Система управления угловым движением беспилотного летательного аппарата

 

Изобретение относится к бортовым системам автоматического управления летательными аппаратами с самолетной схемой с реализацией возможности режимов с разворотами в продольном канале с большими углами тангажа и координированных разворотов в боковом канале с большими углами крена и курса. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет изменения интенсивности (уровня) управления в одном из каналов в условиях реальной разгрузки смежных каналов и повышение точности системы. Система управления содержит объект управления, первое, второе и третье исполнительные устройства, датчик угла тангажа, датчик угловой скорости по тангажу, датчик угла крена, датчик угловой скорости по крену, датчик угла курса, датчик угловой скорости по курсу, задатчики угла тангажа и курса, задатчики опорного сигнала каналов тангажа, крена и курса, три блока сравнения, три суммирующих усилителя, три блока выделения модуля, три релейных элемента с зоной нечувствительности, элемент И, управляемый переключатель, шесть ограничителей, три сумматора и усилитель. 2 ил.

Изобретение относится к бортовым системам автоматического управления летательными аппаратами с самолетной схемой с реализацией возможности режимов с разворотами в продольном канале с большими углами тангажа и координированных разворотов в боковом канале с большими углами крена и курса,

Известны системы автоматического управления, в которых каждый из каналов управления по тангажу, крену и курсу содержит элемент вычитания и суммирующий усилитель, формирующие по задающим воздействиям и сигналам датчиков состояния управляющие воздействия на исполнительные приводы летательного аппарата [1].

Недостатком такой реализации является ограниченность возможностей управления в каждом из указанных каналов при разгруженности смежных.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является система управления угловым движением беспилотного летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа, первый блок сравнения и первый суммирующий усилитель, последовательно соединенные второй блок сравнения и второй суммирующий усилитель, последовательно соединенные задатчик угла курса, третий блок сравнения и третий суммирующий усилитель, последовательно соединенные первое исполнительное устройство и объект управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно через датчик угловой скорости по тангажу, датчик угла тангажа, датчик угловой скорости по крену, датчик угловой скорости по курсу, датчик угла курса со вторыми входами первого суммирующего усилителя, первого блока сравнения, второго суммирующего усилителя, третьего суммирующего усилителя, третьего блока сравнения и первым входом второго блока сравнения соответственно, выходы второго и третьего исполнительных устройств соединены соответственно со вторым и третьим входами объекта управления [2].

Недостатком известной системы являются ограниченные функциональные возможности и невысокая точность управления.

