УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2002 года по МПК G05D1/08 G05B15/02 

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для измерения навигационных параметров с помощью избыточных измерительных систем, установленных на различных объектах, движущихся в пространстве.

Известно устройство управления пространственным положением объекта [1], содержащее восемь датчиков (измерителей) параметров движения, логическое устройство, пороговый элемент, коммутатор и ключ.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно содержит большое количество избыточных датчиков (четыре) и рассчитано на два отказа любых датчиков.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для управления пространственным положением объекта [2], содержащее сумматор, коммутатор, дешифратор и n (n = 4, 5, 6....) каналов управления, каждый из которых включает в себя измеритель (датчик) параметра движения с дискретным выходом.

К недостаткам устройства [2] следует отнести большую избыточность количества измерителей и, как следствие, низкую надежность.

Задача изобретения - увеличение точности определения пространственного положения и повышение надежности за счет снижения количества избыточных измерителей.

Эта задача достигается тем, что устройство для определения параметров пространственного положения объекта, содержащее n (n > 3) измерителей параметров движения и сумматор, содержит блок выбора конфигурации и n управляемых масштабных блоков, шина сигнала управления которых соединена с выходной шиной блока выбора конфигурации, каждый i-й (i=1...n) измеритель параметров движения соединен через i-й управляемый масштабный блок с сумматором, последовательно с которым включены интегратор и трехпозиционный релейный элемент, охваченные цепями отрицательной обратной связи через сумматор, а выход трехпозиционного релейного элемента соединен с входной шиной блока выбора конфигурации.

Блок выбора конфигурации выполнен в виде последовательно соединенных счетчика импульсов, счетный вход которого является входной шиной блока выбора конфигурации, и дешифратора, выход которого является выходной шиной блока выбора конфигурации.

Управляемый масштабный блок содержит подключенные к его входу m (m = 1, 2, 3. . .) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно включенные k - й (k = 1, 2,.... m) масштабирующий элемент и k - й ключ, выходы которых объединены и соединены с входом инвертирующего усилителя, первым входом переключателя и выходом (m+1)-го ключа, вход которого подключен к входу управляемого масштабного блока, выход инвертирующего усилителя соединен со вторым входом переключателя, выход которого является выходом управляемого масштабного блока, при этом управляющие входы ключей и переключателя образуют шину сигнала управления
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для определения пространственного положения объекта. На схеме показано:
1 - измеритель параметров движения (ИПД),
2 - управляемый масштабный блок (УМБ),
3 - шина сигнала управления,
4 - измерительный канал,
5 - шина выходного сигнала ИПД,
6 - сумматор,
7 - интегратор,
8 - трехпозиционный релейный элемент (ТРЭ),
9 - блок выбора конфигурации (БВК),
10 - входная шина БВК,
11 - выходная шина БВК,
12 - счетчик импульсов,
13 -дешифратор.

На фиг.2 в качестве примера реализации УМБ 2 показано:
14, 15 и 16 - первый, второй и m-й масштабирующие элементы соответственно, 17, 18, 19 и 20 - первый, второй, m-й и (m+1) - й ключи соответственно,
21 - инвертирующий усилитель,
22 - переключатель,
23 - 27 - линии шины 3 (управляющие входы переключателя, первого, второго, m-го и (m+1)-го ключей соответственно).

Устройство для определения параметров пространственного положения объекта выполнено следующим образом.

Последовательно соединенные ИПД 1 и УМБ 2 образуют измерительный канал 4, число которых в устройстве n>3. Выходы всех УМБ 2 (или, что одно и то же, выходы всех измерительных каналов 4) соединены с входами сумматора 6. Выходной сигнал сумматора 6 поступает на последовательно соединенные интегратор 7 и ТРЭ 8, которые охвачены цепями отрицательной обратной связи (ООС) через сумматор 6. Выход ТРЭ 8 соединен с входной шиной 10 БВК 9. Выходная шина 11 БВК 9 соединена с шинами сигнала управления 3 всех УМБ 2.

БВК 9 выполнен, как пример его реализации, в виде последовательно соединенных счетчика импульсов 12, счетный вход (входы) которого является входом БВК 9, и дешифратора 13, выход которого - выходная шина 11 БВК 9.

