Министерство науки и образования Российской Федерации
Тульский государственный университет
Кафедра «Проектирование автоматизированных комплексов»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
по направлению 550200 «Автоматизация и управление»
на тему: «Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения».

студента группы. 120901

Семёнова Сергея Анатольевича

Руководитель ВКР от университета: доц., к.т.н. __________________Никитин В.А.
Тула 2004
Реферат
Пояснительная записка к ВКР:            с,         рисунков,         источников.
Ключевые слова: тепловизионная система, автосопровождение, электропривод, горизонтальное наведение, кинематические параметры, исполнительный двигатель, математическая модель, синтез, трехпозиционное управление, автоколебания, моделирование, частотные характеристики, переходный процесс, исполнительный механизм.
В данной выпускной квалификационной работе спроектирован замкнутый по скорости исполнительный привод горизонтального наведения тепловизионной системы автоматического сопровождения целей типа вертолёт и танк, размещенный на неподвижном основании. Проведены расчёты кинематических и энергетических характеристик исполнительного механизма, выбран исполнительный двигатель постоянного тока ДП 90-60, рассчитано передаточное число редуктора, параметры математической модели. Проведён синтез трехпозиционный автоколебательной системы управления привода и определены основные динамические характеристики методом математического моделирования. Разработана кинематическая схема исполнительного механизма и рассчитаны её основные конструктивные параметры.

Содержание.
  Введение. 4
1. Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения. 9
1.1. Расчет кинематических характеристик. 9
Выбор режимов работы привода. 9
1.2 Расчет энергетических характеристик исполнительного механизма. 13
1.3 Выбор передаточного числа редуктора. Определение располагаемых. 16
кинематических характеристик. 16
1.4 Расчет зон сопровождения цели. 18
1.5 Расчет параметров матмодели исполнительного двигателя и статических характеристик. 20
1.6 Синтез замкнутого по скорости привода и определение его характеристик. 24
1.6.1 Выбор закона управления. 24
1.6.2 Результаты математического моделирования. 28
2. Разработка кинематической схемы редуктора. 32
Заключение. 39
Список литературы.. 41
Приложение………………………………………………………………………...42

Введение.

Назначение и задачи, решаемые ПТРК. Выбор типа системы автосопровождения цели.
Важная роль в условиях современного боя отводится танкам. Танк по праву считается ударной силой наземных войск. Учитывая решающую роль танков и других объектов бронетанковой техники в обеспечении успеха наземного боя, в армиях всех стран уделяют большое внимание разработке и совершенствованию различного рода противотанковых средств, которыми в настоящее время вооружаются многие рода войск: бронетанковые, ракетные, авиационные, пехотные, десантные и др.
При всём многообразии противотанковых средств в качестве основного оружия используются противотанковые ракетные (ПТРК) и ракетно-артиллерийские комплексы, основными преимуществами которых являются большая дальность стрельбы (4-6 км), высокая бронепробиваемость, гибкость основных средств, небольшие габаритные размеры, несложность ракет и пусковых установок.
Постоянная модернизация бронетанковой техники, направленная на повышение её защиты (увеличение толщины брони, оснащение динамической защитой, средствами постановок пассивных и активных оптических и радиолокационных помех, ночными прицелами), увеличение дальности прицельной стрельбы танковых пушек поставили перед разработчиками ПТРК задачи сокращения времени обнаружения цели, момента открытия огня, увеличения дальности стрельбы, помехозащищенности, обеспечения всесуточности  и всепогодности применения.
Выполнение указанных требований в одном образце невозможно технически и нецелесообразно с экономической точки зрения. Поэтому для противотанковых комплексов III поколения рекомендуется использовать вместо дорогостоящего в реализации принципа “выстрелил-забыл”, который ранее считался основным признаком систем III поколения, принцип “вижу-стреляю” при наблюдении за целями в оптический или тепловизионный прицел, позволяющий обеспечить независимость характеристик обнаружения различных целей от их сигнатур* в оптическом и ИК диапазонах электромагнитных волн.
Использование лазерно-лучевой системы управления с большим энергетическим потенциалом и тепловизионного прицела обеспечивает практически полную защищенность от активных и пассивных (боевые дымы) оптических помех.
Пассивный характер работы оптико-механических и оптико-электронных (тепловизионных) систем обнаружения и сопровождения цепей повышает скрытность, помехозащищенность и, как следствие, выживаемость комплексов на поле боя.
Тепловизионная система автосопровождения: цели, назначение, состав, режим работы.
Для комплекса, работающего на неподвижном основании, тепловизионная система автосопровождения цели может быть построена в соответствии с функциональной схемой (рис. 1).

