запишем соотношения для передаточной функции электромагнита, гидросистемы ЭГУ и поршня гидроцилиндра соответственно:

–  –  –

На рис. 2.4 приведены две АЧХ привода вертикального наведения: 1 – экспериментальная АЧХ M э (), полученная с помощью исследовательского стенда; 2 – расчетная АЧХ M р (), построенная с помощью соотношения (2.17) при значениях компонент вектора 0 в стартовой точке

–  –  –

N – число точек сравнений в интервале (20 250) с-1.

где Рисунок 2.4 – Экспериментальная (1) и расчетная (2) АЧХ разомкнутого гидропривода вертикального наведения Из рассмотрения рис. 2.4 можно сделать заключение о том, что функции M э () и M р () изменяются достаточно плавно. Поэтому в заданном интервале частот достаточно выбрать число N равным 230, т.е. сравнение экспериментальной и расчетной АЧХ достаточно производить с шагом 1 с-1. Используя программный продукт Optimization Toolbox, осуществим поиск вектора, доставляющего минимум функции (2.48), который достигается при следующих значениях неопределенных параметров ЭГУ:

Tг 0,12 10 3 с; I k 0,98 102 Н м с2; f 0,55 Н м с; с 3,21 102 Н м.

Решение задачи идентификации математической модели возмущенного движения электрогидравлического усилителя канала вертикального наведения танковой пушки получено путем сравнения расчетной АЧХ замкнутого гидропривода с экспериментальной АЧХ, полученной с помощью специального исследовательского стенда, с последующим формированием и минимизацией функций невязок.

2.4 Имитационная модель внешних возмущений, действующих наосновное вооружение танка

Наведение и стабилизация танковой пушки осуществляется в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях – горизонтальной, путем поворота танковой башни с пушкой относительно оси поворота башни, и вертикальной, путем поворота пушки, закрепленной в башне, относительно оси цапф.

При движении танка по неровностям поверхности движения подрессоренная часть его корпуса совершает колебания: вертикальные, продольно-угловые и поперечно-угловые, которые обычно являются малыми. Прицельный огонь с ходу ведется, как правило, при скоростях, не превышающих 10 м с-1. При движении по среднепересеченной местности среднее значение амплитуды вертикальных колебаний равно 0,15 м, продольно-угловых – 0,043 рад, а поперечно-угловых – 0,031 рад [11]. При таких значениях параметров возмущенного движения подрессоренной части корпуса необходимая точность стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно линии прицеливания вполне может быть обеспечена ПД-стабилизатором, использующим информацию об угловом рассогласовании оси канала ствола и линии прицеливания, а также об угловой скорости поворота танковой пушки в стабилизируемом процессе. По такому принципу были построены аналоговые стабилизаторы основного вооружения советских танков Т-54, Т-55, Т-62, Т-10 и ПТ-76.

Непрерывное повышение мощности силовых двигательных установок отечественных и зарубежных танков и, как следствие, рост показателей их подвижности и маневренности, привел к значительному возрастанию внешних возмущений, действующих на основное вооружение и обусловленных силами инерции, возникающими при криволинейном неравномерном движении танка. К таким силам относятся центробежные силы в повороте танка и силы инерции при изменении скорости его движения – ускорение или замедление.

Рассмотрим танковую башню с пушкой, представленную на рис. 2.5, в горизонтальной проекции при различных положениях башни относительно корпуса танка. Рис. 2.5 а соответствует случаю, когда собственные продольные оси инерции корпуса и башни по направлению совпадают, а рис. 2.5 б соответствует случаю, когда собственная продольная ось инерции башни повернута относительно собственной продольной оси корпуса танка на угол

0. В первом случае поворот танка с текущим радиусом

–  –  –

где V (t ) – текущая скорость движения цента масс;

k (t ) - угловая скорость поворота корпуса, вызывает появление центробежной силы Fy (t ), обусловленной центростремительным ускорением a y (t ) и приложенной к центру масс oc башни с пушкой.

Центробежная сила определяется зависимостью

–  –  –

где mt – масса башни с пушкой, и является причиной увода оси канала ствола танковой пушки от направления на цель в горизонтальной плоскости наведения.

–  –  –

Во втором случае, представленном на рис. 2.5 б и соответствующем 0, центробежная сила Fy (t ) приложена вдоль продольной оси башни и не вызывает её поворота относительно оси поворота. Возмущающее воздействие на башню в этом случае оказывает инерциальная сила Fx (t ), обусловленная ускоренным (замедленным) движением корпуса танка, причем

–  –  –

где ax (t ) – линейное ускорение (замедление) движение корпуса танка;

x(t ) - текущее линейное перемещение корпуса.

Очевидно, что при выполнении условия

–  –  –

где h – плечо приложения возмущающего усилия, равное расстоянию между центром тяжести и центром поворота башни.

При 0 0 соотношение (2.52) вырождается в формулу (2.50), а при 0 - в формулу (2.51).

Танковую пушку будем рассматривать в виде двухмассовой системы, схематически представленной на рис. 2.6.

Схема представляет собой массы mc и mk, связанные между собой жестким стержнем с шарниром в точке oc, причем масса mc равна массе ствола танковой пушки, а масса mk равна массе казенной части танковой пушки, угол 0 представляет собой текущий угол возвышения пушки, расстояния lc и l k соответствуют расстояниям от оси цапф до центров тяжести ствола и казенной части соответственно.