УМБ 2 (фиг.2) содержит m (m = 1, 2, 3...) параллельно соединенных цепей, в каждой из которых содержится последовательно включенные k-й (k = 1, 2,... m) масштабирующий элемент 14, 15, 16 и k-й ключ 17, 18, 19, выходы которых объединены и соединены с входом инвертирующего усилителя 21, первым входом переключателя 22 и выходом (m+1)-го ключа 20. Вход ключа 20 соединен с входами масштабирующих элементов; их общая точка является входом УМБ 2. Выход инвертирующего усилителя 21 соединен со вторым входом переключателя 22, выход которого является выходом УМБ 2. Управляющие входы ключей 17-20 соединены с линиями 24 - 27 шины сигнала управления 3. Управляющий вход переключателя 22 соединен с линией 23 шины сигнала управления 3.

Схема устройства для определения параметров пространственного положения объекта (фиг.1) работает следующим образом. Пусть устройство содержит n (для определенности, например, 6) ИПД 1, измерительные оси которых X_i (i = 1, 2,. .. n) расположены в пространстве под углом α_ij (i=1,2... n, i≠j) друг относительно друга, причем любые три оси не лежат в одной плоскости (условие оптимального использования измерителей).

В любой момент времени в устройстве используются четыре из n (из 6) ИПД 1. Обозначим порядковые номера этих ИПД как И1, И2, И3, И4, И5, И6. Пусть, для определенности, параметр движения - угловая скорость ω твердого тела. Для определения полного вектора требуется три ИПД (например, И2, И3, И4), измерения которых ω₂, ω₃, ω₄ определяют вектор согласно (1)

Спроектируем (1) на ось Х₁, получим
ω₁= ω₂cosα₁₂+ω₃cosα₁₃+ω₄cosα₁₄. (2)
Пусть в начальный момент времени на счетчике импульсов 12 устанавливается такое состояние, при котором на выходе БВК 9 формируются сигналы M₁, K₁₀, К₂₁, К₃₁, K₄₁ (комбинация 1 таблицы 1) на входах 23, 27 УМБ 2 (фиг.2) в первом измерительном канале 4, на входах 24 УМБ 2 второго, третьего и четвертого измерительных каналов 4 соответственно. В этом случае переключатель 22 УМБ 2 первого измерительного канала 4 своим выходом подключается (через свою внутреннюю структуру) к выходу инвертирующего усилителя 21.

Далее считаем, что при сигнале М =0 на входе 23 любого канала переключатель 22 своим выходом подключен к выходам ключей 17, 18, 19, 20, при M₁=1 (высокий уровень) переключатель 22 своим выходом подключен к выходу инвертирующего усилителя 21. Считаем также, что состояние М_i = 0, К_i0 = 0, К_ik = 0 соответствует отсутствию сигналов (низкий уровень), состояние М₁=1, К_i0= 1, К_ik=1 соответствует наличию сигналов (высокий уровень).

Следовательно, например, сигналы К₁₀=1, K₂₁=1, К₃₁=1, K₄₁=1 открывают ключ 20 УМБ 2 в первом измерительном канале 4 и ключи 17 второго, третьего и четвертого измерительных каналов 4 соответственно.

Предполагаем, что k-й масштабирующий элемент i-го измерительного канала имеет передаточный коэффициент m_ik, причем
m_ik= cosα_ij (k_→j). (4)
Запись k-->j означает, что выбранному значению k соответствует значение j, расположенное на k-м месте в ряду возрастающих значений j, например, при i = 2, k = 3 j (1, 3, 4, 5, 6) имеет значение 4. Сигнал U₇ для рассматриваемого случая можно представить в операторном виде:

где U_н = U_4-1+ U_4-2+U_4-3+U_4-4 (U_4-i - выходной сигнал i-го измерительного канала),
К_7-6- коэффициент передачи сигнала U₇ на сумматор 6,
Т=1/К_7-6 - постоянная времени апериодического звена, образованного интегратором 7 и цепью ООС с коэффициентом передачи К_7-6.

