Способ управления ориентацией космического объекта Советский патент 1993 года по МПК B64G1/28 

Изобретение относится к управляющим средствам летательных аппаратов и может найти применение для прецизионной ориентации в пространстве космических объектов (КО).

Цель изобретения - упрощение реализации способа и повышение его помехозащищённости.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. изображена фазовая плоскость в координатах углового отклонения объекта р и угловой скорости объекта р для одного канала стабилизации, при этом верхнему и нижнему пороговому значению углового отклонения соответствуют прямые линии и . Часть плоскости, заключенной между этими линиями, представляет собой зону нечувствительности.

Способ, согласно изобретению, осуществляется следующим образом. Пусть в начале процесса управления объект находится в точке 1 фазовой плоскости (фиг.). Допустим, что в данный момент времени по данному каналу управления накоплен кинетический момент К. Тогда в точке 1 справедливо равенство:

K l (р + О, (1)

где индексы указывают точку на фазовой плоскости.

1 и i - моменты инерции объекта с маховиком и маховика в отдельности соответственно, a Q- угловая скорость маховичного двигателя.

Поскольку точка 1 находится вне зоны нечувствительности, прикладывают к

ел о о

Сд

ту управляющий момент путем включения маковичного двигателя. Изменение фазового состояния объекта будет происходить по фазовой траектории 1-2, которая при постоянном значении управляющего момента является параболой с осью симметрии б р . В точке 2 объект попадает в зону нечувствительности, и маховичный двигатель выключают. Изменение фазового состояния объекта будет происходить по фазовой траектории 2-3 (или по инерции, или под действием некоторого возмущающего момента, как показано, например, на фигуре). В точке 3 объект выходит из зоны нечувствительности, и включают маховичный двигатель. Фазовой траекторией будет симметричная относительно оси парабола 3-4-5, а поэтому справедливы следующие соотношения:

и

К I рз + I К I ФА + I К Г jp5 + - 0.

- .

т.к. кинетический момент К - медленно изменяющаяся величина, и потому принимается K const.

Из выражений (2) получаем

i OI K

Qj-Оз

Qj

т.е. в точке 4 фазовой траектории, лежащей на оси 04 ( фи 0), накопленный кинетический момент сосредоточен в маховике махо- вичного двигателя, а угловая скорость вращения маховика, которую назовем кри- тической, равна среднему арифметическому двух значений угловых скоростей вращения маховика, измеренных при последовательных пересечениях фиксированной границы зоны нечувствительности во взаимопротивоположных направлениях, при этом следует отметить, что данный вывод сделан в предположении, что управляющий момент - постоянный по величине. Таким образом, во всех точках, лежащих на оси при К const имеет место одно и то же значение угловой скорости вращения маховика махо- вичного двигателя.

В точке 5 при входе в зону нечувствительности маховичный двигатель выключается и аналогично - как после точки 2 - объект движется по инерции (с постоянной

10

15

20

скоростью) или - как на фиг. - под действием возмущающего момента до точки 6.

В точке б при выходе из зоны нечувствительности включают маховичный двигатель, измеряют угловую скорость его вращения Q и сравнивают с критической, т.е. О) ; движение происходит по параболе 6-7. В точке 7 угловая скорость О/ становится равной критической - уменьшают величину управляющего момента, например выполняют частотную модуляцию (уменьшение в среднем) управляющего момента. В связи с уменьшением величины управляющего момента движения объекта на фазовой плоскости будет отображаться параболой 7-8 с меньшей крутизной , чем парабола 6-7, при одном и том же угловом отклонении от вершины. В связи с этим угловая скорость в точке 8 по абсолютной величине меньше, чем в точке 6, т.е.

(2)

/ р& I / фв I

(4)

25

30

35

40

45

50

55

В точке 8 при входе в зону нечувствительности маховичный двигатель выключают. Если угловая скорость / (рй / достаточно мала, то фазовая траектория может иметь вид 8-9-10, т.е. возмущающий момент вновь выведет объект из зоны нечувствительности в сторону р 0. Поскольку возмущающий момент на небольшом временном интервале (время движения на участке 8-9-10) можно принять постоянным по величине, то аналогично, как на участке 3-4-5, можно определить граничное значение угловой скорости вращения маховика О- следующим образом:

о - о - о, - Оз + Ј2ю S.4- ъ& - ь# --я---

где О&и QIO -измеренные и запомненные значения угловой скорости маховика при входе и выходе из зоны нечувствительности. Из выражений 3 и 5 следует, что граничное значение угловой скорости вращения маховика можно определять путем измерения двух значений угловой скорости вращения маховика при последовательных пересечениях фиксированной границы зоны нечувствительности в взаимопротивопо- ложных направлениях и вычисления среднего арифметического этих двух значений, при этом существенно, чтобы на интервале времени между указанными измерениями двух значений угловой скорости к объекту прикладывался постоянный по величине момент: управляющий плюс возмущающий (вне зоны нечувствительности) или только возмущающий (внутри зоны нечувствительности).

В точке 10 при выходе из зоны нечувствительности включают маховичный двигатель, измеряют угловую скорость его вращения Q ; движение происходит по параболе 10-11. Когда в точке 11 выполнится равенство Qn Or , уменьшают величину управляющего момента, аналогично, как в точке 7. В связи с уменьшением момента в точке 11 величина угловой скорости объекта в точке 12 по абсолютной величине будет меньше, чем в точке 10:

/ I I рю /

т.е. аналогичный эффект, как и на траектории 6-7-8 (см. выражение (4).

Такой эффект достигается всегда, когда происходит уменьшение управляющего момента после достижения угловой скоростью вращения маховика граничного значения.

Как видно из диаграммы, если угловая скорость объекта при входе в зону нечувствительности меньше, чем скорость выхода из зоны нечувствительности, то такой про- це сс управления приводит к демпфированию колебаний, уменьшаются амплитуды колебаний объекта как по скорости р, так и по угловому отклонению р.

При неизменном накопленном значении кинетического момента К, как видно из первого выражения 3, граничное значение угловой скорости вращения маховика будет постоянным, и для управления ориентацией достаточно произвести его определение один раз. В действительности, с течением времени под воздействием внешнего возмущающего момента величина К изменяется, и поэтому необходимо в процессе управления ориентацией повторять - и таким образом уточнять - граничное значение угловой скорости вращения маховика.

Приборно способ реализуется, например, следующим образом.

При помощи чисто релейного прибора измерения углового отклонения формируется релейный сигнал, определяющий верхний и нижний пороги углового отклонения. Если релейный сигнал отсутствует, то маховичный двигатель не включают. При появлении релейного сигнала - в зависимости от того, какой порог - верхний или нижний - включают маховичный двигатель в том или обратном направлении. Измеряется угловая скорость вращения маховика, например, при помощи тахогенератора. Запоминаются два значения угловой скоро

сти вращения маховика при последовательных появления и исчезновениях (исчезновениях и появлениях) релейного сигнала, соответствующего одному и тому же порогу

5 (верхнему или нижнему). Вычисляется среднее арифметическое указанных двух значений, т.е. определяется граничное значение угловой скорости вращения маховика. Затем каждый раз, когда при наличии релей10 ного сигнала угловая скорость вращения маховика становится равной граничному значению, уменьшают абсолютную величину управляющего момента, развиваемого маховичным двигателем. Граничное значе15 ние периодически контролируют (определяют) с течением времени.

Таким образом, способ приборно реализуется с использованием чисто релейного

20 прибора измерения углового отклонения, реализующего только верхний и нижний пороги углового отклонения. Такие приборы значительно проще и надежнее и более помехоустойчивы, чем измерительные прибо25 ры непрерывного или дискретного измерения.

Формула изобретения

1. Способ управления ориентацией кос30 мического объекта, включающий формирование релейного сигнала по угловому отклонению объекта в одном из каналов стабилизации, приложение к объекту управляющего момента путем включения

35 маховичного двигателя ориентации, уменьшение величины управляющего момента за пределами зоны нечувствительности, ограниченной верхним и нижним пороговыми значениями углового отклонения, о т л и ч а40 ю щ и и с я тем, что, с целью упрощения реализации способа и повышения его помехозащищенности, измеряют угловую скорость вращения маховика в маховичном двигателе, определяя ее граничное значе45 ние в состоянии углового движения, когда весь кинетический момент сосредоточен в маховике, а уменьшение величины управляющего момента производят при совпадении текущего измеренного значения угловой

50 скорости вращения маховика с указанным граничным значением, причем маховичный двигатель включают всякий раз при выходе из зоны нечувствительности и выключают при входе в эту зону.

552. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что граничное значение угловой скорости вращения маховика определяют путем измерения двух значений угловой скорости вращения маховика при последовательных пересечениях фиксированной границы зоны нечувствительности во взаимно противо- среднего арифметического этих двух значе- положных направлениях и вычисления ний.

Использование: системы прецизионной ориентации космич.объектов релейного типа. Сущность изобретения: при использовании для создания управляющих моментов маховичного двигателя ориентации измеряют угловую скорость вращения маховика, определяя ее граничное значение в состоянии движения, когда весь кинетич.момент сосредоточен в маховике, а уменьшение величины управляющего момента производят при совпадении измеренного значения угловой скорости с указанным граничным ее значением, причем маховичный двигатель включают всякий раз при выходе системы ориентации из зоны нечувствительности и выключают при входе в эту зону, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.