Решаемой в предложенной системе управления технической задачей является расширение функциональных возможностей системы и повышение точности управления. Предложенным построением системы управления достигается функциональная возможность изменения интенсивности (уровня) управления в одном из каналов в условиях реальной разгрузки смежных каналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную систему управления угловым движением беспилотного летательного аппарата, содержащую последовательно соединенные задатчик угла тангажа, первый блок сравнения и первый суммирующий усилитель, последовательно соединенные второй блок сравнения и второй суммирующий усилитель, последовательно соединенные задатчик угла курса, третий блок сравнения и третий суммирующий усилитель, последовательно соединенные первое исполнительное устройство и объект управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно через датчик угловой скорости по тангажу, датчик угла тангажа, датчик угловой скорости по крену, датчик угловой скорости по курсу, датчик угла курса со вторыми входами первого суммирующего усилителя, первого блока сравнения, второго суммирующего усилителя, третьего суммирующего усилителя, третьего блока сравнения и первым входом второго блока сравнения соответственно, выходы второго и третьего исполнительных устройств соединены соответственно со вторым и третьим входами объекта управления, дополнительно введены первый задатчик опорного сигнала, первый блок выделения сигнала положительной полярности, первый и второй блоки выделения модуля, второй блок выделения сигнала положительной полярности, элемент И, управляемый переключатель, первый ограничитель, второй ограничитель, первый сумматор, третий ограничитель, второй сумматор, четвертый ограничитель, первый и второй релейные элементы с зоной нечувствительности, второй задатчик опорного сигнала, третий задатчик опорного сигнала, третий блок выделения сигнала положительной полярности, третий релейный элемент, третий блок выделения модуля, усилитель, пятый ограничитель, третий сумматор и шестой ограничитель, выход второго задатчика опорного сигнала через последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности, первый релейный элемент с зоной нечувствительности, элемент И, управляемый переключатель, первый ограничитель и первый сумматор соединен со входом первого исполнительного устройства, второй выход управляемого переключателя через второй ограничитель соединен со вторым входом первого сумматора, третий выход через последовательно соединенные третий ограничитель и второй сумматор - со входом второго исполнительного устройства, четвертый выход через четвертый ограничитель соединен со вторым входом второго сумматора, пятый выход через последовательно соединенные пятый ограничитель и третий сумматор - со входом третьего исполнительного устройства, шестой выход через шестой ограничитель соединен со вторым входом третьего сумматора, второй, третий и четвертый входы управляемого переключателя соединены с выходами первого, второго и третьего суммирующих усилителей соответственно, выход задатчика угла тангажа через последовательно соединенные второй блок выделения модуля, первый блок выделения сигнала положительной полярности и второй релейный элемент с зоной нечувствительности подключен ко второму входу элемента И, выход первого задатчика опорного сигнала соединен со вторым входом первого блока выделения сигнала положительной полярности, выход первого блока выделения модуля - со вторым входом второго блока выделения сигнала положительной полярности, третий задатчик опорного сигнала через третий блок выделения сигнала положительной полярности и третий релейный элемент с зоной нечувствительности соединен с третьим входом элемента И, выход задатчика угла курса соединен через третий блок выделения модуля со вторым входом третьего блока выделения сигнала положительной полярности, а через усилитель - со входом первого блока выделения модуля и вторым входом второго блока сравнения.

Действительно, при этом обеспечивается максимальная отработка системы управления по тангажу при ограниченных маневрах по крену и курсу, например, на конечных участках траектории полета и расширение зоны разворотов с большими углами крена и курса при отсутствии глубоких разворотов по тангажу. В обоих случаях в смежных каналах сохраняется возможность ограниченного управления для поддержания стабилизации летательного аппарата и отработки возмущений, например ветровых порывов и др.

На фиг.1 представлена блок-схема системы управления; на фиг.2 - структурная схема управляемого переключателя.

Система управления угловым движением беспилотного летательного аппарата (фиг.1) содержит последовательно соединенные задатчик угла тангажа 1 (ЗУТ), первый блок сравнения 2 (1 БС) и первый суммирующий усилитель 3 (1 СУ), последовательно соединенные второй блок сравнения 4 (2 БС) и второй суммирующий усилитель 5(2 СУ), последовательно соединенные задатчик угла курса 6 (ЗУКур), третий блок сравнения 7 (3 БС) и третий суммирующий усилитель 8 (3 СУ), последовательно соединенные первое исполнительное устройство 9 (1 ИУ) и объект управления 10 (ОУ), первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно через датчик угловой скорости по тангажу 11 (ДУСТ), датчик угла тангажа 12 (ДУТ), датчик угловой скорости по крену 13 (ДУСК), датчик угловой скорости по курсу 14 (ДУСКур), датчик угла курса 15 (ДУКур) и датчик угла крена 16 (ДУК) со вторыми входами первого суммирующего усилителя 3, первого блока сравнения 2, второго суммирующего усилителя 5, третьего суммирующего усилителя 8, третьего блока сравнения 7 и первым входом второго блока сравнения 4 соответственно. Выходы второго 17 (2 ИУ) и третьего 18 (3 ИУ) исполнительных устройств соединены соответственно со вторым и третьим входами объекта управления 10.

