СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СТАБИЛИЗИРУЕМЫМ ПАРАМЕТРОМ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2003 года по МПК G05D1/08 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования полета и может быть использовано для уменьшения отклонения стабилизируемого параметра подвижных объектов типа самолет, вертолет, экраноплан, дельталет и подобных от опорного значения под действием возмущений.

Известен способ управления центром масс экраноплана в вертикальной плоскости (высотой полета) путем отклонения рулевого органа - закрылков (Диомидов В.Б. Автоматическое управление движением экранопланов. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 1996)-[1, с.109]. Способ включает в себя измерение стабилизируемого параметра - отклонения высоты полета от опорного значения и скорости изменения стабилизируемого параметра - вертикальной скорости полета, усиление измеренных величин, формирование управляющих сигналов, суммирование управляющих сигналов с последующим преобразованием полученного сигнала в угловое перемещение закрылков.

Известно устройство управления центром масс экраноплана в вертикальной плоскости (высотой полета) путем отклонения рулевого органа - закрылков - [1, с.109, 111], реализующее закон управления вида

содержащее измеритель стабилизируемого параметра - отклонения текущей высоты полета от опорного значения, выход которого соединен с первым входом суммирующего усилителя, измеритель скорости отклонения стабилизируемого параметра - вертикальной скорости, выход которого соединен со вторым входом суммирующего усилителя, выход которого соединен с входом рулевого агрегата, воздействующего через силовой бустер на закрылки.

В качестве прототипа взят способ управления угловым движением экраноплана путем отклонения рулевого органа - руля высоты - [1, с.86]. Способ включает в себя измерение стабилизируемого параметра - отклонения текущего значения угла тангажа от опорного значения и скорости изменения стабилизируемого параметра - угловой скорости, формирование управляющих сигналов, суммирование управляющих сигналов с последующим преобразованием полученного сигнала в угловое перемещение руля высоты.

Известно устройство управления угловым движением экраноплана путем отклонения рулевого органа - руля высоты - [1, с.100], реализующее закон управления вида
δ_в = K_ϑΔϑ+K_ωω_z,
содержащее измеритель стабилизируемого параметра - отклонения угла тангажа от опорного значения, выход которого соединен с первым входом суммирующего усилителя, измеритель скорости изменения стабилизируемого параметра - угловой скорости, выход которого соединен со вторым входом суммирующего усилителя, выход которого соединен со входом рулевого агрегата, воздействующего через силовой бустер на закрылки.

Характерными для подвижного объекта являются возмущения, вызванные порывами ветра. Для низколетящих подвижных объектов наиболее неблагоприятными являются возмущения в виде горизонтальных порывов ветра, которые вызывают подлет или, что более опасно, просадку подвижного объекта (особенно существенно для низколетящего самолета и дельталета, вертолета в режиме висения на небольших высотах, а также экраноплана - вплоть до касания корпусом подстилающей поверхности). Для эффективного противодействия порывам ветра необходимо увеличить коэффициент демпфирования подвижного объекта: при этом уменьшится отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения под действием возмущения, но возрастет время переходного процесса, в течение которого подвижный объект вернется к опорному значению стабилизируемого параметра полета по окончании действия возмущения. Для более эффективного противодействия возмущениям и сокращения времени переходного процесса по стабилизируемому параметру необходимо использовать переменное демпфирование, зависящее от характера движения подвижного объекта и величины отклонения стабилизируемого параметра от опорного значения.

В аналоге и прототипе возможность изменения коэффициента демпфирования отсутствует.

Ставится задача создания способа и устройства управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта путем отклонения рулевого органа с эффективным парированием ветровых возмущений.

Поставленная задача достигается тем, что по способу, по которому производят измерение скорости изменения стабилизируемого параметра и отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения, формирование управляющих сигналов, суммирование управляющих сигналов с последующим преобразованием полученного сигнала в угловое перемещение рулевого органа, дополнительно производят формирование нелинейного управляющего сигнала вида

где - расчетное значение коэффициента демпфирования в линейной системе, - текущее значение скорости изменения стабилизируемого параметра,

где М - некоторый постоянный коэффициент, ΔX - отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения,

где ΔX₀ - постоянная неотрицательная величина.

