Способ формирования сигнала угла атаки летательного аппарата и устройство для его осуществления

Изобретение относится к функциональным устройствам для бортовых систем управления беспилотными летательными аппаратами. Технической задачей изобретения является достижение устойчивости и повышение точности вычислений. Способ формирования сигнала угла атаки летательного аппарата заключается в том, что формируют сигнал итерации посредством деления уменьшенного сигнала числителя на сигнал знаменателя, который формируют посредством вычитания из сигнала, соответствующего коэффициенту знаменателя, сигнала вида у_i ², где у_i представляет собой проквантованный и запомненный сигнал итерации на предыдущем шаге, а выходной сигнал формируют путем умножения полученного сигнала итерации на масштабированный опорный сигнал. Устройство для реализации способа содержит задатчик коэффициента числителя, задатчик коэффициента знаменателя, блок вычитания, задатчик опорного сигнала, два блока деления, устройство выборки и хранения, блок формирования сигнала вида у_i ², где y_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения, масштабирующий усилитель и блок умножения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к функциональным устройствам для бортовых систем управления беспилотными летательными аппаратами. Так, в процессе полета летательного аппарата вычисляется угол атаки α (либо балансировочное значение α_бал, либо текущее α_t), например, для регулирования и ограничения перегрузки, для телеметрических измерений и др. В соответствии, например, с [1, 2] угол атаки α может быть рассчитан на основе знания веса летательного аппарата, его перегрузки в полете и коэффициента подъемной силы, последний при этом имеет сложную зависимость от угла атаки α. С учетом ограничения числа членов для первого приближения, на основе метода итерации (последовательное вычисление переменной на следующем шаге по значению переменной на предыдущем шаге), угол α рассчитывается:

где α_i, α_i+1 - значения угла атаки, соответственно, на i-м и на (i+1)-м шагах;

А - параметр, характеризующий вес летательного аппарата, перегрузку и компоненту подъемной силы при α=0;

В - параметр, характеризующий зависимость коэффициента подъемной силы летательного аппарата от α, т.е. при α≠0.

В более общем случае возникает вопрос вычисления переменной α для алгебраического выражения (1) с n-м порядком переменной (n≥1), т.е.

К известным можно отнести способ и устройство, формирующие переменную α по приближению для 0-го порядка [3], тогда В этом случае определение переменной α очень грубое, т.е. известные способ и устройство обладают невысокой точностью. Повышение порядка может привести при определенных соотношениях А и В к неточности и даже к неустойчивости итерационного процесса (последовательное вычисление α_i+1 по α_i).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования сигнала с переменной второго порядка в знаменателе для систем автоматического управления летательным аппаратом, заключающийся в том, что задают сигнал, соответствующий коэффициенту числителя, задают сигнал, соответствующий коэффициенту знаменателя, и формируют сигнал знаменателя посредством вычитания из сигнала, соответствующего коэффициенту знаменателя, сигнала показательной функции [4].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является кусочно-линейный преобразователь информации, содержащий задатчик коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик коэффициента знаменателя и блок вычитания [4].

Недостатком известных способа и устройства является возможный срыв устойчивости процесса итерации и невысокая точность.

Решаемой в предложенных способе и устройстве технической задачей является достижение устойчивости и повышение точности процесса итерации.

Анализ зависимости (2) даже при n=1 показывает, что при определенном соотношении параметров А и В возможна неустойчивость процесса итерации. Процесс итерации при i→∞ определяет корректное действительное значение корня алгебраического уравнения на основе (1) и (2). Действительно, при n=1 алгебраическое выражение для (2) разрешимо относительно α:

т.е., на основе (3) получается алгебраическое уравнение второго порядка:

Корнями (4) являются:

При

корни α_1,2 по (5) являются комплексными, т.е. действительного решения уравнения (4) не существует.

Непосредственный анализ (3) (в том числе и численный расчет) при выполнении условия (6) показывает, что итерационный процесс носит расходящийся характер как при α₀=0; так и при α₀≠0.