Система также содержит первый задатчик опорного сигнала 19 (1 ЗОС), первый блок выделения сигнала положительной полярности 20 (1 БВСПП), первый 21 (1 БВМ) и второй 22 (2 БВМ) блоки выделения модуля, второй блок выделения сигнала положительной полярности 23 (2 БВСПП), элемент И 24 (И), управляемый переключатель 25 (УП), первый ограничитель 26 (1 О), второй ограничитель 27 (2 О), первый сумматор 28 (1 С), третий ограничитель 29 (3 О), второй сумматор 30 (2 С), четвертый ограничитель 31 (4 О), первый 32 (1 РЭ) и второй 33 (2 РЭ) релейные элементы с зоной нечувствительности, второй задатчик опорного сигнала 34 (2 ЗОС), третий задатчик опорного сигнала 35 (3 ЗОС), третий блок выделения сигнала положительной полярности 36 (3 БВСПП), третий релейный элемент 37 (3 РЭ), третий блок выделения модуля 38 (3 БВМ), усилитель 39 (У), пятый ограничитель 40 (5 О), третий сумматор 41 (3 С) и шестой ограничитель 42 (6 О).

Выход второго задатчика опорного сигнала 34 через последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности 23, первый релейный элемент 32 с зоной нечувствительности, элемент И 24, управляемый переключатель 25, первый ограничитель 26 и первый сумматор 28 соединен со входом первого исполнительного устройства 9, второй выход управляемого переключателя 25 через второй ограничитель 27 соединен со вторым входом первого сумматора 28, третий выход через последовательно соединенные третий ограничитель 29 и второй сумматор 30 - со входом второго исполнительного устройства 17, четвертый выход через четвертый ограничитель 31 соединен со вторым входом второго сумматора 30, пятый выход через последовательно соединенные пятый ограничитель 40 и третий сумматор 41 - со входом третьего исполнительного устройства 18, шестой выход через шестой ограничитель 42 соединен со вторым входом третьего сумматора 41. Второй, третий и четвертый входы управляемого переключателя 25 соединены с выходами первого 3, второго 5 и третьего 8 суммирующих усилителей соответственно. Выход задатчика угла тангажа 1 через последовательно соединенные второй блок выделения модуля 22, первый блок выделения сигнала положительной полярности 20 и второй релейный элемент 33 с зоной нечувствительности подключен ко второму входу элемента И 24. Выход первого задатчика опорного сигнала 19 соединен со вторым входом первого блока выделения сигнала положительной полярности 20, выход первого блока выделения модуля 21 - со вторым входом второго блока выделения сигнала положительной полярности 23. Третий задатчик опорного сигнала 35 через третий блок выделения сигнала положительной полярности 36 и третий релейный элемент 37 с зоной нечувствительности соединен с третьим входом элемента И 24. Выход задатчика угла курса 6 соединен через третий блок выделения модуля 38 со вторым входом третьего блока выделения сигнала положительной полярности 36, а через усилитель 39 - со входом первого блока выделения модуля 21 и вторым входом второго блока сравнения 4.

Управляемый переключатель 25 (фиг.2) может быть выполнен, например, в виде реле, которое включает в себя обмотку 43 и контактные группы 44, 45 и 46.

Система управления работает следующим образом. Основные сигналы управления в каналах тангажа, крена и курса σ _0в, σ _0э и σ _0н формируются соответственно блоками 1, 2, 3, 11, 12 канала тангажа, 4, 5, 13, 16 канала крена и 6, 7, 8, 14, 15 канала курса:

где К_1ϑ , К_2ϑ - передаточные коэффициенты первого суммирующего усилителя 3;

Δ ϑ - сигнал рассогласования по тангажу на выходе первого блока сравнения 2;

ϑ _д - сигнал датчика угла тангажа 12;

ϑ _зад - задающий сигнал по тангажу на выходе задатчика угла тангажа 1;

ω _zд - сигнал датчика угловой скорости по тангажу 11;

К_1γ , К_2γ - передаточные коэффициенты второго суммирующего усилителя 5;

Δ γ - сигнал рассогласования по крену на выходе второго блока сравнения 4;

γ _д - сигнал датчика угла крена 16;

γ _зад - задающий сигнал по крену, формируемый блоком 39:

γ _зад=К_коорΔΨ ,

ω _хд - сигнал датчика угловой скорости по крену 13;

К_коор - передаточный коэффициент усилителя 39;

К_1Ψ , К_2Ψ - передаточные коэффициенты третьего суммирующего усилителя 8;

Δ Ψ - сигнал рассогласования по курсу на выходе третьего блока сравнения 7;

Ψ _д - сигнал датчика угла курса 15;

Ψ _зад - задающий сигнал по курсу на выходе блока 6;

ω _уд - сигнал датчика угловой скорости по курсу 14.

