Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по курсу моделирование и эффективность радиосистем управления

Скачать 363.5 Kb.

Название	Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по курсу моделирование и эффективность радиосистем управления
страница	1/3
Тип	Методическое пособие

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Методическое пособие

1 2 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
________________________________
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(государственный технический университет)

А.В. БЫКОВ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО КУРСУ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАДИОСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Г.Ахтубинск

2009

Лабораторная работа №1
Моделирование звена управляемый объект-автопилот.

Цель работы: исследование процесса управления крестокрылым управляемым объектом.

Задачи исследований:

Рассчитать коэффициенты передаточной функции управляемого объекта по заданным исходным данным.
Составить модель управляемого объекта в среде MatLab и исследовать поведение объекта при подаче управляющих воздействий.
Используя обратные связи, оптимизировать переходный процесс.

Основные теоретические сведения
Крестокрылый управляемый объект моделируется колебательным и интегрирующим звеньями, включенными последовательно (рис.1.1). Входным сигналом модели является угол отклонения рулей , выходным – угол вектора скорости _р. Маневр управляемого объекта осуществляется в два этапа. На первом этапе при отклонении рулей происходит поворот объекта вокруг центра масс за счет вращающего момента, приложенного к рулям. Вращение происходит до тех пор, пока активный вращающий момент не уравновесится стабилизирующим моментом, приложенным к крыльям. Этот процесс моделируется колебательным звеном, на выходе которого формируется угол скольжения _с или атаки в зависимости от того, в какой плоскости рассматривается управление. В первом приближении каналы управления в горизонтальной и вертикальной плоскостях можно считать идентичными.

Второй этап маневра состоит в действии аэродинамической силы на крылья объекта и боковой составляющей силы тяги двигателя. Аэродинамическая сила образуется из-за появления угла скольжения и направлена перпендикулярно строительной оси объекта. Проекция аэродинамической силы на направление вектора скорости дает продольную и нормальную составляющие силы. Продольная составляющая увеличивает лобовое сопротивление, нормальная составляющая совместно с боковой составляющей тяги двигателя приводит к появлению нормального ускорения, изменяющего направление вектора скорости в сторону отклонения рулей. Процесс изменения вектора скорости описывается интегрирующим звеном, на выходе которого образуется угол вектора скорости .

Взаимодействие управляемого объекта с автопилотом моделируется путем включения обратных связей через различные датчики. Такими датчиками являются: позиционный и скоростной гироскопы и датчик линейных ускорений. Использование обратных связей позволяет придать передаточной функции УО требуемые свойства и оптимизировать переходный процесс. Подключение скоростного гироскопа и акселерометра позволяет увеличивать собственную частоту и варьировать коэффициент демпфирования. Это приводит к ускорению маневра и устранению излишних переколебаний.

Обратную связь через скоростной гироскоп называют гибкой обратной связью (ГОС), через позиционный гироскоп – жесткой обратной связью (ЖОС).

Введение ЖОС позволяет варьировать статический коэффициент передачи системы, однако, увеличивает постоянную времени.

Входным сигналом гироскопов является угол поворота строительной оси объекта  = _с + . На выходе позиционного гироскопа формируется сигнал, пропорциональный углу поворота строительной оси. На выходе скоростного гироскопа сигнал пропорционален угловой скорости вращения корпуса. Угловая скорость моделируется дифференцированием угла вектора скорости . Входом датчика ускорений является угол скольжения. Поскольку нормальное ускорение возникает только при появлении угла скольжения, то в первом приближении можно считать, что нормальное ускорение пропорционально этому углу. Ускорение также пропорционально скорости УО V и обратно пропорционально его постоянной времени .

Нормальную перегрузку УО n можно определить, продифференцировав угол .

, где

- производная курсового угла;

V – скорость УО;

g – ускорение свободного падения.

Модель системы УО-АП состоит из следующих блоков.

