Автопилот

 

Изобретение относится к средствам обеспечения стабилизации ориентации летательных аппаратов (ЛА). Для достижения технического результата, состоящего в повышении быстродействия при выведении ЛА из режима нежелательного вращения вокруг одной из своих осей и расширении диапазона ориентационных углов, в традиционный автопилот, в котором управляющее воздействие формируется на основе сигнала ошибки и сигнала датчика угловых скоростей, дополнительно введены блок анализа показаний датчика углов, блок логического управления и коммутатор, причем вход блока анализа показаний датчика углов подключен к выходу одного из датчиков ориентационных углов, а выходы соединены соответственно с входами блока логического управления, выходы которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора, своим первым коммутируемым входом и выходом подключенного соответственно к одному из выходов блока преобразования - усиления, в котором формируется и обрабатывается сигнал ошибки, и к одному из входов блока исполнительных устройств, второй и третий коммутируемые входы являются входами дополнительных сигналов управления автопилота. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к автопилотам и может использоваться для стабилизации заданных ориентационных углов летательных аппаратов (ЛА).

Прежде чем привести сведения об аналоге и прототипе, рассмотрим принцип построения автопилотов.

Общеизвестен принцип построения автопилотов, согласно которому управляющие воздействия формируются на основе сигнала ошибки, представляющего собой разность между заданным ориентационным параметром и измеренным с помощью датчика значением ориентационного параметра. К сигналу ошибки прибавляются сигналы других датчиков и весь этот сложный сигнал преобразуется в различных линейных и нелинейных устройствах, усиливается и подается на исполнительные устройства, приводящие в действие управляющие органы ЛА. Такая обработка сигнала ошибки позволяет получить высокое быстродействие, плавность переходного процесса и большой запас устойчивости, Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоуправление ракетами, М.: Советское радио, 1964, с. 491-511; Доброленский Ю. П. , Иванова В.И., Поспелов Г.С. Автоматика управляемых снарядов, М.: Оборонизд, 1963, с.277-289, 303-305; Гуткин Л.С., Борисов Ю.П. и др. Радиоуправление реактивными снарядами и космическими аппаратами. М.: Советское радио, 1968, с. 74-84: Топчиев Ю.Н., Потемкин В.Г., Иваненко В.Г. Системы стабилизации. М.: Машиностроение, 1974, с. 106-122; Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами, М.: Машиностроение, 1973, с. 59, 75-80, 81-88).

На основе этого принципа построены нижеописанные аналог и прототип заявляемого автопилота.

Известен автопилот (Доброленский Ю.П., Иванова В.И., Поспелов Г.С. Автоматика управляемых снарядов, М.: Оборонизд, 1963), содержащий блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок исполнительных устройств и блок преобразования - усиления, причем выходы блока задания программы ориентации и блока датчиков углов соединены с соответствующими входами блока преобразования-усиления, выходы которого подключены к соответствующим входам блока исполнительных устройств.

В известном автопилоте достижению технического результата препятствуют следующие причины: особенности изменений показаний датчика углов при вращении ЛА вокруг одной из своих осей, состоящие в том, что показания датчика изменяются по пилообразному закону, и соответствующе этому закону изменения сигнала ошибки при вращении корпуса ЛА.

В процессе вращения ЛА одна и та же ориентационная ситуация повторяется после каждого полного оборота. Поэтому изменение показаний датчика углов будет представлять собой периодическую функцию. Поскольку датчики углов отсчитывают угол от некоторого опорного направления влево и вправо, эта периодическая функция будет знакопеременной. Следовательно сигнал ошибки, являющийся разностью между заданным значением угла и показанием датчика углов, будет представлять собой периодическую знакопеременную функцию. Поскольку управляющие воздействия автопилота формируются на основе сигнала ошибки, исполнительные устройства будут так приводить в действие органы управления ЛА, что они будут формировать активный вращательный момент как положительного, так и отрицательного знаков. Для быстрого выведения ЛА из режима нежелательного вращения необходим активный вращательный момент только того знака, при котором первоначально возникшие вращения тормозятся. В связи со знакопеременностью активного вращательного момента в отдельные интервалы времени первоначально возникшие вращения ЛА будт наоборот поддерживаться, что снижает быстродействие известного автопилота при выведении ЛА из режима нежелательного вращения.

Общие признаки аналога и заявляемого устройства следующие: блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок исполнительных устройств и блок преобразования-усиления.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является автопилот (Доброленский Ю.П., Иванова В. И. , Поспелов Г.С. Автоматика управляемых снарядов. М.: Оборонизд, 1963, с. 285, Фиг. 9. 7), содержащий блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок датчиков угловых скоростей, блок исполнительных устройств и блок преобразования-усиления, причем выходы блока задания программы ориентации, блока датчиков угловых скоростей и n выходов блока датчиков углов соединены соответственно со входами блока преобразования-усиления, m выходов которого соединены соответственно с m входами блока исполнительных устройств.

В известном автопилоте достижению технического результата, указанного ниже, препятствуют следующие причины: знакопеременность показаний датчика углов и, следовательно, - сигнала ошибки при вращении ЛА вокруг одной из своих осей, а также связанная с этими особенностями низкая эффективность от использования в законе управления сигнала датчика угловых скоростей. Приведем краткие пояснения. Для режима малых рассогласований между заданным и истинным ориентационными углами, когда показания датчика углов адекватны истинному углу, сигнал датчика угловых скоростей соразмеряют с сигналом ошибки, чтобы добиться определенной степени демпфирования и получения такой величины перерегулирования, при которой время переходного процесса мало (Доброленский Ю. П. и др. Автоматика управляемых сигналов, М.: Оборонизд, 1963, с. 301-305).

Рассмотрим процессы в автопилоте. При вращении ЛА, например вправо, показания датчика углов в окрестности угла π совершают скачок, так как датчик одновременно не может показывать значение π и со знаком плюс, и со знаком минус. Будем считать датчик углов идеальным - без зоны нечувствительности в окрестности угла π. Поэтому в рассматриваемом случае скачок будет от показания "+π" к показанию "-π" . В момент времени совершения скачка показаний датчика углов скачком изменяется и сигнал ошибки. Конкретизируем рассмотрение процессов в автопилоте. Пусть задан большой положительный ориентационный угол, равный +(π-a) где а - малое число по сравнению с π и истинный ориентационный угол равен заданному. При этом сигнал ошибки будет равным нулю. Если из этого состояния корпус ЛА начнет вращение вправо, то ориентационный угол будет увеличиваться, а сигнал ошибки станет отрицательным. Следовательно, величина и знак сигнала ошибки будет соответствовать рассогласованию заданного и истинного углов. Это соответствие будет до тех пор, пока значение ориентационного угла будет приближаться к значению π. Для точного значения истинного угла, равного π, и сигнал ошибки, и рассогласование заданного и истинного углов будут в рассматриваемом примере равны "-а", т.е. - малому по сравнению с π значению. Для режима таких отклонений, когда угловое рассогласование адекватно сигналу ошибки, производится соразмерение величины сигнала ошибки и сигнала датчика угловых скоростей в законе управления. Попутно отметим, что автопилот так фазирует, что отрицательному сигналу ошибки соответствует управляющее воздействие, формирующее отрицательный активный вращательный момент. Поэтому в рассматриваемом случае при изменении ориентационного угла от (π-a) до π автопилот будет выполнять полезную работу, обеспечивающую торможение первоначально возникшего вращения вправо. Будем полагать, что этих целесообразных действий было недостаточно, чтобы прекратить вращение. Поскольку ЛА продолжает вращаться вправо, значение угла, равное π, будет преодолено и показание датчика углов совершит скачок с "+π" на "-π" . В этот момент времени угловое рассогласование практически не изменится и будет приблизительно равно "-а". Угловая скорость также практически не изменится, а сигнал ошибки скачком изменит свой знак и примет большое положительное значение (π-a)-(-π) = 2π-a . С этого момента времени нарушается адекватность сигнала ошибки угловому рассогласованию и, следовательно, - соразмерность сигнала датчика угловых скоростей с сигналом ошибки. Поскольку сигнал ошибки принимает значение, близкое к предельному, равному 2π , управление ориентационным углом будет производиться практически только на основе сигнала ошибки, который ни по величине, ни по знаку не соответствует рассогласованию заданного и истинного углов, что приводит не к торможению первоначального возникшего вращения, а наоборот - к его поддержанию. Действительно, положительному значению сигнала ошибки соответствует положительный активный вращательный момент, стремящийся повернуть корпус ЛА вправо относительно его оси.

Поскольку первоначально возникшее вращение поддерживается, происходит затягивание времени выведения ЛА из режима нежелательного вращения.

Общие признаки прототипа и заявленного устройства следующие: блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок датчиков угловых скоростей, блок исполнительных устройств и блок преобразования-усиления.

