СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИМ РУЛЕВЫМ ПРИВОДОМ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1999 года по МПК F42B15/01 G05B11/16 

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

Известен способ управления и устройство для его реализации (аналог) электропневматическим рулевым приводом и автопилотом летательных аппаратов [Л.1,2]. Рулевой электропневматический привод [Л.1] представляет собой замкнутую автоматическую систему, в которой измеряют угол поворота рулей с помощью датчика обратной связи, сравнивают измеренное значение с заданным и формируют управляющий сигнал на привод в соответствии с ошибкой управления (рассогласования). Устройством, обеспечивающим усиление сигнала ошибки, является электронный (полупроводниковый) усилитель.

В известном автоколебательном автопилоте управляемого снаряда [Л.2], содержащем источник питания и последовательно соединенные блок вычитания, нелинейный элемент, усилитель мощности, рулевую машину с управляющим магнитом, датчик обратной связи, описан и реализован также способ управления по ошибке рассогласования как и в рулевом приводе [Л.1]. В нем для повышения точности нелинейный элемент выполнен в виде последовательно соединенных суммирующего элемента, линейного усилителя-ограничителя и дифференцирующего звена, подключенного выходом ко второму входу суммирующего элемента, причем вход суммирующего элемента соединен с выходом блока вычитания, а выход линейного усилителя-ограничителя соединен со входом усилителя мощности.

Недостатком известного технического решения [Л.2] является низкая точность удержания нулевого положения рулей при отсутствии сигнала управления (или после окончания переходного процесса в установившемся состоянии) из-за большой амплитуды автоколебаний на входе нелинейного элемента при действии на рулях нагрузки перекомпенсации в случае аэродинамически перекомпенсированного руля [Л.1, стр.146, 154], что практически широко имеет место [Л.1, стр. 24-25]. Это связано с тем, что при выборе положения оси вращения руля в середине диапазона возможных перемещений центра давления частичная перекомпенсация руля действительно выгодна для управляемого снаряда, так как она позволяет существенно уменьшить момент нагрузки на рулевой привод, а следовательно, уменьшить мощность привода и тем самым снизить его массогабаритные показатели.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является автоколебательный автопилот управляемого снаряда [Л.3]. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда содержит последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого является входом задания автопилота, корректирующий фильтр интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний, нелинейный 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.

В известном автоколебательном автопилоте [Л.3] описан и реализован способ управления по ошибке рассогласования, в котором для повышения точности отработки импульсных сигналов управления, поступающих, например, с выхода лазерной полуактивной головки самонаведения управляемого снаряда, формируют на выходе нелинейного (релейного) элемента управляющий сигнал на привод, для чего пропускают сигнал рассогласования через корректирующий фильтр с ограничением. Фильтр выполнен на операционном усилителе, в прямой цепи которого включен первый масштабный резистор, а в цепи отрицательной обратной связи - второй масштабный резистор, параллельно которому включены цепочка из последовательно соединенных третьего масштабного резистора и интегрирующего конденсатора, а также ограничительный элемент, выполненный в виде двух встречно включенных стабилитронов.

Недостатками известного автоколебательного автопилота [Л.3] являются:
1. Низкое быстродействие (увеличение времени поворота рулей из нулевого положения на максимальный угол-на упор) автопилота и неотработка максимального угла поворота рулей при подаче на вход автопилота импульсного сигнала управления из-за ограничения сигнала ошибки в корректирующем фильтре.

2. Низкая точность отработки переднего фронта импульса управления из-за различного времени перемещения рулей из нулевого положения на максимальный угол, связанного с несовпадением фазы автоколебаний (сравнительно низкой частоты автоколебаний, измеряемой несколькими десятками Гц, например, около 30 - 40 Гц) и момента подачи импульса управления, а также снижение точности отработки за счет уменьшения быстродействия привода (см.п.1).

3. Низкая точность удержания нулевого положения рулей при отсутствии сигнала управления из-за большой амплитуды автоколебавий на входе нелинейного (релейного) элемента автопилота из-за сравнительно низкой частоты автоколебаний в условиях действия на рулях нагрузки перекомпенсации.

4. Большое перерегулирование переходного процесса около нулевого положения рулей при отключении импульсного сигнала управления на входе автопилота.

Целью предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и точности работы электропневматического рулевого привода управляемого снаряда, повышение качества переходного процесса (уменьшение перерегулирования) как при отработке рулевым приводом импульсных сигналов управления, так и при работе привода в режиме удержания нулевого положения рулей при отсутствии импульсных сигналов управления, т.е. тем самым устранение недостатков известных способа и устройств управления по ошибке рассогласования электропневматическим рулевым приводом управляемого снаряда [Л.2,3].

