Изобретение может быть использовано для стыковки кооперируемых космических аппаратов.
Известна система автоматического управления (Раушенбах Б.В., Легостаев В. П. "Автоматическая система управления сближением." Космические исследования, т.7, вып. 6, 1969) и автоматическая система управления причаливанием для стыковки космических аппаратов.
Блок-схема автоматической системы причаливания приведена на фиг. 1. Система состоит из устройств измерения угла рассогласования пассивного корабля (ПК) относительно линии визирования, одна часть которого 1 размещена на ПК, а другая - 2 на активном корабле (АК), устройств измерения угла рассогласования АК относительно линии визирования и угла взаимного крена, одна часть которого 3 размещена на АК, а другая - 4 на ПК, и устройств измерения дальности и скорости сближения, одна часть которого 5 размещена на АК, а другая - 6 на ПК, а также из установленных на ПК блока выдачи угловой скорости ПК 7, блока стабилизации 8, исполнительных органов 9 и установленных на АК исполнительных органов 10, блока коррекции боковой скорости 11, блока управления скоростью сближения 12, блока выдачи угловой скорости линии визирования 13, блока выдачи угловой скорости АК 14, сумматора 15, блока управления ориентацией 16.
В аналоге устройства измерения углов рассогласования АК и ПК и устройство измерения дальности и скорости сближения выполнены в виде радиоаппаратуры, части которой размещены на АК и ПК. При этом чувствительные элементы измерителей углов установлены соосно с своим реперным устройством, размещенным на другом корабле. Измеренные углы рассогласования АК и дальность и скорость сближения выдаются в систему управления АК, а измеренные углы рассогласования ПК в систему управления ПК.
В процессе причаливания ПК по сигналам блока 1 автоматически ориентируется по линии визирования, отслеживая движения АК. Управление движением вокруг центра масс ПК осуществляется посредством блоков 7, 8, 9.
На АК по сигналам блоков 3, 13, 14, 15, 16 организуется слежение по линии визирования. Угловая скорость линии визирования из блока 13 поступает также в блок коррекции боковой скорости 11. При превышении угловой скорости линии визирования заданных в блоке 11 значений включаются исполнительные органы для ее ограничения. В продольном канале выдерживается заданная программа изменения скорости от дальности, заданная в блоке управления 12, а необходимая для этого информация поступает из устройства измерения дальности и скорости сближения.
Система обеспечивает выполнение причаливания и стыковку. Однако отслеживание ПК движения АК в процессе причаливания предъявляет требования к системе ориентации ПК, в том числе и к величине управляющего ускорения вокруг центра масс. Для больших ПК типа орбитального комплекса "МИР" эти требования практически не выполнимы.
Известна система автоматического управления причаливанием (см. фиг. 2), которая используется на кораблях "Союз ТМ" (АК) и ОК "МИР" (ПК) (Бранец В.Н. и др. "Построение системы управления движением транспортных кораблей "Союз Т, ТМ." Университетский сборник "Вестник", МГТУ им. Баумана, 1995).
Система состоит из устройств измерения угла рассогласования ПК относительно линии визирования, одна часть которого 1 размещена на ПК, а другая 2 - на АК, устройств измерения угла рассогласования АК относительно линии визирования и угла взаимного крена, одна часть которого 3 размещена на АК, а другая 4 - на ПК, и устройства измерения дальности и скорости сближения, одна часть которого 5 размещена на АК, а другая 6 - на ПК, а также из установленных на ПК блока выдачи угла и угловой скорости ПК 7, блока стабилизации 8, исполнительных органов 9, блока задания ориентации 17 и установленных на АК исполнительных органов 10, блока управления скоростью сближения 12, блока выдачи угловой скорости линии визирования 13, блока выдачи угловой скорости АК 14, сумматоре 15, блока управления ориентацией 16, блока управления движением центра масс 18.