Рассмотрим схему танковой пушки в вертикальной плоскости, проходящей через продольную собственную ось корпуса танка, соответствующую случаю 0 (t ) 0 и представленную на рис. 2.6а. Ускоренное (замедленное)

–  –  –

Таким образом, ускоренное (замедленное) движение танка не нарушает равновесия танковой пушки и не создает возмущающих моментов, приводящих к изменению положения пушки относительно оси цапф.

Рассмотрим влияние на танковую пушку центробежных сил, возникающих при повороте танка с угловой скоростью k (t ). Обозначим линейные скорости точек mc и mk соответственно через Vc и Vk, а радиус поворота оси цапф обозначим через R. Тогда линейные скорости точек mc и mk составляют <

–  –  –

Таким образом, соотношения (2.51) и (2.62) определяют моменты инерционных внешних возмущений, действующих на танковую башню и танковую пушку в криволинейном неравномерном движении танка.

Масса танковой башни с пушкой mt в современных танках составляет около трети общей массы танка, в связи с чем инерционный момент (2.52) может достигать значительных величин. Для повышения точности стабилизации оси канала ствола танковой пушки в канале горизонтального наведения украинских танков Т-64, Т-80УД и Т-84 вместо традиционного ПДстабилизатора используется инвариантный стабилизатор, содержащий помимо гироскопических датчиков угла и угловой скорости еще и датчики линейных ускорений башни относительно её поперечной оси [4].

Анализ соотношения (2.62) показывает, что при малых значениях углов 0 (t ) и 0 (t ) величина возмущающего момента M (t ) мала. Вместе с тем, при ведении танком боевых действий в гористой местности при значительных значениях углов 0 (t ) и 0 (t ) момент (2.62) достигает высоких значений, что приводит к выводу о целесообразности использования инвариантного стабилизатора и в канале вертикального наведения танковой пушки [84].

2.5. Декомпозиция математической модели возмущенного движения замкнутой системы наведения и стабилизации танковой пушки.

Современные средства вычислительной техники способны реализовать сложнейшие программные продукты, связанные с решением задач анализа и синтеза технических объектов, математические модели которых имеют высокую размерность. Вместе с тем, проблема декомпозиции математических моделей сложных технических систем не потеряла свою актуальность. Действительно, упрощенные математические модели технических объектов позволяют глубже понять физическую сущность динамических процессов, протекающих в таких объектах, а также оценить некоторые динамические характеристики сложных систем «вручную», без применения мощных средств вычислительной техники и их программного обеспечения, что имеет немаловажное значение в процессе проектирования и инженерной разработке сложных систем.

В технической литературе не сложилось определенного мнения о критериях сравнительной оценки «быстрых» и «медленных» движений, лежащих в основе декомпозиции сложных технических систем. Так, в области электротехники считается допустимым разделение «быстрых» и «медленных» движений, если отношение постоянных времени таких движений удовлетворяется неравенством

–  –  –

Рассмотрим задачу определения амплитуд и частот автоколебаний рамок гироскопа для наиболее общего вида нелинейной характеристики системы разгрузки с зоной нечувствительности и гистерезисом при наличии сухого трения в осях карданова подвеса. Уравнение возмущенного движения рамок гироскопа в рассматриваемом случае запишется в виде [87]:

–  –  –

где I – суммарный момент инерции ротора, внутренней и наружной рамок относительно оси поворота наружной рамки;

I – суммарный момент инерции ротора и внутренней рамки относительно оси вращения внутренней рамки;

k, k – положительные постоянные, равные модулям моментов сухого трения относительно соответствующих осей;

M p (t ) – момент разгрузки, определяемый статической характеристи

–  –  –

момента, создаваемого поворотным электромагнитом; * – величина зоны нечувствительности системы разгрузки; 1 m 1 - гистерезис нелинейной характеристики.

Рисунок 2.11 – Нелинейная характеристика системы разгрузки

Периодические решения системы (2.64) будем отыскивать в виде:

–  –  –

.

Подставляя соотношение (2.77) в уравнение (2.76), получим гармонически линеаризованное дифференциальное уравнение возмущенного движения внутренней рамки гироскопа с системой разгрузки

–  –  –

Для отыскания неизвестных B и из уравнений (2.80) и (2.81) будем рассматривать функции X ( B, ) и Y ( B, ) как прямоугольные координаты. В этих координатах при различных значениях B будем строить кривые, определяемые соотношениями (2.80) и (2.81), при изменении от 0 до. Уравнениям (2.80) и (2.81) удовлетворяет та кривая, которая пройдет через начало координат, что и определит искомые значения B и. Поэтому надо строить не все кривые, а только их участки вблизи начала координат (рис. 2.12). Используя формулы (2.73), можно по известным B и отыскать амплитуду автоколебаний A наружной рамки гироскопа, определяющую точность стабилизации головного зеркала прицела танковой пушки, а также фазовый сдвиг между углами (2.65) и (2.66).

Пускай параметры гироскопа с релейной системой разгрузки составля

–  –  –

Рисунок 2.12 – К отысканию амплитуд и частот автоколебаний На рис.

2.13 приведены зависимости амплитуд автоколебаний рамок гироскопа A и B от величины зоны нечувствительности *. При этом частота автоколебаний не зависит от величины *, остается постоянной, равной

–  –  –

Рисунок 2.13 – Зависимость амплитуд колебаний рамок гироскопа с системой разгрузки от величины зоны нечувствительности Фазовый сдвиг между углами (2.