Задачей предлагаемого автопилота является повышение быстродействия при выведении ЛА из режима нежелательного вращения вокруг одной из его осей, вызванного аномальными возмущениями для больших заданных углов ориентации, например близких к ±π .

Под аномальным возмущением будем понимать кратковременные воздействия, столь высокой интенсивности, что даже максимальные активные (управляющие) моменты, развиваемые органами управления ЛА, не могут в заметной степени их парировать. Поэтому после прекращения их действия возникает не только большое угловое рассогласование между заданной и истинной ориентацией, но и корпус ЛА входит в режим нежелательного вращения вокруг той его оси, относительно которой минимален момент инерции и отсутствует статический аэродинамический момент. Для большинства компоновочных схем ЛА эти условия выполняются для продольной оси. Поэтому наиболее чувствителен к аномальным возмущениям канал крена. Примерами аномальных возмущений являются пересечение ЛА реактивной струи впереди идущего ЛА, удары взрывной волны, толчки при нештатных процессах стыковки или расстыковки объектов и др.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого автопилота, заключается в том, что без перестройки параметров блока преобразования-усиления, который может быть оптимизирован по многим критериям для работы в штатных условиях, и без нарушения соединений этого блока с блоком датчиков углов и блоком датчика угловых скоростей: а) обеспечивается повышение быстродействия при выведении ЛА из режима нежелательного вращения; б) для полета ЛА на малых высотах, когда вращение ЛА по крену приводит к потере высоты, обеспечивается уменьшение времени выведения ЛА из предкатастрофического состояния; в) при выведении из режима вращения обеспечивается установление заданного большого ориентационного угла, даже если он близок к предельному значению, измеряемому датчиком углов, без затрат времени на совершение одного или нескольких дополнительных полных оборотов корпуса ЛА, и при этом допускается очень большое перерегулирование, относительная величина которого может приближаться к единице, а для больших ориентационных углов, близких к ±π , относительный коэффициент перерегулирования может значительно превышать единицу. Последнее обстоятельство позволяет выбрать параметры блока преобразования-усиления такими, чтобы переходной процесс, имеющий пик перерегулирования определенной величины, обеспечивал в штатных ситуациях минимальное время установления заданного ориентационного угла, практически не опасаясь того, что за счет пика перерегулирования ориентационный угол выйдет за пределы, допустимые для датчика углов, что приводило бы к совершению корпусом ЛА одного или нескольких дополнительных полных оборотов на стадии установления заданного ориентационного угла, т.е. после того, как первоначально возникшее вращение удалось приостановить.

Для достижения технического результата в автопилот, содержащий блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок датчиков угловых скоростей, блок исполнительных устройств и блок преобразования-усиления, причем выходы блока задания программы ориентации блока датчиков угловых скоростей и n выходов блока датчиков углов соединены соответственно с входами блока преобразования-усиления, m выходов которого соединены соответственно с m входами блока исполнительных устройств, дополнительно введены блок анализа показаний датчика углов, блок логического управления и коммутатор, причем вход блока анализа показаний датчика углов соединен с n-м выходом блока датчиков углов, а его первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока логического управления, первый второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора, первый коммутируемый вход которого соединен с (m+1)-м выходом блока преобразования-усиления, второй и третий коммутируемые входы являются входами дополнительных сигналов управления, а его выход соединен с (m+1)-м входом блока исполнительных устройств.

Блок анализа показаний датчика углов содержит дифференциатор, амплитудный селектор отрицательных импульсов, амплитудный селектор положительных импульсов, два триггера и два формирователя коротких импульсов, причем вход дифференциатора является входом блока, а выход соединен одновременно с входами амплитудного селектора отрицательных импульсов и амплитудного селектора положительных импульсов, выходы которых соединены с синхронизирующими входами соответственно одного и другого триггеров, выходы которых соединены с входами соответственно одного и другого формирователей коротких импульсов, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока.

Блок логического управления содержит два элемента И, два элемента ИЛИ, два триггера, два элемента задержки и элемент ИЛИ-НЕ, причем первые входы одного и другого элементов И соединены с первыми входами соответственно одного и другого элементов ИЛИ и являются соответственно первым и вторым входами блока логического управления, вторые входы одного и другого элементов ИЛИ являются входами сигнала сброса-арретирования, выходы одного элемента И и другого элемента ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами одного триггера, а выходы одного элемента ИЛИ и другого элемента И соединены соответственно с вторым и первым входами другого триггера, первый выход одного триггера является также вторым выходом блока и он соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом блока, первый выход другого триггера являющегося также третьим выходом блока и он соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, вторые выходы одного и другого триггеров соединены с входами соответственно одного и другого элементов задержки, выход одного элемента задержки соединен с вторым входом другого элемента И, а второй вход одного элемента И соединен с выходом другого элемента задержки.

Повышение быстродействия автопилота при выведении ЛА из режима нежелательного вращения его корпуса обусловлено тем, что в момент времени, начиная с которого формирование управляющего воздействия на основе сигнала ошибки приводило бы, наоборот, к поддержанию нежелательного вращения, происходит скачок показаний датчика углов, который приводит к срабатыванию блока анализа показаний датчика углов. В зависимости от знака скачка показаний датчика углов сигнал появляется на первом или втором выходе этого блока. Воздействие этого сигнала на первый или второй вход блока логического управления переводит его из исходного состояния во второе или третье. При этом управляющий сигнал этого блока, воздействуя на управляющие входы коммутатора, вызывает следующую перекоммутацию: размыкается связь (m+1)-го выхода блока преобразования-усиления с (m+1)-м входом блока исполнительных устройств и этот вход теперь соединяется через коммутатор с вторым или третьим коммутируемыми входами, на которые поданы дополнительные сигналы управления. Стимулирующее действие этих сигналов на (m+1)-й вход блока исполнительных устройств обеспечивает формирование управляющих воздействий интенсивно и непрерывно тормозящих первоначально возникшего вращения и обязательно реверсирующего направление вращения. Возвращение автопилота к основному режиму работы, когда управляющее воздействие формируется на основе сигнала ошибки, происходит, когда блок анализа показаний датчика углов обнаруживает скачок показаний датчика углов на n-м выходе блока датчиков углов, знак которого противоположен знаку скачка, при котором автопилот перешел в режим управления на основе дополнительных сигналов. При этом блок логического управления возвращается в исходное состояние и через коммутатор восстанавливается связь (m+1)-го выхода блока преобразования-усиления с (m+1)-м входом блока исполнительных устройств.

Повышение быстродействия выведения ЛА из режима вращения даже в расширенном диапазоне допустимых ориентационных углов автопилота обусловлено тем, что блок логического управления возвращается в исходное состояние только после того, как блок анализа показаний датчика углов обнаружит изменение знака скачка показаний датчика углов. Такое взаимодействие блоков приводит к тому, что чем больше заданный ориентационный угол, тем больше и допустимое относительное перерегулирование, при котором ориентационный угол не выходит за пределы, допустимые для датчика углов. В результате текущее значение ориентационного угла контролируется автопилотом и процесс установления и стабилизации ориентационного угла проходит без совершения дополнительных одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси, даже если заданный ориентационный угол близок к предельному значению углов, измеряемых датчиком углов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема автопилота, на фиг. 2 - функциональная схема блока анализа показаний датчика углов, на фиг. 3 - функциональная схема блока логического управления, на фиг. 4 - характеристика датчика углов, на фиг. 5 - зависимость сигнала ошибки от времени при равномерном вращении ЛА вправо, на фиг. 6 - процессы установления заданного большого ориентационного угла при различных начальных условиях.

Автопилот (фиг. 1) содержит блок 1 задания программы ориентации, блок 2 датчиков углов, блок 3 датчиков угловых скоростей, блок 4 исполнительных устройств, блок 5 преобразования-усиления, блок 6 анализа показаний датчика углов, блок 7 логического управления и коммутатор 8.

В автопилоте выходы блока 1 задания программы ориентации, выходы блока 3 датчиков угловых скоростей, n выходов блока 2 датчиков углов соединены соответственно с входами блока 5 преобразования-усиления, m выходов которого соединены соответственно с m входами блока 4 исполнительных устройств, вход блока 6 анализа показаний датчика углов соединен с n-м выходом блока 2 датчиков углов, первый и второй выходы блока 6 анализа показаний датчика углов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 логического управления, первый, второй и третий выходы блока 7 логического управления соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора 8, первый коммутируемый вход которого соединен с (m+1)-м выходом блока 5 преобразования-усиления, второй и третий коммутируемые входы являются входами дополнительных сигналов управления, а его выход соединен с (m+1)-м входом блока 4 исполнительных устройств.