Из (6) видна и возможность достижения устойчивого решения - должно быть выполнено условие, являющееся одновременно критерием устойчивости итерационного процесса

Таким образом формируем общий путь решения поставленной задачи: уменьшить числитель А в К раз, К>1, далее вести итерационный процесс по уменьшенной переменной

а для выходной переменной увеличить, соответственно, в указанное К раз уменьшенную итерационную переменную, т.е.

Непосредственно для итерационного процесса введено квантование (временное) от i-го шага к (i+1)-му шагу и запоминание квантованного сигнала.

В основном, указанных приемов оказывается достаточным для реализации предлагаемых способа и устройства. Однако, как показывает анализ, при потребной реализации существенных значений К, примерно К>(4-10), возникает погрешность в точности итерационного процесса. Для повышения точности в этих условиях необходимо выходную переменную не только восстановить по итерационной переменной соответствующим умножением на К, но дополнительно скорректировать усилением с некоторым масштабным коэффициентом К_эк, точную величину которого вычислить довольно сложно, а при n>1 и в случае нестационарности А и В практически невозможно. Поэтому можно воспользоваться эмпирическим значением, которое составляет К_эк=1-1,5 даже при очень больших значениях К (до 30).

Таким образом, указанный технический результат достигается тем, что в известный способ формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, заключающийся в том, что задают сигнал, соответствующий коэффициенту числителя, задают сигнал, соответствующий коэффициенту знаменателя, и формируют сигнал знаменателя, дополнительно задают опорный сигнал с уровнем К, К>1, масштабируют его, формируют уменьшенный сигнал числителя посредством деления сигнала, соответствующего коэффициенту числителя, на опорный сигнал, формируют сигнал итерации посредством деления уменьшенного сигнала числителя на сигнал знаменателя, который формируют посредством вычитания из сигнала, соответствующего коэффициенту знаменателя, сигнала вида у_i ², где у_i представляет собой проквантованный и запомненный сигнал итерации на предыдущем шаге, а выходной сигнал формируют путем умножения полученного сигнала итерации на масштабированный опорный сигнал.

Технический результат достигается также тем, что в известное устройство формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, содержащее задатчик коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик коэффициента знаменателя и блок вычитания, дополнительно введены задатчик опорного сигнала, первый и второй блоки деления, блок выборки и хранения, блок формирования сигнала вида у_i ², где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения, масштабирующий усилитель и блок умножения, выход задатчика коэффициента числителя соединен через последовательно соединенные первый и второй блоки деления и блок умножения с выходом устройства, выход второго блока деления через последовательно соединенные блок выборки и хранения и блок формирования сигнала вида у_i ² соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления, а задатчик опорного сигнала соединен со вторым ходом первого блока деления и через маштабирующий усилитель - со вторым входом блока умножения, при этом блок формирования сигнала вида у_i ², где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения, содержит задатчик единичного сигнала и два устройства умножения, вход блока соединен через два последовательно соединенных устройств умножения с выходом блока и со вторым входом второго устройства умножения непосредственно, а второй вход первого устройства умножения соединен с выходом задатчика единичного сигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг.2 представлена структурная схема формирования сигнала вида у_i ², где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения.

Устройство формирования сигнала угла атаки летательного аппарата (фиг.1) содержит задатчик коэффициента числителя 1(ЗКЧ), последовательно соединенные задатчик коэффициента знаменателя 2 (ЗКЗ) и блок вычитания 3 (БВ), задатчик опорного сигнала 4 (ЗОС), первый 5 (1 БД) и второй 6 (2 БД) блоки деления, блок выборки и хранения 7 (БВХ), блок формирования сигнала вида у_i ² - 8 (БФС у_i ²), где у_i -сигнал на выходе блока выборки и хранения 7, блок умножения 9 (БУ) и масштабирующий усилитель 10 (МУ), выход задатчика коэффициента числителя 1 соединен через последовательно соединенные первый 5 и второй 6 блоки деления и блок умножения 9 с выходом устройства, выход второго блока деления 6 через последовательно соединенные блок выборки и хранения 7 и блок формирования сигнала вида у_i ² - 8 соединен со вторым входом блока вычитания 3, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления 6, а задатчик опорного сигнала 4 соединен со вторым входом первого блока деления 5 и через масштабирующий усилитель 10 со вторым входом блока умножения 9.