65) и (2.66) практически постоянен и

–  –  –

(0 * 1) 10 4 рад зависимости амплитуд A и B от * теряют линейный характер, а частота автоколебаний начинает стремительно возрастать, что приводит к возрастанию фазового сдвига от до в соответствии со вторым соотношением (2.73), а также к возрастанию величины A при уменьшении величины B и, следовательно, к снижению точности стабилизации поля зрения прицела.

Таким образом, рамки гироскопического силового стабилизатора поля зрения прицела танковой пушки совершают высокочастотные автоколебания, параметры которых определяются динамическими свойствами гироскопа и параметрами системы разгрузки.

Из формулы (2.70) имеем A1 4.314 10 4 c 1.

Рассмотрим дифференциальные уравнения, описывающие свободное движение рамок гироплатформы (2.62) и (2.64), положив в этих уравнениях M p 0. В соответствии с формулами (2.67) и (2.74), имеем гармонически линеаризованные уравнения гироплатформы

–  –  –

Условия (2.62) выполняются. В связи с этим, при рассмотрении движения объекта стабилизации, собственной динамикой гироплатформы можно пренебречь, и алгоритмы стабилизации в обоих каналах наведения представить в виде соотношений (2.1) и (2.2).

–  –  –

Решение задачи идентификации математической модели электрогидравлического усилителя канала вертикального наведения танковой пушки получено путем сравнения расчетной АЧХ замкнутого электропривода с экспериментальной АЧХ, полученной с помощью специального исследовательского стенда с последующим формированием и минимизацией функции невязок. В результате получены следующие значения неопределенных параметров электрогидравлического усилителя: Tг 0,12 10 3 с; I k 0.98 10 2 Н м с2; f k 0.55 Н м с; ck 1.01 10 2 Н м;

Возмущения, действующие на танковую башню с пушкой в канале горизонтального наведения, определяются действием центробежных сил, возникающих при повороте танка, и действием инерционных сил при ускорении или замедлении движения танка, а также текущим значением угла поворота башни относительно корпуса.

Внешние инерционные возмущения, действующие на танковую пушку в канале вертикального наведения, не зависят от ускорения или замедления движения корпуса танка, а определяются угловой скоростью поворота корпуса и текущим значением угла поворота башни относительно корпуса и угла возвышения пушки.

Для повышения точности стабилизации оси канала ствола танковой пушки относительно направления на цель целесообразно использование вместо традиционного ПД-стабилизатора инвариантного стабилизатора, как в канале горизонтального, так и в канале вертикального наведения.

Раздел 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АНАЛОГОВОЙ ИНВАРИАНТНОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ

ТАНКОВОЙ ПУШКИ

3.1 Передаточные функции замкнутой и разомкнутой систем наведения и стабилизации танковой пушки и танковой башни.

Системы стабилизации различных объектов военного назначения (танковых и корабельных орудий, самолетов и ракет различного класса) имеют ряд общих особенностей, основными из которых являются:

объектом стабилизации, как правило, является инерционный механический объект, на который действуют стабилизирующее и возмущающее воздействия, а возмущенное движение описывается дифференциальным уравнением d 2(t ) M c (t ) M в (t ), I (3.1) dt 2 (t ), (t ) – обобщенная координата и обобщенная скорость стабилигде зируемого процесса, M c (t ) – стабилизирующее воздействие, M в (t ) – возмущающее воздействие, I – момент инерции стабилизируемого объекта относительно оси поворота;

исполнительными органами объектов стабилизации являются, как правило, электрогидравлические усилители, содержащие электромагнит управления и гидравлический усилитель, возмущенное движение которых описывается дифференциальными уравнениями

–  –  –

(t ) – угол поворота коромысла электромагнита управления;

где p(t ) – разность давлений рабочей жидкости в полостях исполнительного цилиндра гидроусилителя;

U (t ) – управляющий сигнал, формируемый электронным блоком;

I к – момент инерции коромысла относительно его оси поворота;

f к – коэффициент жидкостного трения в оси поворота коромысла;

с к – коэффициент жесткости фиксирующей пружины коромысла;

Tг – постоянная времени гидросистемы;

k e, k д – коэффициенты пропорциональности;

r0 – омическое сопротивление обмотки электромагнита управления;

стабилизирующий момент, создаваемый электрогидравлическим усилителем и прикладываемый к объекту стабилизации, составляет

–  –  –

датчика угла и гироскопического датчика угловой скорости;

k, k – варьируемые параметры закона стабилизации (3.5).

Уравнения (3.1) - (3.5) представляют в совокупности математическую модель замкнутой системы стабилизации объекта с построением стабилизатора (5) по принципу управления по отклонению.

В работе [109] показано, что построение стабилизатора с использованием комбинированного принципа управления по отклонению и по возмущению придает замкнутой системе свойства инвариантности к действию внешних возмущений, что, в конечном итоге, приводит к повышению точности стабилизации. При реализации комбинированного принципа управления управляющий сигнал на выходе электронного блока записывается в виде

–  –  –

варьируемых параметров закона стабилизации (3.6).

Необходимым условием работоспособности любой системы автоматического управления, в том числе и системы стабилизации, является её устойчивость. Однако устойчивость является далеко не достаточным условием практической пригодности системы. Помимо требования устойчивости, любая замкнутая система автоматического управления должна удовлетворять еще и некоторым критериям качества, основными из которых являются запас устойчивости и быстродействие [110].