Дополнительные сигналы управления, действующие на втором и третьем коммутируемых входах коммутатора 8, соответственно "-δ_m" и "+δ_m" обеспечивают такую работу блока 4 исполнительных устройств, что приводимые им в действие органы управления ЛА создают максимальные по величине активные вращательные моменты соответственно отрицательный и положительный.

Блок 2 имеет n-й выход, который является выходом того датчика углов, который формирует информацию о том ориентационном угле, который в результате аномального возмущения может изменяться на большую величину, например превышающую π . Так если в результате аномального возмущения ЛА может вращаться по крену, то n-й выход является выходом датчика углов крена.

Блок 5 преобразования-усиления имеет (m+1)-й выход, а блок 4 исполнительных устройств (m+1)-й вход. На (m+1)-м выходе действует сигнал управления, сформированный в блоке 5 преобразования-усиления и предназначенный для подачи на (m+1)-й вход блока 4 исполнительных устройств. Сигнал на этом входе отрабатывается блоком 4 исполнительных устройств, обеспечивая приведение в действие тех органов управления ЛА, которые формируют активный вращательный момент, управляющий тем ориентационным углом, который в результате аномального возмущения может изменяться на большую величину, например, превышающую π . Например, если в результате аномального возмущения ЛА может вращаться по крену, то по (m+1)-му входу приводятся в действие органы управления по крену.

Блок 6 анализа показаний датчика углов (фиг.2) содержит дифференциатор 9, амплитудный селектор 10 отрицательных импульсов, амплитудный селектор 11 положительных импульсов, триггеры 12 и 13 и формирователи 14 и 15 коротких импульсов.

В блоке 6 анализа показаний датчика углов вход дифференциатора 9 является входом этого блока, а выход одновременно соединен с входами амплитудного селектора 10 отрицательных импульсов и амплитудного селектора 11 положительных импульсов, выходы которых соединены с синхронизирующими входами соответственно триггеров 12 и 13, другие входы которых являются входами сигнала сброса-арретирования, а выходы соединены с входами соответственно формирователей 14 и 15 коротких импульсов, а их выходы являются соответственно первым и вторым выходами блока. Реализован блок 6 анализа показаний датчика углов может быть следующим образом. Например, если датчик углов работает на постоянном токе и, следовательно, каждому ориентационному углу, принадлежащему диапазону допустимых углов датчика, соответствует определенное по величине и знаку напряжение (Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоуправление ракетами. -М. : Советское радио, 1964, с.493, рис. 5), то дифференциатор 9 может быть выполнен в виде дифференцирующей цепи (Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства - 3-е изд. М.: Высш. шк. 1989 стр. 75-78). Амплитудные селекторы 10 и II могут быть выполнены в виде селектора импульсов, амплитуда которых превышает заданный уровень (см. вышеупомянутую книгу Ерофеева Ю.Н. стр. 505, 506). В качестве формирователей коротких импульсов могут быть использованы блокинг-генераторы, ждущие мультивибраторы и другие устройства, использующие логические элементы (см. вышеупомянутую книгу Ерофеева Ю.Н. с. 376-383, 334-353 и 256-258).

Блок 7 логического управления (фиг.З) содержит элементы И 16 и 17 элементы ИЛИ 18 и 19, триггеры 20 и 21, элементы задержки 22 и 23 и элемент ИЛИ-НЕ 24.

В блоке 7 логического управления первые входы элементов И 16 и 17, соединенные соответственно с первыми входами элементов ИЛИ 19 и 18, являются соответственно первым и вторым входами блока 7 логического управления, вторые входы элементов ИЛИ 18 и 19 являются входами сигнала сброса-арретирования, выходы элементов И 16 и 17 соединены соответственно с первыми входами триггеров 20 и 21, вторые входы которых соединены соответственно с выходами элементов ИЛИ 18 и 19, а первые выходы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ-НЕ 24 и являются соответственно вторым и третьим выходом блока 7 логического управления, а выход элемента ИЛИ-НЕ 24 является первым выходом блока 7 логического управления, вторые выходы триггеров 20 и 21 соединены соответственно со входами элементов задержки 22 и 23, выходы которых соединены соответственно со вторыми входами элементов И 17 и 16.

Блок 7 логического управления реализуется на микросхемах дискретной логики.

Работает блок 6 анализа показаний датчика углов следующим образом. Если на входе сброса-арретирования действует потенциал, например высокого уровня, то триггеры 12 и 13 находятся в исходном состоянии и не изменяют своего состояния при действии сигналов на их синхронизирующие входы. Формирователи 14 и 15 коротких импульсов не срабатывают. Следовательно этот блок в режиме арретирования не реагирует ни на какие сигналы, действующие на своем входе. Приводится блок 6 анализа показаний датчика углов в рабочее состояние путем снятия потенциала с входа сброса-арретирования. Это может быть выполнено одновременно с разарретированием всех других блоков автопилота. Пусть блок 6 анализа показаний датчика углов приведен в рабочее состояние и его вход, являющийся входом дифференциатора 9, подключен к n-му выходу блока 2 датчика углов.

Если ориентационный угол изменяется, но его величина остается в пределах допуска на углы, измеряемые датчиком углов, то при вращении ЛА вправо напряжение на выходе датчика увеличивается, а при вращении ЛА влево - уменьшается. При этом напряжение на выходе дифференциатора 9 будет принимать соответственно положительное или отрицательное значение, а его величина будет пропорциональна скорости вращения ЛА. Выходное напряжение дифференциатора 9 прикладывается ко входам амплитудных селекторов 10 и 11, величины пороговых уровней которых выбраны столь высокими, что они находятся в закрытом состоянии, если ориентационные углы изменяются в пределах, допустимых для датчика углов.

Если в результате вращения ЛА ориентационный угол может выйти за пределы, допустимые для датчика углов, то работать устройство будет следующим образом.

Пусть допустимый диапазон углов датчика углов от -(π-b/2) до +(π-b/2) , где b - зона нечувствительности датчика углов. Для масштабного коэффициента, равного единице, питающее напряжение датчика (Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоуправление ракетами. М.: Сов. радио, 1964, с. 493, рис. 9.5) при этом будет -(π-b/2) и +(π-b/2) Поэтому, если ЛА вращается вправо и предельное положительное значение допустимого угла преодолевается, напряжение на выходе датчика совершит отрицательный скачок из показания +(π-b/2) в нуль и из нуля в -(π-b/2) . При этом на выходе дифференциатора 9 один за одним появятся два больших коротких отрицательных импульса, высота которых будет приблизительно равна питающему напряжению датчика π-b/2 (Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства, 3-е издание доп. и перераб. М.: Высш. шк., 1989, с. 77,78, рис. 2.46, 2.47). В результате действия этих импульсов амплитудный селектор 10 отрицательных импульсов срабатывает и на его выходе появляется последовательно два импульса, которые воздействуют на синхронизирующий вход триггер 12, который первым импульсом будет переведен из исходного состояния "0" в состояние "1", а вторым - из состояния "1" в исходное состояние "0". Таким образом в результате воздействия на триггер 12 двух импульсов на его выходе появится один. По переднем фронту этого импульса сработает формирователь 14 коротких импульсов, и на его выходе, являющемся первым выходом блока 6 анализа показаний датчика углов, появится короткий импульс, несущий информацию о том, что показания датчика углов совершили отрицательный скачок. Если ЛА вращается влево и предельное отрицательное значение допустимого угла преодолевается, напряжение на выходе датчика совершит положительный скачок от показания -(π-b/2) в нуль и из нуля в +(π-b/2) При этом на выходе дифференциаторы 9 появится два больших положительных импульса высотой, приблизительно равной +(π-b/2), амплитудный селектор 11 положительны) импульсов сработает, на его выходе появятся два импульса, которые воздействуют на синхронизирующий вход триггера 13, на выходе которого сформируется один импульс. По переднему фронту этого импульса сработает формирователь 15 коротких импульсов, на выходе которого, являющегося вторым выходом блока 6 анализатора показаний, появится короткий импульс, несущий информацию о том, что показания датчика углов совершили положительный скачок.

Блок 7 логического управления работает следующим образом. Если на входе сброса-арретирования действует потенциал, например, высокого уровня, то блок находится в исходном состоянии, когда на его первом выходе, являющемся выходом элемента ИЛИ-НЕ 24, будет действовать управляющее напряжение, например, в виде потенциала высокого уровня. Это достигается следующим образом. Потенциал высокого уровня со входа сброса-арретирования воздействует на вторые входы элементов ИЛИ 18 и 19. Следовательно, на их выходах будут действовать потенциалы высокого уровня. Воздействие этих потенциалов на вторые входы триггеров 20 и 21 поддерживает их в состоянии "0". При этом на их первых выходах будет потенциал низкого уровня. Воздействие потенциала низкого уровня на первый и второй входы элемента ИЛИ-НЕ 24 приводят к тому, что на его выходе действует потенциал высокого уровня, что информирует об исходном состоянии блока 7 логического управления.

