научная статья по теме К УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ УГЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОДОЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «К УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ УГЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПРОДОЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2013, № 5, с. 12-25

УСТОЙЧИВОСТЬ

УДК 629.78

К УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ УГЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ УПРУГОГО СТЕРЖНЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ

ПРОДОЛЬНОГО УСКОРЕНИЯ © 2013 г. Д. К. Андрейченко, К. П. Андрейченко, В. В. Кононов

Саратов, Саратовский государственный ун-т, Саратовский государственный технический ун-т Поступила в редакцию 23.07.12 г., после доработки 17.01.13 г.

Проведено исследование влияния продольного ускорения на устойчивость дискретно-континуальной модели одноканальной системы угловой стабилизации с запаздывающим аргументом упругого вращающегося стержня. Развиты методы построения областей асимптотической устойчивости и анализа импульсных переходных функций рассматриваемой комбинированной динамической системы, уравнения движения которой проанализированы на основе численных методов и методов асимптотического интегрирования. Определены критические значения продольного ускорения.

Б01: 10.7868/80002338813030025

Введение. Известна теория полета неуправляемых абсолютно жестких тел [1]. В работе [2] сформирована дискретно-континуальная механическая модель одноканальной системы угловой стабилизации с запаздывающим аргументом в виде вращающегося вдоль продольной оси упру-говязкого стержня, на концах которого закреплены абсолютно жесткие тела. Было показано, что при умеренном значении продольного ускорения после приведения к безразмерным переменным и параметрам из уравнений изгибного движения стержня исключаются силы, обусловленные продольным ускорением. При этом удалось развить известные методы [3] теории систем стабилизации с запаздывающими аргументами упругодеформируемых конструкций применительно к одноканальной системе угловой стабилизации (ОСУС) [2]. Однако до последнего времени не исследовано влияние продольного ускорения на области асимптотической устойчивости и импульсные переходные функции ошибок данной одноканальной системы стабилизации, а также не определены критические значения продольного ускорения. Эта задача проанализирована в настоящей работе на основе численных методов [4] и методов асимптотического интегрирования [5].

1. Дифференциальные уравнения движения дискретно-континуальной модели. Пусть вязкоупру-гий однородный стержень, на концах которого закреплены абсолютно жесткие тела 1 с массой т1 и 2 с массой т2 и центрами масс соответственно 01 и 02 (рис. 1), вращается относительно продольной оси с угловой скоростью О и движется вдоль оси z0 с заданным ускорением под действием силы, приложенной к телу 1. Ось z0 ориентирована относительно неподвижной системы координат 002,п С постоянными углами а 0 и р 0. С телами 1 и 2 совмещены резалевы (не вращающиеся с угловой скоростью О) системы координат 01х1 ухг\ и 02х2у2z2. Система координат 0xyz связана с системой 01 х1у^1. При времени г < 0 оси z1, z, z2 и вектор Н кинетического момента гироскопа, установленного в точке 2, совпадают с осью z0. При г > 0 на тело 1 действуют поперечные возмущающие силы РХх и Рп. На рис. 1 показана дискретно-континуальная модель в возмущенном состоянии с углами Эйлера—Крылова отклонения оси z1 от z0 и оси z2 от z1, а также силы Их , Иу и моменты сил Ьх , Ьу,, у = 1,2, реакций стержня, действующие на тела 1 и 2. Углы а и р отклонения оси z2 тела 2 от вектора Н кинетического момента гироскопа преобразуются в цепи отрицательной обратной связи газореактивными двигателями в управляющие поперечные силы РХ2 и Р . После приведения к безразмерным переменным и параметрам [2] в пренебрежении величинами высшего порядка малости модельные уравнения автономной ОСУС принимают вид

Х0р + Р = —ГсОЗ 1 + Р 2), т 0<х + а = -т а(сх 1 + а 2),

mxo - bpi = NXl + PXl, miyо + ba = NVl + Pyi, J iP1 = Lyi + ^iNXi, Jxa 1 = LX1 - ÇiNi,

J2<(31 + (32) = Ly2 - ^Nx2, J2(cà 1 + ex2) = Lx2 + ^, m2[xco + X1 + (1 + Ç + 1] = Nx2 + m2fl,p2 + Px2, m2[yо + У1 - (1 + + £2)« 1] = Ny2 - m2ûza2 + Pyi, Px2 = n[p(t - x)cos(Qx - 0) + a(t - x)sin(Qx - 0)], Py2 = n[p(t - x)sin(Qx - 0) - a(t - x)cos(Qx - 0)],

x + x"" + yx"" + yOy"" + az[(m2 + 1 - z)x" - x'] = -x0 - (z + ^1)(31, (1.1)