Целью настоящего раздела является исследование взаимовлияния свойств устойчивости системы стабилизации и её инвариантности к действию внешних возмущений, а также разработка рекомендаций по выбору значений варьируемых параметров стабилизатора (3.6), обеспечивающего необходимую точность стабилизации объекта.

Объект стабилизации, возмущенное движение которого описывается дифференциальным уравнением (3.1), имеет передаточную функцию

–  –  –

L - символ преобразования Лапласа.

где Пренебрегая собственной динамикой гироскопических датчиков угла и угловой скорости, а также датчиков давления рабочей жидкости, запишем

–  –  –

где k г, k c и k ц – коэффициенты пропорциональности.

Тогда управляющий сигнал (3.6), формируемый электронным блоком, может быть представлен в виде

–  –  –

В канале горизонтального наведения основного вооружения танка поворот танковой башни осуществляется при помощи исполнительного электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, запитываемого от электромашинного усилителя.

Танковая башня неуравновешенна относительно оси поворота, поэтому составляющая линейного ускорения a y (t ), возникающая при повороте танка вследствие действия центробежной силы, приложенной к центру масс башни с пушкой, направлена вдоль поперечной оси башни и вызывает возмущающий момент

–  –  –

Рисунок 3.1 – Системы координат: ok xk yk – связанная с корпусом;

oб xб yб – связанная с башней; oп xп yп – связанная с пушкой.

Аналоговый стабилизатор башни отечественных танков формирует закон стабилизации в виде

–  –  –

(t ) – угол отклонения в горизонтальной плоскости оси канала ствола где танковой пушки относительно направления на цель, измеряемый гироскопическим датчиком угла;

(t ) – угловая скорость поворота танковой башни, измеряемая гироскопическим датчиком угловой скорости;

a y (t ) – составляющая линейного ускорения танковой башни, направленная вдоль поперечной оси башни и измеряемая датчиком линейных ускорений.

Аналоговый стабилизатор, реализующий закон стабилизации (3.7), объединяет два известных принципа управления, а именно, принцип управления по возмущению путем измерения составляющей линейного ускорения башни вдоль её поперечной оси с дальнейшим использованием измеренной величины в соотношении (3.7) и принцип управления по отклонению путем измерения угла (t ) и угловой скорости (t ).

При такой комбинации двух принципов управления стабилизатор приобретает свойство инвариантности к действию внешних возмущений, и точность стабилизации оси канала ствола танковой пушки в плоскости горизонтального наведения значительно возрастает.

Вместе с тем, известно, что повышение степени инвариантности системы к действию внешних возмущений приводит к снижению её запаса устойчивости, вплоть до выхода рабочей точки системы за пределы области устойчивости и потери ею работоспособности [103]. Поэтому актуальной является разработка алгоритма стабилизации танковой башни, реализуемого электронным блоком стабилизации, доставляющего замкнутой системе стабилизации свойство инвариантности к действию внешних возмущений без снижения запаса устойчивости системы.

Для получения больших значений коэффициента усиления по мощности в канале горизонтального наведения применяются два каскада усиления.

В качестве первого каскада усиления используется поляризованное реле РПБ-5, линеаризованное с помощью автоколебаний, передаточный коэффициент которого составляет kny.

Передаточная функция электромашинного усилителя с поперечным полем записывается (2.16)

–  –  –

где ce, c м – постоянные коэффициенты, определяемые параметрами электромашинного усилителя;

wy, wп – число витков обмотки управления и поперечной обмотки;

– угловая скорость якоря усилителя;

ry, rn – активные сопротивления обмотки управления и поперечной обмотки.

В соотношении (3.18) через T2, T1 обозначены постоянные времени усилителя, определяемые формулами

–  –  –

где L y, Ln – индуктивности обмотки управления и поперечной обмотки.

Объектом управления в данном случае является танковая башня с исполнительным электродвигателем постоянного тока независимого возбуждения.

Запишем условие динамического равновесия танковой башни

–  –  –

где k м – коэффициент пропорциональности;

i p – передаточное отношение понижающего редуктора;

i я (t ) - ток якоря исполнительного электродвигателя.

Через M в (t ) в уравнении (3.19) обозначен возмущающий момент, определяемый соотношением (3.16).

Передаточная функция танковой башни записывается в виде соотношения

–  –  –

то возникающий при этом момент нагрузки (3.16) вызывает возрастание тока в якорной цепи исполнительного электродвигателя, значение которого связано со значением линейного ускорения a y (t ) соотношением

–  –  –

В результате расчетная схема замкнутой инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки в канале горизонтального наведения представлена в виде, приведенном на рис. 3.3.

–  –  –

Через ki в расчетной схеме обозначен варьируемый параметр стабилизатора по внешнему возмущению, вызывающему изменение тока якоря i я (t ) исполнительного электродвигателя.

Из схемы, представленной на рис. 3.3, запишем соотношение для передаточной функции разомкнутой системы

–  –  –

где Tэ1, Tэ 2, Tэ3 – электрические постоянные времени электропривода танковой башни;

Tм – механическая постоянная времени электропривода.

Они определяются зависимостями

–  –  –

Анализ формулы (3.32) позволяет сделать вывод о том, что степень астатизма рассматриваемой системы равна единице и не может быть повышена путем изменения значения варьируемого коэффициента ki. В то же время изменением значения коэффициента ki в интервале

–  –  –

можно достичь значительного повышения коэффициента усиления разомкнутого электропривода, что приводит к повышению степени инвариантности замкнутой системы.