Для приведения блока 7 логического управления в рабочее состояние необходимо снять потенциал высокого уровня с входа сброса-арретирования. При этом блок остается в исходном состоянии, но триггеры 20 и 21 могут изменять свое состояние под действием коротких импульсов, которые могут действовать на первом или втором входе блока.

Пусть блок 7 логического управления приведен в рабочее состояние и на его первом входе появился короткий импульс, например положительной полярности. Поскольку триггер 21 находится в исходном состоянии на его втором выходе действует потенциал высокого уровня, который через элемент задержки 23 прикладывается ко второму входу элемента И 16. Поэтому, когда на первом входе блока 7 логического управления появляется короткий импульс, он проходит на выход элемента И 16 и воздействует на первый вход триггера 20, что приводит его к переходу в состояние "1". При этом на первом его выходе появится потенциал высокого уровня. Поскольку первый выход триггера 20 является вторым выходом блока 7 логического управления, на втором выходе блока появляется управляющее напряжение, например, в виде потенциала высокого уровня. На первом выходе блока 7 логического управления управляющее напряжение станет равным нулю, так как потенциал высокого уровня с первого выхода триггера 20 воздействует на первый вход элемента ИЛИ-НЕ 24. Отметим, что короткий импульс, изменивший состояние триггера 20, через элемент ИЛИ 19 воздействует на второй вход триггера 21, но это только подтверждает, что он находится в исходном состоянии. Если в дальнейшем на первом входе блока 7 логического управления будут появляться короткие импульсы, то они будут подтверждать новое состояние триггера 20 "1" и, следовательно, на втором выходе блока 7 логического управления будет продолжать действовать управляющее напряжение.

Если теперь появится один короткий импульс на втором входе блока 7 логического управления, то этот импульс не пройдет через элемент И 17 на первый вход триггера 21 и, следовательно, не изменит его состояние, это обусловлено тем, что триггер 20 находится в состоянии "1" и на его втором выходе действует потенциал низкого уровня, приложенный через элемент задержки 22 ко второму входу элемента И 17, запрещая прохождение через него положительных импульсов. Однако короткий импульс с второго входа блока беспрепятственно через элемент ИЛИ 18 проходит на второй вход триггера 20, который возвращается в исходное состояние "0", когда на его втором выходе будет действовать потенциал высокого уровня. Для того, чтобы под действием этого потенциала элемент И 17 не пропустил короткий импульс, который еще продолжает действовать на втором входе блока 7 логического управления, используется элемент задержки 22. Время его задержки равно или больше длительности короткого импульса на входе блока. Поэтому изменение состояния триггера 20 не приводит сразу к появлению потенциала высокого уровня на втором входе элемента И 17 и, как отмечалось, короткий импульс с второго входа блока 7 не проходит на первый вход триггера 21. В результате действия одного короткого импульса на втором входе блока 7 триггер 20 вернется в исходное состояние, управляющее напряжение на втором выходе блока выключится, а на первом, как это было в исходном состоянии, появится.

Если теперь на втором входе блока 7 появится один или серия коротких импульсов, то, по аналогии с рассмотренными выше процессами, эти импульсы через элемент И 17 воздействуют на первый вход триггера 21 и переведут его в состояние "1". Потенциал высокого уровня появится на первом его выходе, и, следовательно, на третьем выходе блока появится управляющее напряжение, например в виде потенциала высокого уровня, а на первом выключится, так как потенциал высокого уровня с первого выхода триггера 21 будет воздействовать на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 24. Если блок находится в третьем состоянии и теперь появится один короткий импульс на первом входе блока, то он через элемент ИЛИ 19 беспрепятственно пройдет на второй вход триггера 21 и вернет его в исходное состояние, но через элемент И 16 он не пройдет, так как элемент задержки 22 на время действия импульса поддерживает на втором входе элемента И 16 потенциал низкого уровня. В результате триггеры 20 и 21 будут в исходном состоянии, управляющее напряжение на третьем выходе блока выключится и появится, как это было в исходном состоянии, на первом выходе блока.

Автопилот работает следующим образом. Прежде чем рассмотреть работу автопилота как целостного образования, рассмотрим отдельные элементы его работы: особенности работы датчика углов; особенности изменения сигнала ошибки и связанного с ним активного вращательного момента, создаваемого органами управления ЛА, приводимыми в действие исполнительными устройствами автопилота; особенности переходного процесса установления заданного большого ориентационного угла.

Отметим, что предлагаемая методика позволит детально рассмотреть отдельно от других некоторые наиболее сложные процессы в автопилоте и некоторых его блоков. В последующем изложении, когда автопилот рассматривается как целостное образование, описание этих процессов повторено, но короче и с увязкой с другими процессами.

Предлагаемый автопилот предназначен для стабилизации ориентационных углов в широких пределах - от значений, близких к -π до значений, близких к +π . Для обеспечения нормальной работы таком автопилоте должен использоваться датчик углов (Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоуправление ракетами. М.: Сов. радио, 1963, с.493, рис.9.5), обеспечивающий допустимые пределы изменений углов, превышающие диапазон заданных углов. Поскольку точному значению углов +π и -π соответствует одно и то же показание датчика (аналогично тому, как некоторая риска на любом лимбе соответствует одновременно и углу 0^o и углу 360^o измеряемые датчиком углы могут лежать например в пределах от +(π-b/2) до -(π-b/2), где b - зона нечувствительности датчика углов, имеющая угловую меру.

Эта зона при совершенной технологии может составлять десятые-сотые доли градуса.

Статическая характеристика F(γ) такого датчика, представляющая собой зависимость показаний датчика от величины измеряемого угла, приведена на фиг. 4. Характеристика имеет вид периодической функции пилообразного типа с зонами нечувствительности, шириной "b" в окрестности точек ±π±2πk где k= 0,1,2, . . . Наклон ветви характеристики в зоне допустимых значений углов -(π-b/2)...+(π-b/2) должен равняться единице, чтобы обеспечить точное соответствие показания датчика истинному углу.

Поскольку характеристика представляет собой разрывную функцию, показания датчика совершают отрицательные скачки в окрестности точек ±π±2πk от значения +(π-b/2) к нулю и от нуля к -(π-b/2) если корпус ЛА вращается, например по крену, вправо и - положительные скачки от показания -(π-b/2) к нулю и от нуля к +(π-b/2) при вращении влево. На фиг. 4 показана горизонтальная прямая с ординатой γ₃ , равной заданному ориентационному углу. Величина заданного угла большая положительная, близкая к +π . Точку пересечения характеристики датчика углов с этой горизонтальной прямой называют рабочей точкой в режиме покоя, когда истинный угол равен заданному. Как видно из фиг. 4, при большом положительном значении заданного ориентационного угла, например крена, угловое расстояние от этой рабочей точки до значения угла, при котором совершается отрицательный скачок показаний датчика углов значительно меньше такового до значения угла, при котором совершается положительный скачок показаний. Аналогично для большого угла, имеющего отрицательный знак, угловое расстояние от рабочей точки до углового положения, при котором совершается положительный скачок, будет меньше такового до значения угла, при котором совершается отрицательный скачок.

Поэтому, если в исходном состоянии истинный угол ориентации был равен заданному, вращение в сторону заданного ориентационного угла, например при вращении вправо, приводит даже при малом рассогласовании между заданным и истинным углом к скачкообразному изменению показаний датчиков углов. При этом знак показаний датчика углов изменяется на противоположный, а абсолютная величина его показания остается максимальной. Это приводит к скачкообразному изменению знака и величины сигнала ошибки и, следовательно, к формированию управляющих воздействий поддерживающих нежелательное вращение корпуса ЛА, что подробно рассмотрено ниже.

Рассмотрим теперь, как изменяется сигнал ошибки при вращении корпуса ЛА и как связан активный вращательный момент, развиваемый органами управления ЛА, приводимыми в действие исполнительными устройствами автопилота, с сигналом ошибки.