Сигналы ϑ _д, ω _zд, γ _д, ω _хд, Ψ _д, ω _уд выдаются соответствующими датчиками состояния 12, 11, 16, 13, 15, 14, установленными на объекте управления 10.

В канале тангажа блоком 20 выделяется сигнал положительной полярности ϑ ₁-ϑ _оп, где сигнал ϑ ₁ формируется блоком 22: ϑ ₁=| ϑ _зад| , а сигнал ϑ _оп задается блоком 19.

В канале крена блоком 23 выделяется сигнал положительной полярности γ _оп-γ ₁, где сигнал γ ₁, формируется блоком 21: γ ₁=| γ _зад| , а сигнал γ _оп задается блоком 34.

Соответственно, в канале курса блоком 36 выделяется сигнал положительной полярности Ψ ₁-Ψ _оп, где сигнал Ψ ₁ формируется блоком 38: Ψ ₁=| Ψ _зад| , а сигнал Ψ _оп задается блоком 35.

На основе полученных в блоках 20, 23 и 36 сигналов релейными элементами 33, 32 и 37 формируются соответственно сигналы:

- на выходе релейного элемента 33:

- на выходе релейного элемента 32:

- на выходе релейного элемента 37:

Сигнал А₄ на выходе блока 24 равен:

Управляемый переключатель 25 осуществляет переключение цепей управления входных сигналов σ _0в с σ ’_0в (на первом выходе) на σ ”_0в (на втором выходе) в канале тангажа, σ _0э с σ ’_0э (на третьем выходе) на σ ”_0э (на шестом выходе) в канале крена и σ _0н с σ ’_0н (на четвертом выходе) на σ ”_0н (на пятом выходе) в канале курса.

А именно:

1) А₄=0. Замкнута цепь управляемого переключателя 25 по ограничителю 26 в канале тангажа, ограничителю 29 в канале крена и ограничителю 40 в канале курса. Режим соответствует состоянию, при котором требуемое значение тангажа невелико, т.е. ϑ ₁≤ _{ϑ оп} для любых значений Ψ _зад, γ _зад: управление осуществляется в режиме координированного управления в боковом движении (каналы курса и крена) со стабилизацией по курсу и крену и со стабилизацией по тангажу. Для этого режима уровень насыщения ограничителя 26 минимален, а уровень насыщения ограничителей 29 и 40 максимален;

2) А₄=1. Замкнута цепь управляемого переключателя 25 по ограничителю 27 в канале тангажа и ограничителям 31 и 42 в каналах крена и курса соответственно. Режим соответствует возможности глубоких разворотов по тангажу, т.е. в канале тангажа осуществляется управление, а в каналах крена и курса - стабилизация. Уровень насыщения ограничителя 27 максимален, а ограничителей 31 и 42 минимален.

Таким образом, в канале тангажа формируются сигналы управления:

σ ’_0в σ ”_0в - на первом и втором выходах управляемого переключателя 25;

σ _1в - на выходе первого ограничителя 26;

σ _2ы - на выходе второго ограничителя 27;

σ _в - на выходе первого сумматора 23,

σ _в=σ _1в+σ _2в.

В канале крена формируются сигналы управления:

σ ’_0э, σ ”_0э - на третьем и четвертом выходах управляемого переключателя 25;

σ _1э - на выходе третьего ограничителя 29;

σ _2э - на выходе четвертого ограничителя 31;

σ _э - на выходе второго сумматора 30,

σ _э=σ _1э+σ _2э.

В канале курса формируются сигналы управления:

σ ’_0н, σ ”_0н - на пятом и шестом выходах управляемого переключателя 25;

σ _1н - на выходе пятого ограничителя 40;

σ _2н - на выходе шестого ограничителя 42;

σ _н - на выходе третьего сумматора 41,

σ _н=σ _1н+σ _2н.

