بخشی از مقاله
چکیده- در سیستمهای پرنده، کنترل باله از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا جهت تغییر مسیر، کنترل جهت پرواز و پایداری از باله استفاده میشود. روشهای مختلفی جهت کنترل موقعیت بالهی وسایل پرنده وجود دارد که هریک مزایا و معایب خود را دارند. در این مقاله با استفاده از نیروی هوای فشرده و پیستون پنوماتیکی، یک سیستم کنترل موقعیت طولی برای بالهی موشک طراحی و پیاده سازی میشود.
یکی از مزایای مهم استفاده از نیروی پنوماتیکی، بیشتر کردن توان تحمل اغتشاشات توسط باله و قدرت زیادتر است. در این سیستم کنترلی از هوای فشرده به عنوان منبع توان مکانیکی و از پیستون پنوماتیکی به عنوان عملگر استفاده میشود. مدارات راهانداز و conditioning هم وظیفهی ارتباط بین کنترلکننده و عملگر و افزایش قابلیت اطمینان سیستم نسبت به تداخل سیگنالها را دارند.
به منظور افزایش دقت کنترل موقعیت سیستم، مدارات conditioning به صورت نرمافزاری خطیسازی میشوند. عملیات کنترل موقعیت پیستون و بالهی موشک به صورت کنترل زمان واقعی انجام میگیرد که توسط نرم افزار متلب پیاده سازی میشود. پس از طراحی و ساخت، با روش حلقه بسته ی زیگلر نیکولز با معیار میرایی یک چهارم بهترین کنترل کننده PID طراحی میگردد و ضرایبP، I و D با دقت سه رقم اعشار محاسبه میشوند.
-1 مقدمه
هدف اصلی بیشتر موشکها، رساندن محمولهی مشخص به یک هدف تعیین شده میباشد؛ برای این کار سیستم کنترلی موشک باید امکان دنبال کردن یک مسیر مشخص و از پیش تعیین شده را فراهم سازد. سیستم کنترل و هدایت یک موشک، سیستمی حلقه بسته است که در آن اطلاعات به صورت پیش خور و پسخور در فازهای مختلف سیستم مبادله میشود و باعث ایجاد پایداری در بخشهای مختلف و اصلاح مسیر میگردد.[1] بیشتر موشکها از سطوح آیرودینامیکی برای کنترل استفاده میکنند که اغلب از عبارت کلی پره برای اشاره به این سطوح استفاده میشود.[2]
عموما این سطوح آیرودینامیکی به سه دستهی کاناردها، بالها و بالکها تقسیم بندی میشوند - شکل.[3] - 1 هر یک از این سطوح مزایا و معایب خود را دارند و طراح باید با توجه به نوع تهدیدات و محیط عملیاتی به صورت بهینهای از این سطوح جهت تحقق اهداف استفاده کند.[4] متداولترین نوع سطوح آیرودینامیکی بالکها میباشند که به دلیل قرار گرفتن پیش از مرکز ثقل موشک، مانورپذیری زیادی را برای موشک فراهم میآورند.[4]
روشهای مختلفی جهت کنترل بالهی موشک وجود دارد که مهمترین آنها موتورهای الکتریکی DC، نیروی پنوماتیکی و نیروی هیدرولیکی میباشد. نیروی پنوماتیکی به دلیل مزایای آن بر سایر نیروها در سیستمهای کنترلی مختلف نظیر کنترل بازوی رباتها مورد استفاده قرار میگیرد.[5] از جمله مزیتهای استفاده از نیروی پنوماتیکی اشغال فضای کمتر نسبت به سایر نیروها در یک توان برابر، نیاز به استفاده از منابع انرژی الکتریکی کمتر در سیستم، توانایی ازبین بردن سریعتر اغتشاشات[6]، قابلیت اطمینان بیشتر، ایمنی ذاتی کافی و عدم تو لید اغتشاشات الکترومغناطیسی میباشد7] و .[8
در این مقاله سیستم کنترلی جدیدی برای کنترل بلادرنگ1 سطوح آیرودینامیکی موشک با استفاده از پیستون پنوماتیکی معرفی میشود. در سیستم ارائه شده، از طریق کنترل فشار هوای ورودی به پیستون پنوماتیکی، زاویهی سطوح آیرودینامیکی متصل به موشک کنترل میشود. علیرغم سادگی و هزینهی کم، مدارهای راهانداز2 و conditioning به گونه ای طراحی شدهاند که سیستم دارای دقت زیاد و قابلیت اطمینان بالا باشد.
در این پژوهش به منظور افزایش دقت کنترل موقعیت جک پنوماتیکی مدارات conditioning به صورت نرمافزاری خطیسازی میگردند. همچنین انواع کنترلکنندههایP، PI و PID به روش حلقه بستهی زیگلر نیکولز طراحی میشوند و بهترین کنترلکننده که به معنی زمان خیز1 حداقل - کمتر از 0/1 ثانیه - ، بدون فراجهش2 و نیز با خطای حالت ماندگار3 صفر است، پیادهسازی میگردد.
-2 توضیح سخت افزار ، نرم افزار و نکات نصب
سختافزار سیستم کنترل بالهی موشک، شامل اجزایی است که وظیفهی ثابت نگه داشتن موقعیت بالهی موشک در راستای مطلوب و اعمال نیروی جبرانساز برای جبران اغتشاشات وارد شده به باله را بر عهده دارند. این اجزا عبارتند از: - 1 منبع هوای فشرده که تغذیهی قدرت شیرهای کنترلی سیلندر پنوماتیکی میباشد. - 2 شیرهای برقی که وظیفهی کنترل دبی هوای فشردهی ورودی به پیستون پنوماتیکی را بر عهده دارند.