Сигнал ошибки выделяется в блоке 5 преобразования-усиления и представляет собой разность между заданным углом и показанием датчика углов. Для нормальной работы автопилота отрицательному сигналу ошибки должен соответствовать отрицательный активный вращательный момент, развиваемый органами управления ЛА, приводимыми в действие исполнительными устройствами автопилота, а положительному сигналу ошибки - положительный активный вращательный момент. При такой фазировке автопилота угловое рассогласование, представляющее собой разность между заданным и истинным ориентационными углами, устраняется по кратчайшему пути. На фиг. 5 для упрощения зависимость сигнала ошибки от времени представлена для датчика углов с зоной нечувствительности бесконечно малого размера. Поэтому показания датчика совершают скачки от показания "+π" к показанию "-π" . Зависимость сигнала ошибки от времени ε(t) = γ₃-F[γ(t)] изображена в предположении, что в начальный момент времени истинный и заданный углы ориентации точно равны. Поэтому в начальный момент времени сигнал ошибки равен нулю. Затем за счет равномерного вращения ЛА вправо, например по крену, ориентационный угол становится больше заданного, а сигнал ошибки - отрицательным. При этом, согласно фазировке автопилота, органы управления ЛА, например по крену, приводимых в действие исполнительными устройствами автопилота, формируют отрицательный активный вращательный момент, тормозящий вращение ЛА вправо по крену, что является полезным действием. Будем полагать, что за время торможения не удалось прекратить вращение вправо. Поэтому, когда угол крена будет преодолевать значение +π, показания датчика углов совершат перескок +π на -π. Сигнал ошибки при этом скачком станет большим положительным, в результате органы управления ЛА, приводимые в действие исполнительными устройствами автопилота, сформируют положительный активный вращательный момент. С этого момента времени прервется полезная работа, выполняемая автопилотом по торможению вращения вправо. На фиг. 5 интервал времени, в течение которого продолжалось торможение, обозначено t_т. Положительный активный вращательный момент теперь, наоборот, будет поддерживать нежелательное вращение вправо. При этом сигнал датчика 3 угловых скоростей, вводимый в блок 5 преобразования-усиления, не оказывает существенного влияния на формирование активного вращательного момента. Это связано с тем, что сигнал датчика угловых скоростей находится в определенной пропорции с сигналом ошибки, чтобы получить переходной процесс с небольшими затратами времени и энергии на возвращение ЛА в заданное ориентационное положение. Причем эта пропорция устанавливается для случая, когда рассогласование между заданными и истинными ориентационными углами мало и когда сигнал ошибки однозначно связан с угловым рассогласованием. (Доброленский Ю. П. и др. Автоматика управляемых снарядов. М.: Оборонизд., 1963. с. 303, 304, 307). В рассматриваемом здесь случае в момент времени скачка показаний датчика углов рассогласование между заданными и истинными углами малое (менее π), отрицательного знака, а сигнал ошибки большой, близкий к 2π, причем знак его положительный. Таким образом, пропорции между сигналами датчика угловых скоростей и сигналом ошибки после скачков показаний датчика углов существенно нарушаются. Это ведет к тому, что на формирование активного момента оказывает влияние в основном сигнал ошибки.

Из фиг. 5 видно, что время поддержания вращения t_n равно времени, в течение которого сигнал ошибки положительный, при этом интервал времени торможения правого вращения t_т. меньше интервала времени поддержания вращения вправо, что не способствует снижению кинетической энергии вращения и возврату ЛА в состояние покоя.

Таким образом, при большом заданном ориентационном угле и вращении корпуса ЛА в сторону заданного угла, например при большом заданном правом крене и вращении ЛА вправо по крену, на некоторых интервалах времени управляющие воздействия, формируемые автопилотом на основе сигнала ошибки, не тормозят, а, наоборот, поддерживают первоначально возникшее вращение. Это приводит к затягиванию времени выведения ЛА из режима нежелательного вращения по сравнению со случаем, когда активный вращательный момент интенсивно и непрерывно тормозил бы вращение.

Рассмотрим теперь особенности переходного процесса при установлении заданного большого ориентационного угла.

Пусть, как и в предыдущем примере, заданный угол ориентации γ₃ большой положительный и корпус ЛА вращается вокруг своей оси вправо, но тормозящего активного вращательного момента на интервале времени t_т было достаточно, чтобы прекратить вращение вправо сразу после того, как показания датчика углов совершили отрицательный скачок от показания "+π" к показанию "-π" . При этом начальные условия для установления заданного большого положительного ориентационного угла γ₃ будут следующие: угловая скорость равна нулю, а рассогласование между заданным и истинным ориентационными углами и сигнал ошибки равны +(π+γ₃). Процессы, протекающие в автопилоте, при таких начальных условиях иллюстрированы на фиг. 6, где в верхней части показана одна из ветвей характеристики датчика углов и горизонтальная прямая с ординатой γ₃ , равной положительному заданному ориентационному углу, а нижней в части - переходные процессы установления заданного ориентационного угла. Ось времени направлена вертикально вниз. Кривая 1 отражает переходный процесс, развивающийся из вышеописанных начальных условий - угловая скорость - нуль, угловое рассогласование и согнал ошибки (π+γ₃). Переходной процесс показан с некоторым перерегулированием d₁. Некоторое перерегулирование обычно допускают, поскольку при этом достигается уменьшение времени переходного процесса (Доброленский Ю. П. и др. Автоматика управляемых снарядов, М.: Оборонизд., 1963, графики переходных функций на с. 33-37).

Перерегулирование свойственно даже системам оптимального быстродействия (Павлов А. А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию (метод фазового пространства М. : Наука, 1966, с. 78, рис. 2.2). Величина перерегулирования d₁ несколько меньше, чем π-γ₃ , т.е. переходной процесс протекает в пределах одной из ветвей характеристики датчика углов. Это означает, что заданный ориентационный угол устанавливается без совершения одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси.

Из фиг. 6 видно, что предельное значение относительного перерегулирования (без учета влияния зоны нечувствительности датчика), при котором после приостановки вращения ЛА заданный ориентационный угол устанавливается без совершения дополнительных одного или нескольких полных оборотов его корпуса, будет определяться выражением: Из этого выражения можно определить максимальное допустимое значение заданного ориентационного угла, устанавливаемого без затрат времени на совершение одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА: Из последнего выражения видно, что для стабилизации заданного ориентационного угла, отличного от нуля, необходимо, чтобы относительное перерегулирование было меньше единицы. Оценки по этой формуле показывают, что для быстродействующих автопилотов, обеспечивающих астатизм первого порядка при относительном перерегулировании 5% (Доброленский Ю.П. и др. Автоматика управляемых снарядов. М.: Оборонизд., 1963, с. 33-35), предельно возможный угол будет ±0,9π,а для автопилотов, обеспечивающих астатизм второго - третьего порядка при перерегулировании 10-20% (см. в этом же источнике информации с. 35-37), - ±0,66π. Таким образом, в быстродействующих автопилотах, переходной процесс в которых протекает с перерегулированием, уменьшается диапазон допускаемых углов по сравнению с диапазоном допустимых пределов изменения углов для датчика углов.

Вышерассмотренный пример позволил установить некоторые важные закономерности, однако он нетипичен, поскольку маловероятно, что именно в момент времени, когда показания датчика углов совершили скачок, скорость вращения ЛА вправо стала равной нулю. Наиболее характерен случай, когда в результате работы автопилота скорость вращения вправо значительно уменьшилась, но в момент времени совершения скачка показаний датчика углов с "+π" на "-π" она имеет некоторое конечное значение. В этом случае в момент времени совершения скачка показаний датчика углов начальные условия будут следующие: угловое рассогласование и сигнал ошибки равны (π+γ₃), как и в предыдущем примере, а угловая скорость небольшая положительная. Особенностью этих начальных условий является некоторая кинетическая энергия, которую при установлении заданного угла необходимо рассеять, чтобы установилось состояние покоя. Переходной процесс в этом случае отражает на фиг. 6, кривая 2, для которой скорость изменения угла в начальный и другие моменты времени больше, чем для процесса, отображаемого кривой 1 в те же моменты времени. Из фиг. 6 видно, что кривая 2 выходит за пределы одной рабочей ветви характеристики датчика углов и переходит на сопредельную ветвь, т. е. ЛА совершает один полный оборот и переходит на следующий.

Таким образом, для автопилотов, повышенное быстродействие которых достигается при некотором перерегулировании, большой положительный заданный угол, близкий к предельному, устанавливается с совершением дополнительных одного или нескольких оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси, если первоначальное вращение было вправо. Аналогично большой отрицательный ориентационный угол, близкий к предельному, будет устанавливаться с совершением дополнительных полных оборотов, если первоначальное вращение было влево.

