Глава 6. Исследование функционирования системы управления наводкой оружия

6.1. Назначение и состав следящего привода

Задача прицеливания при применении ААО подвижной ААУ к приведению оси оружия в положение, необходимого для попадания снарядов в цель при стрельбе. При рассмотрении следящего привода процесс прицеливания будем называть наводкой оружия на цель.

Для осуществления наводки ААО на цель с учетом специфики его размещения на ЛА необходим следящий привод (СлПр). По определению СлПр включает (рисунок 6.1) задающее устройство, измеритель рассогласования (ИР), систему управления и исполнительны двигатель (ИД).

Роль задающего устройства в СлПр ААУ выполняет или визирное устройство (ВУ), входящее в состав прицельной системы, или программное устройство.

ВУ определяет положение цели (целей) относительно ЛА и параметры ее движения. ВУ могут быть различных типов: оптические, радиолокационные, тепловые, лазерные и др.

Программное устройство СУНО обеспечивает движение ААО по определенной траектории с целью реализации определенного режима его боевого применения (например, сосредоточенная стрельба, разнесенная стрельба, обстрел нескольких целей и так далее).

Рассматривая далее работу СлПр, для краткости будем упоминать в качестве задающего устройства только ВУ, кроме случаев, специально оговоренных.

ИР определяет рассогласование между положением ВУ и положением ААО. Он состоит из двух частей, одна из которых с помощью механической передачи связана с ВУ и называется датчиком (Д), а вторая часть механически связана с ААО и называется приемником (П). Механическая передача от ААО к приемнику называется жесткой отрицательной обратной связью (ООС). При движении ААО к согласованному положению с ВУ ООС возвращает приемник ИР в согласованное положение с его датчиком.

По принципу действия ИР могут быть потенциометрические, тензометрические, фотоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные и других типов.

Конструктивная реализация ИР также может быть различной. Например, индукционные датчики могут выполняться в виде сельсинов, различных вращающихся трансформаторов, в том числе и синусно-косинусных, в виде различных так называемых индукционных измерителей.

В следящих приводах ААУ в качестве ИР используются сельсины и синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы.

Широкое применение сельсинов определяется тем, что с помощью дифференциальных сельсинов (ДС), включаемых между сельсином-датчиком (СД), установленном на ВУ, и сельсином-приемником (СП), установленном на ААО, можно легко вводить угловые поправки стрельбы. ДС входят в состав вычислителей прицельных систем.

Выходная величина ИР предназначена для управления ИД. Как правило, выходная мощность ИР недостаточна для непосредственного управления ИД. Кроме того, характер физической величины, вырабатываемой ИР, может не соответствовать характеру управляющего воздействия, необходимого для ИД. Поэтому между ИР и ИД включается УПУ. Состав УПУ определяется типом СлПр.

ИД обеспечивает поворот ААО на ААУ в сторону уменьшения рассогласования с ВУ.

Е сли свойства СлПр описать передаточной функцией, то его математическая модель имеет вид, представленный на рисунке 6.2.

Для СлПр наводки ААО на цель передаточная функция , где и – соответственно изображения входной и выходной величин.

В общем случае входной величиной СлПр ААУ является угол : , где – угол характеризует положение цели относительно, например, продольной строительной оси ЛА (далее просто относительно ЛА), – суммарная угловая поправка стрельбы. Ввод угловой поправки никак не сказывается на работе СлПр, и в качестве входной величины в дальнейшем будем рассматривать угол , а способы ввода поправок стрельбы определим ниже.

Выходной величиной является угловое положение ААО относительно базовой прямой, от которой отсчитывается угол .

Ошибка наводки ААО на цель определяется углом как .

Нетрудно видеть, что идеальный следящий привод может быть реализован только в том случае, если визирное устройство жестко закреплено на самом оружии и оружие следует за визирным устройством с ошибкой, тождественно равной нулю. Точность наводки оружия на цель в этом случае определяется точностью наводки на цель визирного устройства.

Для наводки оружия на цель в пространстве необходимо перемещение ААО, в общем случае, в двух плоскостях. Следовательно, и СлПр должен иметь два (как правило, они идентичны) канала управления. Ниже, рассматривая один канал управления СлПр, всегда будем иметь в виду это обстоятельство.