Указанная цель достигается за счет применения предлагаемого способа управления, суть которого заключается в следующем. На выходе релейного элемента формируют управляющий сигнал, для чего инвертируют сигнал угла поворота рулей и подают через дифференцирующее звено с передаточной функцией

и без преобразования соответственно на второй и третий входы релейного элемента, пропускают сигнал задания привода без преобразования на четвертый вход релейного элемента, и подают управляющий сигнал на привод, причем уровень сигнала задания выбирают из условия
U_зад • K_зад >> U_орг ^КФ • K_орг,
где U_зад - уровень сигнала задания (амплитуда импульса управления);
K_зад - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу U_зад.

U_орг ^КФ - уровень ограничения корректирующего фильтра,
K_огр - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу U_орг ^КФ,
а соотношение масштабных коэффициентов на входе релейного элемента по соответствующим сигналам с выходов инвертора и корректирующего фильтра выбирают из условия
K_инв << K_зад,
где K_инв - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу инвертора.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления, приведена на фиг. 1. Схема содержит корректирующий фильтр 1 интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний, релейный элемент 2, привод 3 в составе усилителя мощности (УМ) 4, управляющего электромагнита (УЭМ) 5 и исполнительного пневмодвигателя (ИД) 6, датчик обратной связи (ДОС) 7, дифференцирующее звено, реализованное на операционном усилителе ОУ 4, инвертор, реализованный на операционном усилителе ОУ5, и блок задания (БЗ) 8 импульсного сигнала управления. Блок вычитания сигналов задания и обратной связи привода схемно совмещен с корректирующим фильтром, выполненным на операционном усилителе ОУ1, в прямой цепи которого включен первый масштабный резистор R1, а в цепи отрицательной обратной связи - второй масштабный резистор R2,параллельно которому включены цепочка из последовательно соединенных третьего масштабного резистора R3 и интегрирующего конденсатора C1, а также ограничительный элемент, выполненный в виде двух встречно включенных стабилитронов VD1 и VD2. Релейный элемент выполнен на двух операционных усилителях ОУ2 и ОУЗ. На фиг.1 U_зад - сигнал управления (задания) привода, δ - угол поворота рулей.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии сигнала управления в замкнутом контуре привода вследствие отрицательной обратной связи и релейного элемента устанавливаются автоколебания, частота и амплитуда которых определяются параметрами линейной части и релейного элемента. На выходе релейного элемента при этом существуют прямоугольные колебания 50%-ной скважности частоты автоколебаний. Якорь управляющего электромагнита, поршень исполнительного пневмодвигателя и связанные с ним рули колеблются с частотой автоколебаний около нулевого среднего значения. Учитывая, что линейная часть привоза является фильтром низкой частоты, на выходе привода сигнал автоколебаний имеет форму, близкую к синусоидальной. В цепи ошибки замкнутого привода включен корректирующий фильтр интегридифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на высоких частотах (на 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 привода (точности удержания рулей в нулевом положении после отключения импульсного сигнала управления).

При подаче импульсного сигнала управления на вход привоза этот сигнал поступает одновременно без преобразования в корректирующем фильтре на вход ралейного элемента через масштабный резистор R9. Поскольку приведенный ко входу релейного элемента уровень сигнала задания (U_зад • K_зад, где K_зад = R5/R9 - масштабный коэффициент) существенно превышает уровень ограничения корректирующего фильтра, приведенного ко входу релейного элемента (U_орг ^кф•K_огр, где K_огр = R5/R4 - масштабный коэффициент), то с момента поступления сигнала задания на вход релейного элемента сигнал на выходе релейного элемента переключится скачком с 50%-ной скважности на 100%-ную и происходит отклонение рулей из нулевого среднего положения на максимальный угол(на упор) с максимальными скоростью и ускорением. С момента поступления сигнала на вход фильтра на выходе фильтра с крутым фронтом нарастает 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 с перерегулированием, определяемым как реакция замкнутого контура привода на скачкообразное изменение входного импульсного управляющего сигнала (на выключение). При этом процесс движения рулей около нулевого среднего положения носит колебательный характер с затуханием, определяемым демпфирующими свойствами замкнутого контура привода. 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 в управляющий сигнал на выходе релейного элемента сигнала угла поворота рулей, пропущенного через дифференцирующее звено с передаточной функцией

на операционном усилителе ОУ4 с одновременным инвертированием сигнала, позволяет существенно повысить демпфирующие свойства привода и уменьшить перерегулирование без заметного ущерба для снижения частоты автоколебаний.

Введение прямой связи со входа задания привода на вход релейного элемента позволяет обеспечить максимально достижимое быстродействие привода и обеспечить отработку максимального угла поворота рулей (по упорам) при отработке переднего фронта импульса управления, т.е. повысить быстродействие и точность работы привода.

