Способ управления угловым положением космического аппарата при помощи инерционных исполнительных органов

 

Изобретение относится к способам управления угловым положением космического аппарата и может быть использовано в прецизионных системах управления, исполнительными органами которых являются электромаховичные двигатели. Целью изобретения является повышение точности и экономии энергозатрат в условиях действия знакопеременного возмущающего момента . Поставленная цель достигается тем, что фиксируют в момент достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность, дополнительный управляющий момент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии с приведенной зависимостью. 1 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з В 64 G 1/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4872523/22 (22) 31.07.90 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Г.Е. Ануприенко (73) Киевский политехнический институт (56) Раушенбах Б,В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов.

M.: Наука, 1974, с. 128-130.

Алексеев К.Б. и Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. M.: Машиностроение, 1974, с. 218-225. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

ПРИ ПОМОЩИ ИНЕРЦИОННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ

Изобретение относится к способам управления угловым положением космического аппарата и может быть использовано в прецизионных системах управления, исполнительными органами которых являются электромаховичные двигатели (ЭМД).

Известны способы управления ориентацией в пространстве космических аппаратов (КА), в которых управляющие моменты создают с помощью реверсивных управля ющих маховиков или ЭМД, В известных способам к корпусу КА прикладывают управляющий момент в функции отклонения текущего углового положения

КА от требуемого при помощи инерционно» Ы 1782221 А3 (57) Изобретение относится к способам управления угловым положением космического аппарата и может быть использовано а прецизионных системах управления, исполнительными органами которых являются электромаховичные двигатели, Целью изобретения является повышение точности и зкономии энергозатрат в условиях действия знакоперемен ного возмущающего момента. Поставленная цель достигается тем, что фиксируют в момент достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность; дополнительный управляющий момент создают припомощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии с приведенной зависимостью. 1 ил, го исполнительного органа, определяют текущее значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, сравнивают это текущее значение с пороговым значением, при превышении текущим значением кинетического момента порогового значения уменьшают кинетический момент инерционного органа, создающего управляющий момент, до номинального значения путем приложения к корпусу КА дополнительного управляющего момента.

Использование инерционных исполнительных органов вместо реактивных особенно эффективно при длительных режимах

1782221 ориентации в условиях действия знакопеременного возмущающего момента, т. к. при этом экономится рабочее тело для реактивных двигателей: рабочее тело тратится только на компенсацию действия постоянной составляющей возмущающего момента.

Однако для получения ВышеуказаннОГО положительного эффекта необходимо производить уменьшение кинетического момента инерционного органа до номинального при помощи реактивных двигателей через интервалы времени Ту, кратные периоду изменения возмущающего момента Т8.т.е. Ту= КТ, где К вЂ” целое число. Период изменения возмущающего момента Тв может быть большим, например равным периоду обра щения KA вокруг планеты.

Таким образом, недостатком известных способов является то, что при их использовании необходимо производить уменьшение кинетического момента инерционного органа через большие интервалы времени, а следовательно, необходимо предусмотреть большую величину порогового значения кинетического момента. Пороговое значение кинетического момента должно быть больше, чем амплитуда кинетического момента, вызванная действием переменной составляющей возмущающего момента, Это обстоятельство приводит к невозможности обеспечения прецизионной орйентации КА из-за нестабильности по времени моментной. характеристики исполнительного органа и невозможности создания сколь ffодно малОГО и сколь уГОдно точно ГО дозирован ия jllpBB" ляющего момента.

В известных способах с помощью инерционного исполнительного органа выполняют одновременно две функции: оказывают управляющее воздействие на корпус КА; накапливают в нем кинетический момент из-за воздействия íà,îðïóñ КА внешних возмущающих моментов, освобождая таким образом корпус КА от вышеуказанноГО кинетическоГО мОмента, Кинетический момент К, который накапливает инерциокный исполнительный орган, например ЭМД, в режиме прецизионной ориентации равен

K-ik - J Medi, о где i — момент инерции маховика; в — скорость вращения маховика относительно корпуса KA (абсолютным значением скорости вращения корпуса KA в режиме прецизионной ориентации по сравнению с а можно пренебречь), M> — внешний возмущающий момент; t — время.

Несмотря на то, что внешние возмущающие моменты Мо, как правило, малы и имеют перисдическую составляющую, из-за длительного времени работы амплитуды К, а следовательно, i может быть большой, Это требует использования ЗМД или с большим i или с большим интервалОм рабочих скоростей + о>, или с большим и + в, одновременно. Большому I соответствует большой момент сопротивления вращению маховика Мс, который при выключенном

ЭМД возмущает корпус КА. На большом интервале - в увеличивается нестабильность моментной характеристики ЭМД, т, к. электродвигатели любого типа (постоянного тока, асинхронные и даже гистерезисные)

p83BHBBlOT MOMGHT, завиСИмый OT CKOpOGTM

20. вращения их якоря или ротора. Кроме того, при больших в даже при малых размерах маховика ЗМД (малый i) увеличивается аэродинамическое сопротивление, а следовательно, и Мс, Для возможности управления ориентацией необходимо, как минимум, чтобы электромагнитный момент Мэ ЭМД превосходил момент сопротивления вращению маховика Мс. т. к. Мс обычно больше, чем внешний возмущающий момент М,, Для надежности можно допустить, чтобы!

