Система терминального управления пространственным угловым маневрированием

 

Изобретение касается систем управления угловым движением динамических объектов, а именно систем ориентации и стабилизации. Целью изобретения является повышение быстродействия систем за счет пространственных угловых разворотов динамического объекта. Система терминального управления содержит объект управления 1, блок датчиков углов 2, блок датчиков угловых скоростей 3, блок исполнительных органов 4, блок задатчиков 5, блок сумматоров, первый 7 и второй 8 блоки формирования тригонометрических коэффициентов, блок формирователей управления 9, первый 10 и второй 11 блоки источников постоянных напряжений, блок преобразования координат 12, блок формирователей таймерных переменных. 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСГ1У БЛИК

„SU„;, 61 999

А3 (51)5 G 05 В )3/00

Ьй14ОЮьгйяч

ПМНЛВ-1",":,", .., .!,":-;

БХБЛй(3 .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

APH ГКНТ СССР (21 ) 4468819/24-24 (22) 01.08.88 (46) 15.12.90. Бюп. ¹ 46 (72) В.В.Черныш, 10.С.Мануйлов и С.В.Шапымов (53) 62-50 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1362308, кл, G 05 В 13/00, 1988.

l (54) СИСТЕМА ТЕРМИНАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННЫМ УГЛОВЫМ МАНЕВРИРОВАНИЕМ (57) Изобрете:ые касается систем управления угловым движением динамических объектов, а именно систем ориен-, тации и стабилизации. Целью изобрете2 ния являетсм повышение быстродействия систеж за счет пространственных уг-: ловых разворотов динамического объекта. Система терминального. управления содержит объект управления 1, блок датчиков углов 2, блок датчиков угловых скоростей 3, блок исполнительных органов 4, блок задатчиков 5, блок сумматоров 6, первый 7 и второй 8 блоки формирования тригонометрических коэффициентов, блок формирователей управления 9, первый 10 и второй 11 блоки источников постоянных напряжений, блок преобразования координат

12, блок формирователей т:Фмерных переменных. 9 ил.

1613999

0 М3 639 а(а)= -О 0 Я, Ы-Я; 0

1-з : из

0 ) соз) — Ь, 1="Л

0 1- —--I СОЯ Ч2

1 cos9>

)) соз с/

50 7

Х (0)ег (P, V), (2) Изобретение относится к системам

) управления угловым движением динамических объектов, а именно к системам ориентации и стабилизации, Целью изобретения является повышение быстродействия систем за счет сокращения времени на совершение пространственных угловых разворотов динамического объекта. 10

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы терминального управления пространственным угловым манев( рированием; на фиг. 2 — функциональная схема блока преобразования коорди-15 нат; на фиг. 3 и 4 — функциональные схемы первого .и второго блоков формирования тригонометрических коэффициентов, на фиг. 5 — схема блока формирования управления; на фиг. 6 — схе- 20 ма формирователя таймерных .переменных; на фиг. 7 — схема блока выделения максимальных значений; на фиг. 8—

r схема блока формирования угловых скоростей; на фиг. 9 — схема блока фор- 25 миров ания коэффициентов.

Система (фиг. 1 ) содержит объект .

1 управления, блок 2 датчиков углов,, блок 3 датчиков угловых скоростей, блок 4 исполнительных органов, блок 5 30 задатчиков, блок 6 сумматоров, первый 7 и второй 8 блоки формирования три гонометриче ских коэ ффициенто в, блок 9 формирования управления, сос-. тоящий из трех формирователей, первый 10 и второй 11 блоки источников постоянных напряжений, блок 12 преобразования координат, блок 13 формирователей таймерных переменныхр состоящих из трех формирователей 13 тай- 40 мерных переменных и блока 13 выделеli ния максимального значения.

Блок 12 пре обр аз ов ания координат (фиг. 2) содержит блок 14 формирования угловых скоростей, блок 15 форми- 45 рования коэффициентов, три блока умножителей 16-18, девять матричных множителей 19-27 и три блока суммато— ров 28-30.

На фиг. 3 и 4 обоз.начены:

sing<, °,cos(g>- нелинейные блт. ки, реализующие тригонометрические функft II II 1) ции от входных величин; ИПН 0 и 1

55 источники нулевого и единичного посто янных напряжений; 1 — скалярныи дели— тель1 Х вЂ” скалярный множитель; 1 инв ертор, На фиг. 5 и 6 обозначены: Ф11С формирователь модуля сигнала; + — скалярный сумматор; Кл — Ключ; > †. усилитель; 1 - нелинейный элемент "корень квадратный"; « - - релейный элемент;

К - компаратор.