Устройство управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта содержит измеритель отклонения стабилизируемого параметра от опорного значения - позиционный датчик (ДП), выход которого соединен с первым входом первого суммирующего усилителя, измеритель скорости изменения стабилизируемого параметра, рулевой агрегат, вход которого соединен с выходом первого суммирующего усилителя, действующий через силовой бустер на рулевой орган, дополнительно введен блок формирования нелинейного управляющего сигнала вида

где - расчетное значение коэффициента демпфирования в линейной системе, - текущее значение скорости изменения стабилизируемого параметра,

где М - некоторый постоянный коэффициент, ΔX - отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения,

где ΔX₀ - постоянная неотрицательная величина,
первый вход которого соединен с выходом измерителя отклонения стабилизируемого параметра от опорного значения, второй вход соединен с выходом измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра и выход которого соединен со вторым входом первого суммирующего усилителя, содержащий последовательно соединенные блок вычисления модуля и блок усилителя с нечувствительностью, третий блок умножения и релейный блок, выходная характеристика которого имеет вид

где х - значение сигнала на входе релейного блока, y - значение сигнала на выходе релейного блока,
а также первый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом блока усилителя с нечувствительностью, второй вход которого соединен с выходом релейного блока и выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого является выходом блока формирования нелинейного управляющего сигнала, а второй вход, соединенный со вторым входом второго блока умножения и вторым входом третьего блока умножения, является вторым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала, выход которого является выходом блока формирования нелинейного управляющего сигнала, первым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала является вход блока вычисления модуля, соединенный с первым входом третьего блока умножения; блок усилителя с нечувствительностью содержит усилитель, вход которого является входом блока усилителя с нечувствительностью и выход которого соединен с первым входом второго суммирующего усилителя, последовательно соединенные инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя, и усилитель с насыщением, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего усилителя, выход которого является выходом блока усилителя с нечувствительностью.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для управления стабилизируемым параметром подвижного объекта; на фиг.2 - блок-схема реализации блока формирования нелинейного управляющего сигнала; на фиг.3 - блок усилителя с нечувствительностью.

Устройство содержит:
1 - измеритель отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения;
2 - измеритель скорости изменения стабилизируемого параметра полета;
3 - блок формирования нелинейного управляющего сигнала;
4 - первый суммирующий усилитель;
5 - рулевой агрегат;
6 - силовой бустер.

Приняты следующие обозначения:
i_xΔX - сигнал, снимаемый с измерителя отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения;
- сигнал, снимаемый с измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра;
- сигнал, получаемый на выходе блока формирования нелинейного управляющего сигнала;
ϕ - угол поворота рулевого органа.

Выход измерителя отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения 1 соединен с первым входом первого суммирующего усилителя 4. Выход измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра 2 соединен со вторым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3. Первый вход блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3 соединен с выходом измерителя отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения 1, а выход соединен со вторым входом первого суммирующего усилителя 4. Вход рулевого агрегата 5 соединен с выходом первого суммирующего усилителя 4, а выход рулевого агрегата 5 соединен с входом силового бустера 6, непосредственно воздействующего на рулевой орган.

Блок формирования нелинейного управляющего сигнала (фиг.2) содержит:
7 - блок вычисления модуля;
8 - блок усилителя с нечувствительностью;
9 - первый блок умножения;
10 - второй блок умножения;
11 - сумматор;
12 - третий блок умножения;
13 - релейный блок.

Блок формирования нелинейного управляющего сигнала содержит последовательно соединенные блок вычисления модуля 7 и блок усилителя с нечувствительностью 8, третий блок умножения 12 и релейный блок 13, выходная характеристика которого имеет вид

где х - значение сигнала на входе релейного блока 13, y - значение сигнала на выходе релейного блока 13,
а также первый блок умножения 9, первый вход которого соединен с выходом блока усилителя с нечувствительностью 8, второй вход которого соединен с выходом релейного блока 13, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 10, выход которого соединен с первым входом сумматора 11, второй вход которого, соединенный со вторым входом второго блока умножения 10 и вторым входом третьего блока умножения 12, является вторым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3, а выход которого является выходом блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3, первым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3 является вход блока вычисления модуля 7, соединенный с первым входом третьего блока умножения 12.

Блок усилителя с нечувствительностью содержит (фиг.3):
14 - усилитель;
15 - второй суммирующий усилитель;
16 - инвертор;
17 - усилитель с насыщением.