Мэ! ) 2МС (2) Таким образом, из неравенства (2) следует, что минимальное значение управляющего момента, которое можно достичь, равно и колеблется в процессе управления в следующих пределах

40 IMyi= !Мэ! + Мс =(1 + З)Мс, (3)

Для возможности обеспечения малых эначекий управляющего момента Му и с малыми колебаниями по величине для прецизионного режима необходимо использовать

45 ЗМД с малым моментом сопротивления, а следовательно, с малым l и + м, Но в этом случае невозмох<на длительная работа, т. к. по мере накопления кинетического момента

К согласно выражению (1), в выйдет за

БО - пределы 4-в и необходимо будет часто производить уменьшение накопленного кинетического момента К, растрачивая понапрасну рабочеетело на ус ранение не постоянной, как это разумно делать, а переменной составляю% щей кинетического момента, создаваемой действием знакопеременного возмуща|ощего момента, Целью изобретения является повыше-, ние точности управления угловым положе1782221 нием КА и экономии энергозатрат в условиях действия знакопеременного возмущающего момента.

Поставленная цель достигается тем, что фиксируют в момент достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения его полярность, дополнительный управляющий момент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращения, определяемой в соответствии со следующей зависимостью

Q — — Г- (и — m), I К.1 где К вЂ” пороговое значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент;

I — момент инерции дополнительного инерционного исполнительного органа; п, m — количество случаев превышения кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения положительной и отрицательной полярности соответственно.

На чертеже изображена моментная характеристика инерционного исполнительного органа, при этом вп х — скорость холостого хода или синхронная скорость, + вп — приемлемый для управления диапазон в в части стабильности электромагнитного момента Мэ и момента сопротивления вращению Мс.

Изобретение выполняется следующим образом.

С целью создания малого по величине управляющего момента выбирают инерционный исполнительный орган малой мощности с малым моментом. инерции I, а следовательно, с малым моментом сопротивления вращению. Исходя из конфигурации моментной характеристики выбранного инерционного исполнительного органа, а также учитывая зависимость его момента сопротивления от скорости в, определяют приемлемый рабочий диапазон скоростей

«+ вп, так чтобы на этом диапазоне сохранялась требуемая зависимость электромагнитного момента Мэ от скорости, например, чтобы Мэ = const с определенной степенью точности или крутопадающая характеристика для автоматического внесения в процесс управления элемента затухания колебаний.

Вначале, когда накопленный КА кинетический I Kl=l I < I1,I, управляют ориен<т

Q = " slgnKп,! к!. н (4) З0 где KI и = Ilé I — пороговое значение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, Дополнительный момент Мд при изме 5 нении скорости вращения дополнительного инерционного исполнительного органа равен

Мд=1H а, (5) 40 где Q — производная ат Й

Для того, чтобы этот дополнительный момент Мд не нарушил прецизионную ориентацию, он должен быть меньше, чем уп45 равляющий момент основного инерционного исполнительного органа. Это условие достигается обеспечением соответствующей скорости изменения частоты питания, т. к, 50 а — Cf, (6) где С вЂ” коэффициент пропорциональности, Q=Cf . (7)

С учетом (7) иэ (5) допустимая скорость изменения частоты питания дополнительного инерционного исполнительного органа не должна превышать следующей величины тацией КА любым выбранным способом и при этом определяют К, измеряя в и умножая ее на известный измеренный на Земле момент инерции I. Если с течением времени

5 из-за внешних возмущающих моментов накопленный кинетический момент станет равным IKI-- II I = Ila>l, то фиксируют

его полярность (положительная или отрицательная) и создают дополнительный управля10 ющий момент при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, Таким дополнительным инерционным исполнительным органом, например, может быть

ЭМД гистерезисного типа, синхронная схо15 рость которого определяется частотой питания его обмоток. Дополнительный инерционный исполнительный орган может уже иметь большой момент инерции 1н и большой диапазон рабочих скоростей и вп, а

20 следовательно, большой момент сопротивления. Медленно изменяя частоту f питания такого дополнительного инерционного исполнительного органа, добиваются того, .чтобы скорость вращения его маховика ста25 ла равной:

fg =—

Mg

ClH где Мд- допустимая величина дополнительНОГО инерционноГО исполнительноГО GpMна.