y + y"" + yy"" - ï^x"" + «z[(m2 + 1 - z)y" - y'] = —y0 + (z + Çi)al,

x(0, t ) = y(0, t ) = 0, x'(0, t) = y'(0, t) = 0,

x(1, t) = xi(t), y(1, t) = yi(t), x'(1, t) = p2(t), y'(1, t) = -a 2(t),

Nx1 = -x'"(0, t) - yx"'(0, t) - yQy"'(0, t),

Nyi = -y'"(0, t) - yy"'(0,t) + yOx'"(0, t),

Nx2 = x"'(1, t) + yx'"(1, t) + yOy'"(1, t),

Ny2 = y'"(1, t) + yy'"(1, t) -yOx'"(1, t ),

Lxi = -y"(0, t) - yy"(0,t) + yQx"(0,t),

Lyi = x"(0, t) + yx"(0, t) + yQy"(0, t),

Lx2 = y-(1, t) + yy"(1, t) - yQx"(1, t),

Ly2 = -x"(1, t) - yx"(1, t) - yQy"(1, t)

при нулевых начальных условиях.

Здесь (x0(t),y0(t),z0(t)) — координаты точки O1 в системе O0x0y0z0 ; (x(z, t), y(z, t), z) — координаты точек срединной линии стержня; (x1, y1,1) — координаты конечной точки Oe срединной линии; т0 — постоянная времени гироскопа; b — коэффициент, обусловленный оперением тела 1; и 2,2 — расстояние (рис. 1) между точками соответственно O1O и OtO2 ; J, j = 1,2, — соответственно экваториальный момент инерции абсолютно жестких тел 1 и 2; 8 — угол опережения установки газореак-

тивных исполнительных двигателей относительно осей выходных сигналов гироскопического датчика угловых перемещений; т — время запаздывания газореактивных исполнительных двигателей; у — безразмерный коэффициент внутреннего трения в стержне; п — коэффициент обратной связи;

()' = д()/дz; точкой сверху обозначено дифференцирование по времени 1; az = ¿*р"3(Е/)— безразмерное продольное ускорение; р — погонная плотность стержня; £ — длина стержня; Е — модуль

Юнга; I — экваториальный момент инерции поперечного сечения стержня; £ * — размерное продольное ускорение.

Уравнения (1.1) образуют комбинированную [6] динамическую систему (КДС), содержащую обыкновенные дифференциальные уравнения, уравнения в частных производных, граничные условия, условия связи и начальные условия. При а1 < 1 уравнения (1.1) переходят в уравнения (1.12) из [2]. Аналогично [2] сделаем комплексные замены

ф(г) = -р(г) + /а(0, и(£, О = х(£, г) + гу(£, г),

(г) = хк (г) + 1ук (гх

ф у (г) = -р/г) + /а/г), N/0 = ^ (0 + N (О, (1.2)

Н(г) = -Ьу (г) + Ну (г), Р(г) = Рч(0 + /Рй(/), где / — мнимая единица, к = 0,1, у = 1,2. При этом уравнения (1.1) принимают вид

Т0<Р + ф = -Т0(ф 1 + ф 2),

0 + йф1 = И1 + Р1, ■ 1(р 1 = Ь ^^ ■2(^Р 1 +Ф2) = Ь2 + £,2N2 ,

т2[м>0 + #1 - (1 + 2,1 + £,2)Ф 1] = N2 - ле/(Пт-0)ф(г - т) - ^2а£ф2, И + ди"" + ум"" + а£[(т2 + 1 - £)и" - и'] = -#0 + (£ + ^1)ср1, И(0, г) = 0, и'(0, г) = 0,

м(1, г) = #1(г), и'(1, г) = -ф2(г), (1.3)

N1 = -ди'"(0,г) - уи"'(0,г), N2 = ди"'(1, г) + уи"(1, г), Ь = -дм"(0,г) - уг/"(0,г), Ь2 = и"(1, г) + уи"(1, г) с нулевыми начальными условиями. Здесь д = 1 - г'уО.

2. Динамическая модель системы угловой стабилизации. Поскольку система уравнений (1.3) линейна и стационарна, выполняем в ней одностороннее интегральное преобразование Лапласа по времени 1

№ = щ/(г)] = \/(1)е

0

С0 + /да

/(г) = щ/)] = Г /&)еС0 > а, 2т

(2.1)

с0 + гда

С0 - ¡да

где а — абсцисса абсолютной сходимости интеграла Лапласа.

Исключая величину ф(А,), находим (символ над изображениями Лапласа далее опущен)

тД 2#0(А) + %(А) = N1(X) + Р1(Х), / к 2Ф1(А) = ЬД) х(к),

/Д 2(ф1(А) + Ф2(А)) = Ь2(Х) + % (2.2)

о:

+ + ^(Х)) -

-Цт2{1 + + + ТоХ) + птое ^^^(Х) +

+ [т2аг(1 + х0Х) - пх0Хе~'0_1:(Х"'П)]ф2(Х) = ^(Х)(1 + х0Х), X 2и(г, X) + £и""(г, X) + аг[(т2 +1 - г)и"(г, X) - и'(г, X)] =

= -Х Ч(Х) + (г + ^)Х 2Ф1(Х), (2.3)

и(0, X) = 0, и'(0, X) = 0,

и(1, X) = ^1(Х), и'(1, X) =-ф2(Х),

^(Х) = -Уи"'(0, X), ^(Х) = Би"\\, X),

Ь1(Х) = -Уи"(0, X), Х2(Х) = ¿и"(1, X), (2.4)

где £ = 1 + у(Х - /О).