Блок усилителя с нечувствительностью 8 содержит усилитель 14, вход которого является входом блока усилителя с нечувствительностью 8 и выход которого соединен с первым входом второго суммирующего усилителя 15, последовательно соединенные инвертор 16, вход которого соединен с выходом усилителя 14, и усилитель с насыщением 17, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего усилителя 15, выход которого является выходом блока усилителя с нечувствительностью 8.

Работа устройства происходит следующим образом. При появлении возмущающего воздействия происходит отклонение стабилизируемого параметра полета от опорного значения. Сигнал i_xΔX, пропорциональный отклонению стабилизируемого параметра полета от опорного значения, снимается с выхода измерителя отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения 1 и поступает на первый вход первого суммирующего усилителя 4 и на первый вход блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3. Сигнал , пропорциональный скорости изменения стабилизируемого параметра полета, снимается с выхода измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра полета 2 и поступает на второй вход блока формирования нелинейного сигнала управления 3. Блок формирования нелинейного управляющего сигнала 3 производит формирование управляющего сигнала вида

где - расчетное значение коэффициента демпфирования в линейной системе, - текущее значение скорости изменения стабилизируемого параметра,

где М - некоторый постоянный коэффициент, ΔX - отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения,

где ΔX₀ - постоянная неотрицательная величина.

Формирование нелинейного управляющего сигнала происходит следующим образом. Сигнал, пропорциональный отклонению стабилизируемого параметра полета от опорного значения с выхода измерителя отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения 1, поступает на вход блока вычисления модуля 7 и на первый вход третьего блока умножения 12, где происходит его умножения с сигналом, пропорциональным скорости изменения стабилизируемого параметра полета, который поступает на второй вход третьего блока умножения 12, второй вход сумматора 11 и второй вход второго блока умножения 10 с выхода измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра 2. Сигнал, пропорциональный модулю отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения, поступает с выхода блока вычисления модуля 7 на вход блока усилителя с нечувствительностью 8, коэффициент усиления которого равен М/i_x.

Нечувствительность блока 8 задается с целью обеспечения стабилизации параметра движения объекта по линейному закону вблизи его опорного значения и исключения повышенного противодействия управляющим и программным изменениям стабилизируемого параметра со стороны системы управления, так как коэффициент демпфирования при движении объекта вблизи опорного значения стабилизируемого параметра не выходит в область повышенного демпфирования.

Работа блока усилителя с нечувствительностью происходит следующим образом. Сигнал на усилителе 14, вход которого является входом блока 8, усиливается с коэффициентом усиления K/i_x и поступает на первый вход второго суммирующего усилителя 15, коэффициент усиления которого равен М/К, и на вход инвертора 16. С выхода инвертора 16 сигнал поступает на вход усилителя с насыщением 17, выход которого соединен с вторым входом второго суммирующего усилителя 15. Если сигнал на входе усилителя с насыщением 17 лежит в его зоне пропорциональности, то сигнал на выходе блока 15 принимает нулевое значение, в противном случае сигнал принимает значение, равное
ΔX-ΔX₀signΔX,
где ΔX - значение сигнала на входе блока 8, ΔX₀ - максимальное значение сигнала на выходе блока 17. Изменением коэффициента усиления К достигается изменение скорости достижения зоны насыщения блока 17 и, как следствие, меняется зона нечувствительности блока 8.

С выхода блока усилителя с нечувствительностью 8 сигнал поступает на первый вход первого блока умножения 9. На второй вход первого блока умножения 9 поступает сигнал с выхода релейного блока 13, принимающий нулевое или единичное значение. Нулевое значение сигнал на выходе релейного блока 13 принимает при отрицательном значении сигнала на входе, который соединен с выходом третьего блока умножения 12, а единичное значение - при положительном значении сигнала на входе. С выхода первого блока умножения 9 полученный сигнал поступает на первый вход второго блока умножения 10, где происходит его умножение с сигналом, пропорциональным скорости изменения стабилизируемого параметра. С выхода второго блока умножения 10 сигнал вида поступает на первый вход сумматора 11, где происходит его суммирование с сигналом, пропорциональным скорости изменения стабилизируемого параметра полета. Сформированный нелинейный управляющий сигнал вида c выхода сумматора 11, являющегося выходом блока формирования нелинейного управляющего сигнала 3, поступает на второй вход первого суммирующего усилителя 4.

На суммирующем усилителе 4 происходит суммирование управляющих сигналов со своими коэффициентами усиления. С выхода суммирующего усилителя 4 сформированный сигнал поступает на рулевой агрегат 5, который через силовой бустер 6 воздействует на рулевой орган и отклоняет его в направлении противодействия внешнему возмущению.

