Релейная система управления

 

Изобретение касается автоматического регулирования и может найти применение в системах управления стабилизацией углового движения инерционных объектов, в частности в системах управления ориентацией упругих космических аппаратов, например аппаратов с упругими выносными элементами конструкции: панелями солнечных батарей, антеннами, штангами т.д. Сущность изобретения: релейная система управления содержит блок 1 рассогласования, блок 2 формирования порогового сигнала, первый 3 и второй 4 сумматоры, первый 5 и второй 6 нелинейные усилители, первый 7 и второй 8 логические элементы НЕ, первый 9 и второй 10 логические элементы И, усилитель-преобразователь 11, исполнительный орган 12, инерционный объект 13, нелинейный корректирующий блок 14, причем корректирующий блок 14 содержит логический элемент ИЛИ 15, первый 16 и второй 18 инверторы знака сигнала и интегрирующий блок 17. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение касается автоматического регулирования и может найти применение в системах управления стабилизацией углового движения инерционных объектов, в частности в системах управления ориентацией упругих космических аппаратов (КА), например аппаратов с упругими выносными элементами конструкции: панелями солнечных батарей (СБ), антеннами, штангами и т.п.

Известны устройства [1] и [2] содержащие трехпозиционный релейный элемент с гарантированной зоной нечувствительности.

Однако точность систем угловой стабилизации с такими регуляторами недостаточно велика.

Наиболее близкой к изобретению является релейная система управления [3] содержащая первый нелинейный усилитель, корректирующий блок, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока рассогласования, а выход соединен с первым входом второго нелинейного усилителя, второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого инвертора знака сигнала, а выход с входом корректирующего блока, блок формирования порогового сигнала, выход которого соединен с вторым входом второго нелинейного усилителя, последовательно соединенные усилитель-преобразователь, исполнительные органы, два элемента И и два элемента НЕ, причем выход блока рассогласования соединен с первым входом первого нелинейного усилителя, второй вход которого соединен с выходом блока формирования порогового сигнала, а выход с входом первого элемента НЕ и первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго нелинейного усилителя и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента НЕ, а выход с вторым входом второго сумматора и первым входом усилителя-преобразователя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и входом первого инвертора знака сигнала.

Недостатком данной релейной системы управления является возможность захвата регулятора упругими колебаниями. При этом амплитуда колебаний по углу превышает размер гистерезиса релейной характеристики нелинейного усилителя и могут создаваться условия, когда энергия при работе исполнительных органов стабилизации расходуется на поддержание незатухающих упругих колебаний объекта (так называемый "захват" колебаниями регулятора). Кроме того, в такой системе отсутствуют средства регулирования параметров регулятора для обеспечения устойчивости и приемлемых энергозатрат на управление инерционным объектом (космические, летательные, надводные, подводные аппараты, электроприводы и т.п.) с изменяемыми инерционными и нагрузочными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является устранение указанного недостатка при сохранении заданной точности.

Для этого в релейной системе управления, содержащей первый нелинейный усилитель, корректирующий блок, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока рассогласования, а выход соединен с первым входом второго нелинейного усилителя, блок формирования порогового сигнала, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго нелинейных усилителей, последовательно соединенные усилитель-преобразователь, исполнительные органы, два элемента И и два элемента НЕ, причем выход первого нелинейного усилителя соединен с входом первого элемента НЕ и первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго нелинейного усилителя и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента НЕ, а выход с первым входом корректирующего блока и первым входом усилителя-преобразователя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и вторым входом корректирующего блока, и второй сумматор, первый вход второго сумматора соединен с вторым выходом корректирующего блока, второй вход с выходом блока рассогласования, выход с первым входом первого нелинейного усилителя.

Корректирующий блок может содержать элемент ИЛИ, первый и второй входы которого образуют соответственно входы корректирующего блока, выход элемента ИЛИ через первый инвертор знака сигнала соединен с входом интегрирующего блока, выход которого связан с входом второго инвертора знака сигнала, выход последнего и выход интегрирующего блока образуют соответственно второй и первый выходы корректирующего блока.

Причинно-следственная связь между совокупностью вышеуказанных существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что в релейной системе при отклонениях объекта управления, возникающих, например, при упругих колебаниях выносных элементов конструкции и т.п. формируется динамически расширяющаяся зона нечувствительности. При этом величина зоны нечувствительности тем больше, чем больше отклонение, следовательно, и длительность нахождения объекта за пределами зоны нечувствительности. Благодаря этому формируются благоприятные условия для демпфирования колебаний объекта и его упругих элементов конcтрукции. Поcле гашения колебаний размер зоны нечувствительности уменьшается до заданного расчетного значения и обеспечивается требуемая точность по угловому рассогласованию.

На фиг. 1 представлена структурная схема релейной системы управления и пример реализации блока интегрирования; на фиг. 2,а-е последовательность формирования предельного цикла колебаний объекта при реализации системы; на фиг. 3 переходный процесс гашения упругих колебаний при работе предлагаемой релейной системы управления (Х угол, Y угловая скорость объекта с упругими выносными элементами конструкции; задавалась начальная амплитуда упругих колебаний по углу, превышающая гистерезис релейной характеристики первого и второго нелинейных усилителей.

