АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ АВТОПИЛОТ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА Российский патент 1998 года по МПК G05B11/16 

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

Известен [1] автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда по заявке N 93032538 (аналог), по которой получено положительное решение [2] о выдаче патента на изобретение.

Наиболее близким [3] к изобретению является известный автоколебательный автопилот управляемого снаряда по заявке N 93000704 (прототип), по которой получено положительное решение [4] о выдаче патента на изобретение. Автоколебательный автопилот содержит последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого является входом задания автопилота, корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний с ограничительными элементами, выполненный на операционном усилителе, нелинейный (релейный) элемент, усилитель мощности и рулевую машину, выход которой является выходом автопилота и подключен через датчик обратной связи к второму входу блока вычитания. Вследствие наличия отрицательной обратной связи и релейного элемента рули работают в автоколебательном режиме.

В функционировании известного автоколебательного автопилота с импульсными сигналами управления можно выделить два режима: режим отработки большого входного ступенчатого воздействия и режим согласования и удержания нулевого положения при отсутствии (отключении) на входе автопилота импульсного сигнала управления.

Первый режим характеризуется функционированием автопилота на предельных ускорениях и скоростях, определяющим критерием качества при этом является минимальное время поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол.

Критерием эффективности в режиме согласования и удержания нулевого положения является минимальное время перемещения рулей с упора в нулевое положение, перерегулирование и статическая точность удержания рулей в нулевом положении.

Недостатком известного автоколебательного автопилота управляемого снаряда является низкое быстродействие (большое время поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол) при функционировании автопилота в первом режиме из-за ограничения выходного напряжения и инерционности корректирующего фильтра.

Введение корректирующего фильтра интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний и ограничительных элементов в нем позволили обеспечить критерии эффективности (статическую точность удержания рулей в нулевом положении и минимальное время перемещения рулей с упора в нулевое положение) при функционировании автопилота во втором режиме. Ограничение выходного напряжения в фильтре за счет введенных в него ограничительных элементов является эффективным техническим средством в части уменьшения времени переходного процесса при отработке заднего фронта импульса управления при функционировании автопилота в этом режиме, причем чем меньше уровень ограничения, тем меньше время переходного процесса. Однако эта необходимая минимальная величина ограничения в фильтре для нормального функционирования автопилота во втором режиме входит в противоречие с потребной максимальной величиной ограничения для нормального функционирования автопилота в первом режиме при отработке переднего фронта импульса управления.

Цель изобретения - повышение быстродействия автопилота (уменьшение времени поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол) и обеспечение максимального угла поворота рулей (по упорам) при отработке автопилотом импульсных сигналов управления, т.е. при функционировании автопилота в первом режиме.

Это достигается тем, что в автоколебательном автопилоте, содержащем последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого является входом задания автопилота, корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний с ограничительными элементами, выполненный на операционном усилителе, релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину с управляющим магнитом, выход которой является выходом автопилота и подключен через датчик обратной связи к второму входу блока вычитания, согласно изобретению вход задания автопилота соединен с дополнительным управляющим входом релейного элемента.

На фиг. 1 представлен автоколебательный автопилот, состоящий из блока 1 вычитания (БВ), корректирующего фильтра (КФ) 2 с ограничениями, релейного элемента (РЭ) 3, усилителя мощности (УМ) 4, рулевой машины (РМ) 5 в составе управляющего электромагнита (УЭМ) 6, исполнительного двигателя (ИД) 7, связанного с рулями, датчика обратной связи (ДОС) 8, подключенного к сравнивающему входу блока вычитания (БВ) 1.

Принципиальная электрическая схема корректирующего фильтра с ограничительными элементами (встречно включенными стабилитронами VD1, VD2) выполнена на операционном усилителе и приведена на фиг. 2, причем блок вычитания (БВ) 1 схемно совмещен с корректирующим фильтром.

На фиг. 1 и 2 представлены U_вх - сигнал управления (задания) автопилота; δ - угол поворота рулей; U_ос - сигнал обратной связи автопилота; U_вых - сигнал на выходе корректирующего фильтра.

Принципиальная схема релейного элемента представлена на фиг. 3 и выполнена на операционном усилителе (микросхеме типа 153VD2) с положительной обратной связью, реализованной с помощью резисторов R3 и R4. Релейный элемент имеет два управляющих входа, из которых один (U_вх1) подключен к выходу корректирующего фильтра с ограничением, а другой дополнительный (U_вх2) - к входу задания автопилота. Входы выполнены с помощью масштабных резисторов R1, R2, подключенных к инвертирующему входу операционного усилителя.

Автопилот работает следующим образом.