Б основу изобретения положены следующие соображения.

Динамика пространственного углового движения объекта в общем виде описывается системой динамических управлений Эйлера и кинематических соотношений в углах Эйлера-Крылока:

° 3

У =I- à(ì) I Mu; (1)

q = (Ч)6

1Г где Ю = Я;, i=!,3) — вектор угловых скоро ст ей вр а)щения объекта;

СР =1)Р,, i=l,33 — вектор относительных углов ориент ации (у гловых рассогласований ) объекT TOB1

u=Iu;:)ч;)с), i=l,(- вектор ограни-. ченных управляющих гараметров;

М (3, 3 — матрица распределения управляющих моментов по каналам упр авл ения;

Х (3, 31 — т енз ор и нерции объекта управле ни я;

1 1 EVz,s uVy 1 Цсозф

), )

1- -1

Введем в рассмотренные матрицу V= "=1, М-матрицу столбец 1) =col(QI Я ) и за счет преобразования координат представим систему (1) в виде:

Г

) де Х,={к „, =1, 11; у

5 161 3999

i=1 3); v ÷„, i=1 3 — вектора квазикоординат, квазискоростей и параметров управления в новом координатном базисе. P

Для этого воспользуемся неособыми преобразованиями, построенными на основе результатов теории алгебр Ли векторных полей, Можно записать де с... 0 - оператор скалярного прозведения векторов.

Раскрывая операторные скобки в выажении (3) и воспользовавшись известой методикой решения дифференциальных уравнений в частных производных, Олу чим 3 х,=

10 Х =(=6()О; (3 ) .= --(р (ч)ф(+ -(% (i()Q) .

Я % Э

811) (Я

Расписав последнее из приведенных соотношений с учетом (1), после несложных преобразований запишем:

dx Д-(0) Зх", (9) ° — - — -- = (- — >- — -,в>

3с gg,)=1, 2, i=1 3, (3) = (i (())()(tp)+()(y)z a(g)xf g +P(q)z- ац где

1 1

I С082(f (Я Я1П(Я СОВ(Д) 1Я(. (Я Соз(-()()>sin/3)

О 0 1 -(63< sin(f>+4) созЦ)3) F(9)=

-I- -+1 tgЧ2 1 1

Ц (2 $3+033COS(fg) )1 (2 OS(jt 1)1 49) созГД 1 cosy где

u=V(y) v-h(6), (4) 30

0 ) (il sin(I +g3cos (Р3

1 0

0 I tg(II sing>(Q+g>ense ) I- Я3 .3

У(0)=Ф (q)F(q)=

tgg< ЧЖ"" 3 cosQ>) 1

I (44) 40

Ф()=

) 1

0 1 cos (.(. 1 cosg

1.

cps(fz co s(I)>

0 -з1п(С учетом (4) условия ограниченности компонент вектора и могут быть 45

)представлены н виде

1"ф =l(V(g)v);-hi(0)16 1, i=1,3 (5)

С учетом преобразования исходного координатного базиса ((,Я) — + (х(, х ) 50 задача t-оптимального управления может быть сформулирована следующим образом.

Требуется обеспечить наискорейший перевод объекта (2).из состояния (XI(O), X2 (0) ) в состояние (О, XÄ) с учетом ограничения (5 ), Данная з адача немного проще исходной. Однако в предложении постоянства компонент (6) У2-Чх2+ сп-Чх т, (7) =ч, 2 где Х =tf;

Х2 =Ф(ч)(1%

Х =ф(О)У =Ю,;

g =4la()((:;, i=1,3)) Разрешим данное уравнение относительно вектора управляющих параметров и и, после несложных преобразований, запишем; где V (q) =M (I3 ((I)); (())=M (xi)(())Рц)+()()) z)u, матрицы V и вектора h на некотором достаточно коротком интервапе времени (такте управления) может быть предложено линейное преобразование (Х, Х2)-Ф(Х,, Ха);

Х =Vx - — -Х h+Kvx 1

1 1 2 ат позволяющее получить систему из трех нез ави симых двойных инте граторов:

Х(=Х 1613999

G, T -t - так называемая таймерная

Ч переменная, характеризующая .:времй, оставшееся до завершения роцесса управления в -м канале а управления; ((О), Y (О))-(О, О).

