SU561936A1 - Система автоматического управлени пространственным разворотом объекта - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к управлению двил у1димис  объектами и может быть использовано дл  управлени  движением объектов с произвольпыми инерционными свойствами (например, летательными аппаратами) около центра масс.

Известны системы управлени  поворотным маневром, в которых при заданных величинах эйлеровых углов, ограничени х на уиравл юш;ие моменты по св занным с аппаратом ос м и времени на разворот вычисл етс  врем  переключени  управлени  и уиравл ющие воздействи , обеспечивающие поворот аппарата вокруг неподвижной в инерциальном пространстве оси Эйлера за заданное врем  с минимальными затратами рабочего тела 1, 2. Эти системы позвол ют осуществл ть поворотный маневр лишь в тех случа х, когда ось Эйлера лежит в одной из плоскостей св занной системы координат (т. е. когда один из направл ющих косинусов оси вращени  обращаетс  в нуль), поэтому они не обеспечивают выполнени  поворотного маневра дл  всего множества положений оси Эйлера. Известна также система управлени  поворотным маневром, содержаща  последовательно соединенные блоки формировани  управл ющих сигналов и блок исполнительных органов , блоки датчиков угловой скорости, основанна  на принципе оптимального экстенсив2

ного разворота вокруг неподвижной в пнерциальном пространстве оси 3. Известна  система предполагает в течение всего маневра вычисление программы изменени  во времени управл ющий воздействий, которые должны компенсировать гигроскопический момент и обеспечивать оптимальный закон движени  вокруг неподвижной оси. Однако эта система работоспособна лищь при точном вычислении и реализации этой программы. В противном случае, а также в случае неточности определени  математической модели (тензора инерции) объекта (ЛА) или при действии внещпих возмущений резко снижаетс  точность маневра по углу; кроме того, наличие при этом в конце маневра ненулевой скорости вращени  ( точности по угловой скорости) в р де случаев может привести к аварийной закрутке аппарата. Таким образом, известна  разомкнута  система управлени  неустойчива по отнощению к перечисленным выще факторам. Она требует непрерывной работы цифровой вычислительной машины (ЦВМ) в течение всего маневра дл  вычислени  управл ющих воздействий, что приводит к значительным затратам машинного времени и пам ти.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и устойчивости работы системы управлени  и сокращение объема требуемы.ч вычислений, что в целом обеспечивает надежную и экономичную реализацию маневра пространственного разворота объекта. В описываемой системе это достигаетс  тем, что в нее введены блок формировани  квадрата нормы вектора угловой скорости, блок формировани  переменной составл ющей сигнала управлеим , блок формировани  сигнала отклонени  оси вращени  от заданного направлени , усилитель и сумматор, вход которого подключен к выходу блока формировани  сигнала отклонени  оси вращени  от заданного наиравлени , входы которого подключены соответственно к выходу блока датчиков угловой скорости и к соединенному с входом блока формировани  переменной составл ющей сигнала управлени  выходу блока формировани  квадрата нормы вектора угловой -е-корости, вход которого соединен с выхо„дом блока .датчиков угловой скорости, выход - ..бл,qJ,фopMIJBpвaни  переменной составл ю1|1 |р--с {П1аАа1уцравлени  непосредственно и В-Б1ХОД-еуммато1рьа через усилитель соединены с соответствующими входами блока формировани  управл ющих сигналов. Таким образом сформирован контур, обеспечивающий отработку отклонени  мгновенной оси вращени  от заданного направлени , создающий устойчивую работу системы управлени  и повыщающий точность пространствеиного разворота, и контур, позвол ющий отказатьс  от необходимости дискретного вычислени  на ЦВМ значений управл ющих моментов в течение всего маневра разворота и обеспечивающий, таким образом, непрерывное управление маневром. Работа ЦВМ при этом сводитс  к однократному вычислению посто нных составл ющих управл ющих момеитов , а также коэффициентов передачи, после чего система управлени  автоматически отрабатывает заданный маневр разворота. На чертеже приведена блок-схема описываемой системы. Разомкнутый контур системы составл ют блок формировани  управл ющих сигналов 1, блок исполнительных органов 2 и собственно объект 3, движение которого около центра масс описываетс  динамическими уравнени ми Эйлера /,№1 + (4 -) Mi, + (/1 - /з) «зЮ - Mj, + (4 - ) MS, где /г - моменты инерции относительно главных осей (совпадающих с ос ми св занной с объектом системы координат ); Шг - составл ющие вектора угловой скорости объектов св занной системы координат; 4j - моменты силы, воздействующие на объект (соответственно ос м св занной системы координат), , Разомкнутый контур системы вместе с блоком датчиков угловой скорости 4 составл ет известную систему. Эту систему автоматического управлени  маневром пространственного разворота объекта дополн ют блок формированп  квадрата нормы вектора угловой скорости 5, блок формировани  переменной составл ющей сигнала управлени  6, блок формировани  сигнала отклонени  оси вращени  от заданного направлени  7, усилитель 8 и сумматор 9. Начальные услови , задающие разворот, могут быть определены либо трем  углами Эйлера, либо трем  направл ющими косинусами оси разворота Vi(, 2, 3), а также величиной и знаком эквивалентного угла разворота ф. От первого способа задани  начальных условий всегда можно перейти ко второму посредством простых вычислений. Управл ющие моменты, прикладываемые по ос м объекта, могут быть разделены на две составл ющие: посто нную 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 прикладываетс  максимальна  составл юща  вектора управл ющего момента; Mmj - ограничени  на моменты управлени , заданные в св занных ос х (i, , ); Лг и Si - посто нные коэффициенты, завис щие только от начальных условий и от тензора инерции объекта и вычисл емые 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 пееключени  управлени , Т- общее врем  маевра . В начале маневра (0) в блоке формироани  заправл ющих сигналов 1 вырабатыватс  сигналы (соответственно ос м объекта), ропорциональные . ,, - М А 1 ти сигналы поступают на блок исполниельных органов 2, который создает соответтвующие управл ющие моменты, воздейсгвующие на корпус объекта и привод щие его во вращение. С возникновением угловой скорости ф(о по вл ютс  сигналы (ai(, 2, 3), снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4. В блоке формировани  квадрата нормы вектора угловой скорости 5 вырабатываетс  сигнал в соответствии с формулой:

3

I (й| (Вг2. В блоке формировани  переменной составл ющей сигнала управлени  6 сигнал с выхода блока формировани  квадрата нормы вектора угловой скорости 5 умножаетс  на предварительно вычисленный ЦВМ коэффициента Sj.

Таким образом, формируетс  сигнал, пропорциональной переменной, «гироскопической составл ющей вектора управл ющего момента, и разложенный по двум из трех координатных осей (по /-и оси сигнал остаетс  максимальным, пропорциональным Mmjsign (ф), т. е. по /-Й оси переменна  составл юща  отсутствует). Этот сигнал с выхода блока формировани  переменной составл ющей сигнала управлени  6, складыва сь в блоке формировани  управл ющих сигналов 1 с сигналом, пропорциональным посто нной составл ющей вектора управл ющего момента , поступает на блок исполнительных органов 2, создающий собственно вектор управл ющего момента теперь уже с учетом компенсации возникшего с началом движени  гироскопического момента, и объект отрабатывает пространственный поворотный маневр.

В расчетный момент времени ti (вычисленный ЦВМ) в блоке формировани  управл ющих сигналов 1 происходит переключение функции sign(9), т. е. сигналы, пропорциональные посто нным составл ющим управл ющих моментов по ос м /+1 и / + 2, а также по оси / (посто нна  составл юща  по этой оси пропорциональна максимально допустимому моменту Mmj) мен ют знак на противоположный - начинаетс  этап торможени  до полной остановки объекта в расчетный момент времени Т, после чего управл ющие воздействи  в блоке формировани  управл ющих сигналов 1 должны быть обнулены, и маневр заверщаетс .

Снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4 сигналы, пропорциональные составг л ющим вектора угловой скорости разворота, используютс  в блоке формировани  сигнала отклонени  оси вращени  от заданного направлени  7 дл  формировани  сигналов отклонени  оси вращени  от заданного направлени .

Этот блок реализует функцию

ft --

(, 2, 3), дл  чего в него поступает также сигнал, пропорциональный ||со||2 с блока формировани  квадрата нормы вектора угловой скорости 5. С сигналом, идущим от блока формировани  сигнала отклонени  оси вращени  от заданного направлени  7, в сумматоре 9 складываетс  соответствующий опорный сигнал v (viVsVa), вз тый с обратным знаком, где Vi(, 2, 3) - направл ющие

косинусы оси разворота, заданные в виде начальных условий маневра (второй способ задани  начальных условий) или однократно вычисленные по начальным услови м, заданным в виде углов Эйлера (первый способ заДани  начальных условий). В результате обеспечиваетс  устойчивость оси разворота в инерциальном пространстве.

Сигнал на выходе сумматора 9 отличен от нул  лишь в том случае, когда направл ющие

косинусы вектора угловой скорости отличаютс  от опорных значений. Это может происходить в результате действи  на объект внещних возмущающих воздействий (моментов) или изменени  составл ющих тензора инерции объекта в процессе маневра или при ненулевом начальном значении угловой скорости . Во всех этих случа х сигнал с выхода сумматора 9, усиленный в усилителе 8, поступает в блок формировани  сигналов управлени  1 с обратным знаком, осуществл   отработку ошибки относительно программной траектории , обеспечива  устойчивость работы всей системы. Описываема  система обеспечивает надежную практическую реализацию оптимального с точки зрени  затрат рабочего тела или времени маневра пространственного разворота объекта, гарантиру  от возникновени  аварийной ситуации, повышает точность выполнени  маневра при действии возмущений и при ошибках реализации управл ющих воздействий и математического описани  объекта и сокращает объем вычислений, необходимых дл  реализации маневра, до однократного вычислени  коэффициентов передачи, а также моменты времени переключени  управлени , что позвол ет снизить требовани  к БЦВМ.

Claims (3)

1.Лоскутов Е. М. К задаче оптимальной переориентации КА. «Космические исследовани . 1973, т. XI, № 2.

2.Гурман В. И., Лавровский Э. К. и Сергеев С. И. Оптимальное управление ориентацией осесимметричиого вращающегос  космического аппарата. «Космические исследовани . 1970, т. VIII, № 3.

3.Петров Б. Н., Боднер В. А. и Алексеев К. Б. Аналитическое решение задачи управлени  пространственным поворотным маневром . ДАН, 1970, т. 192, № 6.