Теперь рассмотрим переходной процесс установления заданного угла γ₃ (фиг. 6) в случае, когда первоначально возникшее направление вращения ЛА вправо удалось изменить на противоположное. Пусть после реверсирования направления вращения, в самом начале вращения влево, когда угловая скорость еще очень мала, произошел скачок показаний датчика углов с "-π" на "+π" и при новых начальных условиях: угловое рассогласование и сигнал ошибки одинаковы и равны (γ₃-π) = -(π-γ₃), а угловая скорость близка к нулю, начинается процесс установления заданного угла. Этот процесс отражен на фиг. 6 кривой 3. Из сравнения переходных процессов установления одного и того же угла γ₃ путем совершения вращения вправо (кривая 1) и вращения влево (кривая 3) видно, что установление большого положительного заданного угла без совершения дополнительных полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси возможно при вращении ЛА влево даже при относительном перерегулировании, превышающем единицу, что следует из формулы:
непосредственно полученной из фиг. 6, на которой показано угловое рассогласование (π-γ₃) и допустимый пик перерегулирования (π+γ₃). Поскольку для линейных автопилотов, обладающих большим быстродействием, относительное перерегулирование составляет 5-20%, допустимое значение ориентационного угла, устанавливаемого без затрат времени на совершение одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА, могут быть теоретически и ±π. Однако реально диапазон допустимых ориентационных углов не может превышать диапазона углов, измеряемых датчиком углов.

По аналогии с кривой 2 на фиг. 6. показана кривая 4, отражающая реальный переходной процесс установления заданного угла, после реверсирования направления вращения, в момент времени совершения положительного скачка показаний датчика углов с "-π" на "+π" создаются следующие начальные условия: угловое рассогласованние и сигнал ошибки одинаковы γ₃-π = -(π-γ₃), а угловая скорость отрицательная (направление вращения изменено на левое).

Как видно из фиг. 6 для кривой 4 перерегулирование значительно больше единицы, но заданный угол устанавливается без совершения дополнительных полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси. Таким образом, для установления заданного ориентационного угла без совершения дополнительных полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси и для расширения диапазона заданных ориентационных углов необходимо направление первоначально возникшего вращения ЛА реверсировать и, начиная с момента времени, когда показания датчика углов совершат скачок, управляющее воздействие автопилота формировать на основе сигнала ошибки.

Автопилот (как целостное образование) работает следующим образом.

Предварительно отметим, что ниже будет рассматриваться работа только того канала автопилота, который управляет ориентационным углом, изменяющимся в широких пределах за счет вращения ЛА вокруг одной из его осей, вызванного аномальным возмущением. Для большинства компоновочных схем ЛА, кроме шарообразных, это - канал управления креном. Положим, что все устройства автопилота разарретированы. Пусть заданный ориентационный угол γ₃, например угол крена, большой положительный, равный +(π-a), где а - число, малое по сравнению с π, и этот угол лежит в пределах, допустимых для датчика углов, например крена: от +(π-b/2) до -(π-b/2), где b - зона нечувствительности датчика углов. Численное значение b много меньше числа π и для выполнения вышеупомянутых условий b меньше, чем а. Предположим, что заданный угол крена отработан автопилотом и, следовательно, разность между заданным и истинным углом мала и изменяется незначительно за счет малых аэродинамических или каких либо других возмущений. При этом показания датчика углов, например крена, выход которого является n-м выходом блока 2 датчиков углов, находятся в допустимых пределах измеряемых им углов. Поскольку в результате малых изменений ориентационного угла предельные для датчика углов измеряемые значения углов не превышаются, скачков показаний этого датчика не происходит. При этом блок 6 анализа показаний датчика углов, вход которого соединен с n-м выходом блока 2 датчиков углов, не срабатывает, оставаясь в исходном состоянии вместе с соединенным с ним блоком 7 логического управления. В исходном состоянии управляющее напряжение в виде, например, потенциала высокого уровня действует только на первом выходе блока 7 логического управления. Это управляющее напряжение воздействует на первый управляющий вход коммутатора 8, что обеспечивает соединение в нем первого коммутируемого входа с выходом. При этом (m+1)-й выход блока 5 преобразования-усиления через коммутатор 8 оказывается соединенным с (m+1)-м входом блока 4 исполнительных устройств. В результате автопилот в основном своем режиме обеспечивает стабилизацию ориентационного угла, в данном примере - угла крена, на основе сигнала ошибки, формируемого, преобразуемого и усиливаемого в блоке 5 преобразования-усиления.

Сигнал ошибки представляет собой разность между заданным ориентационным углом, сведения о котором поступают из блока 1 задания программы ориентации, и показанием датчика углов, в данном примере датчика угла крена, формируемом на n-м выходе блока 2 датчиков углов. К сигналу ошибки в блоке 5 преобразования-усиления добавляется сигнал соответствующего датчика угловых скоростей, входящего в состав блока 3 датчиков угловых скоростей. Дозировкой этого сигнала обеспечивается небольшое перерегулирование, при котором достигается высокое быстродействие установления заданного ориентационного угла.

Пусть теперь в результате кратковременного аномального возмущения корпус ЛА начнет вращаться вправо по крену. При этом угол крена будет увеличиваться и станет больше заданного значения +(π-a) Следовательно, сигнал ошибки, исходное значение которого было практически равным нулю, становится отрицательным, увеличивающимся по абсолютной величине (см. на фиг. 5 фрагмент процесса на интервале времени t_т, начиная с нулевого момент времени). При отрицательном сигнале ошибки в результате соответствующей фазировки исполнительного устройства, управляющего углом крена и входящего в состав блока 4 исполнительных устройств, так будут приводить в действие органы управления ЛА, что они будут формировать отрицательный активный вращательный момент, стремящийся повернуть корпус ЛА влево по крену и по кратчайшему пути устранять возникающее рассогласование между заданным и истинным ориентационными углами. Это приводит к выполнению полезной работы - к торможению правого вращения по крену.

Пусть даже максимальный активный вращательный момент не обеспечивает прекращение вращения вправо в пределах углов крена, допустимых для датчика углов. В этом случае, когда угол крена, увеличиваясь, будет преодолевать значение +π , показания датчика углов крена на n-м выходе блока 2 датчиков углов совершат отрицательный скачок с показания +(π-b/2) в нуль и с показания нуль в -(π-b/2) . При этом сигнал ошибки скачком изменит свой знак на положительный, а его величина станет большой, близкой предельной и составит (π-a)-[-π-b/2)] = 2π-a-b/2 , где а и b - малые числа (см. на фиг. 5 первый скачок сигнала ошибки в момент времени t_т). Если бы и дальше управление углом крена велось на основе сигнала ошибки, то сформировался бы положительный активный вращательный момент, что наоборот бы поддерживало вращение ЛА вправо по крену и, следовательно, приводило бы к затягиванию времени вывода ЛА из режима нежелательного вращения. Причем за счет того, что показания датчика углов совершили скачок и в результате этого нарушилась однозначная связь между угловым рассогласованием и сигналом ошибки, сигнал датчика угловых скоростей крена, вводимый в блок 5 преобразования-усиления, не может существенно повлиять на формирование необходимого управляющего воздействия, обеспечивающего торможение первоначально возникшего вращения ЛА вправо по крену. Действительно, перед самым совершением отрицательного скачка показаний датчика углов и рассогласование между заданным и истинным углом, и сигнал ошибки были одинаковыми, равными +(π-a)-(π-b/2) = -a+b/2. Именно для этого в рассматриваемом случае малого углового рассогласования дозирован сигнал датчика угловых скоростей. Однако сразу после совершения скачка показаний датчика углов сигнал ошибки будет практически предельно большим (2π-a-b/2), хотя угловое рассогласование осталось неизменным -(a+b), практически неизменной осталась и угловая скорость.

Таким образом, в результате скачка показаний датчика углов сигнал ошибки на некотором интервале времени становится преобладающим над сигналом датчика угловых скоростей, что и обуславливает формирование управляющего воздействия автопилота практически на основе только сигнала ошибки. Знак сигнала ошибки теперь положительный, а это приводило бы к формированию положительного активного вращательного момента, поддерживающего вращение ЛА вправо и вызывающего затягивание времени выведения ЛА из режима нежелательного вращения.

Для повышения быстродействия при выведении ЛА из режима вращения в предлагаемом автопилоте происходит переключение из основного режима работы, когда управляющие воздействия автопилота формировались на основе сигнала ошибки, на режим непосредственного стимулирования исполнительных устройств дополнительными сигналами, обеспечивающими интенсивное непрерывное торможение первоначально возникшего вращения и изменение направления вращения на противоположное. Переход в этот режим осуществляется в момент времени, начиная с которого управление на основе сигнала ошибки приводило бы к поддержанию нежелательного вращения.

Реализация перехода в режим непосредственного стимулирования исполнительных устройств автопилота дополнительными сигналами производится следующим образом. При появлении отрицательного скачка показаний датчика углов на n-м выходе блока 2 датчиков углов сработает блок 6 анализа показаний датчика углов, вход которого соединен с этим выходом. При этом на первом выходе этого блока появится короткий импульс напряжения, который подается на первый вход блока 7 логического управления. В результате блок 7 логического управления сработает и на его втором выходе появится управляющее напряжение, например в виде потенциала высокого уровня, а управляющее напряжение на первом его выходе, действовавшее в исходном состоянии, выключится.