Заметим, что в соответствии с (3 )

X„=pi X2т =От a X<=gg)g Тогда с учетом (4) соотношения (6) могут быть представлены в виде:

У,-I7(Ó)ä+, V(Ñ )à,— — —, h(g,g), 1

Y,=M цд -v(!I))ÿ,+ h((f,c3 ), (8) — вектора фазовых коорди- 10 нат и скоростей объекта в новом координатном базисе; где

h(9, Q ) =М jIQ((f, Ы ф(()+д(Ы) Ij 63;

v(q)=x Я (y), Расчет таймерных переменных б;

i-=1,3 для каждого из каналов управления объектом (7) производится с использованием соотношения, ;(у„, y„)> О;

Ъ;(у,, у,; }со; (у„,, у; }=О, i=1 3, (9}

1 апизуемый, может быть представлен в виде н,=0,5 (6 n (%; )+S(n (%р, )), (31)

l где 7(р; (У(, i Уг, )=У(, «2= ; У g, уг (1 у + l) 5(x у ) у +

1 Уг, 1

Я;(У, У„)=У,; + — — у„) У„I метра, используемого для формиро вания Y<(t), У (), необходимо выб-; 4(.

) .а5 )!» - - ),5 «G ° ()2) рать

Я, (б. 12; )-2))ла — (1о) 4>v; =u ;

1 а

° <, У(., 2 Уг ) S)I5n (1,;

)!

G. =(),-ÓгВ Р9, ;

Я =(a, )-4!У, !

I(r+

;: у;! С. 1, . 15

1= Г, 33 — вектор ограниченных управляющих параметров.

При этом краевые условия исходной ( задачи t-оптимального управления преобразуются к виду 20 (30

Для обеспечения . одновременности завершения процесса управления по всем трем каналам в качестве пара5 =max 5, i=1,з !

Поскольку в данном случае(2 =()

1 как правило, только для одного i-го

40 канала, а для всех других каналов выполняетсяя неравенство Б G +, j= l, 3, . )Pi то и структура оптимального управления в разных каналах должна быть различной. В i-м канале должна

25 быть структура. t-оптимального управланнн: v;: !+I, +I)), а а j-к каналах целесообразна структура энергетически-оптимального управления с двумя переключениями: v : Х+1,0, + !1, )=1,3, jgi. Поскольку вектор v имеет тот же самьй физический сж)сл, что и вектор и то формируемое для объекта (7) управление может непосредственно подаваться на систему исполни55 тельных органов. Дпя реаиизации вьппе перечисленных .структур управления це-лесообразно использовать известный регулятор, а .закон управления,, им ре—

Таким образом, предлагаемое устройство одновременно по всем трем каналам управления вращательным движением объекта реализует закон (11) с учетом (8) и (9) в следующем порядке (фиг. 1) .

Текущие значения углов ориентации связанного координатного базиса относительноо Опорного ((р (и Ц) 3 снимаются с векторного выхода блока 2 датчиков углов, а текущие значения угловых скоростей (д,, (ь) и 633 — с векторного выхода блока 3 датчиков угловых скоростей. Требуемые значения углов

Ц)(, ф2 и Ц) снимаются с первого век! 6! 3999

10 торного выхода блока 5 з адат чика, а требуемые значения угловых скоростей

Я1, Q< и (>33 — с второго векторíîro выхода блока 5 задатчиков. На выходе блока 6 формируются рассогласования по Углам Ц3,, (Р и (.11э . с выходов первого 7 и второго 8 формирующих блоков согласно (1 ) и (4 ) снимаются си гьапы, пропорциональные с оответ ст- I p венно компонентам матриц (P (() и, ф" (g) На выходах первого 10 и второго

11 источников постоянных напряжений формируются соответственно значения

-I компонент матриц I и М . На первом и 15 втором выходах блока 12 преобразования к.оординат формируются значения компонент векторов У1 и У> в соответствии с соотношениями,8), На первом выходе блока 13 формирователей 2р таймерных переменных в соответствии с (9) формируются значения g,, i= I, 3.

Значение gI(, формируемое на выходе

II блока 13 в соответствии с (10), поступает на третий вход блока 9, Зн;—

25 чения же tI i- I 3 в соответствии с (12) формируются на скалярных выходах соответствующих формирователей

13 таймерных г1еремен>1ых и Iiñ>ñòóiiëîò на первый, второй и четвертый ска>1ярнь>е входы блока 9, Упра ление и,, =1,3 в соответствии с (I I ) формируется на выходах 0p>iIIpo>3ателей 9 и выдается на соответствующие пыходы блока 9. 35

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При необходимости перевести объект из начального положе13ия „I =$() i= 4p