Введение ограничения в корректирующем фильтре позволяет обеспечить максимальное быстродействие при отработке заднего фронта импульса управления, т.е. повысить точность работы привода.

Введение корректирующего фильтра интегродифференцирующего типа с преобладанием интегрирования на частотах автоколебаний позволяет повысить точность удержания нулевого положения рулей при отсутствии сигнала управления.

Введение в управляющий сигнал на выходе релейного элемента сигнала угла поворота рулей, пропущенного через инвертор на операционном усилителе ОУ5, с масштабным коэффициентом на входе релейного элемента, равным отношению R5/R15, причем выбрано, что R5/R15 << R5/R4,
где R5/R4 - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу с выхода корректирующего фильтра, позволяет повысить быстродействие привода при действии знакопеременной шарнирной нагрузки, пропорциональной углу атаки снаряда.

Типовая осциллограмма отработки электропневматическим рулевым приводом импульсного входного сигнала приведена на фиг. 2.

Все эти отмеченные достоинства позволили обеспечить в электропневматическом приводе 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 привода, использующего энергию набегающего потока воздуха, в широком диапазоне скоростей полета управляемого снаряда, 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) при отработке приводом импульсных сигналов управления), улучшить параметры переходного процесса (уменьшить время переходного процесса, уменьшить перерегулирование, уменьшить статическую ошибку) при повороте рулей с упора в нулевое положение при отключении импульсного сигнала управления и в результате повысить точность отработки приводом импульсных сигналов управления и точность удержания нулевого положения рулей при отсутствии (отключении) импульсных сигналов управления практически без заметного увеличения массы и габаритов аппаратуры в управляемом снаряде.

Источники информации.

1. электропневматический рулевой привод. Б.Г.Крымов, Л.В.Рабинович, В.Г. Стеблецов. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. Москва, "Машиностроение", 1987, стр.116, рис.3,4, стр.8,9.

2. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда. Заявка N 92012218/23. Класс 6 F 42 B 15/01, Изобретения N 24, ВНИИПИ, Москва, 1995. Положительное решение ВНИИГПЭ от 16 сентября 1996 г о выдаче патента на изобретение по заявке N 92012218/09 (н/вх. N 3866 от 1.10.96г).

3. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда. Патент N 2081446. Класс 6 G 05 B 11/16, F 42 B 15/01. Изобретения, N 16, ВНИИГПЭ, Москва, 1997г.

Изобретение относится к оборонной технике, к управляемым снарядам. Технический результат заключается в повышении быстродействия и точности работы электропневматического рулевого привода управляемого снаряда, повышении качества переходного процесса (уменьшение перерегулирования) как при отработке рулевым приводом импульсных сигналов управления, так и при работе привода в режиме удержания нулевого положения при отсутствии импульсных сигналов управления. В способе управления электропневматическим рулевым приводом управляемого снаряда измеряют угол поворота рулей δ, сравнивают измеренное значение с заданным, формируют управляющий сигнал на привод в соответствии с ошибкой управления углом поворота рулей Δδ, пропущенной через корректирующий фильтр с ограничением на первый вход релейного элемента привода, причем для формирования управляющего сигнала на привод дополнительно инвертируют сигнал угла поворота рулей и подают через дифференцирующее звено и без преобразования соответственно на второй и третий входы релейного элемента, пропускают сигнал задания без преобразования на четвертый вход релейного элемента. Устройство, реализующее способ, содержит блок задания, блок вычитания, корректирующий фильтр с ограничением, релейный элемент, усилитель мощности, управляющий электромагнит, исполнительный пневмодвигатель, датчик обратной связи, дифференцирующее звено и инвертор. 2 c.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления электропневматическим рулевым приводом управляемого снаряда, основанный на измерении угла поворота рулей δ, сравнении измеренного значения с заданным и формировании управляющего сигнала, подаваемого на привод, путем пропускания сигнала ошибки управления углом поворота рулей Δδ последовательно через корректирующий фильтр с ограничением и релейный элемент, отличающийся тем, что для формирования управляющего сигнала на привод дополнительно инвертируют сигнал угла поворота рулей и подают через дифференцирующее звено и непосредственно соответственно на второй и третий входы релейного элемента, на четвертый вход которого подают сигнал задания привода, причем уровень сигнала задания привода выбирают из условия.

И_зад • К_зад ≥ И_огр ^кф • К_огр,
где И_зад - уровень сигнала задания;
К_зад - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу И_зад;
И_огр ^кф - уровень ограничения корректирующего фильтра;
К_огр - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу И_огр ^кф,
а соотношение масштабных коэффициентов на входе релейного элемента по соответствующим сигналам с выходов инвертора и корректирующего фильтра выбирают из условия
К_инв ≤ К_зад,
где К_инв - масштабный коэффициент на входе релейного элемента по сигналу инвертора.