На подвижных ААУ современных ЛА реализация идеального СлПр практически невозможна. Это определяется, прежде всего, компоновкой ЛА и размещением стрелка-оператора на ЛА и физическими возможностями стрелка-оператора, а также способностью многих ВУ нормально функционировать совместно с ААО при его стрельбе. Кроме того, на ВУ возлагаются и другие функции (наиболее важная из которых обзор определенного пространства), в силу которых их размещение на ААО не рационально.

Для общности отметим, что при наличии на ЛА нескольких ВУ и нескольких подвижных ААУ на СУНО возлагается задача их рационального использования. Речь идет о возможности управления всеми ААУ от одного ВУ, и возможности управления конкретной ААУ от всех ВУ, имеющихся на ЛА.

Условия боевого применения подвижных ААУ предъявляют к их следящим приводам следующие основные требования по точности работы, динамическим и другим свойствам.

Статическая ошибка работы СлПр определяет точность отработки постоянного угла, задаваемого ВУ, и не должна превышать 1,5 угловых минут.

Кинематическая ошибка работы СлПр, т.е. слежение ААО за ВУ при движении ВУ с постоянной скоростью , должно проходить с ошибкой, не превышающей 8 угловых минут.

Динамическая ошибка работы СлПр - точность слежения ААО за ВУ при его равноускоренном движении с ускорением . При достижении ВУ скорости динамическая ошибка не должна быть больше 10 угловых минут.

СлПр должен допускать плавное регулирование скорости движения ААО в широком диапазоне. Минимально устойчивая скорость движения ААО должна быть порядка . Максимальная скорость движения ААО должна лежать в диапазоне . Время разгона СлПр , т.е. время, за которое ААО из состояния покоя набирает скорость, равную , должно быть .

СлПр должен нормально функционировать при температуре окружающей среды от до .

Как всякий авиационный агрегат, СлПр должен иметь малую массу и габариты.

Отметим, что потребная мощность ИД следящего привода, в зависимости от скорости полета ЛА, длины и диаметра стволов ААО, выступающих в воздушный поток, места расположения ААУ на ЛА и других условий, лежит в пределах .

В настоящее время в СУНО применяются два типа СлПр: электрический и гидравлический.

При реализации гидравлического СлПр используются электрические элементы и устройства и его иногда называют электрогидравлическим.

Структура каждого из СлПр определяется особенностями их исполнительных двигателей.

В состав типового электрического следящего привода (ЭСлП, рисунок 6.3) входят сельсин-датчик (СД), сельсин приемник (СП), фазочуствительный усилитель (ФЧУ), электромашинный усилитель (ЭМУ) как усилитель мощности, и исполнительный электрический двигатель (ИЭД). Сравнивая структуру ЭСП с общей структурой следящего привода (см. рисунок 6.1), видно, что в ЭСлПр усилительно-преобразующее устройство состоит из ФЧУ и ЭМУ.

ФЧУ преобразует управляющий сигнал на основе переменного питающего напряжения, снимаемый с СП, в управляющий сигнал на основе постоянного напряжения и усиливает управляющий сигнал до величины, достаточной для управления работой ЭМУ.

У силенный по мощности в ЭМУ сигнал управления подается на высокооборотный ЭИД, который в совокупности с силовым редуктором обеспечивает поворот ААО на ААУ в сторону уменьшения рассогласования с ВУ.

В идеальном ЭСлПр индикатор рассогласования, ФЧУ и ЭМУ должны иметь передаточные функции соответственно , , , а ЭИД иметь - . Передаточная функция прямой цепи идеального СлПр будет определяться как , где .

Передаточная функция сигнала рассогласования будет иметь вид

.

На основании передаточной функции сигнала рассогласования запишем дифференциальное уравнение для определения величины сигнала рассогласования в функции времени

,

, , .

Закон изменения входного сигнала определят выражения для различных типов ошибок рассматриваемого привода, который (см. главу 7), является устойчивым.

Так как , то данный СлПр обладает астатизмом первого порядка и теоретически не дает ошибки на постоянный сигнал, т.е. .

