СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2006 года по МПК B64G1/26 B64G1/64 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при коррекции движения космического аппарата, например, при сближении, причаливании.

Космические аппараты (КА), предназначенные для выполнения причаливания, оснащены двигателями управления ориентацией и коррекции движения центра масс. Поскольку, практически, вектор тяги двигателей коррекции движения центра масс невозможно направить через центр масс космического аппарата, то при их включении всегда возникает возмущающее ускорение, которое должна компенсировать его система ориентации своими двигателями. При причаливании информация о включении двигателей перемещения центра масс не используется в известных способах управления.

Известен способ управления движением вокруг центра масс, который использовался при коррекции движения центра масс космического аппарата для устранения появляющегося от возмущающего момента рассогласования, при котором приложение управляющих воздействий в канале ориентации производят только при превышении угловой скоростью заданного порогового значения. Устройство, использующее этот способ, описано в книге Лебедев А.А., Соколов В.Б. Встреча на орбите. М.: Машиностроение, 1969 г.

При приложении управляющих воздействий для коррекции движения центра масс возникающее возмущающее ускорение изменяет величину угловой скорости КА. При превышении угловой скоростью заданного порога срабатывания система ориентации включает двигатели для устранения появившегося рассогласования. Такой способ управления приводит к статической ошибке по угловой скорости, необходимой для того, чтобы система управления могла противодействовать возмущающему ускорению. И естественно, что среднее значение угловой скорости увеличивается при увеличении величины возмущающего ускорения.

Известен способ управления движением вокруг центра масс, описанный в многочисленных публикациях, например, Лебедев А.А., Соколов В.Б. Встреча на орбите. М.: Машиностроение, 1969 г., стр.285-286, включающий определение угла и угловой скорости рассогласования, приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений, определение величины возмущающего ускорения при приложении управляющих воздействий для коррекции движения центра масс.

Для определения моментов приложения управляющих воздействий

ξ=ϕ+к·ω,

где ϕ - угол рассогласования,

ω - угловая скорость,

к - коэффициент демпфирования.

Управляющая функция поступает на вход релейного усилителя с зоной нечувствительности d₁. При |ξ| d₁ начинается приложение управляющих воздействий для выбора рассогласования по углу и угловой скорости. Обычно, пока |ξ|≤3d₁, производится импульсное приложение управляющих воздействий.

При наличии возмущающего ускорения от приложения управляющих воздействий при коррекции движения центра масс в установившемся режиме такой способ управления обеспечивает значение угловой скорости ниже порога срабатывания. Однако переходной процесс, при котором величина угловой скорости значительно больше значения в установившемся режиме, может быть длителен по времени. Эта длительность зависит от значения угла рассогласования, при котором появилось возмущающее ускорение, и при обычно используемом значении к=5-10 секунд длительность до 10-15 секунд и более. К тому же характеристики критичны к величине запаздывания в системе ориентации и переходные процессы по углу и угловой скорости ухудшаются при увеличении запаздывания и величины возмущающего ускорения.

Техническим результатом изобретения является повышение качества управления при возникновении возмущающего ускорения от приложения управляющих воздействий для коррекции движения центра масс.

Технический результат достигается тем, что в способе управления движением (КА), включающем определение угла и угловой скорости рассогласования, приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений, определение величины возмущающего ускорения при приложении управляющих воздействий для коррекции движения центра масс, в отличие от известного, в нем с момента начала приложения управляющих воздействий для коррекции движения центра масс и до их окончания производят приложение опережающих управляющих воздействий для коррекции углового положения, длительность приложения которых пропорциональна длительности приложения управляющих воздействий для коррекции движения центра масс, а коэффициент пропорциональности определяют отношением величины определенного возмущающего ускорения к управляющему угловому ускорению, и увеличивают длительность управляющих воздействий для коррекции углового положения при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений на величину длительности опережающих управляющих воздействий.

При этом определение величины возмущающего ускорения производят путем тестового приложения на заданное время управляющих воздействий для коррекции движения центра масс, вызывающих возмущающее ускорение в заданном канале управления движением вокруг центра масс, фиксируют приращение угловой скорости на заранее определенном интервале в пределах длительности тестового приложения управляющего воздействия и вычисляют величину возмущающего ускорения по величине приращения угловой скорости и интервалу времени, на котором зафиксирована угловая скорость, на время тестового приложения управляющих воздействий перемещения центра масс обнуляют приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений, длительности тестового включения и интервала для фиксации приращения угловой скорости времени выбирают из условия минимума влияния динамической ошибки на определение возмущающего ускорения.

Технический результат в предлагаемом способе управления достигается за счет следующего:

- включение управляющих воздействий в канале ориентации одновременно с включением двигателей для коррекции движения центра масс (опережающие включения) до того, как под влиянием возмущающих ускорений изменятся угловые параметры, увеличивает быстродействие системы ориентации и снижает величину статической ошибки, необходимой для развития требуемой эффективности управляющих воздействий для компенсации воздействия возмущающего ускорения от включения двигателей для коррекции движения центра масс,

- включение управляющих воздействий, равно как и увеличение их длительности при регулировании движения вокруг центра масс по угловым координатам, компенсирует влияние возмущающего воздействия, вследствие чего в системе ориентации допустимо увеличение запаздывания без ухудшения качества переходных процессов, что и подтвердило моделирование системы управления, в которой реализовано предложенное техническое решение.

