Система управления космического аппарата

 

Использование: для управления движением космического аппарата вокруг центра масс. Система управления КА содержит измерители ошибок по углу и угловой скорости, два масштабных блока, формирователь закона управления, блок усиления мощности, блок исполнительных органов, ограничитель длительности сигнала на включение управления и компенсатор запаздывания исполнительных органов на отключение. 4 ил.

Изобретение относится к автоматическому управлению, в частности к управлению движением космического аппарата (КА) вокруг центра масс.

Известны системы, содержащие измерители ошибок по углу и угловой скорости, масштабные блоки, усилитель мощности, блок исполнительных органов и формирователь закона управления, который формирует сигнал управления в виде суммы сигналов, пропорциональных ошибкам по углу и угловой скорости.

Известна также система управления, в которой при формировании закона управления учитывается непосредственное запаздывание ЦВМ как элемента системы управления.

В прототипе решение данной общей задачи конкретизовано: с корпусом космического аппарата (КА) жестко связан телескоп, линейно измеряющий отклонение своей оптической оси и соответствующей оси КА от направления на звезду (Θ). С помощью цифрового нерекурсивного фильтра и струйно-реактивных двигателей реализуется закон управления -a_oΘ-a I M_упр где М_упр момент управления; I момент инерции КА; а₀ и а₁ константы, и первая и вторая производные угла Θ. Анализ работы контура управления в прототипе ведется, предполагая, что двигатели пропорционального действия и безынерционны.

Для иллюстрации использования излагаемой методологии и для ряда практических задач такая идеализация вполне допустима. Однако при организации прецизионного управления, в условиях все более ужесточающихся по мере развития техники точностных требований, приходится реализовывать сверхминимальные, но естественно ненулевые управляющие воздействия, причем с учетом их скачкообразного, релейного изменения. Например, при управлении линейным маховиком цена младшего разряда подаваемого на него управляющего сигнала должна гарантировать преодоление момента трения в опорах; при управлении газореактивными двигателями даже с использованием релейного элемента, охваченного апериодической обратной связью, сделать импульс тяги сколь угодно малым нельзя, и т.д.

Сделанное в прототипе предположение о безынерционности всех звеньев тракта управления кроме цифрового вычислителя также представляет лишь теоретический интерес. На практике при измерениях и обработке сигналов всегда приходится обеспечивать фильтрацию шумов. Кроме того, при значительных ресурсных нагрузках на исполнительные механизмы приходится применять схемы искрогашения, которые приводят к запаздываниям, в первую очередь на отключение. С учетом перечисленных факторов на практике приходится сталкиваться с ситуациями, в которых, например, для изменения тенденции нарастания ошибки на ее постепенное убывание достаточно было бы существования управляющего воздействия в течение половины такта счета алгоритма ЦВМ, однако реально оно длится в течение целого такта, а то и дольше. Это ведет к снижению экономичности, перерегулированиям и иным негативным последствиям.

Предлагаемое изобретение рассчитано именно на борьбу с вредным влиянием запаздываний путем ввода в систему специального их компенсатора.

На фиг. 1 представлена блок-схема системы управления, на фиг. 2 описан алгоритм работы прототипа; на фиг. 3 алгоритм, характеризующий сущность компенсации запаздываний из-за наличия фильтрации, дискретности счета алгоритма ЦВМ, на фиг. 4 алгоритм, характеризующий сущность запаздывания исполнительных органов на отключение.

Блок-схема системы управления содержит измеритель ошибки по углу 1, измеритель ошибки по угловой скорости 2, первый и второй масштабные блоки 3 и 4, формирователь закона управления 5, усилитель мощности 6, блок исполнительных органов 7, ограничитель длительности сигнала на включение управления 8 и компенсатор запаздывания исполнительных органов на отключение 9.