На выходах первого 9, второго 17 и третьего 18 исполнительных устройств формируются отклонения δ _в, δ _э, δ _н органов исполнительных устройств в канале тангажа (элевоны), крена (элероны) и курса (руль направления) соответственно, которые отклоняют объект управления 10 по тангажу на угол ϑ с угловой скоростью ω _z, по крену на угол γ с угловой скоростью ω _х и по курсу на угол Ψ с угловой скоростью ω _у.

Все звенья управляющей части системы, в частности логические звенья, блоки выделения сигнала модуля, являются стандартными и могут быть реализованы на элементах автоматики и вычислительной техники.

Таким образом, предложенная система управления беспилотным летательным аппаратом по крену и тангажу позволяет расширить функциональные возможности системы и повысить точность управления.

Источники информации

1. И.А. Михалев и др. Системы автоматического управления самолетом. М.: Машиностроение, 1987 г., с.174.

2. Патент РФ №1751716, кл. G 05 B 13/02, 30.07.92 г.

Формула изобретения

Система управления угловым движением беспилотного летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные задатчик угла тангажа, первый блок сравнения и первый суммирующий усилитель, последовательно соединенные второй блок сравнения и второй суммирующий усилитель, последовательно соединенные задатчик угла курса, третий блок сравнения и третий суммирующий усилитель, последовательно соединенные первое исполнительное устройство и объект управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно через датчик угловой скорости по тангажу, датчик угла тангажа, датчик угловой скорости по крену, датчик угловой скорости по курсу, датчик угла курса и датчик угла крена со вторыми входами первого суммирующего усилителя, первого блока сравнения, второго суммирующего усилителя, третьего блока сравнения, третьего суммирующего усилителя и первым входом второго блока сравнения, соответственно, выходы второго и третьего исполнительных устройств соединены соответственно со вторым и третьим входами объекта управления, отличающаяся тем, что она содержит первый задатчик опорного сигнала, первый блок выделения сигнала положительной полярности, первый и второй блоки выделения модуля, второй блок выделения сигнала положительной полярности, элемент И, управляемый переключатель, первый ограничитель, второй ограничитель, первый сумматор, третий ограничитель, второй сумматор, четвертый ограничитель, первый и второй релейные элементы с зоной нечувствительности, второй задатчик опорного сигнала, третий задатчик опорного сигнала, третий блок выделения сигнала положительной полярности, третий релейный элемент, третий блок выделения модуля, усилитель, пятый ограничитель, третий сумматор и шестой ограничитель, выход второго задатчика опорного сигнала через последовательно соединенные второй блок выделения сигнала положительной полярности, первый релейный элемент с зоной нечувствительности, элемент И, управляемый переключатель, первый ограничитель и первый сумматор соединен со входом первого исполнительного устройства, второй выход управляемого переключателя через второй ограничитель соединен со вторым входом первого сумматора, третий выход через последовательно соединенные третий ограничитель и второй сумматор - со входом второго исполнительного устройства, четвертый выход через четвертый ограничитель соединен со вторым входом второго сумматора, пятый выход через последовательно соединенные пятый ограничитель и третий сумматор - со входом третьего исполнительного устройства, шестой выход - через шестой ограничитель соединен со вторым входом третьего сумматора, второй, третий и четвертый входы управляемого переключателя соединены с выходами первого, второго и третьего суммирующих усилителей соответственно, выход задатчика угла тангажа через последовательно соединенные второй блок выделения модуля, первый блок выделения сигнала положительной полярности и второй релейный элемент с зоной нечувствительности подключен ко второму входу элемента И, выход первого задатчика опорного сигнала соединен со вторым входом первого блока выделения сигнала положительной полярности, выход первого блока выделения модуля - со вторым входом второго блока выделения сигнала положительной полярности, третий задатчик опорного сигнала через третий блок выделения сигнала положительной полярности и третий релейный элемент с зоной нечувствительности соединен с третьим входом элемента И, выход задатчика угла курса соединен через третий блок выделения модуля со вторым входом третьего блока выделения сигнала положительной полярности, а через усилитель - со входом первого блока выделения модуля и вторым входом второго блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2