Рассмотрим характеристическое уравнение замкнутого регулируемого электропривода танковой башни

–  –  –

Значения электрических постоянных времени электропривода Tя, Tэ1, Tэ22 и Tэ3 значительно меньше, чем значение механической постоянной времени Tм. В этой связи характеристическое уравнение замкнутого электропривода (3.35) приближенно можно представить в виде

–  –  –

3.2. Формулировка требований к системе наведения и стабилизации танковой пушки и танковой башни В работе [110] показано, что повышение степени инвариантности системы к действию внешних возмущений может быть достигнуто повышением порядка астатизма системы. Действительно, из анализа соотношения (3.14) следует, что порядок астатизма рассматриваемой системы равен двум.

Если значение варьируемого параметра k р выбрать из условия

–  –  –

Из анализа рисунков можно сделать вывод, что с возрастанием величины k p степень устойчивости системы уменьшается и при k p 0.328 комплексно-сопряженные корни s2 и s3 характеристического уравнения (3.40) попадают на мнимую ось плоскости корней, что соответствует потере замкнутой системой устойчивости. Во избежание этого можно задаться минимально-допустимой степенью устойчивости замкнутой системы стабилизации, например, 0.6. Этому значению степени устойчивости соответствует величина параметра k p равная k * 0.2. Однако такое значение параметра p k p не приведет к заметному повышению степени астатизма замкнутой системы и, следовательно, к повышению свойства её инвариантности к действию внешних возмущений.

В работе [111] для придания системе автоматического управления свойства инвариантности к действию внешних возмущений, помимо повышения порядка астатизма, предлагается также использование управления по производным от ошибки. Действительно, представим сигнал, формируемый электронным блоком стабилизации, в виде

–  –  –

В комплексной плоскости ( X (), Y ()) построим в соответствии с соотношением (3.45) кривую, ограничивающую на действительной оси отрезок, представляющий собой область устойчивости замкнутой системы (рис. 3.6).

–  –  –

обеспечивает условие (3.38), что доставляет системе стабилизации астатизма третьего порядка и обращение в нуль первых трех коэффициентов ошибок.

Перейдем к рассмотрению системы наведения и стабилизации танковой башни. Возрастание коэффициента ki приводит к снижению запаса устойчивости замкнутой системы. Действительно, при ki kimax первый коэффициент характеристического уравнения замкнутой системы (3.37) обращается в нуль, что соответствует потере замкнутой системой устойчивости.

В расчетную схему, представленную на рис. 3.3, введем дополнительную обратную связь по угловому ускорению башни (t ). Тогда характеристическое уравнение замкнутой системы принимает вид

–  –  –

доставляет замкнутому электроприводу танковой башни свойство инвариантности к действию внешнего возмущения (3.16) без заметного ухудшения запаса устойчивости замкнутой системы.

Подставляя в соотношение (3.47) формулу (3.29), получаем закон стабилизации в виде

–  –  –

Вместе с тем, следует отметить, что использование в законе стабилизации (3.48) производной по времени от измеренной скорости поворота танковой пушки (t ) для получения величины углового ускорения (t ) резко снижает помехозащищенность замкнутой системы стабилизации и требует использования корректирующих звеньев, что значительно усложняет устройство аналогового стабилизатора и не всегда дает необходимый эффект.

3.3. Выбор параметров аналоговой инвариантной системы наведения и стабилизации танковой пушки.

Пусть возмущенное движение замкнутой системы стабилизации записывается в векторно-матричной форме

–  –  –

где X (t ) – n-мерный вектор состояния системы;

– s-мерный вектор варьируемых параметров системы;

F (t ) – m-мерный вектор случайных внешних возмущений, действующих на систему.

При j-той реализации вектор-функции F j (t ) имеет место j-тая реализация вектора состояния системы (3.49) X j (t, ).

Задача параметрического синтеза системы (3.47) состоит в выборе вектора варьируемых параметров G, который на решениях системы (3.47) доставляет минимум интегральному квадратному функционалу

–  –  –

по реализациям случайного процесса X j (t, ), ( j 1, N ) ;

Q – квадратная Сильвестрова матрица.

Сформированная задача параметрического синтеза системы стабилизации относится к классу задач нелинейного программирования, в которой целевая функция (3.50) для каждого из векторов G вычисляется по следующему правилу.

К системе дифференциальных уравнений (3.49) n-того порядка доставляется еще одно уравнение первого порядка

–  –  –

На вход системы (3.49), (3.51) подается j-тая реализация векторного случайного процесса F j (t ) и находится решение X j (t, ), xnj1 (t, ). Для N реализаций случайного процесса F j (t ), ( j 1, N ) находим N реализаций случайной функции xnj1 (t, ), ( j 1, N ). Из соотношения (3.50) и (3.51) следует

–  –  –

где entier{.} – оператор выделения ближайшего большего целого к величине {.}.