=1, 3), (.> =(43,„, i= l 3 ) в гребуемое конечное положение + =(ф, i = I, 3Е, <> =1<>т,, <=1,>1 в овок 1 задвт иков вводится информация о требуемом конечном 1>оложении объекта управления 45

<информация об углах Ц>,. и угловых ско—

<востЯх Qz) . Сигналы, пРопоРЦиональ>3ые текущим и заданным значениям углов, поступают на соответ ствующие входы блока 6 ° Полученные сигналы угловых рассогласований (p поступают на соответствующие входы первого 7 и второго 8 блоков и блока 12 преобразования координат, Сигналы с выходов первого

7 и второго 8 блоков, пропорциональные компонентам матриц ф(() и (Cp), поступают соответственно на входы блока 12 преобразования координат. На остальные входы блока 12 поступают соответственно сигналы: на первый векторный сигнал Д, i= I 3 с выходii блока 13 формирователей таймерных переменных (в начальный момент времени() =О, i=1,3), на второй — вектор(д с выхода блока 3 датчиков угловых скоростей; на третий — вектор(д с второго выхода блока 5 эадатчиков; на четвертый — сигнапы, пропорциона>1>в ные компонентам матрицы Е, с выходя блока 10 источников постоянных напря-. жений; на пятый — сигналы, пропорци-1 онапьнь1е компонентам матрицы M c выхода блока 11 источников постоянных напряжений. Сформированные соответственно на первом и втором выходах блока 12 сигналы, пропорционяль— ные Y и У.>,,поступают ня соответствующие входы блока 9 формирователей управле13ия и блока 13 формирователей

TQI1MppKIK перемен33ых. На скалярных выходах блока 13 формирук>тся сигн<ии1, пропорционапьнь>е (;, i=1,3 и б, и поступают на соогветствующие I>xo i блока 9 фо;>мирователей унрявления.

Параметр(3» фактически характеризует дли ie>II II<><; ть интер1>ял<1 времени, ост;и<шегося до зане процесса упрявления простр<>нстве31пым у гловым маневром обь< Ic<11 по схеме, оптимальной по быстродеli <. тпию. И, наконец, сформирован>п»е и;1 трех выходах блока 9 сигliil лы, про порцио11<331>.13ые з няче пням управлений 11, 3 =1, 3, поступают ня соот13е1ствую>ц>1е входы блока 4 испол1331тельных ор г<шо11. Процесс управления з авершаетсЯ по Ус>1овию(13 =0(>) Q =(Зт.

Фор мул я и э<>брет ения

Система терминального управления пространственным угловым маневрированием, содержащая блок формирования управления, первы>3, второй и третий выходы которого через соответствующий исполнительный орган бл<>ка исполнительных органов подключены к первому, второму и третьему входом объекта управления, первый выход объекта управления через блок датчиков угла связан с первым входом блока сумматоров, второй выход объекта управления связан с входом блока датчиков угловой скорости, первый выход блока зядатчиков подключен к второму входу блока сумматоров, о т л и ч я I> щ ая с я тем, что, с целью повыше>п<я бЫСтрсдЕйСтВИя СИСтЕ>Ы, Оиа д >вп 1НП12

1613999 Рыг.2

Ф(1) 0 арф/С

СОЬЩС0

СОЮЗА

-УИ fg тельно содержит первый и второй блоки и< точников постоянных напряжений, блок формирователей таймерных переменнях, блок преобразования координат, а также первый и второй блоки формирования тригонометрических коэффициентов, причем первый выход блока формирователей таймерчых переменных подключен к первому входу блока пре образования координат, к второму входу которого подключен выход блока датчиков угловой скорости, к третьему входу подключен второй выход блока задатчиков, к четвертому и пятому входам подключены соответственно выходы первого и второго блоков источников постоянных напряжений, шестой и седьмой входы подключены соответственно через первый и второй блоки формирования тригонометрических коэффициентов, а восьмой вход непосредственно к выходу блока сумматоров, первый и второй выходы блока преобразования координат соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирователей таймерных о переменных, а также соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования управления, а третий, четвертый, пятый и шестой входы блока формирования управления связаны соответственно с вторым, / тр ет ьим, четвертым и пятым выходами блока формирователей таймерных переменных.

1613999

-Si

l б13999 кбых

1613999

Фсркрующи br 0

cusPz

5/соя ф/С05 ф

Корректор Н. РевскаЯ

Редактор А. Леж:ына

3ак аз 3892 Тираж 662 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101

ty Fzsing(fu

О (Ц5ьПРу+

Составитель В. Хромов

Техред Л. Сердюкова