Предложенное техническое решение может быть реализовано следующим образом. По сигналу угла и угловой скорости формируется (например, на сумматоре) управляющая функция

ξ=ϕ+к·ω,

где ϕ - угол рассогласования,

ω - угловая скорость,

к - коэффициент демпфирования.

Эта управляющая функция ξ поступает в релейный усилитель с зоной нечувствительности. При превышении ξ заданной зоны нечувствительности включаются, формируются управляющие импульсы, длительность которых пропорциональна величине ξ. Эти импульсы поступают на включение исполнительных органов (ИО) для коррекции углового положения КА.

При включении и в продолжении работы ИО для коррекции положения центра масс КА появляется и действует возмущающий момент. Поэтому одновременно для компенсации действующего возмущения начинают включение ИО (опережающие включения), управляющих движением вокруг центра масс. Длительность этих включений пропорциональна длительности включения двигателей для коррекции движения центра масс. Коэффициент пропорциональности определяют отношением величины возмущающего ускорения, возникающего от включений ИО для коррекции движения центра масс к управляющему угловому ускорению. Если в процессе коррекции положения центра масс появится необходимость устранить появившееся угловое рассогласование, то к длительности включения ИО, определенному по углу и угловой скорости, прибавляется длительность опережающих включений.

Расчетная величина возмущающего ускорения с определенной степенью точности известна из конструктивных характеристик КА - расположение двигателей, размещение приборов и полезного груза, расчетных характеристик исполнительных органов. В полете изменяется центровочная характеристика КА из-за выработки топлива, а поэтому изменяется и расчетное значение возмущающего ускорения. Для определения фактического возмущающего ускорения на конкретном участке полета до включения ИО для коррекции движения центра масс производится их тестовое включение в заранее выбранном канале управления и на заранее заданное время. В пределах заданной длительности включения заранее назначают интервал времени, на котором фиксируют приращение угловой скорости КА, после чего вычисляют фактическое угловое возмущающее ускорение. Длительность тестового включения и интервала для фиксации приращения угловой скорости выбирают из условия минимума влияния динамической ошибки при определении угловой скорости на вычисление возмущающего ускорения.

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано, в частности, при сближении и причаливании в процессе стыковки. Предлагаемый способ включает определение рассогласований угла и угловой скорости космического аппарата (КА), приложение к КА управляющих воздействий для коррекции его углового положения и определение величины возмущающего ускорения при приложении управляющих воздействий для коррекции движения центра масс КА. При этом с момента приложения управляющих воздействий для коррекции движения центра масс и до их окончания прикладывают к КА опережающие управляющие воздействия для коррекции его углового положения. Длительности обоих видов воздействий пропорциональны друг другу с коэффициентом пропорциональности, равным отношению величины возмущающего ускорения к управляющему угловому ускорению. Увеличивают длительность управляющих воздействий для коррекции углового положения при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений на величину длительности опережающих управляющих воздействий. Величину возмущающего ускорения определяют путем тестового приложения на заданное время управляющих воздействий для коррекции движения центра масс КА, вычисляя данное ускорение по приращению угловой скорости КА на заранее определенном временном интервале. Во время данного тестирования обнуляют приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения КА при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений. Длительности тестового включения и интервала для фиксации приращения угловой скорости выбирают из условия минимума влияния динамической ошибки на определение возмущающего ускорения. Техническим результатом изобретения является повышение точности стабилизации КА при управлении движением КА с одновременным улучшением качества переходных процессов при наличии внешнего возмущающего момента. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ управления движением космического аппарата, включающий определение угла и угловой скорости рассогласования, приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения космического аппарата при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений, определение величины возмущающего ускорения при приложении управляющих воздействий для коррекции движения центра масс космического аппарата, отличающийся тем, что с момента начала приложения управляющих воздействий для коррекции движения центра масс космического аппарата и до их окончания производят приложение опережающих управляющих воздействий для коррекции углового положения космического аппарата, длительность приложения которых пропорциональна длительности приложения указанных управляющих воздействий для коррекции движения центра масс, а коэффициент пропорциональности определяют отношением величины определенного возмущающего ускорения к управляющему угловому ускорению, а при превышении углом и угловой скоростью заданных ограничений увеличивают длительность управляющих воздействий для коррекции углового положения космического аппарата на величину длительности опережающих управляющих воздействий.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют величину возмущающего ускорения путем тестового приложения на заданное время управляющих воздействий для коррекции движения центра масс космического аппарата, вызывающих возмущающее ускорение в заданном канале управления движением вокруг центра масс, фиксируют приращение угловой скорости космического аппарата на заранее определенном интервале в пределах длительности тестового приложения управляющего воздействия и вычисляют величину возмущающего ускорения по величине приращения данной угловой скорости и интервалу времени, на котором зафиксировано это приращение угловой скорости, причем на время указанного тестового приложения управляющих воздействий обнуляют приложение управляющих воздействий для коррекции углового положения космического аппарата при превышения углом и угловой скоростью заданных ограничений, а длительности тестового включения и интервала времени для фиксации приращения угловой скорости выбирают из условия минимума влияния динамической ошибки на определение возмущающего ускорения.