- 3پیستون پنوماتیکی که خروجی سیستم میباشد، در واقع هدف نهایی سیستم کنترل بالهی موشک کنترل موقعیت جک پیستون پنوماتیکی است که موجب تغییر در زاویهی باله و در نتیجه تغییر مسیر حرکت موشک میشود. - 4حسگر که وظیفهی اندازهگیری موقعیت جک را بر عهده دارد. این حسگر در سیستم ارائه شده یک پتاسیومتر متصل شده به جک میباشد.
- 5راهانداز که وظیفهی ایزوله کردن عملگر از بخش پردازشی، دریافت فیدبک از موقعیت جک، تقویت سیگنال کنترلی اعمال شده از طرف پردازشگر و اعمال سیگنال کنترلی تقویت شده به پیستون را به عهده دارد. 6 - کارت جمع آوری داده4 که وظیفهی دریافت سیگنال فیدبک از راهانداز و دادن آن به پردازشگر و اعمال سیگنالهای کنترلی توسط پردازشگر به راهانداز را به عهده دارد. - 7رایانه که به عنوان پردازشگر در این سیستم مورد استفاده قرار میگیرد. در شکل 2 بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی برای کنترل موقعیت بالهی موشک توسط پیستون پنوماتیکی و نحوهی اتصال بخشهای مختلف آن به یکدیگر را نشان میدهد.
جهت کنترل بالهی موشک در این مقاله ابتدا توسط پتانسومتر از خروجی موقعیت فیدبک گرفته میشود، سپس سیگنال فیدبک جهت ممانعت از ایجاد حلقهی جریان، توسط راهانداز از سیگنال کنترلکننده، ایزوله شده و به پردازشگر ارسال میگردد. پردازشگر آن را با موقعیت مطلوب جک پیستون مقایسه میکند و دستورات کنترلی را به راهانداز ارسال میکند. راهانداز مجددا پس از ایزوله کردن سیگنال کنترلی، توسط یک تقویت کننده، متناسب با شیرهای کنترلی، سطح سیگنال را افزایش داده و به دو شیر کنترلی اعمال میکند.
شکل 3 بلوک دیاگرام اعمال سیگنال کنترلی به شیرهای کنترلی و دریافت فیدبک از موقعیت فعلی پیستون پنوماتیکی را نشان میدهد. لازم به تذکر است که در این مقاله خروجی سیستم حلقه بسته موقعیت پیستون میباشد که از 0 تا 5 سانتیمتر تغییر میکند، این تغییرات طول توسط یک مکانیزم مکانیکی خطی به تغییر زاویه باله از صفر تا 90 درجه تبدیل میگردد که بحث آن از حوصلهی این مقاله خارج است.
-1-2 معرفی بخش الکترونیکی
یکی از بخشهایی که توسط این مقاله به صورت نوآورانه تشریح میشود نحوهی طراحی راهانداز، ساخت مدارات آن و نکاتی است که باید در طراحی و ساخت آن لحاظ کرد. راهانداز شامل اجزای: منابع تغذیه، جداکننده1ها و تقویت کنندهی سیگنال کنترلی میباشد که هریک به ترتیب در ادامه توضیح داده میشود. در طراحی این راهانداز ما نیاز به منابع تغذیهی زیر داریم: منبع تغذیه 15 ولت جهت روشن شدن جداکنندهها، 24 ولت جهت تغذیهی پتانسیومتر فیدبک جک خروجی پیستون پنوماتیکی، 12ولت جهت روشن شدن مدار تثبیت منبع تغذیهی 110 ولت و منبع تغذیهی 110 ولت جهت فعال شدن تقویت کنندهی سیگنال کنترلی. منابع تغذیهی 12،15و24 ولتی به ترتیب با تنظیمکنندههای ولتاژ LM7812، LM7815، LM7824 قابل پیاده سازی هستند.
جداکننده، بخش مهم دیگر موجود در راهانداز است. مدار شامل جداکننده، به عنوان مدار conditioning وظیفهی انتقال سیگنال الکتریکی از کنترلکننده به راهانداز و از راهانداز به کنترلکننده به صورت آنالوگ با رعایت ایزوله بودن دو بخش را دارد. جداکنندهها معمولا کاملا خطی نیستند یعنی سیگنال را با یک مقدار اعوجاج و یک بایاس منتقل میکنند. بنابراین جهت افزایش دقت کنترل موقعیت از خطی سازی نرم افزاری استفاده میشود.
در این مقاله سیگنال فیدبک از موقعیت جک که پس از عبور از جداکننده وارد کارت جمع آوری داده میشود توسط یک نمودار خطی موجود در نرم افزار، برازش و اصلاح میگردد. در این پژوهش به جداکننده یک سیگنال پله اعمال میشود و خروجی غیرخطی آن به صورت نرمافزاری خطی میگردد. شکل5 سیگنال خروجی جداکننده - - و سیگنال اصلاح شده - - را نشان میدهد. جهت محاسبه خط اصلاح کننده رفتار غیر خطی جداکننده - معادلهی - 1، ورودی و خروجی آن در دو محور رسم میشود، خط مورد نظر از برازش خطی بر نقاط موجود در صفحه محاسبه میگردد - شکل. - 6