В прототипе устройства измерения углов рассогласования АК и ПК и устройства измерения дальности и скорости сближения выполнены в виде радиоаппаратуры, части которой размещены на АК и ПК. При этом чувствительные элементы измерителей углов установлены соосно с своим реперным устройством, размещенным на другом корабле. Измеренные углы рассогласования АК и ПК, а также дальность и скорость сближения выдаются в систему управления АК.
В процессе причаливания система управления обеспечивает стабилизацию ПК относительно выбранной системы координат. Выбор системы координат производится заблаговременно по результатам баллистических расчетов на Земле с учетом требований программы полета. Для поддержания стабилизированного положения используются блок выдачи угла и угловой скорости 7, блок стабилизации 8, исполнительные органы 9 и блок задания ориентации 17.
По сигналам угла рассогласования АК из блока 3 и угловой скорости рассогласования, получаемой на сумматоре 15, которая является разностью показания выхода блока выдачи угловой скорости АК 14 и сигнала угловой скорости линии визирования блока 13, организуется слежение АК по линии визирования. Для этого в блок управления ориентацией 16 поступают сигналы из блока 3 и сумматора 15, а его выход соединен с исполнительными органами 10.
Управление движением центра масс производится по углу рассогласования ПК, получаемому из блока 2. В блоке 18 по сигналам угла рассогласования из блока 2 и сигналу угловой скорости линии визирования из блока 13 определяются моменты приложения управляющих импульсов для коррекции бокового движения центра масс.
Для управления скоростью сближения выход блока 5 через блок 12, в котором заложено программное изменение скорости от дальности, подключен к исполнительным органам 10.
Недостатком этой системы является взаимосвязь каналов управления движением центра масс и вокруг центра масс АК. АК одновременно выполняет и ориентацию по линии визирования и, перемещая центр масс, управляет положением линии визирования. На малых дальностях, начиная с 20 - 30 м между стыковочными плоскостями АК и ПК, начинает сказываться влияние мест установки чувствительных элементов измерителей углов на точность измерения. Вследствие их выноса к стыковочным плоскостям от центра масс в измеренных углах рассогласования ПК относительно линии визирования появляется дополнительная составляющая от углов разворота АК вокруг центра масс, а в измеренных углах рассогласования АК появляется дополнительная составляющая от колебаний ПК вокруг центра масс при поддержании стабилизированного положения.
Поскольку угловое движение ПК совершается с малыми угловыми скоростями, то период колебаний ее существенно больше периода колебаний движений центра масс и вокруг центра масс АК при причаливании. Вследствие этого движение ПК скорее возмущает процесс причаливания как статический параметр, который АК должен отследить. На АК завязка в измерениях приводит к тому, что любое изменение углового положения АК вокруг центра масс приводит к изменению угла рассогласования ПК (в момент касания значение коэффициента влияния от мест установки чувствительных элементов на ПК и АК для ОК "МИР" достигает примерно 2). Изменения углов ПК из-за изменения ориентации АК приводит к необходимости регулирования положения центра масс АК, после которого вследствие изменения положения АК, изменяется значение углов рассогласования АК и появляется необходимость вновь разворачивать АК вокруг центра масс. Такое построение системы ведет к чувствительности ее к ошибкам измерения, внешним возмущениям, колебательности и, как следствие, к ухудшению параметров стыковки в момент касания.
Техническим результатом изобретения является повышение точности автоматической стыковки с одновременным увеличением устойчивости в переходных процессах.
