1
Изобретение относится к управлению двил у1димися объектами и может быть использовано для управления движением объектов с произвольпыми инерционными свойствами (например, летательными аппаратами) около центра масс.
Известны системы управления поворотным маневром, в которых при заданных величинах эйлеровых углов, ограничениях на уиравляюш;ие моменты по связанным с аппаратом осям и времени на разворот вычисляется время переключения управления и уиравляющие воздействия, обеспечивающие поворот аппарата вокруг неподвижной в инерциальном пространстве оси Эйлера за заданное время с минимальными затратами рабочего тела 1, 2. Эти системы позволяют осуществлять поворотный маневр лишь в тех случаях, когда ось Эйлера лежит в одной из плоскостей связанной системы координат (т. е. когда один из направляющих косинусов оси вращения обращается в нуль), поэтому они не обеспечивают выполнения поворотного маневра для всего множества положений оси Эйлера. Известна также система управления поворотным маневром, содержащая последовательно соединенные блоки формирования управляющих сигналов и блок исполнительных органов, блоки датчиков угловой скорости, основанная на принципе оптимального экстенсив2
ного разворота вокруг неподвижной в пнерциальном пространстве оси 3. Известная система предполагает в течение всего маневра вычисление программы изменения во времени управляющий воздействий, которые должны компенсировать гигроскопический момент и обеспечивать оптимальный закон движения вокруг неподвижной оси. Однако эта система работоспособна лищь при точном вычислении и реализации этой программы. В противном случае, а также в случае неточности определения математической модели (тензора инерции) объекта (ЛА) или при действии внещпих возмущений резко снижается точность маневра по углу; кроме того, наличие при этом в конце маневра ненулевой скорости вращения ( точности по угловой скорости) в ряде случаев может привести к аварийной закрутке аппарата. Таким образом, известная разомкнутая система управления неустойчива по отнощению к перечисленным выще факторам. Она требует непрерывной работы цифровой вычислительной машины (ЦВМ) в течение всего маневра для вычисления управляющих воздействий, что приводит к значительным затратам машинного времени и памяти.
Целью изобретения является повышение точности и устойчивости работы системы управления и сокращение объема требуемы.ч вычислений, что в целом обеспечивает надежную и экономичную реализацию маневра пространственного разворота объекта. В описываемой системе это достигается тем, что в нее введены блок формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, блок формирования переменной составляющей сигнала управлеимя, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, усилитель и сумматор, вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного наиравления, входы которого подключены соответственно к выходу блока датчиков угловой скорости и к соединенному с входом блока формирования переменной составляющей сигнала управления выходу блока формирования квадрата нормы вектора угловой -е-корости, вход которого соединен с выхо„дом блока .датчиков угловой скорости, выход - ..бл,qJ,фopMIJBpвaния переменной составляю1|1 |р--с {П1аАа1уцравления непосредственно и В-Б1ХОД-еуммато1рьа через усилитель соединены с соответствующими входами блока формирования управляющих сигналов. Таким образом сформирован контур, обеспечивающий отработку отклонения мгновенной оси вращения от заданного направления, создающий устойчивую работу системы управления и повыщающий точность пространствеиного разворота, и контур, позволяющий отказаться от необходимости дискретного вычисления на ЦВМ значений управляющих моментов в течение всего маневра разворота и обеспечивающий, таким образом, непрерывное управление маневром. Работа ЦВМ при этом сводится к однократному вычислению постоянных составляющих управляющих момеитов, а также коэффициентов передачи, после чего система управления автоматически отрабатывает заданный маневр разворота. На чертеже приведена блок-схема описываемой системы. Разомкнутый контур системы составляют блок формирования управляющих сигналов 1, блок исполнительных органов 2 и собственно объект 3, движение которого около центра масс описывается динамическими уравнениями Эйлера /,№1 + (4 -) Mi, + (/1 - /з) «зЮ - Mj, + (4 - ) MS, где /г - моменты инерции относительно главных осей (совпадающих с осями связанной с объектом системы координат); Шг - составляющие вектора угловой скорости объектов связанной системы координат; 4j - моменты силы, воздействующие на объект (соответственно осям связанной системы координат), , Разомкнутый контур системы вместе с блоком датчиков угловой скорости 4 составляет известную систему. Эту систему автоматического управления маневром пространственного разворота объекта дополняют блок формированпя квадрата нормы вектора угловой скорости 5, блок формирования переменной составляющей сигнала управления 6, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления 7, усилитель 8 и сумматор 9. Начальные условия, задающие разворот, могут быть определены либо тремя углами Эйлера, либо тремя направляющими косинусами оси разворота Vi(, 2, 3), а также величиной и знаком эквивалентного угла разворота ф. От первого способа задания начальных условий всегда можно перейти ко второму посредством простых вычислений. Управляющие моменты, прикладываемые по осям объекта, могут быть разделены на две составляющие: постоянную и перем епную,- как видно из преобразованных выражений M..,Sign(f), Му.ц : М,„/у+1 sign (;) + 5y+if % Му+2 М„,.Лу+2 sign () + 5y+2T% где / - номер оси, по которой прикладывается максимальная составляющая вектора управляющего момента;Mmj - ограничения на моменты управления, заданные в связанных осях (i, , ); Лг и Si - постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных условий и от тензора инерции объекта и вычисляемые ЦВМ перед началом маневра Ai b,-Aibj /1 (/ (/Л-2 - //-n)v/ + lV; + 2; . ... +1 при (и1при.,.Г. де, в свою очередь, ti - момент времени пееключения управления, Т- общее время маевра. В начале маневра (0) в блоке формироания заправляющих сигналов 1 вырабатыватся сигналы (соответственно осям объекта), ропорциональные . ,, - М А 1 ти сигналы поступают на блок исполниельных органов 2, который создает соответтвующие управляющие моменты, воздейсгвующие на корпус объекта и приводящие его во вращение. С возникновением угловой скорости ф(о появляются сигналы (ai(, 2, 3), снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4. В блоке формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5 вырабатывается сигнал в соответствии с формулой:
3
I (й| (Вг2. В блоке формирования переменной составляющей сигнала управления 6 сигнал с выхода блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5 умножается на предварительно вычисленный ЦВМ коэффициента Sj.
Таким образом, формируется сигнал, пропорциональной переменной, «гироскопической составляющей вектора управляющего момента, и разложенный по двум из трех координатных осей (по /-и оси сигнал остается максимальным, пропорциональным Mmjsign (ф), т. е. по /-Й оси переменная составляющая отсутствует). Этот сигнал с выхода блока формирования переменной составляющей сигнала управления 6, складываясь в блоке формирования управляющих сигналов 1 с сигналом, пропорциональным постоянной составляющей вектора управляющего момента, поступает на блок исполнительных органов 2, создающий собственно вектор управляющего момента теперь уже с учетом компенсации возникшего с началом движения гироскопического момента, и объект отрабатывает пространственный поворотный маневр.
В расчетный момент времени ti (вычисленный ЦВМ) в блоке формирования управляющих сигналов 1 происходит переключение функции sign(9), т. е. сигналы, пропорциональные постоянным составляющим управляющих моментов по осям /+1 и / + 2, а также по оси / (постоянная составляющая по этой оси пропорциональна максимально допустимому моменту Mmj) меняют знак на противоположный - начинается этап торможения до полной остановки объекта в расчетный момент времени Т, после чего управляющие воздействия в блоке формирования управляющих сигналов 1 должны быть обнулены, и маневр заверщается.
Снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4 сигналы, пропорциональные составг ляющим вектора угловой скорости разворота, используются в блоке формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления 7 для формирования сигналов отклонения оси вращения от заданного направления.
Этот блок реализует функцию
ft --
(, 2, 3), для чего в него поступает также сигнал, пропорциональный ||со||2 с блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5. С сигналом, идущим от блока формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления 7, в сумматоре 9 складывается соответствующий опорный сигнал v (viVsVa), взятый с обратным знаком, где Vi(, 2, 3) - направляющие
косинусы оси разворота, заданные в виде начальных условий маневра (второй способ задания начальных условий) или однократно вычисленные по начальным условиям, заданным в виде углов Эйлера (первый способ заДания начальных условий). В результате обеспечивается устойчивость оси разворота в инерциальном пространстве.
Сигнал на выходе сумматора 9 отличен от нуля лишь в том случае, когда направляющие
косинусы вектора угловой скорости отличаются от опорных значений. Это может происходить в результате действия на объект внещних возмущающих воздействий (моментов) или изменения составляющих тензора инерции объекта в процессе маневра или при ненулевом начальном значении угловой скорости. Во всех этих случаях сигнал с выхода сумматора 9, усиленный в усилителе 8, поступает в блок формирования сигналов управления 1 с обратным знаком, осуществляя отработку ошибки относительно программной траектории, обеспечивая устойчивость работы всей системы. Описываемая система обеспечивает надежную практическую реализацию оптимального с точки зрения затрат рабочего тела или времени маневра пространственного разворота объекта, гарантируя от возникновения аварийной ситуации, повышает точность выполнения маневра при действии возмущений и при ошибках реализации управляющих воздействий и математического описания объекта и сокращает объем вычислений, необходимых для реализации маневра, до однократного вычисления коэффициентов передачи, а также моменты времени переключения управления, что позволяет снизить требования к БЦВМ.
Формула изобретения
Система автоматического управления пространственным разворотом объекта, содержащая последовательно соединенные блок формирования управляющих сигналов и блок исполнительных органов, блок датчиков угловой скорости, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и устойчивости работы системы при действии возмущений,
она содержит блок формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, блок формирования переменной составляющей сигнала управления, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, усилитель и сумматор, вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, входы которого подключены соответственно к выходу блока датчиков
угловой скорости и к соединенному также с
входом блока формирования переменной составляющей сигнала управления выходу блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, вход которого соединен с выходом блока датчиков угловой скорости, выход блока формирования переменной составляющей сигнала управления непосредственно и выход сумматора через усилитель соединены с соответствующими входами блока формирования управляющих сигналов.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Лоскутов Е. М. К задаче оптимальной переориентации КА. «Космические исследования. 1973, т. XI, № 2.
2.Гурман В. И., Лавровский Э. К. и Сергеев С. И. Оптимальное управление ориентацией осесимметричиого вращающегося космического аппарата. «Космические исследования. 1970, т. VIII, № 3.
3.Петров Б. Н., Боднер В. А. и Алексеев К. Б. Аналитическое решение задачи управления пространственным поворотным маневром. ДАН, 1970, т. 192, № 6.