Точность стабилизации оси канала ствола танковой пушки будем оценивать величиной интегрального квадратичного функционала

–  –  –

В работе [112] изложен разработанный алгоритм решения задачи параметрического синтеза танковой пушки, который основан на использовании программных продуктов Minimize пакета MathCAD или Optimization Toolbox пакета MatLAB. Вместе с тем, применение разработанного алгоритма к рассматриваемой задаче встречает затруднения, обусловленные большими различиями значений переменных состояния. В самом деле, максимальные значения переменных (t ) и (t ) составляют max 1 рад; max 4 с-1, в то p(t ) время как максимальное значение переменной составляют pmax 9 10 6 Па. При таком различии значений переменных состояния значительно усложняется как задача выбора варьируемых параметров алгоритма (3.41), так и задача выбора весовых коэффициентов 1 и 2 аддитивного функционала (3.56), что связано с высокими вычислительными погрешностями решения задачи параметрического синтеза, вследствие плохой обусловленности матриц, используемых алгоритмом решения задачи синтеза. В этой связи варьируемые параметры алгоритма (3.41) k и k предлагается выбирать с использованием разработанного алгоритма параметрического синтеза, а варьируемые параметры k p и k p - исходя из требования минимальных значений коэффициентов ошибок замкнутой системы стабилизации без уменьшения запаса устойчивости замкнутой системы стабилизации.

На рис. 3.7 приведена структурно-логическая схема алгоритма решения сформулированной задачи параметрического синтеза. Алгоритм представляет собой совокупность четырех последовательных вычислительных блоков.

Блок А1 представляет собой генератор случайной функции M j (t ). Более подробно функционирование блока А1 описано в разделе 2.

С выхода А1 реализации момента внешнего возмущения M j (t ), ( j 1, N ) поступают на вход блока А2, реализующего математическую модель замкнутой системы стабилизации (3.1)-(3.3), (3.9), а также процедуру Minimize программного продукта MathCAD или процедуру Optimization Toolbox программного продукта MATLAB по отношению к частным функционалам

–  –  –

для отыскания весовых коэффициентов 1 и 2 аддитивного функционала (3.56) и формирует аддитивный функционал (3.56), поступающий на вход блока А4.

Блок А4, как и блок А2, реализует математическую модель (3.1) - (3.3), (3.9), а также указанные выше процедуры минимизации по отношению к аддитивному функционалу (3.56). В результате на выходе блока А4 имеем значения варьируемых параметров k и k, доставляющих на решениях матема

–  –  –

Использование описанного выше алгоритма параметрического синтеза приводит к выводу о том, что оптимальные значения варьируемых параметров k и k практически не изменяются при движении танка по различным

–  –  –

этих значениях варьируемых параметров процессы наведения и стабилизации, представлены на рис. 3.8. Время наведения при (0) 0.5 рад не превышает 1с, максимальное значение угловой скорости поворота пушки в процессе наведения достигает max 2.3 с-1, а значение аддитивного функционала (3.56) при 1 0.33 и 2 0.835 составляет I * 0.6475 с при движении танка по асфальту.

–  –  –

Перейдем к отысканию варьируемого коэффициента k p. Рассмотрим передаточную функцию разомкнутой системы наведения и стабилизации (3.14). Можно сделать вывод, что рассматриваемая система обладает аста

–  –  –

При этом замкнутая система получает свойство инвариантности третьего порядка, в которой обращаются в нуль первые три коэффициента ошибок.

В соответствии с условием (3.61) значение варьируемого параметра k p определяется соотношением

–  –  –

Положим, что значение коэффициента усиления датчика давления составляет kц 10 6 ВПа-1. Тогда значение варьируемого коэффициента усиления k p рассматриваемого стабилизатора составляет

–  –  –

В то же время из рассмотрения характеристического уравнения замкнутой системы (3.15) можно заключить, что при выполнении условия (3.61) коэффициент уравнения (3.15) при s 2 обращается в нуль, что свидетельствует о потере замкнутой системой устойчивости. В этом случае закон стабилизации, формируемый аналоговым электронным блоком, выберем в виде (3.41). При этом характеристическое уравнение замкнутой системы стабилизации принимает вид (3.44). Анализ этого уравнения позволяет сделать вывод, что формирование закона стабилизации в виде (3.41) приводит к сохранению системой устойчивости при выполнении условия (3.61), если варьируемый коэффициент k выбран в интервале

–  –  –

для повышения точности системы стабилизации технического объекта необходимо обеспечить свойство инвариантности замкнутой системы к действию внешних возмущений, для чего вместо закона управления по отклонению следует использовать комбинированный закон управления;

с возрастание варьируемого параметра k p повышается степень астатизма системы стабилизации; вместе с тем, одновременно уменьшается степень устойчивости системы, поэтому для разрешения указанного противоречия величину параметра k p следует выбирать на основе компромисса между степенью астатизма и степенью устойчивости системы стабилизации;

использование закона управления (3.41) позволяет повысить степень астатизма системы стабилизации без заметного снижения её степени устойчивости.

Раздел 4. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЦИФРОВОЙ

ИНВАРИАНТНОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ОСНОВНОГО ВООРУЖЕНИЯ ТАНКА

4.1 Расчет амплитуд и частот автоколебаний давления рабочей жидкости в гидросистеме стабилизатора вертикального наведения Преобразование непрерывных функций в решетчатые, несмотря на кажущуюся простоту, связаны с большими погрешностями, в связи с тем, что преобразуемый сигнал обычно содержит высокочастотную помеху. Так, например, выходные сигналы гироскопического датчика угловой скорости, помимо полезной составляющей, содержат также составляющие высокочастотных колебаний рамок гироскопических датчиков, являющихся помехами при измерении и преобразовании полезных сигналов. Эти высокочастотные помехи снижают точность и помехозащищенность цифровых управляющих сигналов.