Автомат сопровождения

ТПВ

Цель

Устр-во обработки

Задающее устр-во

Реш. устр-во

ВКУ

ЭИУ

КФАС

ГДУ

КС

Дв

ТГ

Р

 SHAPE  \* MERGEFORMAT
ТПВ  - тепловизор
ВКУ  - видеоконтрольное устройство
ЭИУ  - электронное исполнительное устройство
КФ^АС - корректирующий фильтр контура автосопровождения
ГДУ  - гироскопический датчик угла
КС     - компенсирующая связь
Дв     - исполнительный электродвигатель
ТГ     - тахогенератор
Р        - редуктор
Рис. 1. Функциональная схема тепловизионной схемы автосопровождения цели ПТРК.
Чувствительным элементом, выделяющим координаты, является тепловизионный автомат. С помощью ИК объектива тепловизор принимает тепловое излучение от целей и местных предметов, преобразуемое охлаждаемым матричным фотоприемником с зарядовой связью (ПЗС - матрицей) в электрический сигнал, который формирует видимое изображение тепловой картины в телевизионном стандарте. Развертка изображения (по элементная передача изображения) осуществляется по всей рабочей поверхности светочувствительного слоя. В системах электронного слежения со следящим стробом на это изображение накладывается подсвечивающий прямоугольник (окно слежения - строб), определяющий пространственную область чувствительности визира и соответствующий положению начала следящей системы координат. В режиме слежения строб вручную совмещается с выбранным объектом слежения по экрану вспомогательного видеоконтрольного устройства, после чего система переходит в режим автосопровождения. При смещении проекции объекта по поверхности фотокатода относительно следящего строба на выходе решающего устройства образуется напряжение рассогласования, которое поступает на электронное исполнительное устройство (интегратор). Выходной сигнал интегратора по цепи обратной связи воздействует на задающее устройство так, что формируемые им сигналы изменяются, и положение строба совмещается с проекцией объекта.
Задающее устройство хранит в памяти изображения типовых целей. В решающем устройстве необходимый информационный параметр видеосигнала сравнивается с поступающим из задающего устройства, на основе чего и формируется сигнал рассогласования .
Этот сигнал отрабатывается контуром автосопровождения, исполнительным элементом которого является замкнутый по скорости электропривод постоянного тока, и используется как управляющий сигнал для поворота тепловизора в направлении совмещения его оси с целью.
Таким образом, система сопровождения является 2х - контурной, грубый канал которой обеспечивает перемещение тепловизора, а точный осуществляет движение следящего строба обрамляющего цель, с помощью электронного исполнительного устройства.
Корректирующий фильтр КФ_АС обеспечивает точность и устойчивость контура автосопровождения. Гироскопический датчик угла ГДУ стабилизирует изображение при работе двигательной установки КУВ.
Для увеличения точности слежения может использоваться компенсирующая связь КС, представляющая собой сумму производных сигнала рассогласования и скорости исполнительного механизма и характеризующая скорость цели:
                                                                                                       (1)
Несмотря на то, что исполнительный привод является силовым элементом контура автосопровождения, он должен обеспечивать малую инерционность, широкую полосу пропускания, т.е. оказывать минимальное влияние на динамику системы слежения.
Целью настоящей работы является проектирование исполнительного привода тепловизионной системы автосопровождения по следующим исходным данным:

Параметры движения
Вертолёт	Танк
Параметры нагрузки

1. Проектирование электропривода тепловизионной системы сопровождения

1.1. Расчет кинематических характеристик Выбор режимов работы привода

Исполнительным элементом тепловизионной системы сопровождения цели, работающей на неподвижном основании, является замкнутый по скорости привод.
Исполнительный механизм привода должен преодолевать имеющуюся на выходном валу нагрузку и развивать скорости и ускорения, обеспечивающих слежение за входным управляющим воздействием.
Анализ кинематических характеристик является важным этапом процесса проектирования, который нужно проводить непосредственно после выявления технических требований к приводу. Значения скоростей и ускорений, которые может развивать реальный привод, ограничены по величине.
Если требуемые скорость и ускорение выше тех значений, которые способен обеспечить привод, то попытки получить удовлетворительное функционирование привода введением каких - либо корректирующих устройств будут бесполезны, никакая система управления исполнительным двигателем не может обеспечить требуемые моменты и скорости, если они не заложены в самой конструкции исполнительного механизма.
Расчет позволяет определить угловые скорость и ускорение привода, а также моменты времени, когда они достигают экстремальных значений. Исходными данными для расчета являются закон движения цели и его параметры. В практике следящих систем часто реализуется закон равномерного прямолинейного движения, характеризующийся постоянным значением линейной скорости цели.

V

 - расстояние от начала координат до объекта слежения.
 - проекция  на горизонтальную плоскость.
 - проекция  на ось X.
Нумерацию формул
                                                                               (2)
                                                                                        (3)
                                                                                                     (4)
 - скорость цели;
 - начало слежения;
 - текущее время слежения;
 - параметр (расстояние между двумя параллельными курсами);
 - высота цели;
Определим кинематические характеристики горизонтального канала:

                                                                  (5)
                                                                                                       (6)
 ,                                                                                          (7)
                                                                                                            (8)
                                                                       (9)
                                                                             (10)
                                                                                         (11)
                                                                                                   (12)
Угловые скорости и ускорения определены для скоростей цели V=100м/с (вертолёт) и V=20м/с (танк) для диапазонов изменения параметров p=0,1-2 км, H=5-50 м, D_н=0-8 км, D_г=0-6 км. Потребные значения скоростей и ускорений определялись до курсовой дальности 500 м.
Все расчеты выполнены с помощью Microsoft Excel и приведены в приложении.
При сопровождении цели до курсовой дальности 500м максимальные значения кинематических параметров на различных траекториях наблюдаются для вертолёта, движущегося со скоростью 100 м/с, и составляют (таблица 1):
Таблица 1
\s
Рис. 2. - Значения скорости и ускорения вертолёта.
Максимальные значения кинематических параметров наблюдаются в двух режимах:
-         при  p = 0,5 км , ;
-         при  р = 0,3 км , .

1.2 Расчет энергетических характеристик исполнительного механизма

Проанализируем потребную мощность привода в режимах максимальной скорости и максимального ускорения
                                                                                   (13)

ДП 60-90-6-Р10
Номинальное напряжение
Номинальная мощность
Номинальная скорость
Номинальный момент
Номинальная сила тока
Пусковой момент
Сопротивление якоря
Момент инерции двигателя
Момент трения двигателя

2,5ТГП-6
Номинальная скорость
Крутизна выходного сигнала
Момент инерции тахогенератора
Момент трения тахогенератора

