СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО АДАПТИВНОГО СИГНАЛА СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛАНИРУЮЩЕГО ДВИЖЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G05D1/08 G05B13/00 G06F7/00 

Изобретение относится к бортовым системам автоматического управления существенно нестационарными беспилотными летательными аппаратами (ЛА) в условиях знакопеременных входных воздействий и широкого диапазона нестационарных параметров ЛА.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования сигнала стабилизации ЛА, включающий задание сигнала управления, измерение сигналов углового положения и угловой скорости ЛА, формирование сигнала рассогласования между заданным сигналом управления и измеренным сигналом углового положения, усиление сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала суммы усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала интегральной компоненты, масштабирование сигнала интегральной компоненты, ограничение масштабированного сигнала интегральной компоненты и суммирование сигнала суммы усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости с ограниченным масштабированным сигналом интегральной компоненты [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство формирования сигнала стабилизации ЛА, содержащее датчик угла, датчик угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика угла, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости, и сумматор, и интегрирующий усилитель [1].

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченность функциональных возможностей управления при существенной нестационарности параметров ЛА и невысокая точность при наличии возмущений, действующих на ЛА, например ветровых порывов, приводящих к неустойчивости планирующего движения.

Технической задачей, решаемой в предлагаемых способе и устройстве, является расширение функциональных возможностей и повышение точности управления в условиях широкого диапазона высот и скоростей полета и действия возмущающих факторов.

Для решения названной технической задачи в способе формирования интегрального сигнала стабилизации планирующего движения ЛА, включающем задание сигнала управления, измерение сигналов углового положения и угловой скорости ЛА, формирование сигнала рассогласования между заданным сигналом управления и измеренным сигналом углового положения, усиление сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала суммы усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала интегральной компоненты, масштабирование сигнала интегральной компоненты, дополнительно измеряют сигнал скоростного напора, масштабируют измеренный сигнал скоростного напора, при этом ограничение масштабированного сигнала интегральной компоненты формируют с уровнем в обратно пропорциональной зависимости от масштабированного измеренного сигнала скоростного напора, задают опорный сигнал учета возмущений, формируют сигнал модульной функции сигнала интегральной компоненты, формируют сигнал логического управления отличным от нуля, при превышении сигнала модульной функции над заданным опорным сигналом и при одинаковых по знаку сигналов рассогласования и интегральной компоненты, и равным нулю при сигнале модульной функции меньшей или равной заданному опорному сигналу, формируют логически управляемый сигнал рассогласования равным сигналу рассогласования при сигнале логического управления, равном нулю, сигнал интегральной компоненты формируют интегрированием логически управляемого сигнала рассогласования и формируют выходной сигнал управления ограничением суммированного сигнала.

Для решения названной технической задачи в устройство формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения летательного аппарата, содержащее датчик угла, датчик угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика угла, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости, и сумматор, и интегрирующий усилитель, дополнительно введены последовательно соединенные датчик скоростного напора, масштабный усилитель и функциональный нелинейный элемент с управляемым ограничением, второй вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя, а выход - со вторым входом сумматора, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала, логический блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а третий - с выходом интегрирующего усилителя, и управляемый ключ, сигнальный вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а выход - со входом интегрирующего усилителя, формирователь сигнала модульной функции, вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя, а выход - с четвертым входом логического блока сравнения, и ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход является выходом устройства.

Предложенные способ формирования адаптивного интегрального сигнала стабилизации планирующего движения ЛА и устройство для его осуществления, как показывает проведенное математическое моделирование, позволяют расширить функциональные возможности управления ЛА, дают возможность обеспечить планирующее движение ЛА в условиях широкого диапазона изменения скорости и высоты полета и действия возмущающих факторов типа ветровых порывов. По существу, сформированы три взаимосвязанных канала, включающие управление медленным планирующим, быстрым маневренным движением ЛА и формирование процесса адаптации - изменение уровня ограничения планирующей интегральной компоненты в функции скоростного напора q.

Способ формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения ЛA и устройство для его осуществления могут найти применение в системах управления маневренными ЛА, к которым предъявляются достаточно высокие требования по точности управления в условиях широкого диапазона высот и скоростей полета и действия возмущающих факторов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения ЛА, на фиг.2 - блок-схема логического блока сравнения.

Устройство формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения ЛА (фиг.1) содержит датчик угла 1 (ДУ), датчик угловой скорости 2 (ДУС), последовательно соединенные задатчик сигнала управления 3 (ЗСУ), элемент сравнения 4 (ЭС), второй вход которого подключен к выходу датчика угла 1, суммирующий усилитель 5 (СУ), второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости 2, и сумматор 6 (С), интегрирующий усилитель 7 (ИУ), последовательно соединенные датчик скоростного напора 8 (ДСН), масштабный усилитель 9 (МУ) и функциональный нелинейный элемент с управляемым ограничением 10 (ФНЭУО), второй вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя, а выход - со вторым входом сумматора, и последовательно соединенные задатчик опорного сигнала 11 (ЗОС), логический блок сравнения 12 (ЛБС), второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения 4, а третий - с выходом интегрирующего усилителя 7, и управляемый ключ 13 (УК), сигнальный (второй) вход которого соединен с выходом элемента сравнения 4, а выход - со входом интегрирующего усилителя 7, формирователь сигнала модульной функции 14 (ФСМФ), вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя 7, а выход - с четвертым входом логического блока сравнения 12, и ограничитель сигнала 15 (ОС), вход которого соединен с выходом сумматора 6, а выход является выходом устройства.