Колебательное звено (Transfer Fcn) и интегрирующее звено (Transfer Fcn1) составляют модель крестокрылого ЛА. Поскольку в библиотеке компонентов Simulink отсутствует интегратор с постоянной времени, отличной от единицы, блок интегратора моделируется с помощью блока Transfer Fcn. При этом нужно задать в числителе 1, а в знаменателе задать строку [tv 0]. Входным сигналом колебательного звена является угол отклонения рулей . На выходе колебательного звена формируется угол скольжения _с, на выходе интегратора – угол курса . Суммирование указанных углов дает угол поворота строительной оси УО (угол рысканья).

Блок дифференциатора (Derivative) и усилитель (Gain1) моделируют скоростной гироскоп. Блок Gain2 моделирует позиционный гироскоп. Блоки Gain, Gain6 моделируют акселерометр.

Входным сигналом гироскопов является угол рысканья, т.к. гироскопы всегда привязываются к строительной оси УО. Входным сигналом акселерометра является угол скольжения, т.к. ускорение пропорционально углу скольжения. Выходные сигналы датчиков через сумматор подаются на вход УО в виде сигналов отрицательной обратной связи. Подключение датчиков обратной связи осуществляется соответствующими ключами (Manual Switch).

Контроль результатов моделирования осуществляется осциллографом (Scope), на первый вход которого подается угол скольжения, на второй – угол курса, на третий – нормальная перегрузка. Блок Gain3 преобразует угол из радиан в градусы. Блоки Derivative1 и Gain4 формируют нормальную перегрузку.

Входное воздействие, имеющее смысл угла отклонения рулей, формируется генератором прямоугольного импульса Signal builder.
Методические рекомендации
Расчет коэффициентов передаточной функции осуществляется в среде MatLab. Для проведения расчетов целесообразно создать m-файл, в котором привести все расчетные соотношения. Исходные данные представлены в табл. 1.1. Коэффициенты передаточной функции рассчитываются через коэффициенты сил и моментов, действующих на УО.

- коэффициент пропорциональности аэродинамической силы.

S – площадь миделя ЛА (S =  d²/4);

C_y^ - производная коэффициента ародинамической силы по углу;

V – скорость ЛА;

 - плотность воздуха.

Множитель

представляет собой динамическое давление набегающего потока (динамическое давление).

Плотность воздуха рассчитывается по стандарту атмосферы СА-81.

 = ₀(T/T₀)^4.26, где

Т- температура воздуха. В соответствии со стандартной атмосферой

Т = Т₀ – 0.0065H.

Т₀ = 288.15 K – стандартная температура на уровне моря;

H – высота полета УО.

₀ =1.225 кг/м³ – стандартная плотность воздуха на уровне моря.

- коэффициент пропорциональности активного вращающего момента (имеет размерность Нм/рад).

S_p – площадь рулей;

l_p – плечо руля (расстояние от центра руля до центра масс.

К₃ = 0,01К₂ – коэффициент пропорциональности демпфирующего момента.

К₄ = l_а К₁ – коэффициент пропорциональности стабилизирующего момента;

l_а – смещение центра приложения аэродинамической силы относительно центра масс.

- постоянная времени управляемого объекта, входит в интегрирующее звено;

Т_дв – тяга двигателя.

V – скорость УО при заданных условиях.

Скорость определяется из равенства силы тяги двигателя и силы лобового сопротивления:

T_дв = C_xSV²/2,

Где C_x – коэффициент лобового сопротивления.

Отсюда

Коэффициенты передаточной функции колебательного звена УО определяются следующим образом:

- коэффициент числителя;

I_у – момент инерции УО относительно поперечных осей Y, Z. В предположении, что УО является цилиндрическим телом

,

где m – масса УО (кг);

l – длина УО (м).