- фильтр, стабилизирующий частоту автоколебаний
                                                            (31)
                                                                                                          (32)
 - паразитная постоянная времени, проявляющаяся при практической реализации колебательного звена.
- фильтр, формирующий закон управления
                                                                         (33)
Изодромное звено реализует интегрально-пропорциональный закон управления и обеспечивает высокое быстродействие пропорционального и точность интегрального регулирования.
- фильтр логического устройства (ЛУ)
Логическое устройство реализует трехпозиционный режим регулирования и включает фильтр - фазоопережающее звено (или два фильтра с различными передаточными функциями в двух ветвях логики) и два двух позиционных релейных элемента суммирование сигнала которых позволяет получить третью позицию.
                                          (34)
К фильтрам ЛУ предъявляются следующие требования:
-         на частоте автоколебаний фазовые сдвиги фильтров должны обеспечивать заданную величину управляющего импульса;
-         на рабочих частотах (0-20 Гц) фильтры не должны вносить амплитудных и фазовых искажений;
-         на частоте автоколебаний необходимо обеспечить минимальный подъём высших гармоник и шумов;
-         для обеспечения стабильности параметров фильтров в процессе эксплуатации в диапазоне возможных частот автоколебаний (200-1000) Гц фильтры должны иметь пологую фазовую характеристику.
Процесс проектирования фильтров является итерационным, параметры фильтров уточняются при математическом моделировании.

1.6.2 Результаты математического моделирования.

Математическое моделирование замкнутого по скорости привода проводилось с использованием программных продуктов подсистемы САПР “ССЦ”.
В режиме автоколебаний амплитуда тока якоря составляет .
Амплитуда колебаний по скорости двигателя ,частота автоколебаний 500 Гц.
При этом амплитуда угловых колебаний выходного вала нагрузки
                                                                                 (35)
, что меньше допустимого значения (не вызывающего “размытия” линии визировании) .
Т.к. трехпозиционная автоколебательная система является существенно нелинейной, её динамические характеристики (переходные процессы и ЛАФЧХ) оценивались для разных амплитуд входного сигнала (соответствующих , , ) и приведены на рисунках: рис. 10 и рис. 11.
Полосы пропускания привода по уровню  при разных амплитудах входного сигнала составляют:
Полученные характеристики могут быть использованы в первом приближении при синтезе широкополосного высокоточного позиционного (замкнутого по углу) привода или контура автосопровождения.

2. Разработка кинематической схемы редуктора.

Кинематическая схема представляет собой схему механизма, состоящего из ряда звеньев, соединенных между собой кинематическими парами, обеспечивающими одну или две степени свободы вращения одного звена относительно другого.
В кинематической схеме звенья изображаются в виде стержней, не отображающих их конструкцию.
Редуктор представляет собой передачу, понижающую угловую скорость.
Выбор вида передачи и разработка оптимальной кинематической схемы зависит от предъявляемых требований:
-  надежность;
-  долговечность;
-  точность;
-  малое сопротивление движению;
-  минимальный момент инерции вращающихся частей, приведенный к валу двигателя;
-  компактность конструкции;
-  технологичность;
-  небольшая стоимость.
Как правило, механическая передача привода разделяется на две части: редукторную, заключенную в корпус редуктора, и выходную, представляющую собой пару зубчатых колес с ведущей шестерней на выходе редуктора и ведомым зубчатым венцом на кольцевой опоре.
Число ступеней зубчатой передачи может быть определено по формуле:
                                                                                                (36)
Зубчатые передачи в ненагруженных цепях в первую очередь должны отвечать требованию постоянства передаточного числа в любой момент времени, или иначе - равномерности и плавности вращения при отсутствии в передаче люфта. Чтобы достичь быстрой приработки сопряженной пары колес, выбирают q=l;2;3;4 и т.д., т.е. число зубьев большего колеса должно без остатка делиться на число зубьев меньшего колеса.
В нагруженных (силовых) передачах с переменным моментом нагрузки рекомендуется брать передаточные числа в виде дроби, у которой числитель и знаменатель - числа, не имеющие общих множителей:
q=25/26, 30/47, 27/34 и т.д.
Передачи с таким значением q в наибольшей степени обеспечивают равномерный износ зубьев.
В приборостроении и машиностроении наибольшее распространение получило эвольвентное зацепление, при котором боковые профили зубьев образуются двумя эвольвентами.
Основные достоинства:
-  сохранение передаточного отношения и правильности зацепления при изменении расстояния между осями сопряженных колес;
-  независимость кинематики зацепления от чисел зубьев сопряженных колес;
-  простота изготовления зуборезного инструмента.
Передача цилиндрическими прямозубыми колесами внешнего зацепления передает движение между параллельными валами и является самым распространенным типом передачи, т.к. обладает целым рядом преимуществ: технологичность конструкции, наибольшая достижимая точность обработки колес и их монтажа, высокий кпд, небольшая стоимость .
Исходным контуром цилиндрических колес является контур прямозубой рейки:

Рис. 12 - Контур цилиндрического зубчатого колеса
-  угол профиля =20°;
-  профиль в пределах глубины захода зуба  - прямолинейный;
-   - глубина захода ( );
-   - модуль, мм;
-   - радиальный зазор;
-   - радиус скругления;
-   - шаг.
Наименьшее, свободное от подрезания число зубьев некоррегированных прямозубых колес, нарезаемых рейкой при =20° , =17.
В точных передачах рекомендуется применять колеса с числом зубьев не менее 25, т.к. при Z<25 на точность изготовления колес заметно сказываются погрешности зуборезного инструмента. Не рекомендуется применять числа зубьев, затрудняющие настройку зуборезного станка:
101,103,107,109,127,131,137,149,151,157,163,167,173,179,181,187, 191,193,197,199,202,203,206,209,211,212,214,217,221,223,227,229, 233,236,239.
Число зубьев свыше 240 рекомендуется принимать кратным 10.
Передаточное число ступени
                                                                                                        (37)
в счетно-решающих механизмах в большинстве случаев находится в пределах 5>q>l/3 и сравнительно редко приближается к предельным значениям интервала 10–1/5. Если усилия, действующие на зубья колес, незначительны (вращение шкал, стрелок), то передаточное число в паре колес, рассчитанных на замедление (q>l), может быть неограниченно большим.
Передаточное число первой от исполнительного двигателя пары, пары колёс, незначительны (вращение шкал, стрелок), то передаточное число в паре колес, рассчитанных на замедление (q>1) может быть неограниченно большим.
Передаточное число первой от исполнительного двигателя пары колёс (быстродействующей) должно назначаться таким образом, чтобы линейная окружная скорость не превышала 3 м/с. При окружных скоростях V>6 м/с рекомендуется переходить от цилиндрических колес с прямыми зубьями к косозубым колесам.
Линейные окружные скорости колес пары равны:
,                                                                                          (38)
где   – угловая скорость вращения двигателя и первого колеса;
   – угловая скорость вращения второго колеса;
, – радиусы вращения колес.

Радиусы ,  пропорциональны модулям:
                                                                                                     (39)
                                                                                                    (40)
Назначение модулей связано с нагружением и обеспечением прочности передачи. На первых быстроходных парах модуль выбирается меньше, чем на выходных нагруженных, но с учетом обеспечения условия V<3 м/с: m=0,3–0,5.
На нагруженных выходных парах т=0,8–1,5, что позволяет обеспечить прочность передачи за счет увеличения длины и высоты зуба.
Для редукторов радиолокационных антенн ССЦ следует проводить прочностные расчеты выходных пар.
Модули цилиндрических и конических зубчатых колес назначаются по ГОСТ 9563-60:
При назначении модуля передачи 1-й ряд следует предпочитать 2-му.
Модули зубчатых цилиндрических колес для изделий радиоэлектроники следует выбирать по 1-му ряду предпочтительности:
0,3;0,5;1;2;3;5.
Основные расчетные зависимости
1.      Передаточное число
                                                                                                                                        (41)
 – частота вращения, об/мин zi,
– числа зубьев.
2.      Шаг
                                                                                                                 (42)
  –модуль, мм
3. Диаметр делительной окружности
                                                                                                            (43)
                                                                                                           (44)
4. Диаметр окружности выступов
                                                                                                      (45)
                                                                                                     (46)
5.                 Радиальный зазор
 для колес с
 для колес с
6.      Диаметр окружности впадин
                                                                                                (47)
                                                                                               (48)
7.                       Высота зуба
                                                                                                   (49)
8.    Длина зуба
                                                                                                        (50)
нормально:
                                                                                                         (51)
9.    Расстояние между осями
                                                                                (52)
Число ступеней для редуктора с передаточным числом :

