Способ управления угловым положением космического аппарата при помощи инерционных исполнительных органов Советский патент 1992 года по МПК B64G1/24 

Изобретение относится к способам управления угловым положением космического аппарата и может быть использовано в прецизионных системах управления, исполнительными органами которых являются электромаховичные двигатели (ЭМД).

Известны способы управления ориентацией в пространстве космических аппаратов (КА), в которых управляющие моменты создают с помощью реверсивных управляющих маховиков или ЭМД.

В известных способам к корпусу КА прикладывают управляющий момент в функции отклонения текущего углового положения КА от требуемого при помощи инерционного исполнительного органа, определяют текущее значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, сравнивают это текущее значение с пороговым значением, при превышении текущим значением кинетического момента порогового значения уменьшают кинетический момент инерционного органа, создающего управляющий момент, до номинального значения путем приложения к корпусу КА дополнительного управляющего момента.

Использование инерционных исполнительных органов вместо реактивных особенно эффективно при длительных режимах

VI 00

ю го ю

CJ

ориентации в условиях действия знакопеременного возмущающего момента, т. к, при этом экономится рабочее тело для реактивных двигателей: рабочее тело тратится только на компенсацию действия постоянной составляющей возмущающего момента.

Однако для получения вышеуказанного положительного эффекта необходимо производить уменьшение, кинетического момента инерционного органа до номинального при помощи реактивных двигателей через интервалы времени Ту, кратные периоду изменения возмущающего момента Тв, т. е. Ту КТВ, где К - целое число. Период изменения возмущающего момента Т8 может быть большим, например равным периоду обращения КА вокруг планеты.

Таким образом, недостатком известных способов является то, что при их использовании необходимо производить уменьшение кинетического момента инерционного органа через большие интервалы времени, а следовательно, необходимо предусмотреть большую величину порогового значения кинетического момента. Пороговое значение кинетического момента должно быть больше, чем амплитуда кинетического момента, вызванная действием переменной составляющей возмущающего момента. Это обстоятельство приводит к невозможности обеспечения прецизионной ориентации КА из-за нестабильности по времени моментной характеристики исполнительного органа и невозможности создания сколь угодно малого и сколь угодно точного дозирования управляющего момента.

В известных способах с ггомощью инерционного исполнительного органа выполняют одновременно две функции:

оказывают управляющее воздействие на корпус КА;

накапливают в нем кинетический момент мз-за воздействия на корпус КА внешних возмущающих моментов, освобождая таким образом корпус КА от вышеуказанного кинетического момента.

Кинетический момент К, который накапливает инерционный исполнительный орган, например ЭМД, в режиме прецизионной ориентации равен

, / Medt,

(1)

где - момент инерции маховика; ft) - скорость вращения маховика относительно корпуса КА (абсолютным значением скорости вращения корпусе КА в режиме прецизионной ориентации по сравнению с со

можно пренебречь), Мв - внешний возмущающий момент; t - время.

Несмотря на то, что внешние возмущающие моменты Мв, как правило, малы и имеют периодическую составляющую, из-за длительного времени работы амплитуды К, а следовательно, 1 может быть большой. Этотребуэтиспользования ЭМД или с большим 1 wm с большим интервалом рабочих

скоростей ± о)п , или с большим и ± (Ул одновременно. Большому I соответствует большой момент сопротивления вращению маховика Мс, который при выключенном ЭМД возмущает корпус КА. На большом интервале ± (On увеличивается нестабильность моментной характеристики ЭМД, т, к. электродвигатели любого типа (постоянного тока, асинхронные и даже гистерезисные) развивают момент, зависимый от скорости

вращения их якоря или ротора. Кроме того, при больших а) даже при малых размерах маховика ЭМД (малый I) увеличивается аэродинамическое сопротивление, а следовательно, и Мс. Для возможности управления ориентацией необходимо, как минимум, чтобы электромагнитный момент Мэ ЭМД превосходил момент сопротивления вращению маховика Мс, т. к. Мс обычно больше, чем внешний возмущающий момент Мв. Для

надежности можно допустить, чтобы

2МС

(2)

Таким образом, из неравенства (2) сле- дует, что минимальное значение управляющего момента, которое можно достичь, равно и колеблется в процессе управления в следующих пределах

|МУ| |Мз ±МС (1 f 3)MC. (3)

Для возможности обеспечения малых значений управляющего момента My и с малыми колебаниями по величине для прецизионного режима необходимо использовать

ЗМД с малым моментом сопротивления, а следовательно, с малым 1 и ±&п , Но в этом случае невозможна длительная работа, т. к. по мере накопления кинетического момента К согласно выражению (1) , (о выйдет за

пределы и необходимо будет часто производить уменьшение накопленного кинетического момента К, растрачивая понапрасну рабочее тело на устранение не постоянной, как это разумно делать, а переменной составляющей кинетического момента, создаваемой действием знакопеременного возмущающего момента.