На рис. 4.1 показаны процессы преобразования непрерывной функции в решетчатую. Из анализа этого рисунка следует, что преобразование полезной составляющей в решетчатую функцию осуществляется со значительными ошибками вследствие зашумления полезного сигнала высокочастотным шумом. Для повышения помехозащищенности динамической системы с ЦВМ обычно используют цифровые фильтры.

Источником высокочастотных помех в системе наведения и стабилизации танковой пушки является автоколебания предохранительных клапанов гидросистемы стабилизатора.

Рисунок 4.1 – К помехозащищенности динамической системы с ЦВМ

Расчетная схема гидравлической системы стабилизатора танковой пушки в канале вертикального наведения приведена на рис. 4.2. Схема включает поворотный электромагнит ПЭМ, гидроусилитель ГУ, насос постоянной производительности Н и исполнительный гидроцилиндр ИГЦ. При отсутствии управляющего сигнала коромысло электромагнита центрируется в нейтральном положении пружинами П. Под действием управляющего сигнала U y (t ), в обмотке электромагнита протекает электрический ток iЭМ (t ), который обеспечивает формирование момента электромагнита М ЭМ (t ), приложенного к коромыслу. Последнее воздействует на иглы гидроусилителя, перемещая их и обеспечивая тем самым изменение проходных сечений дросселей. Расход жидкости через них изменяется, вызывая разность давлений рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра, что обеспечивает перемещение штока гидроцилиндра.

Когда ось канала ствола танковой пушки находится в непосредственной близости от линии прицеливания, угол поворота коромысла относительно нейтрального положения весьма незначителен, а дросселирующие отверстия гидроусилителя практически заперты иглами, утечки рабочей жидкости через эти отверстия весьма малы. Давление рабочей жидкости в магистралях гидроусилителя значительно возрастает и для его ограничения в систему встроен предохранительный клапан ПК. Основной характеристикой работоспособности предохранительного клапана является стабильность, под которой понимают постоянство поддерживаемого давления. Одним из возможных режимов работы предохранительного клапана является режим автоколебаний. Стабильность работы клапана в этом случае определяется амплитудой колебаний давления рабочей жидкости.

–  –  –

где x(t ) – текущее значение величины перемещения золотника;

xn – предварительная затяжка пружины;

mз – масса золотника;

а – коэффициент гидравлического трения;

–  –  –

Через Lз в соотношении (4.3) обозначена величина перемещения золотника, соответствующая открытию клапана. Коэффициент утечек k y определяется геометрическими характеристиками клапана и свойствами рабочей жидкости

–  –  –

где rз – радиус золотника;

– величина зазора между расточкой корпуса клапана и золотником;

– вязкость рабочей жидкости.

Запишем соотношение, связывающее текущее значение замкнутого объема рабочей жидкости с перемещением золотника x(t ) :

–  –  –

Предполагая, что в исследуемом переходном процессе отклонение переменной от точки мало, разложим нелинейную функцию (4.7) в ряд Тейлора в окрестности этой точки, отбрасывая нелинейные члены разложения:

–  –  –

Подставляя (4.9) в левую часть уравнения (4.6), получаем дифференциальное уравнение, описывающее изменение давления рабочей жидкости в гидросистеме:

–  –  –

p0 – величина смещения;А – амплитуда автоколебаний давления в где гидросистеме; – частота автоколебаний; p – символ дифференцирования;

F 0, q, q1 – коэффициенты гармонической линеаризации.

Используя результаты работы [4] можно показать, что коэффициенты гармонической линеаризации для нелинейной функции, представленной на рисунке 4.3, определяются соотношениями:

–  –  –

Используя результаты работы [118], уравнение (4.16) представим в виде двух уравнений для постоянной составляющей и колебательной составляющей:

<

–  –  –

Уравнение (4.18) описывает колебательную составляющую давления относительно постоянного смещения p0, где величина F 0 определяется формулой (4.13).

Характеристическое уравнение гармонически линеаризованного уравнения (4.18) записывается в виде

–  –  –

где величины q и q1 определяются формулами (4.14) и (4.15).

Уравнения (4.17), (4.20) и (4.21) позволяют отыскать неизвестные параметры автоколебаний золотникового гидроклапана p0, А и.

Пускай численные значения параметров предохранительного клапана

–  –  –

На рис. 4.5 приведена зависимость амплитуд и частот автоколебаний давления рабочей жидкости в гидросистеме стабилизатора от величины силы сухого трения. С увеличением силы сухого трения возрастает амплитуда автоколебаний и уменьшается частота.



Pages:   || 2 |


Похожие работы:

«ГОРЯЧАЯ ЛИНИЯ от 19.05.2016г. 1.18.05.2016 15:10:06; Щёлково, Талсинская, д.2; Не производят уборку в подъезде. Какие нормы существуют для уборки подъездов и лестничных клеток, и какой документ их регулирует? Просьба срочно решить данный вопрос. Ответствен...»

«Белянин Андрей Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ И ЛОКАЦИИ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ ФИДЕРА РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы Диссертация...»

«Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" УТВЕРЖДАЮ Декан ИЭФ _ Н.И. Гвоздев "_" 2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИ...»

«НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ИМ. З. И. НЕКРАСОВА ШУМЕЛЬЧИК Евгений Игоревич УДК 669.162.261.3.012.1.001.76(043) РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ, ПРОГНОЗА И УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.16.02...»