Блок-схема логического блока сравнения 12 (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый логический элемент И 16 (1 ЛЭИ), на первый и второй входы которого подаются сигналы Δϑ(t) и σ_и(t) от блоков 4 и 7 (фиг.1) соответственно, и второй логический блок И 17 (2 ЛЭИ), выход которого соединен с управляемым ключом 13, и релейный элемент с зоной нечувствительности 18 (РЭЗН), первый и второй входы которого соединены с выходом задатчика опорного сигнала 11 и выходом формирователя сигнала модульной функции 14 соответственно.

Устройство формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения ЛА, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Задатчиком сигнала управления 3 формируется (задается) сигнал управления ϑ_зад(t), основными составными компонентами которого являются:

- медленная компонента ϑ_зад.м(t), соответствующая медленным разворотам ЛА с планирующими углами атаки α_пл и углами отклонения рулей δ_пл;

- быстрая компонента ϑ_зад.б(t), соответствующая маневренным разворотам ЛА.

Таким образом,

Закон регулирования (управления и стабилизации) формируется по сигналам управления ϑ_зад(t), углового положения ЛА ϑ(t) и угловой скорости ЛА ω_z(t). Основная базовая компонента сигнала управления σ_б(t) формируется в суммирующем усилителе 5 в виде

где Δϑ(t) - сигнал рассогласования,

формируемый блоком сравнения 4 по сигналам ϑ_зад(t) от задатчика сигнала управления 3 и ϑ(t) от датчика угла 1;

K_ϑ, Кω_z - передаточные числа усилителя 5;

ω_z(t) - сигнал угловой скорости ЛА, поступающий от измерителя угловой скорости 2, ω_z(t)=(t).

Сигнал, сформированный в соответствии с базовым законом управления (2), дополняется сигналом интегральной компоненты σ_и(t), который формируется интегрирующим усилителем 7 по сигналу рассогласования (3) до определенного уровня по логике, изложенной далее. Таким образом,

где K_и - масштабный передаточный коэффициент интегрирующего усилителя 7.

Сигнал σ_и(t) ограничивается функциональным нелинейным элементом с управляемым ограничением 10 до уровня A₁(q), который соответствует рассчитанному значению отклонения рулей δ_пл в планирующем режиме и соответствующему значению скоростного напора q=ρ·v²/2, где ρ - плотность воздуха на высоте Н, V - скорость полета ЛА.

Для указанного функционального изменения уровня ограничения A₁(q) сформирован специальный канал адаптации, включающий в себя датчик скоростного напора 8, масштабный усилитель 9, сигнал на выходе которого λ=K_м·q, где K_м - коэффициент масштабирования, и в целом ограничение A₁(q) формируется в виде

т.е. в обратно пропорциональной зависимости от q, отвечающей физической необходимости отклонения рулей: при большем q требуется меньшее значение δ_пл и, соответственно, значение σ_и(t).

Сигнал на выходе задатчика опорного сигнала 11 ограничивается до уровня A₂, что соответствует зоне нечувствительности блока 18.

Ограниченный сигнал интегральной компоненты σ_пл(t) поступает на сумматор 6, сигнал на выходе которого равен

который ограничивается ограничителем сигнала 15 до уровня А₃ и является выходным сигналом устройства σ_вых(t).

Уровень ограничения, установленный на ограничителе 15, определяет величину сигналов рассматриваемого канала управления, необходимую для отработки их соответствующими рулевыми поверхностями, с учетом отработки этими же рулями сигналов смежных каналов (курса и крена, здесь не рассматриваемых).

Введение канала интегральной компоненты - блоков 7, 10, 13 - обеспечивает отработку планирующей, медленной компоненты сигнала управления ϑ_зад.м(t). Действительно, пусть ϑ_зад.б=0; ϑ_зад.м≠0. Тогда в силу того, что закон формирования выходного сигнала представленного устройства является астатическим законом первого порядка, установившееся значение сигнала рассогласования для такого режима

Тогда, в соответствии с уравнением (3) установившееся значение ϑ_уст:

Видно также, что для этого режима ω_{z уст}==0. Следовательно, и установившееся значение интегральной компоненты соответствует планирующему значению угла отклонения рулевых поверхностей ЛА.

При поступлении на вход прямой цепи устройства (блоки 4, 5, 6, 15) быстрой компоненты сигнала управления ϑ_зад.б(t) для управления маневром ЛА отработка сигнала будет осуществляться относительно планирующего движения ЛА, что повышает точность отработки управляющих воздействий на ЛА в целом.