Когда будет выполнена условие (4) весь накопленный ОснОВным исполнительнь!м Органом кинетическил момент будет сосредоточен в дополнительном инерционном исполнительном Ор GHe, скОрость Вращения ю маховика основного исполнительного Gpraна будет равна О, После выполнения этой операции поддерживают скорость вращения маховика дополнительного инерционного исполниTeJlI horG opr8H8 на Уровне (4) за счет поддер>кания постоянной частоты питания до тех ггар, пока вновь кинетический момент основного исполнительного органа не достигнет порогового значения l6!i (. Вновь фиксируют полярность достигнутОГО порогового значения накопленного кинвтического момента, т, е. slgrI Kn.

Начиная с первого случая достижения кинетическим моментом порогового значения производят подсчет таких случаев, причем подсчитывают количество случаев появленич положительных полярностей и и количества случаев появления отрицательных полярностей m. Если, например, в первом и Ва втором случае достижения порогового значения его полярность была положительна, то считают п = 2, а m = О и при этом вновь, изменяя частоту в сторону возрастания, увеличивают Вышеописанным способом скорость вращения маховика дополнительного инерционного исполнительного органа на величину {4), а следова. тельно, В этом частном случае да Величины

9=2 slgrIKn

1@п где число 2 соответствует числу поло>кительных полярностей. Если последующие полярности будут только положительны, то п . будет возрастать и соответственно будет возрастать и скорость Q в положительном направлении

Если же будут появляться только отрицательные полярности m, то Q должна возрастать в отрицательном направлении, т. е.

Я= — m—

IКIn

1н, В общем случае при появлении как поло5 жительных и, так и отрицательных m полярностей скорость Q определяется согласно

Выражению

0- —" (и — m), 1К, 1н

Как видно из вышеприведенного описания, при данном способе можно создавать до15 полнительный момент меньше управляюЩЕГО MGMBHTB ОСНОВНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО органа, не нарушая прецизионной ориентации, с одной стороны. С другой стороны, при поддержании постоянной скорости враще2О ния маховика дополнительного инерционного исполнительного органа его момент сопротивления, хотя и большой, компенсируется автоматически его же электромагнитным моментом, т. е. он не влияет на

25 работу основного исполнительнога органа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за счет использования основного инерционного исполнительного органа с малым моментом инерции маховика и при

ЗО

его работе в небольшом диапазоне изменения скорости, маховика обеспечивать прецизионный режим ориентации, а за счет использования дополнительного инерционНого исполнительного opraHa c большим мо35 ментом инерции и/или с большим

5 диапазоном изменения скорости маховика обеспечивать накопление большого по амплитуде переменного кинетического момента, обусловленного по амплитуде переменного кинетического момента, обус4О ловленного длительным воздействием знакопеременного возмущающего момента, а . следовательно, не тратить рабочее тело на устранение кинетического момента от этого знакоперемен ного возмущающего момен45

Выполняя ранее упоминавшееся условие Ту = KTB, способ позволяет тратить рабочее тело только на компенсацию воздействия постоянной составляющей возмущающего момента, Устранение накопленного кинетического момента можно, как известно, производить не только за счет расхода рабочего тела при использовании реактивных двигателей, 55 но также за счет расхода электроэнергии при использовании электромагнитных двигателей, у которых магнитным полем является магнитное поле планеты, около которой движешься KA. В этом случае способ приво1782221

Соста вител ь Г.Ануп риен ко

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор О, Юрковецкал

Редактор

Заказ 4287. Тираж ПОдпиСНОЕ

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул,Гагарина, 101 дит к экономии расхода электроэнергии, т, к. она будет расходоваться только на компенсацию воздействия иа КА постоянной составляющей возмущающего момента. fleременная составляющая возмущающего момента приводит только к колебаниям кинетического момента внутри дополнительного инерционного исполнительного органа.

Формула изобретения

Способ управления угловым положением космического аппарата при помощи инерционных исполнительных органов, включающий приложение в корпусу космического аппарата(КА) управляющего момента в функции отклонения текущего углового положения КА от требуемого при помощи инерционного исполнительного органа, определение текущего значения кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, сравнение его текущего значения с пороговым значением при превышении текущим значением кинетического момента порогового значения, уменьшение кинетического момента инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, до номинального значения путем приложения к корпусу КА дополнительногоуправляющего момента, о тп и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и экономии энергозатрат в условилх действия знакопеременного возмущающего момента, 5 фиксируют в моменты достижения кинетическим моментом инерционного исполнительного Органа, создающего управллющий момент, порогового значенил его полярность, дополнигельный управляющий мо10 мент создают при помощи дополнительного инерционного исполнительного органа, работающего в режиме поддержания заданной скорости вращенил, определяемой в соответствии со следующей зависимостью: где К вЂ” кинетический момент инерционного

20 исполнительного органа, создающего управля ощий момент;

4 — момент инерции дополнительного инерционного исполнительного органа; и, m — количество случаев превышенил

25 кинетическим моментом инерционного исполнительного органа, создающего управляющий момент, порогового значения положительчой и отрицательной полярности соответственно,