Дипломная работа посвящена разработке оптимальной следящей системы дистанционного управления антенной радиолокационной станции (РЛС), используемой в судовой навигации и речной транспортной инфраструктуре. Актуальность исследования определяется необходимостью повышения точности и быстродействия судовых РЛС, которые обеспечивают безопасность плавания и контроль движения объектов в различных погодных условиях и при ограниченной видимости. Основной задачей является создание системы, минимизирующей перерегулирование при ступенчатом воздействии и обеспечивающей максимальное быстродействие при ограничениях на скорость и ускорение поворота антенны.
Работа включает анализ тактико-технических характеристик РЛС, таких как зона обзора по азимуту и дальности, время полного обзора, дальность обнаружения целей, разрешающая способность и частота работы антенны. Рассмотрены особенности механизмов вращения и систем привода антенн, включая их назначение, принципы работы и требования к кинематическим и динамическим характеристикам. Особое внимание уделено влиянию внешних факторов, таких как помехи, флюктуации сигналов и нагрузки на исполнительные механизмы.
В работе выполнен выбор мощности исполнительного двигателя с учетом моментов сопротивления, инерции антенны и редуктора. Проведен расчет механических и электрических характеристик привода, построены тахограммы, фазовые траектории и функции передачи исполнительного двигателя. Также исследованы и выбраны подходящие сельсины для формирования обратной связи, построена функциональная и электрическая принципиальная схема системы, разработан усилитель и рассчитаны элементы системы.
Особое внимание уделено синтезу следящей системы с нелинейной обратной связью по скорости двигателя, обеспечивающей отсутствие перерегулирования. Выполнено моделирование в Simulink MATLAB, проведена оптимизация переходных процессов и настройка системы с использованием квадратичной обратной связи. Работа также охватывает технико-экономическое обоснование внедрения электропривода, включая капитальные затраты и эксплуатационные расходы, и вопросы безопасности жизнедеятельности, такие как пожарная безопасность, анализ опасных факторов и организация эвакуации.
В результате дипломной работы разработана высокоэффективная следящая система дистанционного управления антенной, обеспечивающая точное и надежное сопровождение целей в условиях реальной эксплуатации. Полученные результаты подтверждают возможность применения современных автоматизированных электроприводов для повышения эффективности и безопасности работы судовых и речных радиолокационных станций.
Радиолокация в настоящее время получила большое применение в области морской, речной и воздушной навигации. Судовая навигационная радиолокационная станция является основным радиотехническим устройством, обеспечивающим безопасность плавания. Все пассажирские и грузовые суда, а также суда промыслового флота оборудуются в настоящее время совершенной радиолокационной аппаратурой.[1]
Методы и средства радиолокации используются для обнаружения объектов и контроля обстановки в воздушном, космическом, наземном и надводном пространствах, используются в метеорологии и разведке полезных ископаемых. Современная техника позволяет с большой точностью измерять координаты положения целей, следить за их движением, определять не только формы объектов, но и структуру их поверхности. Не говоря уже об использовании радиолокации в астрономии. И с каждым днем радиолокация находит все новые и новые применения в жизни человека. Основное применение радиолокации это организация управления движением.
Чтобы управлять движением, необходимо иметь информацию об объектах управления, а точнее: их расположение относительно других объектов, их местонахождение и возможное отклонение от заданного маршрута, их скорости, ускорения, их линейные размеры и др. Но не всегда эту информацию можно получить лишь визуально наблюдая за движением объектов. Ограничением этому служат как погодные условия и время суток, так и ограниченные возможности человека, не говоря уже о множестве причин, характерных для отдельных видов транспорта, движением которого приходится управлять. Рядом таких ограничений обладает речной транспорт, при прохождении через систему речных шлюзов.
Речной шлюз – гидротехническое сооружение для подъема или опускания судов с одного уровня воды на другой. Представляет собой узкий канал с воротами входа и выхода.
Основное наблюдение за движением судов в шлюзе осуществляется из помещения управления, расположенного непосредственно около шлюзового канала и с помощью видеокамер, установленных вдоль шлюза. Однако зачастую не достаточно только визуального наблюдения, так как глубина канала не всегда позволяет видеть находящиеся там мелкие суда. Кроме того, на эффективность наблюдения влияют и погодные условия. Все это может привести к несвоевременному закрытию ворот шлюза, что повлечет за собой трагические последствия.
Выходом из сложившейся ситуации может служить установка радиолокационного оборудования, которое позволит не только полноценно наблюдать за происходящим внутри шлюза движением в любое время суток и в любую погоду, но и существенно облегчит работу диспетчеров, управляющих работой шлюза.
Таким образом существуют береговые радиолокационные станции, навигационные станции, устанавливаемые на речных судах, охранные радиолокационные системы и станции обнаружения.
Важными элементами РЛС являются следящие системы. Следящие системы в судовых радиолокационных станциях имеют различные применения. Одно из актуальных их применений – дистанционное управление антенной в системах полуавтоматического сопровождения. Основными требованиями к такой следящей системе является минимальное перерегулирование при отработке ступенчатого задания и максимальное быстродействие при ограничении исполнительного механизма по скорости и ускорению.
Для примера приведены тактико-технические характеристики РЛС. Цель проекта – разработка оптимальной следящей системы дистанционного управления антенной, удовлетворяющей указанным требованиям.