«АКТ приемки устройства контроля пробивного напряжения трансформаторного масла КПН-901 г.Саратов 15 мая 2002 года Приемочная комиссия в составе: Смекалов В.В., главный специалист Департамента научно-...»

«Из жизни IP адресов. Перспективы протокола IPv4 и перехода к адресации IPv6 Андрей Робачевский Технический директор RIPE NCC Тридцать лет назад трудно было себе представить, что четырех миллиардов адресов будет недостаточно для сети Интернет. Сегодня же прогнозы показывают, что пул своб...»

«ЛИЧНОСТЬ. ОБЩЕСТВО. ГОСУДАРСТВО УДК 004.056 Перспективы оптимизации политики обеспечения информационной безопасности российского общества Я. С. Артамонова Московский технический университет связи и информатики Исследуются актуальные проблемы обеспечения информационной безопасности в России и в ми...»

«Известия ЮФУ. Технические науки Izvestiya SFedU. Engineering Sciences УДК 621.396.933.21 И.А. Кириченко, И.Б. Старченко АДАПТИВНЫЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ* В реаль...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт Энергетический (Э...»

«ОКП 42 2271 Группа П38 УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ СЧЕТЧИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЦУ6800 Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2.763.004 ТО СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 3 2. Назначение 5 3. Технические данные 6 4. Состав установки и комплектность 18 5. Указание мер безопасности 19 6. Устройство и рабо...»

«R R СНЕГОХОД БУРАН А, АЕ, АД, АДЕ, АТЕ, АДТЕ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ 110000300РЭ СОДЕРЖАНИЕ Лист 1 Меры безопасности 7 2 Устройство и работа составных частей снегохода 10 2.1 Двигатель 10 2.2 Трансмиссия 16 2.3 Ходовая часть 20 2.4 Механизмы и органы управления 24 2.5 Корпус 30 2.6...»

«48 8122 СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ с Госгортехнадзором России, Технический директор с ФГУП СКТБ БК (г. Москва), ОАО Арзамасский с ОАО Вертикаль (г. Москва), приборостроительный с ОАО Механический завод (г. Санкт-Петербург), _ Червяков А. П. с МИИГАиК (г. Москва), _ 2004 с ООО "НПП ЭГО" (г. Москва) актом приемо...»

«МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ СП СВОД ПР АВИЛ 12.13130.2009 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАТЕГОРИЙ ПОМЕЩЕНИЙ, ЗДАНИЙ И НАРУЖНЫХ УСТАНОВОК ПО ВЗРЫВОПОЖАРНОЙ И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ Издание официальное...»

«ПАСПОРТ технического изделия Руководство по эксплуатации МОТОПОМПА "DDE" с приводом от 4 тактного бензинового двигателя Модели : PN 40, PN 50, PN 50H, PH 50, PN 80 PTR 80 Уважаемый покупате...»

«Акт государственной историко-культурной экспертизы земельных участков, подлежащих воздействию хозяйственных работ в ходе строительства объекта "Система телемеханизации магистрального не...»

«Руководство по эксплуатации ДЛЯ ПЕЧЕЙ БЫСТРОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ С СЕНСОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ TURBOCHEF: МОДЕЛИ STATM, STA SINGLE MAGNETRONTM, PANINI И NGO Для получения дополнительной информации, позвоните по номеру: 800.90TURBO или + 1 214.379.6000 Руководство от изготовителя Информация...»

«1 ГОСТ 34.003-90. Автоматизированные системы. Термины и определения. Утв. Постанов­ лением Госкомитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 27 декабря 1990 г. N 33...»

«СЕДЫХ ИЛЬЯ АНАТОЛЬЕВИЧ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ И МОНИТОРИНГА НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫМ ТРАНСПОРТОМ ГАЗА Специальность 05.13.06 – "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" (промышленность) (технические на...»

«Гособоронзаказ: подготовка комплекта обосновывающих документов для Банка ГПБ (АО) Руководство пользователя Москва Содержание ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ РАБОТА С ПРОГРАММОЙ НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ ПРОГР...»

«КОД ОКП 42 0000 "УТВЕРЖДАЮ" Технический директор ЗАО "Радио и Микроэлектроника" С.П. Порватов "_"_2011 г. Дисплей дистанционный РиМ 040.03 Подп. и дата РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ВНКЛ.426455.008-03 РЭ Инв. № дубл. Взам. инв.№ Подп. и дата Новосиб...»

«Каталог продукции Уважаемые господа! Компания "ТКС" рада предложить вам ознакомиться с каталогом продукции для комплексного обеспечения строительства волоконно-оптических линий связи. Уже более 17 лет бр...»

«1 РЕФЕРАТ Отчет 101 с., 1 ч., 18 рис., 5 табл., 48 источников, 7 прил. МЕТОДИКА, КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ, УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ, ПЛОТНОСТЬ, ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ, РАСПЛАВ, АНОМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА, РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ, ТЕРМО...»

«Утвержден и введен в действие Приказом Ростехрегулирования от 30 ноября 2009 г. N 525-ст НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИСТЕМА ПРОЕКТНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТНОЙ И РАБОЧЕЙ ДОКУМЕНТАЦИИ System of design...»

«ГОСТ Р 22.0.07-95 Государственный стандарт Российской Федерации Безопасность в чрезвычайных ситуациях Источники техногенных чрезвычайных ситуаций Классификация и номенклатура поражающих факторов и их параметров Предисловие 1 Разработан Всеросси...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.