Релейная система управления включает в себя блок 1 рассогласования, блок 2 формирования порогового сигнала, первый 3 и второй 4 сумматоры, первый 5 и второй 6 нелинейные усилители, первый 7 и второй 8 логические элементы НЕ, первый 9 и второй 10 логические элементы И, усилитель-преобразователь 11, исполнительный орган 12, инерционный объект 13, нелинейный корректирующий блок 14. Корректирующий блок 14 содержит логический элемент ИЛИ 15, первый 16 и второй 18 инверторы знака сигнала и интегрирующий блок 17 (интегрирующий блок может быть как линейным, так и нелинейным).

Система работает следующим образом.

Уровень порогового сигнала, формируемого блоком 2, отображается на фазовой плоскости (в координатах Х (угол) и Y угловая скорость) линиями переключения L-L' для первого нелинейного усилителя 5 и Р-Р' для второго нелинейного усилителя 6 (фиг. 2). Поскольку на вторые входы первого 5 и второго 6 нелинейных усилителей поступает один и тот же пороговый сигнал с выхода блока 2, то линии переключения Р-Р' и L-L' (правее которых формируются сигналы U5 1 и U6 1 и левее которых формируются сигналы U5 0 и U6 0) при нулевом значении корректирующего сигнала U14 на выходе блока 14 совпадают: L c P и L' c P'.

Разность между угловыми положениями объекта, соответствующими этим линиями, равна величине гистерезиса h X(P) X(P') X(L) X(L'). Формирование увеличивающегося (уменьшающегося) по амплитуде корректирующего сигнала на первом и втором выходах блока 14, суммирование сигнала с первого выхода блока 14 с позиционным сигналом блока 1 сумматором 4 отображается на фазовой плоскости движением линий Р-Р' вправо (влево) и суммирование сигнала с второго выхода блока 14 с позиционным сигналом с блока 1 сумматором 3 (после изменения знака сигнала инвертором 18) движением линий L-L' влево (вправо) вдоль оси абсцисс Х.

Пусть в начальный момент угол и угловая скорость объекта отображаются на фазовой плоскости точкой 1 (фиг. 2,а). Поскольку сигнал угла U1 и скорректированные сигналы U3 и U4 больше порогового сигнала U2, то формируются U5 U6 1 на выходах элементов И 9 и 10 U9 1, U10 0. Следовательно, формируется управляющий момент, вызывающий отрицательное угловое ускорение объекта, изображающая точка двигается по параболической траектории 1-2-3 (фиг. 2,а, б, в). Одновременно на выходе элемента ИЛИ 15 формируется U15 1, на выходе инвертора 16 сигнал U16 1 и на выходе интегрирующего блока 17, выполненного, например, в виде апериодического звена, уменьшающийся (увеличивающийся по амплитуде с отрицательным знаком) сигнал, что эквивалентно смещению линий Р-Р' вправо (сигнал на выходе сумматора 4 уменьшается) и линий L-L' влево (сигнал на выходе сумматора 3 увеличивается, так как сигнал U17 меняет знак в инверторе 18) относительно исходного положения (фиг. 2,а). При этом происходит увеличение зоны нечувствительности релейной системы (расстояние между линиями Р-Р' и L-L') вдвое больше по сравнению с прототипом [3] что уменьшает возможность захвата регулятора упругими колебаниями. В точке 3 (фиг. 2,в) скорректированный сигнал U4 становится меньше порогового, т.е. U6 0, но сигнал U3 по-прежнему больше порогового в нелинейном усилителе 5 (линия L-L' cместилась влево), поэтому на выходе элемента И 9 сигнал U9 0, на выходах элементов НЕ 7 и 8 U7 0 и U8 1, тогда на выходе элемента И 10 формируется U10 0 и управляющее воздействие изменяется на малое или нулевого уровня и изображающая точка двигается по траектории 3-4 (фиг. 2,г). Одновременно на выходе элемента ИЛИ 15 и инвертора 16 U15 U16 0 и амплитуда корректирующего сигнала на выходе блока 14 начинает уменьшаться (подобно разряду конденсатора), что эквивалентно смещению линий Р-Р' и L-L' соответственно влево и вправо к исходному положению (фиг. 2, в и г). В точке 4 (фиг. 2,г) сигнал с сумматора 3 U3 становится меньше порогового и сигнал U5 0. Поскольку и U6 0, то элементом И 9 формируется U9 0, а схемой И 10 сигнал U10 1 (поскольку на выходах элементов НЕ 7 и 8 сигналы U7U8 1). По сигналу с элемента И 10 U10 1 к объекту прикладывается управляющий момент, вызывающий его положительное ускорение, изображающая точка двигается по траектории 4-5 (фиг. 2,д). На выходе элемента ИЛИ 15 при этом сигнал U15 1, на выходе инвертора 16 U16 -1 и блоком 17 формируется увеличивающийся по амплитуде отрицательной полярности сигнал, т.е. линии Р-Р' перемещаются вправо, а линии L-L' влево относительно исходного положения на фиг. 2,а. В точке 5 (фиг. 2,д) скорректированный сигнал с сумматора 4 U4 вновь становится больше порогового в нелинейном усилителе 6 и формируется сигнал U6 1. Поскольку сигнал на выходе сумматора 3 по-прежнему меньше порогового в нелинейном усилителе 5, следовательно, U9 U10 0. Управляющий момент вновь изменяется на малый или нулевого уровня, изображающая точка перемещается по траектории 5-6 (фиг. 2,е), сигналы U15 U16 0, амплитуда корректирующего сигнала начинает уменьшаться (подобно разряду конденсатора), что эквивалентно движению линий P-P'влево и L-L' впpаво к исходному положению. В точке 6 сигнал с сумматора 3 становится больше порогового уровня в нелинейном усилителе 5 и формируется U5 1, а на выходе нелинейного усилителя 6 по-прежнему U6 1. Тогда на выходах элементов И 9 и 10 U9 1, U10 0. Формируется управляющий момент, вызывающий отрицательное угловое ускорение объекта, изображающая точка перемещается по траектории 6-1-2-3 (фиг. 2,е,а,б,в), формируется уменьшающийся (увеличивающийся по амплитуде с отрицательным знаком) корректирующий сигнал и линии Р-Р' двигаются вправо, а линии L-L' влево от исходного положения. Далее цикл управления повторяется в вышеописанной последовательности.

Блок 1 рассогласования может быть выполнен в виде последовательно соединенных датчика угла и фильтра с передаточной функцией Wф Кф (Т1 Р + 1)/(Т2 Р + 1), где Т1 > Т2 постоянные времени интегро-дифференцирующего фильтра; Kф коэффициент усиления; Р оператор Лапласа.

Например, для КА датчика угла может быть инфракрасный построитель местной вертикали.

В другом варианте реализации блок 1 может содержать датчик угла, датчик угловой скорости объекта, связанные каждый через свой усилитель с входами сумматора, выход которого подключен к входу фильтра, описанного выше.

Блоки 11 и 12 могут формировать управляющие воздействия следующим образом: Мупр -М, если U9 1 и U10 0 Мупр +М, если U9 0 и U10 1 Мупр m или 0, если U9 0 и U10 0, где М величина управляющего момента большого уровня, формируемого исполнительными органами; m величина управляющего момента малого уровня, формируемого исполнительными органами.

На фиг. 3 приведены результаты моделирования работы предлагаемой системы управления в варианте вышеописанной реализации блока 1 рассогласования в виде последовательно соединенных датчика угла и фильтра. Как показывают результаты моделирования, путем выбора параметров системы удается обеспечить активное демпфирование упругих колебаний объекта, что является дополнительным техническим результатом предлагаемого технического решения. Как видно из фиг. 3, начальная амплитуда упругих колебаний выносного элемента конструкции, имеющего момент инерции около 10% от момента инерции объекта, собственную частоту колебаний около 1,5 рад/с и нулевой логарифмический декремент затухания колебаний, уменьшилась с 0,1 рад практически до нулевого значения за время около 6 мин.

Такое построение системы стабилизации позволяет сохранить преимущества прототипа в части исключения возможности формирования противоречащих друг другу управляющих сигналов на входах усилителя-преобразователя исполнительных органов, т. е. обеспечить помехозащищенность, повысить точность стабилизации объекта и качество управления упругим объектом за cчет уменьшения возможноcти захвата регулятора упругими колебаниями. Кроме того, как показывают результаты моделирования, предлагаемая релейная система управления обладает свойством активного демпфирования упругих колебаний объекта.

Формула изобретения

1. РЕЛЕЙНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, содержащая первый нелинейный усилитель, корректирующий блок, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока рассогласования, а выход - с первым входом второго нелинейного усилителя, блок формирования порогового сигнала, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго нелинейных усилителей, последовательно соединенные усилитель-преобразователь, исполнительные органы, два элемента И и два элемента НЕ, причем выход первого нелинейного усилителя соединен с входом первого элемента НЕ и первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго нелинейного усилителя и входом второго элемента НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента НЕ, а выход - с первым входом корректирующего блока и первым входом усилителя-преобразователя, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И и вторым входом корректирующего блока, второй сумматор, отличающаяся тем, что первый вход второго сумматора соединен с вторым выходом корректирующего блока, второй вход - с выходом блока рассогласования, выход - с первым входом первого нелинейного усилителя.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что корректирующий блок содержит элемент ИЛИ, первый и второй входы которого образуют соответственно входы корректирующего блока, выход элемента ИЛИ через первый инвертор знака сигнала соединен с входом интегрирующего блока, выход которого связан с входом второго инвертора знака сигнала, выход последнего и выход интегрирующего блока образуют соответственно второй и первый выходы корректирующего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3