В рассматриваемом случае U_4-5 = 0, U_4-6 = 0, так как все ключи 17, 18, 19, 20 5-го и 6-го измерительных каналов закрыты (сигналы K_5k и K_6k равны нулю, таблица, комбинация 1).

В этом случае
U_Н= -ω₁+ω₂cosα₁₂+ω₃cosα₁₃+ω₃cosα₁₄. (6)
Сигнал ω₁ имеет знак минус, так как в рассматриваемом случае сигнал М₁=1 и переключатель 22 УМБ 2 первого измерительного канала управления 4 подключен к инвертирующему усилителю 21.

Постоянная времени Т (5) выбирается из условий: а) фильтрации высокочастотных составляющих выходных сигналов ИПД, обусловленных электромагнитными наводками, технологическими погрешностями и т.п., а также, например, высокочастотными колебаниями корпуса объекта, если ИПД (один или несколько) расположены в разных частях конструкции управляемого объекта и б) минимальной задержки при анализе нештатной работы ИПД.

Можно указать на следующие оценки при выборе постоянной времени Т: для медленных процессов управления, например, при управлении ориентацией орбитальной космической станции значение постоянной времени может быть до 5 с, при относительно быстрых процессах и с учетом динамических характеристик измерителей значение постоянной времени может быть до 0,05-0,5 с.

При исправной работе всех ИПД 1 (первый, второй, третий и четвертый) в соответствии с (2) сигнал U₇ имеет малое значение, определяемое собственными ненулевыми сигналами. В соответствии с возможными значениями этих сигналов выбирается такое значение h зоны нечувствительности ТРЭ 8, при котором сумма ненулевых сигналов исправных измерителей не вызывает срабатывания ТРЭ 8.

Предположим, что в некоторый момент времени t произошел отказ одного из четырех рассматриваемых ИПД 1. Тогда сигнал U₇ на выходе интегратора 7 начнет изменяться. При U₇ = h (-h) срабатывает ТРЭ 8 и его выходной сигнал U₈ = 1 поступает на входную шину 10 БВК 9 и одновременно на сумматор 6. За счет действия сигнала U₈ = 1, в виде ООС, происходит уменьшение сигнала U₇ и выключение ТРЭ 8, вследствие чего на входной шине 10 БВК 9 формируется одиночный импульсный сигнал (положительный либо отрицательный). По переднему (или заднему фронту) указанного сигнала модифицируется код на выходной шине 11 БВК 9.

Модификация происходит, например, следующим образом. По появлению одиночного импульсного сигнала на счетном входе счетчика 12 последний изменяет свое состояние и изменяет управляющий код дешифратора 13 на единицу, устанавливая на его выходе комбинацию 2 таблицы.

Если выбрана исправно работающая комбинация измерителей, то сигнал U₇<h, и ТРЭ 8 находится в выключенном состоянии (U₈ = 0).

Если вновь выбранная комбинация четырех из шести измерителей имеет отказавший ИПД, то при достижении сигналом U₇ порога срабатывания ТРЭ 8 последним формируется импульсный сигнал, модифицирующий выходной сигнал БВК 9.

Далее процесс будет повторяться, пока не будет найдена конфигурация (в соответствии с таблицей), при которой прекратится формирование импульсного сигнала на выходе ТРЭ 8. Здесь следует отметить, что указанный импульсный сигнал передается также в вычислитель системы управления объектом, где он анализируется с точки зрения: от какой структуры (исправной или неисправной) используются сигналы для управления объектом. Номер структуры также поступает в вычислитель системы управления в виде выходного сигнала БВК 9.

Таким образом, рассмотренное устройство обеспечивает выбор любых четырех исправно работающих измерителей параметров движения (например, формируемые в рассматриваемом случае команды K₂₁, К₃₁, К₄₁ соответствуют исправно работающим второму, третьему и четвертому ИПД).

Оценим надежность предлагаемого устройства и устройства прототипа. Основным элементом, определяющим надежность устройства, является измеритель параметров движения. Надежность электронной части устройства может быть достигнута сколь угодно высокой, поэтому в расчете будем учитывать только надежность измерителей параметров движения.