Основные значение конструктивных параметров редуктора записаны в таблице 2
Таблица 2

Параме- тры	Ступени редуктора
	1	2	3	4	5	6
	2	2	3	5	6	8
	0,3	0,3	0,4	0,5	0,8	0,8
	25	50	30	30	30	30
	50	100	90	150	180	240
	0,942	0,942	1,256	1,57	2,512	2,512
	7,5	15	12	15	24	24
	15	30	36	75	144	192
	8,1	15,6	12,8	16	25,6	25,6
	15,6	30,6	36,8	76	145,6	193,6
	8,31	15,81	13,08	16,35	26,16	26,16
	15,41	30,81	37,08	16,35	146,16	194,16
	0,105	0,105	0,14	0,175	0,28	0,28
	0,705	0,705	0,94	1,175	1,88	1,88
	1,5	1,5	2	22,5	4	4
	11,25	22,5	24	45	84	108

Заключение.

В выпускной квалификационной работе спроектирован замкнутый по скорости исполнительный привод горизонтального наведения тепловизионной системы автоматического сопровождения целей типа вертолёт и танк, размещенной на неподвижном основании.
В качестве исполнительного двигателя выбран реверсивный, малоинерционный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов ДП 60-90-6-Р10 номинальной мощностью 90 Вт.
Передаточное число редуктора q=2880.
Располагаемые кинематические параметры составили
,  ,
При потребных скоростях и ускорениях:
,  .
Суммарная зона сопровождения, определяемая, главным образом, зоной по скорости, составляет:
     
В замкнутом по скорости приводе реализован трехпозиционный закон управления, параметры автоколебаний  (записать)  обеспечивают нормальный тепловой режим работы двигателя и не вызывают “размытия” линии визирования.
Параметры переходных процессов при разных амплитудах входных сигналов составляют (таблица 3):
Таблица 3

	0,208	50
	0,296	15

Полоса пропускания привода при 0.1   позволяет синтезировать широкополосный высокоточный позиционный (замкнутый по углу) привод или контур автосопровождения.

Список литературы

1.  А. Г. Шипунов, В. Д. Дудка, Л. Г. Захаров, Ю. Л. Парфенов “Концепция ПТРК III поколения”. - «Военный парад», №1, 1999.
2.  А.В. Рабинович, В.И.Петров и др. Проектирование следящих систем. - М., Машиностроение, 1969.
3.  Б. И. Петров, Л. Д. Панкратов, В. А. Полковников, Н. П. Папе. Электропривод систем управления летательными аппаратами. - М., Машиностроение, 1973
4.  О. Горилев “Бронетанковое вооружение на пороге века.” - Ж. «Военный парад», №3 (21), 1997.
5.  О. Горилев “Бронетанковое вооружение на пороге века (технический облик).” - Ж. «Военный парад», №4 (22), 1997, с. 86 - 89.
6.  А. Н. Латухин “Противотанковое вооружение”. - М., Воениздат, 1974 г.
7.  Ж. Госсорг “Инфракрасная термография. Основы, техника применения”. - М.: Мир, 1988.
8.  Н.Р.Лавров Вопросы теории ПУА30 – М., Оборониздат.,1960.
9.  Методика проектирования следящего привода автоматических систем. Для студентов специальности «Автоматические системы» – Тула, КБП, 1988.
10.    Проектирование исполнительных механизмов систем АСЦ. – Методическое пособие для студентов специальности «Проектирование технических и технологических комплексов». – Тула, КБП, 1999.
11.    Н.И. Беляев, В.Д. Нагорский. Выбор двигателя и редуктора следящих систем. –  М., Машиностроение, 1972.
12.    Проектирование систем автоматического сопровождения целей, методическое пособие для студентов специальности 120901 «Проектирование технических и технологических комплексов». – Тула, КБП, 2001.