При отсутствии сигнала управления в контуре автопилота вследствие отрицательной обратной связи и релейного элемента устанавливаются автоколебания, частота и амплитуда которых определяется параметрами линейной части и релейного элемента. На выходе релейного элемента при этом существуют прямоугольные колебания 50%-ной скважности частоты автоколебаний. Якорь управляющего электромагнита, поршень рулевой машины и связанные с ним рули колеблются с частотой автоколебаний около нулевого среднего положения. Учитывая, что линейная часть автопилота является фильтром низкой частоты, на выходе автопилота сигнал частоты автоколебаний имеет форму, близкую к синусоидальной. В цепи ошибки автопилота включен корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на высоких частотах (частотах автоколебаний) с передаточной функцией

где
T₂>T₁.

На выходе корректирующего фильтра амплитуда автоколебаний уменьшается на величину амплитудного ослабления фильтра на частоте автоколебаний, чем достигается увеличение коэффициента передачи релейного элемента для повышения точности работы автопилота (статической точности удержания рулей в нулевом положении при функционировании автопилота во втором режиме).

При подаче импульсного сигнала управления на вход автопилота этот сигнал поступает одновременно без преобразования в корректирующем фильтре на дополнительный управляющий вход релейного элемента и на вход корректирующего фильтра. С момента поступления сигнала на дополнительный вход релейного элемента со входа задания автопилота сигнал на выходе релейного элемента переключится скачком с 50%-ной скважности на 100%-ную и происходит отклонение рулей на максимальный угол с максимальными скоростью и ускорением. С момента поступления сигнала на вход фильтра на выходе фильтра с крутым фронтом нарастет выходной сигнал, как реакция дифференцирующей части фильтра, определяемой постоянной времени T₁, на передний фронт импульсного входного сигнала, нарастание идет до величины, определяемой уровнем ограничения ограничительных элементов фильтра (встречно включенных стабилитронов VD1, VD2).

При отключении импульсного сигнала управления выходной сигнал фильтра с уровня ограничения будет уменьшаться сразу с крутым фронтом (за счет дифференцирующих свойств фильтра) и стремиться к нулевому положению. Под действием максимального сигнала обратной связи (так как в результате отработки сигнала управления рули находятся на упоре и сигнал с выхода датчика обратной связи будет иметь максимальное значение) рули будут перемещаться с упора в нулевое положение.

За счет введения ограничения в корректирующий фильтр сформирован необходимый противоимпульс управления, действующий в момент схода рулей с упора, что позволяет улучшить качество переходного процесса (уменьшить время переходного процесса) при перемещении рулей с упора в нулевое положение без снижения точности удержания рулей в нулевом положении.

Введение прямой связи до входа задания автопилота на дополнительный вход релейного элемента позволяет обеспечить максимально достижимое быстродействие автопилота и отработку максимального угла поворота рулей (по упорам) при отработке переднего фронта импульса управления.

Это достоинство в сочетании с минимально возможным временем переходного процесса при перемещении рулей с упора в нулевое положение (при отработке заднего фронта импульса управления) за счет ограничения в фильтре и высокой точностью удержания рулей в нулевом положении за счет фильтра позволило обеспечить в автоколебательном автопилоте с импульсными сигналами управления 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, например, артиллерийского снаряда с головкой самонаведения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным позволяет повысить быстродействие, уменьшить время поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол и обеспечить отработку максимального угла поворота рулей (по упорам) и в результате повысить точность отработки автопилотом импульсных сигналов управления практически без увеличения массы и габаритов аппаратуры в управляемом снаряде.

Источники информации
1. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда. Заявка N 93032538, N 24, ВНИИПИ, М., 1996, с.39.

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

3. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда. Заявка N 93000704, N 23, ВНИИПИ, М., 1995, с. 75.

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

Изобретение относится к оборонной технике, в частности к управляемым снарядам. Технический результат заключается в повышении быстродействия автопилота (уменьшении времени поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол) и обеспечении максимального угла поворота рулей (по упорам) при отработке автопилотом импульсных сигналов управления. Технический результат достигается за счет того, что в автоколебательном автопилоте, содержащем последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого является входом задания автопилота, корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний и ограничительными элементами, выполненный на операционном усилителе, релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину с управляющим магнитом, выход которой является выходом автопилота и подключен через датчик обратной связи к второму входу блока вычитания, вход задания автопилота соединен с дополнительным управляющим входом релейного элемента. 3 ил.

Автоколебательный автопилот управляемого снаряда, содержащий последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого является входом задания автопилота, корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний с ограничительными элементами, выполненный на операционном усилителе, релейный элемент, усилитель мощности и рулевую машину с управляющим магнитом, выход которой является выходом автопилота и подключен через датчик обратной связи к второму входу блока вычитания, отличающийся тем, что в нем вход задания автопилота соединен с дополнительным управляющим входом релейного элемента.