Технический результат достигается тем, что в систему автоматического управления причаливанием, состоящую из устройств измерения угла рассогласования ПК относительно линии визирования, одна часть которого размещена на АК, а другая - на ПК, устройств измерения угла рассогласования АК относительно линии визирования и угла взаимного крена, одна часть которого размещена на АК, а другая - на ПК, и устройств измерения дальности и скорости сближения, одна часть которого размещена на АК, а другая - на ПК, а также из установленных на ПК блока выдачи угла и угловой скорости ПК, блока стабилизации, исполнительных органов, блока задания ориентации, причем выход блока задания ориентации через блок стабилизации, к второму входу которого подключены выходы блока выдачи угла и угловой скорости ПК, подключен к исполнительным органам, и установленных на АК исполнительных органов, блока управления ориентацией, блока управления движением центра масс, блока управления скоростью сближения, причем выход блока управления движением центра масс подключен к входу исполнительных органов, к второму входу которых подключен выход устройства измерения дальности и скорости сближения через блок управления скоростью сближения, выход блока управления ориентацией соединен с третьим входом исполнительных органов, введены установленные на АК блок задания ориентации, блок выдачи угла и угловой скорости АК, два сумматора, блок запоминания, блок вычисления угла рассогласования, блок вычисления угловой скорости линии визирования, блок выдачи команд управления, причем выход блока задания ориентации через первый сумматор, к второму входу которого подключен первый угловой выход блока выдачи угла и угловой скорости АК, и второй сумматор, к другому входу которого подключен выход блока запоминания, подключен к блоку управления ориентацией, к второму входу которого подключен первый скоростной выход блока выдачи угла и угловой скорости АК, к первому входу блока запоминания подключен второй выход первого сумматора, к второму - выход устройства измерения угла рассогласования ПК и к третьему - выход блока выдачи команд управления, вход блока выдачи команд управления соединен с выходом устройства измерения дальности и скорости сближения, выход устройства измерения угла рассогласования АК через блок вычисления угла рассогласования, к второму входу которого подключен второй угловой выход блока выдачи угла и угловой скорости АК, подключен к блоку управления движением центра масс, второй выход устройства измерения угла рассогласования АК через блок вычисления угловой скорости линии визирования, к второму входу которого подключен второй скоростной выход блока выдачи угла и угловой скорости АК, подключен к блоку управления движением центра масс. При этом блок вычисления угловой скорости линии визирования предлагается выполнить в виде первого блока задержки, двух сумматоров, усилителя и интегратора, причем выход третьего сумматора, первый вход которого совпадает с первым входом блока вычисления угловой скорости линии визирования, соединен с усилителем, один выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора, а другой выход - к второму входу третьего сумматора через интегратор, выход первого блока задержки, вход которого совпадает с вторым входом блока вычисления угловой скорости линии визирования, соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого совпадает с выходом блока вычисления угловой скорости линии визирования.
Блок вычисления угла рассогласования выполнен в виде второго блока задержки и пятого сумматора, причем второй блок задержки, вход которого совпадает с вторым входом блока вычисления угла управления, соединен с входом пятого сумматора, второй вход которого совпадает с первым входом блока вычисления угла управления, выход пятого сумматора совпадает с выходом блока вычисления угла управления.
Технический результат достигается за счет того, что в предложенном построении системы отсутствует взаимосвязь каналов управления, в том числе и на малых расстояниях, вызываемая геометрией размещения чувствительных элементов устройств измерения углов рассогласования на АК и ПК. В процессе причаливания АК вокруг центра масс стабилизируется относительно той же системы координат, что и ПК, а потому их связанные системы координат параллельны в пространстве. Поэтому движения АК вокруг центра масс существенно в меньшей степени возмущают процесс, так как сигналы, по которым производится управление ориентацией, не зависят от положения центра масс АК относительно линии визирования.
По углам рассогласования АК относительно линии визирования и вычисленным составляющим угловой скорости линии визирования организуется управление движением центра масс АК для совмещения его продольной оси с осью стыковочного механизма ПК, которое наступает при угле рассогласования равном нулю.
Такое построение системы обеспечивает независимость каналов управления, повышается устойчивость системы к ошибкам измерения, а конечная цель причаливания - стыковка - производится с ошибками, не превышающими расчетных значений, вычисленных по максимальным ошибкам измерений и построений систем координат.