Заметим, что линейное обыкновенное дифференциальное уравнение (2.3) не имеет известных решений ни в классе элементарных функций, ни в классе специальных функций математической физики. Поскольку краевая задача (2.3) линейным образом зависит от величин Х2^0(Х),

^1(Х), X 2ф1(Х), ф2(Х), то, следуя принципу суперпозиции, запишем

N1 (X) = ¿[^(ХЯ2 ^0(Х) + N(/>(X)w1(X) + ^3)(Х)Х2 ф1(Х) + ^4)(Х)ф 2(Х) ], (2.5)

Ь (X) = ¿[Ь^Х2 ^0(Х) + 42)(ХМ(Х) + Ь3)(Х)Х2 ф1(Х) + Ь4)(Х)ф2(Х) ], ] = 1,2.

Входящие в выражения (2.5) функции N1/\X), 1Ь{)(к), к = 1,2,] = 1,4, являются решением следующих вспомогательных линейных краевых задач:

X 2и(г, X) + ¿и""(г, X) + аг[(т2 +1 - ¿)и"(г, X) - и'(г, X)] = -51 + 83(г + ^1),

и(0, X) = 0, и'(0, X) = 0, и(1, X) = 82, и'(1, X) = -84, (2.6)

здесь 5V — символ Кронекера,

^(])(Х) = -и'"(0, X), ^;)(Х) = и"'(1, X), ь1])(Х) = -и"(0, X), ь2;)(Х) = и"(1, Х),у = 1,4. При аг = 0 имеем

N¡1) - 2г,;(к(Х))/Х2, ] = 1,3,

[ц21,](к(Х)), ]- 2,4,

¿(Л = I ^21 -1,;(к(Х))/Х2, ] = 1,3, (2 7)

1 -1,у(к(Х)), ] = 2,4, .

к(Х) =

X2

1/4

I = 1,2, (2.8)

_ 1 + у(Х - /П)_

где функции Ц](к) определены в соответствии с формулами (2.8) из работы [2]. Подстановка (2.5) в (2.2) приводит к системе линейных уравнений

X V ^(ХК(Х) + ^(ХМ(Х) + Ху Уз(Х)Ф1(Х) + V У4(Х)Ф2(Х) = 5^(Х), V = 14. (2.9)

Здесь

]) = ¿[^^(Х) - Ь1])(Х)], ] = 1,2,4, ¥1з(Х) = Х[/1 + ^Ж3)(Х) - Ь13)(Х))],

(2.10)

¥21(А) = шх - ^(А), у ф) = -№(А), у = 2,4, ¥23(Х) = Ь - БХ2^(3)(А), у з/А) = -Б[^2;)(А) + ^(А) ], у = 1,2, ¥зз(А) = А[/ - Б(^3)(А) + Х23)(А))], У34(^) = ^2 - ^^(А) + Х24)(А)],

¥ 41 (А) = С(®2 - ^(А)),

¥42(А) = 0(тгХ2 - 22)(А)),

у43(А) = -т2(1 + ^ + ^2)ХО - пт0в -т-т(Х-1П) - БШ<2}(Х)&, ¥44(А) = т2а£ - пт0в-Ю-Т(Х-1П) - ££^24)(А), где С = (1 + х0А).

Из (2.9) следуют выражения для передаточных функций системы стабилизации по угловой ошибке ф1 и поперечному смещению

п(1)п ) А фА) = АФ1(^) п(0)(^) А ^(А) _ А ' РД) А(А) ' ^ '

Ун ¥12 13 ¥14

, (2.12)

Р1(Х) АА(А)

(2.11)

А(А) = ёе1

У 21 У 22 У 23 У 24 У31 У32 33 У34 У41 У42 43 У44

ДД) = - ёе1| ^Ст, А 0&) = - ¿е% ^ (^С

У=2,3,4 3,4

Аналогично [2] формулы (2.11), связывающие компоненты изображений Лапласа входной х(Х) = (Рх(Х),РУ1 (Х))Т и выходной у(Х) = (а1(А),р1(А),х0(Х),у0(Х))т вектор-функций, можно представить в матричном виде

'-Ш

а1(А,)

~Х0(Х) .У)(Х).

п«(А) п 12(А)' п 2\1(А) п 212(А).

п10)(Х) П(02)(Х)" п^Х) п 202)(Х)_

"Рх1(А)"

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком