RU2403610C1

RU2403610C1 - Method of high-precision control over moving object trajectory (sea and river ships, aircraft and guided missiles)

Info

Publication number: RU2403610C1
Application number: RU2009130121/28A
Authority: RU
Inventors: Герман Петрович Лосев (RU); Герман Петрович Лосев; Елена Николаевна Маханек (RU); Елена Николаевна Маханек; Светлана Владимировна Слепцова (RU); Светлана Владимировна Слепцова
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2010-11-10

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: positive feedback is applied to steering machine, while course stabilisation system loop incorporates branching filter in the form flexible feedback to cut off course stabilisation on low frequencies and allow meeting the conditions of position invariance.

EFFECT: expanded performances due to higher static and dynamic precision of control system.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматического регулирования, а именно к способам управления движением центра масс подвижного объекта (ПО) типа морских и речных судов, летательных аппаратов, управляемых ракет и других объектов, использующих для управления траекторией движения сигналы датчиков параметров движения центра масс (например, приемник спутниковой навигации (СНС)), сигналы с датчиков углового движения (например, датчик курса), сигналы с датчика угловой скорости (ДУС), сигналы с датчика положения рулевой машины, который служит для организации отрицательной обратной связи (позиционный привод).The invention relates to the field of automatic control, and in particular to methods of controlling the center of mass of a moving object (PO) such as sea and river ships, aircraft, guided missiles and other objects that use signals from sensors of parameters of motion of the center of mass (for example, a receiver) to control the path of motion satellite navigation (SNA)), signals from angular motion sensors (for example, heading sensor), signals from an angular velocity sensor (DOS), signals from a steering wheel position sensor, which serves to Organizations negative feedback (position drive).

Известны способы управления подобных ПО (см. «Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории», С.П. Дмитриев, А.Е.Пелевин, Санкт-Петербург, 2002 г., «Динамика систем управления ракет с бортовыми цифровыми вычислительными машинами», под редакцией докт.технических наук М.С.Хитрика, М., 1972 г.).Known methods for controlling such software (see. "The tasks of navigation and control during stabilization of the vessel on the trajectory", S. P. Dmitriev, A. E. Pelevin, St. Petersburg, 2002, "Dynamics of control systems for rockets with on-board digital computers) ", Edited by Doctor of Technical Sciences M.S. Hitrick, M., 1972).

По заданным параметрам программной траектории движения управление ПО осуществляется на одной (для морских судов) или двух плоскостях (боковая и продольная плоскость) для ЛА и управляемых ракет. Способ формирования сигналов, подаваемых на рулевую машину, охваченной отрицательной обратной связью, в основном, одинаков. Поэтому изложение сущности изобретения проводится на основе анализа управления лишь в боковой (горизонтальной) плоскости, характерной для всех 3-х рассматриваемых типов подвижных объектов.According to the specified parameters of the programmed motion path, the software is controlled on one (for sea vessels) or two planes (lateral and longitudinal planes) for aircraft and guided missiles. The method for generating the signals applied to the steering machine covered by negative feedback is basically the same. Therefore, the summary of the invention is carried out on the basis of control analysis only in the lateral (horizontal) plane, characteristic of all 3 types of moving objects under consideration.

На основании информации о текущих параметрах движения рассчитывается боковое отклонение подвижного объекта Δz и скорость его изменения

от программной траектории и в соответствии с выбранными коэффициентами N₀ и N₁ формируются команды для изменения курсаBased on the information about the current motion parameters, the lateral deviation of the moving object Δz and its rate of change are calculated

from the program path and in accordance with the selected coefficients N ₀ and N ₁ are formed teams to change the course

где

- программный курс на траектории.Where

- program course on the trajectory.

На рулевой привод подается команда

A command is given to the steering gear

Δψ=ψ_пр-ψ,Δψ = ψ _pr -ψ,

где А₀, A₁ - коэффициенты управления,where A ₀ , A ₁ - control coefficients,

ω - угловая скорость изменения курса,ω is the angular rate of change of course,

ψ - текущий курс подвижного объекта.ψ is the current course of the moving object.

Основной недостаток такого способа управления заключается в том, что при действии на ПО возмущений (возмущающие сила и момент) из-за проблемы устойчивости не удается подобрать коэффициенты N₀, N₁ более оптимально, а введение стабилизации по курсу не позволяет принципиально обеспечить высокую точность управления движением центра масс ПО, т.к. это противоречит принципу инвариантности. В работе В.И.Асриева «Проектирование инвариантных систем автоматического регулирования», вопросы специальной радиоэлектроники, серия 15, выпуск 13, 1965 г. показано, что принципиально невозможно обеспечить выполнение условий инвариантности одновременно по курсу и боковому отклонению.The main disadvantage of this control method is that when perturbations are applied to the software (perturbing force and moment) due to the stability problem, it is not possible to select the coefficients N ₀ , N ₁ more optimally, and the introduction of stabilization along the course does not allow for a high accuracy of control by the motion of the center of mass of the software, because this contradicts the principle of invariance. In the work of V.I. Asriev, “Designing Invariant Automatic Control Systems,” issues of special radio electronics, series 15, issue 13, 1965, it was shown that it is fundamentally impossible to ensure that the invariance conditions are fulfilled simultaneously in direction and lateral deviation.

При решении задачи стабилизации судна на траектории в выражении (1) дополнительно вводится сигнал интеграла от бокового отклонения (ПИД-регулятор), равныйWhen solving the problem of stabilization of the vessel along the trajectory in expression (1), an integral signal from the lateral deviation (PID controller) is additionally introduced, equal to

.

Введение сигнала, равного интегралу от бокового отклонения, позволяет повысить точность управления ПО при его движении по программной траектории. Однако, с точки зрения устойчивости, интегральное управление повышает порядок системы, и платой за обеспечение большей точности является появление в переходных процессах колебаний и увеличение времени переходного процесса.The introduction of a signal equal to the integral of the lateral deviation makes it possible to increase the accuracy of software control when it moves along the program path. However, from the point of view of stability, integral control increases the order of the system, and the payment for ensuring greater accuracy is the appearance of oscillations in transient processes and an increase in transient time.

Наиболее близким способом к заявляемому изобретению является способ управления, изложенный в патенте RU 2335008 С1 («Система управления угловым движением летательного аппарата с интегрирующим приводом»). Рациональным элементом системы является повышение точности управления угловым движением ЛА не введением интегрирующей коррекции, а за счет использования интегрирующего свойства рулевого привода. Этот способ не повышает порядок системы, тем самым упрощая задачу обеспечения устойчивости, но для работоспособности системы необходимо использовать сигналы с датчика угловых ускорений. Сложности практической реализации высокоточного датчика угловых ускорений существенно ограничивают возможности системы. Кроме того, интегрирующий привод (т.е. отсутствие отрицательной обратной связи в контуре рулевого привода) еще более усложняет проблему устойчивости при управлении траекторией движения ПО, имеющего намного более высокий порядок системы и более жесткие требования к качеству стабилизации курса.The closest way to the claimed invention is the control method described in patent RU 2335008 C1 ("Angular motion control system of an aircraft with an integrating drive"). A rational element of the system is to increase the accuracy of controlling the angular movement of the aircraft not by introducing integrating correction, but by using the integrating properties of the steering gear. This method does not increase the order of the system, thereby simplifying the task of ensuring stability, but for the system to work, it is necessary to use signals from the angular acceleration sensor. The difficulties of the practical implementation of a high-precision angular acceleration sensor significantly limit the capabilities of the system. In addition, the integrating drive (i.e., the absence of negative feedback in the steering drive circuit) further complicates the stability problem when controlling the path of software having a much higher system order and more stringent requirements for the quality of course stabilization.

Задачей изобретения является повышение точности и динамичности управления траекторией движения ПО относительно программы при сохранении всех положительных свойств системы с отрицательной обратной связью (ООС) рулевого привода в области высокочастотной стабилизации углового (курса) движения объекта управления.The objective of the invention is to improve the accuracy and dynamism of the control of the software path relative to the program while maintaining all the positive properties of the negative feedback system (OOS) of the steering drive in the field of high-frequency stabilization of the angular (heading) movement of the control object.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе управления с рулевой машиной, охваченной отрицательной обратной связью, вводится дополнительно положительная обратная связь (ПОС), компенсирующей ООС в области низких частот (т.е. в области рабочих частот контура центра масс) с передаточной функцией видаThe problem was solved due to the fact that in the known control method with a steering machine covered by negative feedback, an additional positive feedback (POS) is introduced to compensate for the environmental protection in the low frequency region (i.e., in the operating frequency region of the center of mass circuit) with transfer function of the form

где коэффициент К_ПОС эквивалентен коэффициенту усиления по ООС, а τ - постоянная времени звена гибкой обратной связи (ГОС), вводимого в контур стабилизации курса и имеющего следующий вид:where the _POS coefficient K is equivalent to the GOS gain, and τ is the time constant of the flexible feedback link (GOS), introduced into the course stabilization circuit and having the following form:

Положительные и отличительные свойства предлагаемого способа заключаются в том, что в области рабочих частот контура стабилизации центра масс рулевая машина является интегрирующим приводом исполнительного органа, а стабилизация курса по медленно меняющейся составляющей сигналов центра масс исключена, т.е. выполняется требование принципов инвариантности о возможности их выполнения лишь по одной координате (либо инвариантность по курсу, либо по отклонению центра масс от программы - рассматриваемый случай).The positive and distinctive properties of the proposed method are that in the region of operating frequencies of the stabilization loop of the center of mass, the steering machine is an integrating drive of the actuator, and the stabilization of the course along the slowly changing component of the signals of the center of mass is excluded, i.e. the requirement of the principles of invariance is satisfied that they can be fulfilled in only one coordinate (either invariance in the course or in the deviation of the center of mass from the program — the case under consideration).

Управление подвижным объектом по заявленному способу осуществляется следующим образом.Management of a movable object by the claimed method is as follows.

При действии возмущений или отработке начальных условий реакция системы управления в первое время аналогична реакции системы классической структуры с жесткой обратной связью рулевого привода, так как положительная обратная связь начнет действовать приблизительно через время 3·τ, при этом размыкание контура стабилизации курса также начнется через такое же время (звено ГОС (5) на высоких частотах имеет коэффициент передачи, равный 1). Через отмеченное время вступает в действие ПОС, и система начинает работать уже как система с интегрирующим приводом и разомкнутым контуром стабилизации курса. В этом случае выполняются все условия инвариантности системы к возмущающим моменту и силе, чем обеспечивается в установившемся режиме нулевое значение статической ошибки.Under the action of disturbances or the development of initial conditions, the reaction of the control system for the first time is similar to the reaction of the classical structure system with hard steering feedback, since positive feedback will begin to act after approximately 3 · τ, and the course stabilization loop will also open after the same time (GOS link (5) at high frequencies has a transmission coefficient equal to 1). After the marked time, the PIC comes into effect, and the system begins to work as a system with an integrating drive and an open loop stabilization course. In this case, all conditions of the invariance of the system to the disturbing moment and force are satisfied, which ensures in the steady state a zero value of the static error.

Для подтверждения вышеизложенного была осуществлена программная реализация данного способа управления на модели судна (типа фрегата проекта 11356 (см. «Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории», С.П.Дмитриев, А.Е.Пелевин, Санкт-Петербург, 2002 г.)), в которой проведено при равных условиях сравнение результатов моделирования процессов стабилизации движения центра масс при предлагаемом способе управления и при способе классической структуры.To confirm the above, a software implementation of this control method was carried out on the model of the vessel (type frigate of project 11356 (see. "Navigation and control tasks when stabilizing the vessel along the trajectory", S. P. Dmitriev, A. E. Pelevin, St. Petersburg, 2002 g)), in which, under equal conditions, a comparison of the simulation results of stabilization processes of the motion of the center of mass with the proposed control method and the classical structure method is carried out.

На Фиг.1 и 2 приведены графики переходных процессов фрегата по координате бокового отклонения Δz под воздействием возмущающей силы с предлагаемым методом управления и с законом управления классической структуры соответственно. Из представленных графиков следует, что показатели динамической (перерегулирование, время установления переходных процессов) и статической точности (ошибка по боковому отклонению) в предлагаемом способе составляют: перерегулирование σ=4.45 м, время регулирования t_пп=70 с, статическая ошибка 0 м. В системе прототипа (классическая структура) эти показатели соответственно равны 5.9 м, 160 с, 0 м. Из приведенных результатов сравнения следует, что предлагаемый способ обеспечивает высокие показатели управления движением подвижного объекта при стабилизации его относительно программной траектории. В системе управления с предлагаемым способом управления реализуются практически предельные показатели динамической и статической точности, определяемые динамическими характеристиками объекта управления и рулевого привода.Figures 1 and 2 show graphs of transients of the frigate along the coordinate of the lateral deviation Δz under the influence of a disturbing force with the proposed control method and with the control law of the classical structure, respectively. From the presented graphs it follows that the indicators of dynamic (overshoot, transient establishment time) and static accuracy (lateral deviation error) in the proposed method are: overshoot σ = 4.45 m, regulation time t _pp = 70 s, static error 0 m. prototype system (classical structure), these indicators are respectively 5.9 m, 160 s, 0 m. From the above comparison results it follows that the proposed method provides high performance control of the movement of a moving object with a stable lizing it relative to the program path. The control system with the proposed control method implements almost limit indicators of dynamic and static accuracy, determined by the dynamic characteristics of the control object and the steering gear.

Предложенный способ управления подвижным объектом допускает существенное упрощение структурной схемы системы. Из приведенной передаточной функции гибкой обратной связи (5) следует, что можно не использовать датчик курса (гирокомпас или магнитный компас), а дополнительно использовать сигнал с датчика угловой скорости (ДУС), пропустив его через инерционное звеноThe proposed method for controlling a moving object allows a significant simplification of the structural scheme of the system. From the above transfer function of flexible feedback (5) it follows that you can not use the heading sensor (gyrocompass or magnetic compass), but additionally use the signal from the angular velocity sensor (TLS), passing it through the inertial link

Система управления траекторией движения подвижного объекта без использования сигналов с датчика курса одновременно устраняет воздействие на систему ошибок гирокомпаса или магнитного компаса (погрешности привязки осей чувствительности, уходы, шумы, ошибки учета магнитного склонения и девиации).The control system for the trajectory of the moving object without using signals from the heading sensor simultaneously eliminates the impact on the system of gyrocompass or magnetic compass errors (errors in the alignment of sensitivity axes, drifts, noise, errors in accounting for magnetic declination and deviation).

Claims

1. A method of high-precision and dynamic control of the trajectory of a moving object (sea and river vessels, aircraft, guided missiles), using to control the trajectory of the signals of the sensors of the parameters of motion of the center of mass (for example, the receiver of a satellite navigation system), the signals of the sensor of angular motion (for example , gyrocompass), the signals of the angular velocity sensor, determining the deviation from the program path and the rate of change, while in accordance with the selected coefficients form I control commands for a steering machine covered by negative feedback, characterized in that a positive feedback is additionally introduced into the circuit of the steering machine, which compensates for the negative feedback and articulated moment of the steering machine (executive body) in the frequency range of the stabilization loop of the center of mass, and To stabilize the course, a flexible feedback link (separation filter) is introduced, which excludes stabilization of the course at the working frequencies of the center of mass.

2. The method of high-precision and dynamic control of the trajectory of a moving object (sea and river vessels, aircraft, guided missiles) according to claim 1, characterized in that in order to exclude the influence of heading sensor errors, the signal from the heading sensor is input not from the heading sensor, but from an angular velocity sensor passed through an inertial link.