Однако введенные на АК и ПК системы координат могут отличаться друг от друга (вследствие ошибок независимых датчиков, используемых при построении ориентации, уходов гироскопических приборов, используемых в системах ориентации АК и ПК), что изменит взаимное расположение чувствительных элементов устройств измерения углов рассогласования АК и ПК и стыковочных узлов в пространстве и приведет к изменению положения осей в пространстве. С учетом реального расположения чувствительных элементов устройств измерения углов рассогласования АК и ПК ошибка в знании систем координат и линейное смещение стыковочного механизма ПК не влияют на величину линейного промаха. Линейный промах определяется только ошибкой измерения углов рассогласования АК и ошибкой измерения угла взаимного крена.
На величину взаимного перекоса осей при предлагаемом построении системы окажет влияние тепловая деформация корпусов АК и ПК от нагрева Солнцем. И если для АК, размеры которых относительно небольшие и конструкция достаточно жесткая, ошибки от тепловой деформации незначительны (не более 0,5 - 1o), то для ПК, размеры которых могут достигать многих десятков метров при относительно невысокой жесткости, величина ошибки может быть существенно больше.
Вследствие изложенных причин в предлагаемое техническое решение вводится коррекция ошибок для устранения их влияния на параметры в момент касания. Для этого используются измерения углов рассогласования ПК. Углы рассогласования ПК на заранее выбранной дальности вводятся в канал ориентации АК с тем, чтобы скорректировать его систему координат с учетом реального взаимного положения АК и ПК в пространстве, определяемого по взаимным измерениям углов АК и ПК относительно линии визирования.
На фиг. 1 приведена схема аналога; на фиг. 2 - схема прототипа; на фиг. 3 представлена предлагаемая система; на фиг. 4 и 5 приведены блок-схемы построения блоков вычислений угла рассогласования и угловой скорости линии визирования.
Система автоматического управления причаливанием состоит из устройств измерения угла рассогласования ПК относительно линии визирования, части аппаратуры которого 1 и 2 размещены на ПК и АК, устройств измерения угла рассогласования АК относительно линии визирования и угла взаимного крена, части аппаратуры которого 3 и 4 размещены на АК и ПК, и устройств измерения дальности и скорости сближения, части аппаратуры которого 5 и 6 установлены на АК и ПК, а также из установленных на ПК блока выдачи угла и угловой скорости ПК 7, блока стабилизации 8, исполнительных органов 9, блока задания ориентации 17, при этом выход блока 7 через блок 8, к второму входу которого подключен выход блока 17, соединен с блоком 9, и установленных на АК исполнительных органов 10, блока управления скоростью сближения 12, блока управления ориентацией 16, блока управления движением центра масс 18, блока выдачи угла и угловой скорости АК 19, блока вычисления угла рассогласования 20, блока вычисления угловой скорости линии визирования 21, блока выдачи команд управления 22, блока задания ориентации 23, первого сумматора 24, второго сумматора 25, блока запоминания 26, при этом угловой выход блока 19 соединен с блоками 20 и 24, а скоростной - с блоками 6 и 21. Выход блока 24, к второму входу которого подключен блок 23, через блок 25, к второму входу которого подключен выход блока 26, и блок 16 подключен к блоку 10. Второй выход блока 24 соединен с блоком 26, к второму входу которого подключен выход блока 2. Один выход блока 3 через блок 20 соединен с блоком 18. Второй выход блока 3 через блок 21 соединен с блоком 18. Выход блока 18 подключен к блоку 10. Один выход блока 5 через блок 12 соединен с блоком 10, а другой - с блоком 22. Выход блока 22 соединен с блоком 26.
Блок вычисления угла рассогласования 20, приведенный на фиг. 4, состоит из блоков 27 и 28. Причем к входу блока 28 подключен выход блока 27.
Блок вычисления угловой скорости линии визирования 21, приведенный на фиг. 5, состоит из блоков 29 - 33. Причем выход блока 29 через блок 30 соединен с блоком 31. Второй выход блока 30 через блок 32 соединен с вторым входом блока 29. Выход блока 33 соединен с блоком 31.