Управляющее напряжение со второго выхода блока 7 логического управления воздействует на второй управляющий вход коммутатоpa 8. При этом в нем происходит соединение второго коммутируемого входа с выходом, а соединение первого коммутируемого входа с выходом, существовавшее в исходном состоянии, размыкается. В результате этой перекоммутации дополнительный сигнал "-δ_m" приложенный ко второму коммутируемому входу коммутатора 8, проходит на его выход и далее передается на (m+1)-й вход блока 4 исполнительных устройств, осуществляя непосредственное его стимулирование. Сигнал "-δ_m" вызывает такую работу блока 4 исполнительных устройств, что приводимые им в действие органы ЛА формируют большой активный вращательный момент отрицательного знака, что вызывает интенсивное торможение правого вращения по крену с последующим изменением направления вращения корпуса ЛА на вращение влево. Если аномальное возмущение было очень сильным, то, несмотря на интенсивное торможение, корпус ЛА, вращаясь в одну сторону, может совершить несколько полных оборотов вокруг своей оси. Показания датчиков углов, связанного с n-м выходом блока 2 датчиков углов, будут совершать отрицательные скачки после каждого полного оборота. Блок 6 анализа показаний датчика углов будет при этом каждый раз срабатывать, формируя на своем первом выходе короткие импульсы напряжения, что будет подтверждать состояние блока 7 логического управления, когда на его втором выходе будет продолжать действовать управляющее напряжение, обеспечивающее передачу через коммутатор 8 дополнительного сигнала "-δ_m" на (m+1)-й вход блока 4 исполнительных устройств, обеспечивающего непрерывное торможение первоначально возникшего вращения вправо, например по крену. Поскольку отрицательный активный вращательный момент действует, вращение вправо в некоторый момент времени приостановится и начнется вращение ЛА в обратную сторону, т. е. - влево. Как только при этом вращении показания датчика углов совершат теперь положительный скачок с -(π-b/2) в нуль и из нуля в +(π-b/2), блок 6 анализатора показаний датчика углов сработает. Но при положительном скачке показаний датчика углов короткий импульс напряжения появится на втором его выходе. Действие этого импульса на второй вход блока 7 логического управления приведет к его возвращению в исходное состояние. При этом управляющее напряжение, как и в исходном состоянии, появится на его первом выходе, а на втором выключится. Воздействие этого управляющего напряжения на первый управляющий вход коммутатора 8 приведет к соединению в нем первого коммутируемого входа с выходом.

В результате этого восстановится существовавшая в исходном состоянии связь через коммутатор 8 (m+1)-го выхода блока 5 преобразования-усиления с (m+1)-м входом блока 4 исполнительных устройств и прекратится непосредственное стимулирование последнего сигналом "-δ_m" С этого момента времени автопилот переходит в основной режим работы, когда управляющие воздействия формируются на основе сигнала ошибки. Но для этого режима работы сформированы благоприятные начальные условия, поэтому заданный ориентационный угол устанавливается без затрат времени на совершение дополнительных полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси
Благоприятность сформированных начальных условий обусловлена следующим:
- угловое рассогласование между заданным и истинным ориентационными углами в момент времени положительного скачка показаний датчика с нуля в +(π-b/2) мало и составляет (π-a)-[+(π-b/2)] = -a+b/2 где а и b - числа, малые по сравнению с π
- корпус ЛА имеет теперь вращение влево, обеспечивающее уменьшение этого малого углового рассогласования по кратчайшему пути от угла +(π-b/2) к заданному углу (π-a) ;
- допускается большое перерегулирование при установлении заданного ориентационного угла и, следовательно, обеспечивается расширение диапазона формируемых ориентационных углов.

Если первые два обстоятельства обеспечивают уменьшение времени переходного процесса при установлении заданного ориентационного угла, то последнее является решающим в прекращении вращения корпуса ЛА и установлении заданного большого ориентационного угла без затрат времени на совершение одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси.

В связи со значительным влиянием этого обстоятельства на дополнительное повышение быстродействия вывода ЛА из режима нежелательного вращения, при формировании управляющего воздействия на основе сигнала ошибки, рассмотрим более подробно переходные процессы с перерегулированием.

Во-первых, небольшое перерегулирование допускают, чтобы получить высокое быстродействие при переходе от одного ориентационного угла к другому и в линейных режимах работы автопилота и в нелинейных, использующих, например, релейный закон управления (Доброленский Ю.П. и др. Автоматика управляемых снарядов. Оборонизд. , М., 1963, стр. 33-37 и 82-95) и в системах оптимального быстродействия (Павлов А. А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. (Метод фазового пространства) М.: Наука, 1966, с. 78, рис. 2.2).

Во-вторых, при аномальных воздействиях кроме начальных условий, вызванных рассогласованием между заданным и истинным углом, всегда существует начальная угловая скорость. Поэтому установление заданного угла ориентации (m. е. установление нового состояния покоя) связано с необходимостью рассеивания не только потенциальной, но и кинетической энергии, а это приводит к дополнительному перерегулированию. Таким образом, при аномальных возмущениях переходной процесс практически всегда будет с пиком перерегулирования.

Условием того, чтобы переходной процесс (установления заданного угла) с перерегулированием протекал без совершения хотя бы одного полного оборота корпуса ЛА, является изменение угла ориентации менее чем на 2π . Поскольку у реального датчика углов существует зона нечувствительности, равная b, условием протекания переходного процесса в пределах углов, допустимых для датчика углов, будет изменение угла ориентации менее чем на (2π-b) Для этих более жестких условий допустимое перерегулирование (в рассматриваемом здесь примере, когда заданный угол (π-a) устанавливается вращением влево, а начальное значение угла равно +(π-b/2)) должно быть меньшее (π-a)+(π-b/2) = 2π-a-b/2.

Поскольку а и b числа, значительно меньшие, чем π, допустимое перерегулирование может быть очень большим, близким к 2π а относительная его величина (2π-a-b/2)/(a-b/2) может быть даже значительно больше единицы. Переходной процесс установления заданного большого положительного угла при вращении корпуса ЛА влево показан на фиг. 6 (см. кривые 3 и 4). Для сравнения отметим, что если бы заданный большой положительный угол устанавливался без реверсирования направления вращения, т. е. торможением вращения вправо, то допустимое перерегулирование было бы малым и составило всего (а-b/2). Незначительное превышение этого допустимого значения приводило бы к совершению дополнительных одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА до установления заданного ориентационного угла (см. фиг. 6 кривые 2 и 1).

Таким образом, применение в автопилоте средств, обеспечивающих реверсирование первоначально возникшего вращения ЛА, приводит к дополнительному повышению быстродействия вывода ЛА из режима нежелательного вращения и обеспечивает установление заданного ориентационного угла без дополнительных затрат времени на совершение одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси.

Поскольку допустимое перерегулирование при установлении заданного большого положительного угла +(π-a) развращением влево равно 2π-a-b/2 и увеличению заданного угла соответствует уменьшение числа а, то при большем заданном угле допускается и большее перерегулирование. Следовательно, реверсирование направления вращения корпуса ЛА обеспечивает при прочих равных условиях расширение диапазона допустимых ориентационных углов. Это является дополнительным преимуществом автопилота.

Рассмотрим работу автопилота в случае, когда задан большой по величине, но отрицательный ориентационный угол -(π-a), например, угол крена, и блок 7 логического управления находится в исходном состоянии. Поэтому (m+1)-й выход блока 5 преобразования-усиления соединен через коммутатор 8 с (m+1)-м входом блока 4 исполнительных устройств. Следовательно, управление ориентационным углом, например углом крена, ведется на основе сигнала ошибки, выделяемого, преобразуемого и усиливаемого в блоке 5 преобразования-усиления.