Целью изобретения является повышение точности управления угловым положением КА и экономии энергозатрат в условиях действия знакопеременного возмущающего момента.

Поставленная цель достигается тем, что фиксируют в момент достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность, дополнительный управляющий момент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии со следующей зависимостью

Q -lKl(n-m),

где К - пороговое значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент;

IH момент инерции дополнительного инерционного исполнительного органа;

n, m - количество случаев превышения кинетическим моментом инерционного ис- полнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения положительной и отрицательной полярности соответственно.

На чертеже изображена моментная ха- рактеристика инерционного исполнительного органа, при этом Одпах скорость холостого хода или синхронная скорость, ±(Оп - приемлемый для управления диапазон со в части стабильности электромагнит- ного момента Мэ и момента сопротивления вращению Мс.

Изобретение выполняется следующим образом.

С целью создания малого по величине управляющего момента выбирают инерционный исполнительный орган малой мощности с малым моментом инерции I, a следовательно, fc малым моментом сопротивления вращению. Исходя из конфигура- ции моментной характеристики выбранного инерционного исполнительного органа, а также учитывая зависимость его момента сопротивления от скорости а .определяют приемлемый рабочий диапазон скоростей , так чтобы на этом диапазоне сохранялась требуемая зависимость электромагнитного момента Мэ от скорости, например, чтобы Мэ const с определенной степенью точности или крутопадающая характеристи- ка для автоматического внесения в процесс управления элемента затухания колебаний.

Вначале, когда накопленный КА кинетический

управляют ориен0

5

0

5

тацией КА любым выбранным способом и при этом определяют К, измеряя со и умножая ее на известный измеренный на Земле момент инерции I. Если с течением времени из-за внешних возмущающих моментов накопленный кинетический момент станет равным |К| , то фиксируют его полярность (положительная или отрицательная) и создают дополнительный управляющий момент при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа. Таким дополнительным инерционным исполнительным органом, например, может быть ЭМД гистерезисного типа, синхронная скорость которого определяется частотой питания его обмоток. Дополнительный инерционный исполнительный орган может уже иметь большой момент инерции н и большой диапазон рабочих скоростей ± аь , а следовательно, большой момент сопротивления. Медленно изменяя частоту f питания такого дополнительного инерционного исполнительного органа, добиваются того, чтобы скорость вращения его маховика стала равной:

P signKn,

IH

(4)

где |К| п llu}nl - пороговое значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент,

Дополнительный момент Мд при изменении скорости вращения дополнительного инерционного исполнительного органа равен

,

(5)

где Q - производная от Q . .

Для того, чтобы этот дополнительны момент Мд не нарушил прецизионную ориентацию, он должен быть меньше, чем управляющий момент основного инерционного исполнительного органа. Это условие достигается обеспечением соответствующей скорости изменения частоты питания, т. к.

Q Cf,

(6)

где С - коэффициент пропорциональности, Q Cf .(7)

С учетом (7) из (5) допустимая скорости изменения частоты питания дополнительного инерционного исполнительного органа не должна превышать следующей величины

Mg

в1СЙ

(8)

O -mlKln

(Ю)

Изобретение относится к способам управления угловым положением космического аппарата и может быть использовано в прецизионных системах управления, испол- нительными органами которых являются электромаховичные двигатели. Целью изобретения является повышение точности и экономии энергозатрат в условиях действия знакопеременного возмущающего момента. Поставленная цель достигается тем, что фиксируют в момент достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность, дополнительный управляющий момент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии с приведенной зависимостью. 1 ил. (Л С

где Мд-допустимая величина дополнительного инерционного исполнительного органа.