- свободный член знаменателя, квадрат собственной частоты колебаний УО;

- коэффициент демпфирования, определяющий колебательные свойства УО.

dlt = 2d - коэффициент при первой производной;

Ниже представлен пример программы в среде MatLab.

d=0.12;l=2.1; m=45;tdv=2250;sr=0.01;cy=4;cx=0.3;

la=0.3;lr=1.05;h=1000;

ro0=1.225;t0=288.15;

t=t0-0.0065*h;ro=ro0*(t/t0)^4.26;s=pi*d*d/4;

v=(2*tdv/cx/ro/s)^0.5

sn=ro*v*v/2;

k1=s*cy*sn;

k2=sr*sn*lr;

k3=0.01*k2;

k4=k1*la;

i=m*l*l/12;

tv=m*v/(k1+tdv)

ad=k2/i

w2=(k3+k4*tv)/i/tv

d=(i+k3*tv)/2/(i*tv*(k3+k4*tv))^0.5

dlt=2*d*w2^0.5

Порядок выполнения работы

Войти в систему MatLab и составить программу вычислений. Для этого создать т-файл, воспользовавшись меню File\New\M-File. После составления т-файла следует сохранить его в рабочем каталоге. Для вызова на исполнение следует включить имя файла без расширения в рабочую строку и нажать Enter. Для вывода результатов расчета следует не ставить точку с запятой в строке, где вычисляется выводимый параметр.
Выписать значения основных расчетных параметров: , ², d, 2d, a_, V. В терминах представленной программы это переменные tv, w2, d, dlt, ad,v.
Войти в среду Simulink, создать новый файл и собрать схему в соответствии с рис. 1.1. Входное воздействие задать в виде прямоугольного импульса амплитудой 0.8 (/4) и длительностью 10 с;
Осуществить прогон модели без обратных связей. Зафиксировать переходный процесс и максимальную перегрузку. В случае превышения перегрузки значения 20 ед уменьшить значение входного сигнала.
Подключить скоростной гироскоп и экспериментальным путем подобрать его коэффициент передачи К1, обеспечивающий наилучший переходный процесс. Начальное значение К1 выбрать 0.1. Затем подключить акселерометр и оптимизировать его коэффициент передачи К0 по переходному процессу. Начальное значение К0 принять 10^-3. Критериями оптимальности должны быть максимальная скорость маневра при минимуме колебаний.
Исследовать поведение объекта при подключенном позиционном гироскопе. Начальное значение К2 принять 0,1.

Внимание! Коэффициенты передачи звена УО-АП сохранять для выполнения последующих работ.
Таблица 1.1.

Параметр/Вар	1	2	3	4	5
Диаметр d, м	0.12	0,17	0,2	0,23	0,25
Длина l, м	2,1	2,9	2,5	3,9	4,5
Масса m, кг	45	100	85	250	360
Тяга дв.tdv, кг	2250	7200	3700	15500	22000
Площ. Рулей sr, м2	0,01	0,02	0,02	0,05	0,05
Коэф. aэр.cилы cy	3	3,2	4	4,8	4,8
Коэф. Лоб. Сопр cx	0,3	0,35	0,3	0,42	0,41
Плечо аэродин la,м	0,4	0,4	0,2	0,8	0,5
Плечо руля lr м	1,05	1,45	1,25	2,95	2,25
Высота полета h,м	1000	2000	3000	4000	5000

Продолжение таблицы 1.1.

Параметр/Вар	6	7	8	9	10
Диаметр d, м	0,3	0,35	0,38	0,43	0,12
Длина l, м	6,1	4,5	4,1	4,5	3,5
Масса m, кг	470	450	510	550	80
Тяга дв. tdv, кг	30000	31000	36000	33000	3700
Площ. Рулей sr, м²	0,1	0,15	0,18	0,15	0,01
Коэф.аэр.Силы сy	4,2	3,5	3,8	4,3	3,8
Коэф.Лоб.Сопр cx	0,4	0,4	0,42	0,4	0,45
Плечо аэродин a,м	1,35	1,05	1,0	0,85	0,55
Плечо руля lr, м	3,05	2,25	2,05	2,25	1,7
Высота полета h, м	6000	2000	8000	9000	1000

