АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РУЛЕВОЙ ПРИВОД УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА Российский патент 1998 года по МПК F42B15/01 B64C13/36 

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано в рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых снарядов.

Известен автоколебательный автопилот управляемого снаряда, предназначенный для обработки импульсных сигналов управления [1].

Наиболее близким к предлагаемому является известный автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда [3]
Автоколебательный рулевой привод содержит сумматор, первый вход которого является входом привода, последовательно соединенные корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний, релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину, выход которой является выходом привода и соединен через элемент обратной связи с вторым входом сумматора. Корректирующий фильтр выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, которая включена между входом релейного элемента и общей шиной, при этом сумматор выполнен на трех резисторах, два из которых соединены первыми выводами соответственно с первым и вторым входами сумматора, а вторыми выводами соединены с первым выводом третьего резистора, включенного параллельно цепочке из последовательно соединенных резистора и конденсатора корректирующего фильтра, причем сопротивление третьего резистора и резистора корректирующего фильтра равны между собой. Вследствие наличия отрицательной обратной связи и релейного элемента рули работают в автоколебательном режиме.

Автоколебательный рулевой привод предназначен для обработки гармонического входного сигнала u_вх= u_max•sinω_вхt с переменными амплитудой и частотой ω_вх= ω_вр±ω_c,, определяемых соответственно ошибкой рассогласования контура управления снаряда и частотой вращения снаряда по крену (ω_вр= 2πf_вр) и способной частотой снаряда (ω_c= 2π•f_c).
Повышение точности работы в известном автоколебательном рулевом приводе [Л. 3] обеспечивается за счет применения в нем корректирующего фильтра интегродифференцирующего типа с передаточной функцией
,
где
- коэффициент передачи (ослабления фильтра на нулевой частоте (в статике);
T₁, T₂ - постоянные времени фильтра, равные T₁ = R_фC_ф,
,
для случая прохождения сигнала по цепи обратной связи.

В выражениях для постоянных времени T₁T₂:
R_ф, C_ф - величины резистора и конденсатора фильтра;
R_oc,R_Σ - величины резисторов в цепи обратной связи и суммирующего.

Из анализа постоянных времени T₁, T₂ фильтра видно, что T₂ > T₁, т.е. фильтр имеет максимальное ослабление на частотах выше частоты ω = 1/T₁ = 1/T₁, определяемое соотношением постоянных времени T₁/T₂. При равенстве R_Σ= R_ф, что отражено в формуле изобретения, и выборе R_oc и R_вх≫ R_Σ для обеспечения точности суммирования видно, что максимальное достижимое ослабление фильтра будет составлять около 2-х раз (не более).

Такой же вид имеет передаточная функция фильтра и по выходному сигналу U_вх при замене в выражениях K₀, T₁, T₂ R_ос на R_вх.

Логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики корректирующего фильтра приведены на фиг. 3 сверху, где A(ω) и ϕ(ω) - соответственно амплитудная и фазовая частотные характеристики. Здесь же приведена и асимптотическая (в виде прямых) логарифмическая амплитудная частотная характеристика фильтра (позиция 1) которая имеет максимальный наклон - 20 дб/декаду.

Применение этого фильтра в известном автоколебательном рулевом приводе позволяет уменьшить примерно в 2 раза амплитуду автоколебаний на входе релейного элемента рулевого привода и тем самым повысить примерно в 2 раза коэффициент передачи релейного элемента по полезному сигналу. Увеличение коэффициента передачи релейного элемента приводит соответственно к увеличению коэффициента усиления (добротности) разомкнутого контура привода, а следовательно, к увеличению примерно в 2 раза статической точности удержания нулевого положения автоколебательного рулевого привода и частичному увеличению динамической точности отработки входных гармонических управляющих сигналов u_вх= u_max•sinω_вхt на частотах до частоты ω = 1/T₂..

Недостатками известного автоколебательного рулевого привода является следующие.

1. Низкая точность отработки гармонического входного управляющего сигнала u_вх= u_max•sinω_вхt, , связанного с частотой вращения снаряда по крену и собственной частотой снаряда на траектории полета снаряда из-за переменности скорости полета снаряда (диапазон частот от ωminвх

до ωmaxвх , равный, например, 4 - 14 Гц).

2. Значительная разница частот автоколебаний от ωmina

до ωmaxa (ω_a= 2πf_a) на траектории полета снаряда (диапазон частоты f_a 30 - 120 Гц) из-за широкого изменения развиваемых моментов исполнительного пневмодвигателя рулевой машины, использующего энергию набегающего потока воздуха в широком диапазоне скоростей полета управляемого снаряда, и широкого при этом диапазоне изменения шарнирных нагрузок (от пружинной до перекомпенсации).

3. Влияние фильтра на уменьшение частоты автоколебаний из-за вносимого фильтром фазового отставания на частотах автоколебаний, особенно сильно заметное при работе на минимальных частотах автоколебаний.