Пусть в результате кратковременного возмущения корпус ЛА начинает вращаться влево, например, по крену. Когда текущее значение ориентационного угла будет преодолевать значение -π показания датчика углов на n-м выходе блока 2 датчиков углов совершат положительный скачок от показания -(π-b/2) в нуль и от нуля к показанию +(π-b/2) . При положительном скачке показаний датчик углов срабатывает блок 6 анализа показаний датчика углов и на его втором выходе появляется короткий импульс напряжения, который подается на второй вход блока 7 логического управления. В результате этот блок сработает и на его третьем выходе появится управляющее напряжение, например, в виде потенциала высокого уровня, а управляющее напряжение на первом его выходе, действовавшее в исходном состоянии, выключится. Управляющее напряжение с третьего выхода блока 7 логического управления воздействует на третий управляющий вход коммутатора 8. При этом в нем происходит соединение третьего коммутируемого входа с выходом, а соединение первого коммутируемого входа с выходом, существовавшее в исходном состоянии, размыкается. В результате этой перекоммутации дополнительный сигнал "+δ_m", приложенный к третьему коммутируемом входу коммутатора 8, проходит на его выход и далее передается на (m+1)-й вход блока 4 исполнительных устройств, осуществляя непосредственное его стимулирование. Сигнал "+δ_m" вызывает такую работу блока 4 исполнительных устройств, что приводимые им действие органы управления ЛА формируют большой активный вращательный момент положительного знака, что вызывает интенсивное торможение левого вращения, например, по крену, с последующим изменением направления вращения корпуса ЛА на вращение вправо. Если аномальное возмущение было очень сильным, то, несмотря на интенсивное торможение, корпус ЛА, вращаясь в одну сторону, может совершить несколько полных оборотов вокруг своей оси. Показания датчиков углов, связанного с n-м выходом блока 2 датчика углов, будут совершать положительные скачки после каждого полного оборота. Блок 6 анализа показаний при этом будет срабатывать, формируя на своем втором выходе короткие импульсные напряжения, что будет подтверждать состояние блока 7 логического управления, на его третьем выходе будет продолжать действовать управляющее напряжение, обеспечивающее передачу через коммутатор 8 дополнительного сигнала "+δ_m" на (m+1)-й вход блока 4 исполнительных устройств, обеспечивающего непрерывное торможение первоначально возникшего вращения влево, например, по крену. Поскольку положительный активный вращательный момент действует, вращение влево приостановится и начнется в обратную сторону, т.е. - вправо. Как только при этом вращении показания датчика углов совершат теперь отрицательный скачок с +(π-b/2) в нуль и из нуля в -(π-b/2), блок 6 анализа показаний датчика углов сработает. Но при отрицательном скачке показаний датчика углов короткий импульс напряжения появится на первом его входе. Действие этого импульса на первый вход блока 7 логического управления приведет к возвращению его в исходное состояние. При этом управляющее напряжение появится на его первом выходе, а на третьем выключится. Воздействие этого управляющего напряжения на первый управляющий вход коммутатора 8 приведет к соединению в нем первого коммутируемого входа с выходом.

В результате этого восстановится связь через коммутатор 8 (m+1)-го выхода блок 5 преобразования-усиления с (m+1)-м входом блока 4 исполнительных устройств и прекратится непосредственное стимулирование последнего сигналом "+δ_m" . С этого момента времени автопилот переходит в основной режим работы, когда управляющее воздействие формируется на основе сигнала ошибки. Но для этого режима работы сформированы благоприятные начальные условия для установления заданного ориентационного угла без затраты времени на совершение дополнительных полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси. Благоприятность начальных условий состоит в том, что рассогласование между заданным и истинным ориентационными углами в момент времени отрицательного скачка показаний датчика с нуля в -(π-b/2) мало и составляет -(π-a)-[-(π-b/2)] = a-b/2; корпус ЛА вращается вправо, обеспечивая уменьшение этого малого углового рассогласования по кратчайшему пути от угла -(π-b/2) к заданному углу -(π-a) и при этом допускается большое перерегулирование в установлении заданного ориентационного угла, что и обеспечивает установление заданного ориентационного угла без дополнительных затрат времени на совершение одного или нескольких оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси.

Таким образом, в предлагаемом автопилоте повышается быстродействие при выводе ЛА из режима нежелательного вращения за счет двух следующих факторов:
- перехода в режим интенсивного непрерывного торможения первоначального возникшего вращения, формируемого на основе дополнительных сигналов. Причем переход в этот режим производится в момент времени, с которого формирование управляющих воздействий на основе сигнала ошибки приводило бы, наоборот, к поддержанию первоначально возникшего вращения;
- реверсирование направления первоначально возникшего вращения и возвращения автопилота в основной режим работы - формирования управляющего воздействия на основе сигнала ошибки - в момент времени, когда начальные условия и по угловой скорости, и по угловому рассогласованию благоприятны для установления заданного ориентационного угла без затрат времени на совершение одного или нескольких полных оборотов корпуса ЛА вокруг своей оси.

Кроме того, за счет реверсирования направления вращения корпуса ЛА вокруг одной из своих осей и создания благоприятных начальных условий расширяется диапазон допустимых ориентационных углов. При этом диапазон допустимых ориентационных углов будет приблизительно равен диапазону углов, допустимому для датчика углов.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого автопилота по сравнению с прототипом заключается в повышении быстродействия, в уменьшении времени, затрачиваемого на выведение ЛА из режима нежелательного вращения вокруг одной из своих осей при сравнительно низкой стоимости. Вхождение ЛА в режим нежелательного вращения, например, по крену, можно рассматривать как предкатастрофическое состояние, если полет совершается на малых и средних высотах, поскольку за счет действия силы веса при этом будет теряться высота полета. Поэтому быстродействие автопилота при выведении ЛА из режима нежелательного вращения является важнейшей задачей. Актуальна эта задача и для космических объектов, поскольку уменьшается время на возвращение в штатный режим стабилизации по всем ориентационным параметрам. Основные дополнительно введенные блоки могут быть выполнены на базе элементов дискретной логики, поэтому имеют малый вес, габариты, высокую надежность и низкую стоимость. Все дополнительные блоки совместимы с автопилотами любого типа - аналоговыми, цифровыми, релейными.

Блок анализа показаний датчика углов подключается к n-му выходу блока датчиков углов и не требует внесения разрывов в соединительные цепи. Коммутатор включается в разрыв цепи, связывающей соответствующие выход и вход блока преобразования-усиления и блока исполнительных устройств. Однако эти блоки разнесены в пространстве, поэтому включение коммутатора в разрыв цепи не вызывает трудностей. Таким образом, не представляет трудностей модернизация выпускаемых промышленностью автопилотов за счет введения в них блока анализа показаний датчика углов, блока логического управления и коммутатора. Результатом такой модификации будет не только повышение быстродействия при аномальных возмущениях, но и расширение диапазона допустимых ориентационных углов до значения, практически равного диапазону углов измеряемых датчиком углов.

Формула изобретения

1. Автопилот, содержащий блок задания программы ориентации, блок датчиков углов, блок датчиков угловых скоростей, блок исполнительных устройств и блок преобразования-усиления, причем с соответствующими входами блока преобразования-усиления соединены соответственно выходы блока задания программы ориентации, выходы блока датчиков угловых скоростей и выходы блока датчиков углов, а соответствующие выходы упомянутого блока преобразования-усиления соединены соответственно с входами блока исполнительных устройств, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок анализа показаний датчика углов, блок логического управления и коммутатор, причем вход блока анализа показаний датчика углов соединен с выходом блока датчиков углов, являющимся выходом того датчика углов, который формирует информацию об ориентационном угле, изменяющемся в результате аномального возмущения на большую величину, а его первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока логического управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора, первый коммутируемый вход которого соединен с выходом блока преобразования - усиления, формирующим управляющий сигнал по ориентационному углу, изменяющемуся в результате аномального возмущения на большую величину, второй и третий коммутируемые входы являются входами дополнительных сигналов управления автопилота, а его выход соединен с входом блока исполнительных устройств, являющимся входом исполнительных устройств, которые обеспечивают приведение в действие органов управления, формирующих активный вращательный момент, управляющий ориентационным углом, изменяющимся в результате аномального возмущения на большую величину.

2. Автопилот по п. 1, отличающийся тем, что блок анализа показаний датчика углов содержит дифференциатор, амплитудный селектор отрицательных импульсов, амплитудный селектор положительных импульсов, два триггера и два формирователя коротких импульсов, причем вход дифференциатора является входом блока, а выход соединен одновременно с входами амплитудного селектора отрицательных импульсов и амплитудного селектора положительных импульсов, выходы которых соединены с синхронизирующими входами соответственно одного и другого триггеров, выходы которых соединены с входами соответственно одного и другого формирователей коротких импульсов, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока.

3. Автопилот по п. 1, отличающийся тем, что блок логического управления содержит два элемента И, два элемента ИЛИ, два триггера, два элемента задержки и элемент ИЛИ-НЕ, причем первые входы одного и другого элементов И соединены с первыми входами соответственно одного и другого элементов ИЛИ и являются соответственно первым и вторым входами блока логического управления, вторые входы одного и другого элементов ИЛИ являются входами сигнала сброса-арретирования, выходы одного элемента И и другого элементы ИЛИ соединены соответственно с первым и вторым входами одного триггера, а выходы одного элемента ИЛИ и другого элемента И соединены соответственно с вторым и первым входами другого триггера, первый выход одного триггера является также вторым выходом блока и он соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом блока, первый выход другого триггера является также третьим выходом блока и он соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, вторые выходы одного и другого триггеров соединены с входами соответственно одного и другого элементов задержки, выход одного элемента задержки соединен с вторым входом другого элемента И, а второй вход одного элемента И соединен с выходом другого элемента задержки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6