Параметр/Вар	11	12	13	14	15
Диаметр d, м	0.17	0,2	0,23	0,25	0,3
Длина l, м	3,1	2,7	4,5	3,5	5,4
Масса m, кг	110	90	350	280	320
Тяга дв. tdv, кг	7700	3600	33000	18000	19000
Площ. Рулей sr, м²	0,02	0,03	0,05	0,05	0,1
Коэф.Аэр.Силы сy	3,5	3,8	3,5	3,8	4,5
Коэф.Лоб.Сопр cx	0,4	0,3	0,65	0,45	0,38
Плечо аэродин la,м	0,45	0,35	0,8	0,5	0,9
Плечо руля lr, м	1,55	1,35	2,25	1,75	2,7
Высота полета h, м	2000	3000	4000	5000	6000

Параметр/Вар	16	17	18	19	20
Диаметр d, м	0,35	0,38	0,43	0,23	0,26
Длина l, м	4,2	4,5	5,5	3,9	4,б
Масса m, кг	480	550	560	250	350
Тяга дв. tdv, кг	38000	33000	34000	15000	33000
Площ. Рулей sr, м²	0,1	0,12	0,18	0,05	0,1
Коэф.Аэр.Силы сy	4,2	4,5	4,8	4,8	4,5
Коэф.Лоб.Сопр cx	0,37	0,3	0,31	0,5	0,5
Плечо аэродин la,м	0,55	0,54	0,65	1,1
Плечо руля lr, м	2,1	2,25	2,01	2,3
Высота полета h, м	7000	8000	200	11000

1 2 3

Похожие:

	Методическое пособие по выполнению практических работ по междисциплинарному курсу Методическое пособие предназначено для обучающихся по специальности 151901 Технология машиностроения		Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине... Изыскания и основы проектирования, автомобильных дорог. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы...
	Методические указания по выполнению практических и лабораторных работ... Учебно-методическое пособие предназначенодля студентов 3 курса, обучающихся по профессии 23. 01. 03 Автомеханик. Пособие содержит...		Автор, заглавие (дата поступления) Арестова, Анна Владимировна. Теоретические основы автоматизированного управления. Автоматизация обогатительных фабрик [Текст] : учебно-методическое...
	Автор, заглавие (дата поступления) Арестова, Анна Владимировна. Теоретические основы автоматизированного управления. Автоматизация обогатительных фабрик [Текст] : учебно-методическое...		Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ для... Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ для студентов по специальности 13. 02. 11 «Техническая эксплуатация...
	Стандартное задание 7 Расширенное задание 8 Рекомендации по выполнению... Данное методическое пособие представляет собой руководство по установке и настройке необходимого программного обеспечения и выполнению...		Методическое пособие по выполнению лабораторных работ Томск, 2014 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Методическое пособие по выполнению практических работ по междисциплинарному курсу Планирование численности и рациональной расстановки работников структурного подразделения по рабочим местам		Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсу... ...
	Составление энергетического паспорта предприятия Учебно-методическое пособие по выполнению практических и лабораторных работ для студентов по специальности 13. 02. 11 «Техническая...		Учебно-методическое пособие по выполнению письменных работ по учебной дисциплине Красноярск Б 948 Преступления против общественной безопасности и общественного порядка: Учебно-методическое пособие по выполнению письменных...
	Учебно-методическое пособие Дисциплина- «Микробиология» Учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки и выполнения лабораторных работ по курсу «Микробиология»...		Учебное пособие по выполнению лабораторных работ разработано в соответствии... Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства: учебное пособие по выполнению лабораторных работ / И. П. Машкарева,...
	Коновалов В. М. К64 Пособие к выполнению лабораторных работ по дисциплине... К64 Пособие к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Прикладное программное обеспечение». Выпуск М.: Мгту га, 2002 г. 36 с		Методическое пособие по выполнению курсовых работ по дисциплине «web-дизайн... Методическое пособие по выполнению курсовых работ по дисциплине «Web-дизайн и Web-программирование» для студентов очной и заочной...

Руководство, инструкция по применению