4. Ограниченная возможность увеличения точности работы (не более чем в 2 раза) из-за ограниченного разноса постоянных времени фильтра (около 2 раз) при выбранных величинах резисторов.

Отмеченные в пунктах 1, 2, 3 недостатки взаимосвязаны между собой, так как для обеспечения максимальной (в данном случае не выше 2-х кратной) точности, необходимо выбирать постоянные времени фильтра так, чтобы частоты автоколебаний от ωmina

до ωmaxa находились за частотой ω = 1/T₁ , чтобы использовать максимальное ослабление фильтра на частотах автоколебаний. Однако реально при минимальной частоте автоколебаний ωmina , например f_a = 30 Гц (ω_a= 2πfa) и максимальной при этом частоте входного управляющего сигнала ωmaxвх , например, f_вх = 14Гц(ω_вх= 2πf_вх) при таком небольшом разносе частот не удается избежать уменьшения коэффициента передачи рулевого привода на частотах, близких и равных fmaxвх , из-за вносимого амплитудного ослабления фильтра на этих частотах. А поскольку фазовая частотная характеристика фильтра имеет отставание по фазе, то при таком разносе частот не удается избежать также и значительно фазового отставания фильтра на минимальной (или близких к минимальной) частоте автоколебаний, что приведет к еще большему снижению частоты автоколебаний.

Целью изобретения является повышение точности работы автоколебательного рулевого привода и повышение частоты автоколебаний.

Это достигается тем, что в предлагаемом автоколебательном рулевом приводе введен корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с амплитудным ослаблением и фазовым опережением на частотах автоколебаний с передаточной функцией
,
где
T₁, T₂, T₃, T₄ - постоянные времени фильтра, причем T₂, T₁, T₃ > T₄, T₁/T₂ = T₃/T₄. Принципиальная схема фильтра приведена на фиг. 2, логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики соответственно A(ω) и ϕ(ω) (фиг. 3) здесь же представлена и асимптотическая логарифмическая амплитудная частотная характеристика (позиция 1). Видно, что максимальный наклон на участке частот, определяемых постоянными времени T₁, T₂ составляет -20 дБ/декаду, на участке частот, определяемых постоянными времени T₃, T₄ - +20 дБ/декаду. Фильтр имеет знакопеременную фазовую частотную характеристику, фазовое отставание и фазовое опережение.

На фиг. 1 представлены автоколебательный рулевой привод, состоящий из сумматора C(1), первый вход которого является входом привода, последовательно соединенные корректирующий фильтр КФ(2), релейный элемент РЭ(3), усилитель мощности УМ(4), рулевая машина РМ (5) в составе управляющего электромагнита УЭМ (6), исполнительного двигателя ИД (7), связанного с рулями, и элемента обратной связи ЭОС (8), подключенного к второму входу сумматора. В качестве операционного усилителя при реализации корректирующего фильтра и релейного элемента (фиг. 2) использована микросхема типа 140УД66. Причем сумматор С (1) схемно совмещен с корректирующим фильтром. Постоянные T₁, T₂ фильтра реализованы на опереционном усилителе , постоянные T₃, T₄ на RC-цепочке на выходе операционного усилителя перед входом релейного элемента РЭ.

Передаточная функция активной части фильтра (на операционном усилителе) имеет вид по сигналу U_ос
,
где
k = R₃/R₂ - статический коэффициент передачи;
T₁, T₂ - постоянные времени фильтра, равные T₁ = R₄-C1; T₂ = (R₃ + R₄) CI.

Передаточная функция пассивной части фильтра имеет вид
,
где
,
T₃=R₅C₂,
(при пренебрежении величины конденсатора C3, C3 < C2).

Передаточная функция корректирующего фильтра с учетом обеих частей имеет вид
W_кф(p) = W₁(p) • W₂(p).

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии входного сигнала U_вх среднее значение сигнала ошибки Δu = u_вх-u_oc на выходе сумматора C(1) фиг. 1 отсутствует, в контуре рулевого привода вследствие отрицательной обратной связи U релейного элемента устанавливаются автоколебания, частота и амплитуда которых определяются параметрами линейной части и релейного элемента. На выходе релейного элемента РЭ при этом существуют прямоугольные колебания 50%-ной скважности частоты автоколебаний. Якорь управляющего магнита, поршень рулевой машины и связанные с ним рули колеблются с частотой автоколебаний около нулевого среднего положения. Учитывая, что линейная часть рулевого привода является фильтром низкой частоты, на выходе нулевого привода сигнал частоты автоколебаний имеет форму, близкую к синусоидальной. На выходе корректирующего фильтра КФ амплитуда автоколебаний уменьшается на величину амплитудного ослабления фильтра на частоте автоколебаний (фиг. 3), чем достигается увеличение коэффициента передачи релейного элемента для повышения точности рулевого привода. Поскольку на частотах автоколебаний корректирующий фильтр имеет фазовое опережение, то при этом не происходит снижения частоты автоколебаний, наоборот, частота автоколебаний увеличивается.