При использовании предложенного способа управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта уменьшается как величина отклонения стабилизируемого параметра полета под действием возмущения, так и время возвращения стабилизируемого параметра полета к опорному значению по окончании действия возмущения.

Устройство, реализующее данный способ, включает в себя простые в реализации схемы, состоящие из общедоступных элементов, и характеризуется малыми габаритными размерами и небольшим энергопотреблением.

Данный способ управления и устройство для его реализации могут применяться на различных типах подвижных объектов, где также будет эффективным введение нелинейного управляющего сигнала.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования полета и может быть использовано для уменьшения отклонения стабилизируемого параметра подвижных объектов от опорного значения под действием возмущений. Технический результат заключается в повышении эффективности парирования возмущений, действующих на объект, и сокращении времени переходного процесса по стабилизируемому параметру. Способ управления заключается в том, что управляющий сигнал формируют в виде суммы двух сигналов, один из которых представляет собой измеренное отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения, а второй сигнал является нелинейным и зависит от скорости изменения стабилизируемого параметра, полученный управляющий сигнал преобразуют в угловое перемещение рулевого органа. Устройство управления стабилизируемым параметром подвижного объекта содержит измеритель отклонения стабилизируемого параметра от опорного значения, измеритель скорости изменения стабилизируемого параметра, рулевой агрегат, суммирующий усилитель, блок формирования нелинейного управляющего сигнала, в состав которого входят блок вычисления модуля, блок усилителя с нечувствительностью, три блока умножения, сумматор, релейный блок. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта, по которому производят измерение скорости изменения стабилизируемого параметра и измерение отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения, подают упомянутое измеренное отклонение на первый вход суммирующего усилителя, сигнал с выхода которого преобразуют в угловое перемещение рулевого органа, отличающийся тем, что дополнительно производят формирование нелинейного управляющего сигнала вида

где - расчетное значение коэффициента демпфирования в линейной системе;
- текущее значение скорости изменения стабилизируемого параметра;

где М - некоторый постоянный коэффициент, ΔХ - отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения,

где ΔХ_о - постоянная неотрицательная величина;
сформированный нелинейный управляющий сигнал подают на второй вход суммирующего усилителя. 2. Устройство управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта, содержащее измеритель отклонения стабилизируемого параметра полета от опорного значения, выход которого соединен с первым входом первого суммирующего усилителя, измеритель скорости изменения стабилизируемого параметра, рулевой агрегат, вход которого соединен с выходом первого суммирующего усилителя, действующий через силовой бустер на рулевой орган, отличающееся тем, что дополнительно введен блок формирования нелинейного управляющего сигнала вида

где - расчетное значение коэффициента демпфирования в линейной системе;
- текущее значение скорости изменения стабилизируемого параметра;

где М - некоторый постоянный коэффициент, ΔХ - отклонение стабилизируемого параметра от опорного значения,

где ΔX_o - постоянная неотрицательная величина,
первый вход которого соединен с выходом измерителя отклонения стабилизируемого параметра от опорного значения, второй вход соединен с выходом измерителя скорости изменения стабилизируемого параметра и выход которого соединен со вторым входом первого суммирующего усилителя, содержащий последовательно соединенные блок вычисления модуля и блок усилителя с нечувствительностью, третий блок умножения и релейный блок, выходная характеристика которого имеет вид

где x - значение сигнала на входе релейного блока;
y - значение сигнала на выходе релейного блока,
а также первый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом блока усилителя с нечувствительностью, второй вход которого соединен с выходом релейного блока, а выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого, соединенный со вторым входом второго блока умножения и вторым входом третьего блока умножения, является вторым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала, а выход которого является выходом блока формирования нелинейного управляющего сигнала, первым входом блока формирования нелинейного управляющего сигнала является вход блока вычисления модуля, соединенный с первым входом третьего блока умножения. 3. Устройство управления стабилизируемым параметром полета подвижного объекта по п.2, отличающееся тем, что блок усилителя с нечувствительностью содержит усилитель, вход которого является входом блока усилителя с нечувствительностью, выход которого соединен с первым входом второго суммирующего усилителя, последовательно соединенные инвертор, вход которого соединен с выходом усилителя, и усилитель с насыщением, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего усилителя, выход которого является выходом блока усилителя с нечувствительностью.