Для управления ориентацией АК относительно заданной системы координат на вход первого сумматора 24 поступает сигнал из блока 23 и угловой выход блока выдачи угла и угловой скорости АК 19. Выход первого сумматора 24 соединен с входами второго сумматора 25 и блока запоминания 26, выход которого также соединен с входом второго сумматора 25. На выходе блока запоминания 26 до проведения коррекции ошибок, факт проведения которой для блока 26 определяется командой из блока выдачи команд управления 22, сигнал равен нулю. После прихода команды из блока 22 блок запоминания 26 производит вычисление угла рассогласования между текущим угловым положением АК - сигнал из первого сумматора 24 - и углом рассогласования ПК относительно линии визирования из блока 2 и запоминает вычисленное в блоке рассогласование. С этого момента времени на выходе второго сумматора 25 угол рассогласования, поступающий в блок управления ориентацией 16, отсчитывается от смещенного на величину ошибки значения. В дальнейшем сигнал на выходе блока запоминания 26 не изменяется до прихода новой команды. Для демпфирования углового движения АК в блок 16 поступает скоростной выход блока выдачи угла и угловой скорости АК 19. По сигналам блока 8, соединенного с исполнительными органами 10, включаются двигатели для изменения скорости вращения АК.
Для управления боковым движением центра масс АК производится вычисление угла рассогласования АК относительно заданной на АК системы координат. Для этого выход блока 3 соединен с входом блока вычисления угла рассогласования 20, к второму входу которого подсоединен угловой выход блока выдачи угла и угловой скорости АК 19. Вычисленный угол поступает в блок 18, выход которого соединен с исполнительными органами 10. Для демпфирования бокового движения в блок управления движением центра масс 18 поступает угловая скорость линии визирования, вычисленная в блоке 21. Для ее вычисления на вход блока поступает сигнал из блока 3 и скоростной выход блока выдачи угла и угловой скорости АК 19.
В продольном канале управления выдерживается программное значение скорости сближения в зависимости от дальности. Для этого выход 5 через блок управления скоростью сближения 12, где текущие значения сравниваются с программными и определяются моменты приложения управляющих импульсов, их длительность и формируются команды на исполнительные органы, подключен к входу исполнительных органов 10.
Для определения дальности, на которой должна проводиться коррекция ошибок, вход блока выдачи команд управления 22 соединен с блоком 5.
В блоке вычисления угла рассогласования 20 необходимый для управления угол, определяющий положение линии визирования относительно выбранной системы координат, получается (см. фиг. 4) в блоке 28 при вычитании угла рассогласования АК относительно линии визирования из угла, определяющего положение связанной системы координат относительно заданной. Предварительно угол, определяющий положение АК относительно заданной системы координат в первом блоке задержки 27, задерживается для приведения во временное соответствие с углом рассогласования АК относительно линии визирования, полученным в блоке 3.
В блоке вычисления угловой скорости линии визирования 21 необходимая для управления информация получается (см. фиг. 5) при вычитании в блоке 31 угловой скорости рассогласования, получаемой дифференцированием угла рассогласования АК относительно линии визирования, из угловой скорости АК вокруг центра масс. Дифференцирование производится путем включения интегратора 32 в обратную связь усилителя 30. Для приведения во временное соответствие получаемой производной с угловой скоростью АК последняя задерживается во втором блоке задержки 33 на время, соответствующее моменту получения угловой скорости рассогласования.
Предложенная система управления может быть реализована известными техническими решениями.
Блоки задания ориентации 17, 23 необходимые углы положения могут отсчитывать от орбитальной или инерциальной системы координат. Любая из систем на ОК "МИР" и кораблях "Союз ТМ" строится или с использованием инфракрасной вертикали, измеряющей углы относительно горизонта Земли, или с использованием датчиков Солнца и звезды.