DEVELOPMENT OF A HIGH-SPEED ELECTRIC DRIVE SYSTEM OF THE ANTENNA OF THE SHIP'S RADAR STATION
Performer: V. V. Brik, cadet of group 461
Instructor: I.M. Dancevich, professor
The content: pages 95, pictures 57, tables 8, bibliography 12
TRACKING SYSTEM, RADAR STATION ELECTRIC DRIVE, CONTROL SYSTEM, SIMULATION, OPERATIONAL MODE, ECONOMIC EFFECT
The diploma paper calculates the parameters of tracking electric drive of the antenna installation. The development of electric drive control system is executed on the basis of quadratic speed feedback. The advantages of this structure were compared with conventional regulators settings. The performed computer simulations enabled to optimize the control parameters of the system according to different criteria. The paper also investigates various modes of the drive, evaluated the dynamic performance and accuracy. The problems of the economic aspects and safety are also dealt with.
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЗМА ВРАЩЕНИЯ И СИСТЕМ ПРИВОДА АНТЕНН 8
1.1 НАЗНАЧЕНИЕ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ АНТЕННОЙ 8
1.2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ 11
2 ТРЕБОВАНИЯ К СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЕ 13
3 ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ 14
3.1 ВЫБОР МОЩНОСТИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 14
3.2 ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ 19
3.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 22
3.4 ВЫБОР РЕДУКТОРА 25
4 ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЛЬСИНОВ 28
4.1 ВЫБОР СЕЛЬСИНОВ 28
4.2 ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ СЕЛЬСИНОВ 29
4.3 ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА ЗАВИСИМОСТИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СЕЛЬСИН ПРИЕМНИКА ОТ УГЛА РАССОГЛАСОВАНИЯ 32
5 ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА ПРИВОДА 33
5.1 ПОСТРОЕНИЕ ТАХОГРАММЫ И НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ 33
5.2 ПОСТРОЕНИЕ ТРАЕКТОРИЙ НА ФАЗОВОЙ ПЛОСКОСТИ 34
6 ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ 43
7 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ 48
7.1 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 49
7.2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ 50
7.3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ 51
7.3 РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЙ 55
7.4 РАСЧЕТ ТАХОМЕТРИЧЕСКОГО МОСТА 56
8 СИНТЕЗ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ 59
8.1 ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ 59
8.2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 59
9 ДОБРОТНОСТЬ И ОШИБКА СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ 61
10 МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ В SIMULINK/MATLAB 65
10.1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА С ЛИНЕЙНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ, ПОСТРОЕННАЯ В MATLAB 65
10.2 НАСТРОЙКА СИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ КВАДРАТИЧНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ 73
10.3 РЕЖИМ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ ЗАВОДКИ 78
11 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 80
11.1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ 80
11.2 КАПИТАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ НА УСТАНОВКУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 81
11.3 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РАСХОДЫ 83
12 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 85
12.1 АНАЛИЗ ВРЕДНЫХ И ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ 86
12.2 МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ОПВФ НА РЛС 88
12.3 ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 89
12.4 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВАКУАЦИИ ЛЮДЕЙ ИЗ РАБОЧИХ ПОМЕЩЕНИЙ 90
12.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ВРЕМЕНИ ЭВАКУАЦИИ 90
12.6 ЭВАКУАЦИОННЫЕ ПУТИ И ВЫХОДЫ 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
СПИСОК РЕФЕРАТИВНО ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 95
Основной задачей при разработке электропривода такой системы, как радиолокационная станция, было стремление показать возможности современного автоматизированного электропривода. Выполненное моделирование подтвердило эффективность предложенной структуры электропривода как при управляющем, так и при возмущающем воздействиях. Для обеспечения высоких точностных показателей системы был рассмотрен широкий круг технических вопросов и приняты соответствующие решения.
Разработана оптимальная следящая система дистанционного управления антенной с нелинейной обратной связью по скорости двигателя, не имеющая перерегулирования при ступенчатом задании по углу поворота антенны и обладающая максимальным быстродействием при ограничениях по первой и второй производной угла. В проекте использована теория оптимальных следящих систем.
1. Справочник по радиолокации [Текст]: в 4 ч. Ч. 2 Радиолокационные антенные устройства / Под ред. М. Скольника; пер. с англ. под общей ред. К. Н. Трофимова. – М.: Советское радио, 1977. – 406 с.
2. Артамонов, В. М. Электроавтоматика судовых и самолетных РЛС – М.: Машиностроение, 1986. – 272 с.
3. Следящие приводы [Текст]: в 2 т. Т. 1 / Под ред. Б.К. Чемоданова. – М.: Энергия, 1976. – 480 с.
4. Справочник по электрическим машинам [Текст]: в 2 т. Т. 2 / Под. общ. ред. И. П.Копылов, Б. К.Клоков. М. – Энергоатомиздат, 1989. – 688 с.
5. Волков, Н. И. Электромашинные устройства автоматики: Учебник для вузов по спец. “Автоматика и телемеханика”. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1986. – 335 с.
6. Солодовников, В. В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. – Машиностроение, 1985. – 536 с.
7. Ахметжанова, А.А. “Согласованные системы и регуляторы”, Л.: Высшая школа, 1986. – 230 с.
8. Солодовников, В.В. Основы автоматики и вычислительной техники – М.: Энергия, 1980. – 270 с.
9. Петров, Б. И. Динамические возможности следящих систем [Текст] / Б. И. Петров, В. А. Полковников. – М.: Энергия, 1976. – 286 с.
10. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием [Текст]: учебник для студентов высших учебных заведений / Г. Г. Соколовский. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
11. Терехов, В. М. Системы управления электроприводов [Текст]: Учебник для студентов высших учебных заведений / В. М. Терехов, О. И. Осипов; под ред. В. М. Терехова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 304 с.
12. Чиликин, М. Г. Основы автоматизированного электропривода [Текст]: Учебное пособие для вузов / М. Г. Чиликин [и др.]. – М.: Энергия, 1974. – 568 с.