На фиг. 2 и 3 даны информационно-логические схемы (алгоритмы) работы прототипа и предлагаемой системы применительно к стабилизации постоянного положения КА; программное движение при этом нулевое, что непринципиально, а обозначения следующие. Знак ":" означает присвоение, ромб сравнение, результат сравнения "да" или "нет". t и ДТ текущее, т.е. меняющееся с шагом счета алгоритма h, и дискретное, меняющееся с тактом счета ЦВМ Т_о, время (h<<Тв время задействования предлагаемой системы по ходу счета (при t<<Т и ϕ момент инерции, угловая скорость и угол разворота КА; отличия ϕ и ω от нуля в данном случае являются ошибками по координате и по скорости ее изменения. М, М_в и М_упр действующие на КА моменты полный, возмущающий и управляющий (М_упр<0). G расход рабочего тела газореактивных ИО (g=const). ω_ф результат измерения угловой скорости КА и ее фильтрации от шумов с постоянной времени Т_ф K_ϕ и K_ω настройки контура управления по углу и по угловой скорости, σ выходной сигнал "сумматора" (ЦВМ), формирующего закон управления, σ_o зона нечувствительности. П сигнал на начало уменьшенияσ| ≥σ_o, П₂ его значение, запоминаемое на данный цикл управления. Л и q признаки, изменяющиеся с 0 на 1 соответственно при выработке сигнала на отключение ИО и при начале компенсации запаздывания ИО в предлагаемой системе. ТЗ время начала отсчета запаздывания ИО на отключение τ_o(здесь τ_o <Т<SUB>о_к.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При превышении модулем суммы поступающих на вход формирователя 5 сигналов зоны нечувствительности в начале i-го цикла алгоритма (или такта Т_о) на выходе формирователя 5 формируется и поступает на вход усилителя 6, а с его выхода на вход блока 7 сигнал на включение управляющего воздействия требуемого знака, ведущего к снижению суммы сигналов на входе формирователя 5 (в будущем).

В прототипе сформированный сигнал сохраняется до тех пор, пока это снижение не будет зарегистрировано в формирователе 5.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве сформированный управляющий сигнал в том же i-м цикле алгоритма (такте Т_о) идет не только на вход усилителя 6, но и на входы ограничителя 8 и компенсатора 9 (на фиг. 1 описания на вход компенсатора 9, без разделения на две ветви).

При этом в ограничителе 8 запоминается факт и знак отличия сформированного сигнала от нуля (на фиг. 2 это отражает сигнал П₂), а в компенсаторе 9 этот сигнал обнуляет счетчик времени задержки, после чего отсчет этого времени начинается заново. По истечении времени задержки (τ_к) управляющий сигнал поступает на элемент типа инвертора, что обеспечивает в этом же цикле алгоритма путем подачи инвертированного сигнала на вновь образованный вход усилителя 6 включение исполнительного органа с управляющим воздействием, по знаку противоположным требуемому.

Таким образом, суммарное управляющее воздействие отлично от нуля только на интервале τ_к (физика компенсации запаздываний ИО на отключение отражена в описании).

На i+1-м цикле особенности работы устройства таковы. По его началу через вновь образованный вход формирователя 5 ограничитель 8 обеспечивает искусственное снижение суммарного входного сигнала формирователя до величины, заведомо меньшей зоны нечувствительности, т.е. в конечном счете обнуление выходного сигнала формирователя 5. Это осуществляется "авансом" независимо от того, успело или не успело реализованное управляющее воздействие реально снизить сумму сигналов на входе формирователя 5, т.е. только по факту и знаку запомненного на i-м такте отличия сигнала управления от нуля (при П₂≠0). Затем ограничитель 8 запоминает теперь уже факт равенства этого сигнала нулю (это обнуление П₂). Тем самым исключается повторное формирование ненулевого сигнала управления и предотвращается дальнейшее снижение реальной суммы сигналов на входе формирователя 5.

Нулевой сигнал формирователя 5 через усилитель 6 обнуляет вход блока 7, т. е. дает сигнал на отключение исполнительных органов обоих знаков. В следующий раз управление будет включено при очередном превышении суммой входных сигналов формирователя 5 значения зоны нечувствительности.

Следует отметить, что обнуления счетчика задержки при переходе управляющего сигнала формирователя 5 от ненулевого состояния к нулевому не происходит, так что по показаниям счетчика, накапливаемым в промежутках между включениями управления (между его обнулениями), апостериори можно судить о степени оптимальности процесса управления и при необходимости корректировать его параметры.

Формула изобретения

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, содержащая измеритель ошибки по углу, измеритель ошибки по угловой скорости, первый и второй масштабные блоки, формирователь закона управления, блок усиления мощности и блок исполнительных органов, причем выход измерителя ошибки по углу соединен с входом первого масштабного блока, выход которого подключен к первому входу формирователя, выход измерителя ошибки по угловой скорости соединен с входом второго масштабного блока, выход которого подключен к второму входу формирователя, выход формирователя соединен с входом блока усиления мощности, выход которого соединен с входом блока исполнительных органов, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно введены ограничитель длительности сигнала на включение управления и компенсатор запаздывания исполнительных органов на отключение, причем входы ограничителя и компенсатора соединены с выходом формирователя, а выход компенсатора соединен с вновь образованным вторым входом блока усиления мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4