Пусть Р - надежность одного измерителя параметра движения. Оценим надежность Р₁ известного устройства [2] и надежность Р₂ предлагаемого устройства. В известном устройстве число ИПД n = 7, количество возможных отказов 2. Надежность P₁ определяется равенством
P₁ = Р⁷ + 7Р⁶(1 - Р) + 21 Р⁵(1 - Р)². (7)
В предлагаемом устройстве для такого же числа ИПД n = 7 число возможных отказов 3. Надежность Р₂ определяется равенством
Р₂ = Р⁷ + 7Р⁶(1 - Р) + 21 Р⁵(1 - Р)² + 35Р⁴(1 - Р)³. (8)
Для Р = 0,9 надежность Р₁ = 0,9743, надежность Р₂ = 0,9973. Вероятность отказа известного устройства λ₁= 1-P₁= 0,0257, вероятность отказа λ₂= 1-P₂= 0,0027, т. е. вероятность отказа предлагаемого устройства значительно меньше вероятности отказа известного устройства.

Оценим надежность Р₃ предлагаемого устройства при n = 6. В этом случае
Р₁ = Р⁶ + 6Р⁵(1 - Р) + 15 Р⁴(1 - Р)². (9)
При Р = 0,9 Р₃ = 0,9842. Вероятность отказа λ₃= 1-P₃= 0,0158. В этом случае вероятность отказа предлагаемого устройства λ₃ меньше вероятности отказа известного устройства λ₁.
Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации устройства можно использовать операционные усилители, логические микросхемы, счетчики, коммутаторы, дешифраторы, например, серии 544 и 564.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 489078 G 05 B 15/02, G 05 D1/02 от 25.10.1975. Система управления пространственным положением объекта.

2. Авторское свидетельство СССР N 613291 G 05 B 15/02, G 05 D 1/02 от 30.06.1978. Устройство для управления пространственным положением объекта.

Изобретение относится к области автоматического управления и может быть использовано для измерения навигационных параметров с помощью избыточных измерительных систем, установленных на различных объектах, движущихся в пространстве. Технический результат - увеличение точности определения пространственного положения и повышение надежности за счет снижения количества избыточных измерителей. Изобретение позволяет выявить группу исправных измерителей, достаточную для оценки положения динамического объекта в пространстве при его наблюдении и управлении. Оценка исправной группы измерителей производится в устройстве по допусковому контролю отфильтрованной линейной комбинации сигналов группы из четырех измерителей параметров движения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство для определения параметров пространственного положения объекта, содержащее n (n>3) измерителей параметров движения и сумматор, отличающееся тем, что оно содержит блок выбора конфигурации и n управляемых масштабных блоков, шина сигнала управления которых соединена с выходной шиной блока выбора конфигурации, каждый i-й (i= l. . . n) измеритель параметров движения соединен через i-й управляемый масштабный блок с сумматором, последовательно с которым включены интегратор и трехпозиционный релейный элемент, охваченные цепями отрицательной обратной связи через сумматор, а выход трехпозиционного релейного элемента соединен с входной шиной блока выбора конфигурации. 2. Устройство для определения параметров пространственного положения объекта по п. 1, отличающееся тем, что блок выбора конфигурации выполнен в виде последовательно соединенных счетчика импульсов, счетный вход которого является входной шиной блока выбора конфигурации, и дешифратора, выход которого является выходной шиной блока выбора конфигурации. 3. Устройство для определения параметров пространственного положения объекта по п. 1, отличающееся тем, что управляемый масштабный блок содержит подключенные к его входу m (m = 1, 2, 3. . . . ) параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательно включенные k-й (k = 1, 2, . . . , m) масштабирующий элемент и k-й ключ, выходы которых объединены и соединены с входом инвертирующего усилителя, первым входом переключателя и выходом (m + 1)-го ключа, вход которого подключен к входу управляемого масштабного блока, выход инвертирующего усилителя соединен с вторым входом переключателя, выход которого является выходом управляемого масштабного блока, при этом управляющие входы ключей и переключателя образуют шину сигнала управления.