В качестве устройств измерения углов рассогласования АК 3, 4 и ПК 1, 2 относительно линии визирования может использоваться радиоаппаратура, применяемая на ОК "МИР" и кораблях "Союз ТМ".
Блоки выдачи углов и угловых скоростей ПК и АК 7, 19 могут быть выполнены на основе датчиков угловой скорости, используемых на ОК "МИР" и кораблях "Союз ТМ", являющихся стандартными гироскопическими приборами, и стандартных интеграторах.
Исполнительные органы 9, 10 - реактивные двигатели. В качестве устройств измерения дальности и скорости сближения 5, 6 может использоваться радиоаппаратура, применяемая на ОК "МИР" и кораблях "Союз ТМ".
Блок стабилизации 8, блок управления ориентацией 16, блок управления движением центра масс 18, функционально имеющие одно и тоже назначение, могут быть выполнены с помощью стандартных усилителей, сумматоров и нелинейностей. В каждом из этих блоков входная информация состоит из параметра управления (угла) и его производной (угловой скорости). В каждом из блоков управление может формироваться используемым обычно приемом - созданием управляющего сигнала, равного
где q - управляющий сигнал;
ϕ - угол рассогласования;
- скорость рассогласования;
k - коэффициент демпфирования.
При превышении управляющим сигналом заданной точности управления релейный элемент формирует команду на включение исполнительных органов.
Блок управления скоростью сближения 12 может быть выполнен на основе стандартных усилителей, сумматоров и релейных элементов. На участке причаливания программное изменение скорости сближения от дальности может быть представлено в виде переключения максимально и минимально допустимых значений скорости, которые изменяются на заранее определенной дальности. На рассматриваемом участке достаточно двух переключений на дальности 100 и 50 м.
В диапазоне дальности:
200 - 100 м допустимая скорость должна лежать в пределах 1 - 2 м/c;
100 - 50 м допустимая скорость должна лежать в пределах 0,5 - 1 м/c;
50 - 0 м допустимая скорость должна лежать в пределах 0,1 - 0,3 м/c.
Блок вычисления угла рассогласования 20 может быть выполнен на основе стандартных усилителей и сумматоров.
Блок вычисления угловой скорости линии визирования 21 может быть выполнен на основе стандартных усилителей, сумматоров, интеграторов.
Блок запоминания 26 может быть выполнен на стандартных усилителях и релейных элементах.
Сумматоры 24, 25 - стандартные линейные усилители.
Блок выдачи команд 22 может быть выполнен на основе стандартных релейных элементов и усилителей.
Использование: система автоматического управления причаливанием может быть использована для стыковки кооперируемых космических аппаратов. Сущность: система автоматического управления причаливанием состоит из устройств измерения угла рассогласования пассивного корабля (ПК) относительно линии визирования, устройств измерения угла рассогласования активного корабля (АК) относительно линии визирования и угла взаимного крена, устройств измерения дальности и скорости сближения и из установленных на ПК блока выдачи угла и угловой скорости ПК, блока стабилизации, исполнительных органов, блока задания ориентации и установленных на АК исполнительных органов, блока управления ориентацией, блока управления движением центра масс, блока управления скоростью сближения, блока задания ориентации, блока выдачи угла и угловой скорости АК, двух сумматоров, блока запоминания, блока вычисления угла рассогласования, блока вычисления угловой скорости линии визирования, блока выдачи команд управления. Предлагаемая система автоматического управления осуществляет процесс причаливания, корректируя боковое движение центра масс АК по вычисляемому углу положения линии визирования относительно выбранной системы координат, текущее значение которого определяется с учетом измерений угла рассогласования АК относительно линии визирования. Относительно этой же системы координат осуществляется ориентация АК и ПК, чем обеспечивается параллельность их связанных осей в пространстве. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
| Бранец В.М | |||
| Построение системы управления движением транспортных кораблей "Союз Т, ТМ" | |||
| - Университетский сборник "Вестник".- М.: МГТУ им.Баумана, 1996, с.5-25. |