Когда будет выполнено условие (4) весь накопленный основным исполнительны./ органом кинетический момент будет сосредоточен в дополнительном инерционном исполнительном органе, скорость вращения ft маховика основного исполнительного органа будет равна О,

После выполнения этой операции поддерживают скорость вращения маховика дополнительного инерционного исполнительного органа на уровне (4) за счет поддержания постоянной частоты питания до тех пор, пока вновь кинетический момент основного исполнительного органа не достигнет порогового значения . Вновь фиксируют полярность достигнутого порогового значения накопленного кинетического момента, т, е. sign Kn.

Начиная с первого случая достижения кинетическим моментом порогового значения производят подсчет таких случаев, причем подсчитывают количество случаев появления положительных полярностей п и количество случаев появления отрицательных полярностей т. Если, например, в первом и во втором случае достижения порогового значения его полярность была положительна, то считают п 2, a m 0 и при этом вновь, изменяя частоту в сторону возрастания, увеличивают вышеописанным способом скорость аращеиия маховика дополнительного инерционного исполнительного органа на величину (4), а следовательно, в этом частном случае до величины

Q 2-iЈblslgnKn ,

IH

где число 2 соответствует числу положитель- ных полярностей. Если последующие полярности будут только положительны, то п будет возрастать и соответственно будет возрастать и скорость Q в положительном направлении

(9)

Если же будут появляться только отрицательные полярности m, TO Q должна возрастать в отрицательном направлении, т. е.

В общем случае при появлении как поло- 5 жительных п, так и отрицательных m полярностей скорость Q определяется согласно выражению

m)

(11)

Как видно из вышеприведенного описания, при данном способе можно создавать дополнительный момент меньше управляющего момента основного исполнительного органа, не нарушая прецизионной ориентации, с одной стороны. С другой стороны, при поддержании постоянной скорости вращения маховика дополнительного инерционного исполнительного органа его момент

5

сопротивления, хотя и большой, компенсируется автоматически его же электромагнитным моментом, т. е. он не влияет на работу основного исполнительного органа.

5 Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет использования основного инерционного исполнительного органа с малым моментом инерции маховика и при его работе в небольшом диапазоне измене0 ния скорости, маховика обеспечивать преци- зиоиный режим ориентации, а за счет использования дополнительного инерционного исполнительного органа с большим моментом инерции и/или с большим

диапазоном изменения скорости маховика

обеспечивать накопление большого по амплитуде переменного кинетического момента, обусловленного по амплитуде переменного кинетического момента, обус0 ловленного длительным воздействием знакопеременного возмущающего момента, а следовательно, не тратить рабочее тело на устранение кинетического момента от этого знакопеременного возмущающего момента.

Выполняя ранее упоминавшееся условие Ту КТВ, способ позволяет тратить рабочее тело только на компенсацию воздействия постоянной составляющей

0 возмущающего момента.

Устранение накопленного кинетического момента можно, как известно, производить не только за счет расхода рабочего тела при использовании реактивных двигателей,

5 но также за счет расхода электроэнергии при использовании электромагнитных двигателей, у которых магнитным полем является магнитное поле планеты, около которой движется КА. В этом случае способ приводит к экономии расхода электроэнергии, т, к. она будет расходоваться только на компенсацию воздействия из КА постоянной составляющей возмущающего момента. Переменная составляющая возмущающего момента приводит только к колебаниям кинетического момента внутри дополнительного инерционного исполнительного органа.

Формула изобретения

Способ управления угловым положением космического аппарата при помощи инерционных исполнительных органов, включающий приложение в корпусу космического аппарата (КА)управляющего момен- та в функции отклонения текущего углового положения КА от требуемого при помощи инерционного исполнительного органа, определение текуа(его значения кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, сравнение его текущего значения с пороговым значением при превышении текущим значением кинетического момента порогового значения, уменьшение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, до номинального значения путем приложения к корпусу КА дополнительного управляющего момента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и экономии энергозатрат в условиях действия знакопеременного возмущающего момента, фиксируют в моменты достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность, дополнительный управляющий момент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего з режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии со следующей зависимостью:

, IKI.

Q ...(п т)

Н

где К- кинетический момент инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент;

IH - момент инерции дополнительного инерционного исполнительного органа;

n, m - количество случаев превышения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения положительной и отрицательной полярности соответственно.

Pj 30 Ч if и UtWf/i/fgrf

осробнок (fcnwtf baie/Hf-fozo органа

10