При подаче на вход рулевого привода гармонического входного управляющего сигнала u_вх= u_max•sinω_вхt этот сигнал как сигнал ошибки Δu = u_вх-u_oc , который содержит высокочастотную составляющую частоты автоколебаний (30 - 120 Гц) и низкочастотную гармоническую составляющую частоты входного сигнала (4^oC14 Гц), поступает на вход корректирующего фильтра. Каждая из составляющих сигнала ошибки, проходя через корректирующий фильтр, претерпевает амплитудное и фазовое искажение, что видно из фиг. 3. Скважность импульсов на выходе релейного элемента в этом случае будет переменной, изменяющейся по гармоническому закону, пропорционально низкочастотной составляющей сигнала ошибки. Соответственно якорь магнита, поршень рулевой машины и рули будут отрабатывать величину ошибки рассогласования, тем самым обрабатывая заданное гармоническое входное воздействие.

За счет введения в автоколебательный рулевой привод предлагаемого корректирующего фильтра удалось повысить точность отработки входного управляющего сигнала, повысить частоту автоколебаний, снять ограничение по возможности увеличения точности работы за счет введения необходимого для этого ослабления фильтра на частотах автоколебаний, обеспечиваемого соотношением постоянных времени T₂/T₁ и T₄/₃.

Эти достоинства позволяли обеспечить в автоколебательном рулевом приводе с гармоническим входным управляющим сигналом перспективных управляемых снарядов требуемые динамические и точностные характеристики в широком диапазоне изменения шарнирных нагрузок (от пружинной до перекомпенсации) и развиваемых моментов исполнительного пневмодвигателя рулевой машины, использующего энергию набегающего потока воздуха в широком диапазоне скоростей полета управляемого снаряда.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным позволяет повысить точность работы автоколебательного рулевого привода как при отработке гармонических входных управляющих сигналов, так и статической точности удержания нулевого положения рулей при отсутствии входного сигнала, и повысить частоту автоколебаний с использованием доступной элементной базы практически без увеличения массы и габаритов аппаратуры в управляемом снаряде.

Источник информации
1. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда. Заявка 93000704. Б. И. N 23, ВНИИПИ, Москва, 1995.

2. Положительное решение ВНИИГПЭ от 3 апреля 1996 о выдаче патента на изобретение по заявке 93000704 (н/вх. 1595, 18.04.96).

3. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда. Заявка 93032538. Б.И. N 24, ВНИИПИ, Москва, 1996.

4. Положительное решение ВНИИГПЭ от 25 января 1996 г о выдаче патента на изобретение по заявке 93032538 (н/вх. 628, 12.02.96).

Изобретение относится к оборонной технике, в частности, к управляемым снарядам. Сущность изобретения: в автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда, содержащий сумматор, первый вход которого является входом привода, последовательно соединенные релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину, выход которой является выходом привода и соединен через элемент обратной связи с вторым входом сумматора, введен корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с амплитудным ослаблением и фазовым опережением на частотах автоколебаний, выполненный в виде последовательно соединенных операционного усилителя, в прямой цепи которого включены первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены соответственно с входом привода и выходом элемента обратной связи, а в цепи отрицательной обратной связи -третий резистор, параллельно которому включена цепочка из последовательно соединенных четвертого резистора и интегрирующего конденсатора, и цепочки из параллельно соединенных пятого резистора и дифференцирующего конденсатора, выход которой через шестой резистор подключен к инвертирующему входу релейного элемента и к цепочке из параллельно включенных седьмого резистора и конденсатора, второй вывод которой подключен к общей шине. Изобретение позволяет повысить точность работы автоколебательного рулевого привода и повысить частоту автоколебаний. 3 ил.

Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда, содержащий сумматор, первый вход которого является входом привода, последовательно соединенные релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину, выход которой является выходом привода и соединен через элемент обратной связи с вторым входом сумматора, отличающийся тем, что в него введен корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с амплитудным ослаблением и фазовым опережением на частотах автоколебаний, выполненный в виде последовательно соединенных операционного усилителя, в прямой цепи которого включены первый и второй резисторы, первые выводы которых соединены соответственно с входом привода и выходом элемента обратной связи, а в цепи отрицательной обратной связи - третий резистор, параллельно которому включена цепочка из последовательно соединенных четвертого резистора и интегрирующего конденсатора, и цепочки из параллельно соединенных пятого резистора и дифференцирующего конденсатора, выход которой через шестой резистор подключен к инвертирующему входу релейного элемента и к цепочке из параллельно включенных седьмого резистора и конденсатора, второй вывод которой подключен к общей шине.