Логически управляющий канал, включающий в себя блоки 11, 12, 13, 14, обеспечивает режим непосредственного интегрирования сигнала рассогласования интегрирующим усилителем 7 в пределах определенного диапазона A₁. Уровень A₁=A₁(q) сформирован в блоке 10 в соответствии с реальным расчетным значением сигнала стабилизации планирующего движения σ_пл(1), соответствующим требуемому отклонению рулей. Величина А₂ определяет стабилизацию этого режима, А₂>A_1max, А₂≈(1.1-1.3)A_1max.

В блоке формирования сигнала модульной функции 14 формируется

Логический блок сравнения 12 (фиг.1), состоящий из блоков 16, 17 и 18 (фиг.2), формирует сигнал логического управления В>0 только при превышении сигнала ϑ^м над А₂, отключая ключом 13 сигнал Δϑ(t) от интегрирующего усилителя, прекращая тем самым дальнейшее его интегрирование:

Ограничение сигнала интегральной компоненты позволяет уменьшить колебательность в замкнутом контуре регулирования и выбросы (перерегулирование) в переходных процессах в условиях нестационарности ЛА, т.е. при изменении высоты и скорости полета.

Таким образом, предложенные способ формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения ЛА и устройство для его осуществления позволяют расширить функциональные возможности управления ЛА и повысить качество управления в условиях нестационарности ЛА и действия возмущающих факторов. Сформированы три взаимосвязанных канала, сочетающие в целом управление медленным планирующим и быстрым маневренным движением ЛА и адаптацию ограничения планирующего сигнала в функции от скоростного напора.

Положительный эффект предложения подтвержден результатами анализа и математического моделирования.

Все составные операции способа, звенья и блоки устройства управления могут быть выполнены на современных элементах автоматики и вычислительной техники [2], а также программно-алгоритмически в бортовых вычислительных машинах.

Источники информации

1. Патент РФ №2310899, кл. G05В 1/08, 2007 г.

2. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, с.103.

Изобретение относится к бортовым системам автоматического управления беспилотными летательными аппаратами. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности управления. Устройство формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения содержит датчик угла 1 (ДУ), датчик угловой скорости 2 (ДУС), задатчик сигнала управления 3 (ЗСУ), элемент сравнения 4 (ЭС), суммирующий усилитель 5 (СУ), сумматор 6 (С), интегрирующий усилитель 7 (ИУ), датчик скоростного напора 8 (ДСН), масштабный усилитель 9 (МУ), функциональный нелинейный элемент с управляемым ограничением 10 (ФНЭУО), задатчик опорного сигнала 11 (ЗОС), логический блок сравнения 12 (ЛБС), управляемый ключ 13 (УК), формирователь сигнала модульной функции 14 (ФСМФ), ограничитель сигнала 15 (ОС). 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения беспилотного летательного аппарата, включающий задание сигнала управления, измерение сигналов углового положения и угловой скорости летательного аппарата, формирование сигнала рассогласования между заданным сигналом управления и измеренным сигналом углового положения, усиление сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала суммы усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости, формирование сигнала интегральной компоненты, масштабирование сигнала интегральной компоненты, ограничение масштабированного сигнала интегральной компоненты и суммирование сигнала суммы усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости с ограниченным масштабированным сигналом интегральной компоненты, отличающийся тем, что измеряют сигнал скоростного напора, масштабируют измеренный сигнал скоростного напора, при этом ограничение масштабированного сигнала интегральной адаптивной компоненты формируют с уровнем в обратно пропорциональной зависимости от масштабированного измеренного сигнала скоростного напора, задают опорный сигнал учета возмущений, формируют сигнал модульной функции сигнала интегральной адаптивной компоненты, формируют сигнал логического управления отличным от нуля при превышении сигнала модульной функции над заданным опорным сигналом и при одинаковых по знаку сигналах рассогласования и интегральной компоненты и равным нулю при сигнале модульной функции, меньшей или равной заданному опорному сигналу, формируют логически управляемый сигнал рассогласования равным сигналу рассогласования при сигнале логического управления равным нулю, сигнал интегральной адаптивной компоненты формируют интегрированием логически управляемого сигнала рассогласования и формируют выходной сигнал управления ограничением суммированного сигнала.

2. Устройство формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения беспилотного летательного аппарата, содержащее датчик угла, датчик угловой скорости, последовательно соединенные задатчик сигнала управления, элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика угла, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости, и сумматор, и интегрирующий усилитель, отличающееся тем, что содержит последовательно соединенные датчик скоростного напора, масштабный усилитель и функциональный нелинейный элемент с управляемым ограничением, второй вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя, а выход - со вторым входом сумматора, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала, логический блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а третий - с выходом интегрирующего усилителя, и управляемый ключ, сигнальный вход которого соединен с выходом элемента сравнения, а выход - со входом интегрирующего усилителя, формирователь сигнала модульной функции, вход которого соединен с выходом интегрирующего усилителя, а выход - с четвертым входом логического блока сравнения, и ограничитель сигнала, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход является выходом устройства.