При получим (после завершения переходного процесса) уравнение для определения кинематической ошибки

.

Формула для определения кинематической ошибки будет иметь вид

.

Зная требования к величине кинематической ошибки СлПр, легко определить величину общего коэффициента усиления и распределить ее по отдельным элементам.

Динамическую ошибку СлПр найдем при .

Используя методику определения динамической ошибки СлПр , изложенную в главе 7, получим

.

Формула для определения динамической ошибки идеального ЭСлПр совпадает с формулой для определения кинематической ошибки этого привода. С учетом того, что динамическая ошибка в своем составе всегда содержит кинематическую ошибку, видно, что в таком идеальном приводе нет прироста ошибки за счет равноускоренного движения ВУ.

Этот результат можно было предвидеть, так как и рассматриваемый привод обладает астатизмом второго порядка.

Если СлПр имеет реальный ЭИД, то его передаточная функция будет иметь вид .

Дифференциальное уравнение для определения ошибок СлПр с идеальными усилителями и реальным исполнительным электрическим двигателем, будет иметь вид

,

где ; ; ; .

Тип ошибки определиться законами изменения входной величины при решении данного уравнения, которое является устойчивым при положительных коэффициентах , , .

Так как , то, как и для идеального ЭСлПр, теоретическая статическая ошибка привода с реальным ЭИД .

Кинематическая ошибка для данного СлПр определятся по такой же формуле, как и для идеального СлПр: .

Динамическая ошибка рассматриваемого ЭСлПр будет определяться по формуле

.

При , динамическая ошибка СлПр с реальным ЭИД, имеющим постоянную времени будет равна , т.е. динамическая ошибка не выходит за верхний предел требований. При тех же условиях и динамическая ошибка будет равна .

Забегая вперед (см. главу 7) отметим, что рассмотренные примеры показывают к каким конструктивным элементам электрического следящего привода ААУ необходимо стремиться.

Постоянные времени сельсинной связи и ФЧУ не велики и мало сказываются на параметрах следящего привода.

Реальный ЭМУ как усилитель мощности увеличивает на порядок дифференциальное уравнение, описывающее поведение СлПр, а его постоянная времени в значительной мере влияет на параметры СлПр. Следовательно в ЭСлПр необходимо стремиться использовать безинерционный усилитель мощности. Создание безинерционного усилителя мощности представляет собой хотя и сложную, но всего лишь техническую задачу.

Постоянная времени ЭИД мало сказывается на величине динамической ошибке СлПр, а на кинематической ошибке вообще не сказывается. Значит и нет необходимости стремиться к созданию идеального ЭИД.

Таким образом, одним из условий совершенствования ЭСлПр является применение безинерционного усилитель мощности.

В состав гидравлического следящего привода (ГСП, рисунок 6.4)

в общем случае входят СД, СП, ФЧУ, сервоусилитель (СУ), серводвигатель (СДв), гидронасос (ГН) переменной производительности и гидродвигатель (ГД).

В гидравлическом следящем приводе СД, СП и ФЧУ выполняют те же функции, что и в электрическом.

Сервоусилитель обеспечивает усиление сигнала ФЧУ до величины, необходимой для работы СД.

Серводвигатель обеспечивает поворот регулятора производительности гидронасоса.

В ГСлПр подвижных ААУ получили применение ГН объемного регулирования производительности в двух противоположных направлениях подачи жидкости с наклонным диском или блоком цилиндров и с автономным приводом, а в качестве исполнительных двигателей используются ГД с наклонным блоком.

Применение ГД обеспечивает малый объем рабочей жидкости в системе ГН-ГД, что в сочетании с силовым редуктором повышает быстродействие и жесткость механической характеристики привода.

Рабочая жидкость оказывает существенное влияние на технические и эксплуатационные характеристики ГСлПр. Она должна иметь хорошие смазывающие свойства, небольшую гигроскопичность и вязкость, мало зависящую от изменения температуры, не вызывать коррозии и разрушения конструкционных материалов ГСлПр, не растворять и не выделять воздух и другие газы, не должна вспениваться.

В наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяют минеральные масла. Основной маркой такого масла, применяемого в авиации, в том числе и ГСП, является минеральное масло АМГ-10.