Блок формирования сигнала вида у_i ² - 8 (БФС y_i ²), где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения 7, содержит задатчик единичного сигнала 11 (ЗЕС) и два устройства умножения 12 (1 УУ) и 13 (2 УУ), вход блока соединен через два последовательно соединенных устройств умножения 12 и 13 с выходом блока и со вторым входом второго устройства умножения 13, а второй вход первого устройства умножения 12 соединен с выходом задатчика единичного сигнала 11.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

Сигналы, соответствующие параметрам А и В в соответствии с (2), задаются блоками 1 и 2 соответственно. Сигнал К (К>1) для обеспечения устойчивости процесса итерации определен (выставлен) в блоке 4, что обеспечивает в дальнейшем уменьшение числителя - на выходе блока 5 формируется сигнал . Соответственно, в дальнейшем восстановление выходного сигнала α осуществляется посредством умножения уменьшенного сигнала у=y_i+1 на (К·К_эк) в блоке 9 в соответствии с (9), т.е.

при этом коэффициент эмпирической коррекции К_эк определен в блоке 10. В блоке 6 формируется сигнал итерации с учетом начального значения y₀=0 посредством деления сигнала на сигнал (B-y_i ²).

Сигнал у_i+1 формируется следующим образом. На выходе блока выборки и хранения 7 имеем сигнал у_i, тогда сигнал на выходе блока 6 в соответствии с (8) равен:

При этом частота квантования в блоке выборки и хранения 7 специально не регламентируется, так как может быть невысокой для летательного аппарата (изменение массы летательного аппарата и аэродинамических характеристик достаточно медленное) и определяется тактом реальной БЦВМ на борту летательного аппарата.

Сигнал вида у_i ² формируется блоком 8. На выходе блока вычитания 3 сигнал равен В-у_i ².

Положительный эффект данного способа и устройства подтвержден непосредственно математическим анализом и результатами математического моделирования.

Все звенья для реализации способа и устройства являются стандартными и могут быть реализованы на элементах автоматики и вычислительной техники, а также в БЦВМ летательного аппарата. При этом блок выборки и хранения 7 назван в соответствии с [5] и включает в себя квантователь и фиксатор (экстрополятор нулевого порядка) квантованного сигнала.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют обеспечить устойчивость процесса итерации и требуемую точность.

Источники информации:

1. Аэродинамика, устойчивость и управление сверхзвуковых самолетов. Под ред. Г.С.Бюшгенса. М.: Наука, Физматлит, 1998, с.723.

2. А.А.Лебедев, Л.С.Чернобровкин. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973, с.147, 281.

3. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, с.103.

4. В.Б.Смолов. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, с.53.

5. Б.Куо. Теория и проектирование цифровых систем управления. Перевод с англ. М.: Машиностроение, 1986, с.26-29.

1. Способ формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, заключающийся в том, что задают сигнал, соответствующий коэффициенту числителя, задают сигнал, соответствующий коэффициенту знаменателя и формируют сигнал знаменателя, отличающийся тем, что задают опорный сигнал с уровнем К, К>1, масштабируют его, формируют уменьшенный сигнал числителя посредством деления сигнала, соответствующего коэффициенту числителя, на опорный сигнал, формируют сигнал итерации посредством деления уменьшенного сигнала числителя на сигнал знаменателя, который формируют посредством вычитания из сигнала, соответствующего коэффициенту знаменателя, сигнала вида у_i ², где у_i представляет собой проквантованный и запомненный сигнал итерации на предыдущем шаге, а выходной сигнал формируют путем умножения полученного сигнала итерации на масштабированный опорный сигнал.

2. Устройство формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, содержащее задатчик коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик коэффициента знаменателя и блок вычитания, отличающееся тем, что оно содержит задатчик опорного сигнала, первый и второй блоки деления, блок выборки и хранения, блок формирования сигнала вида у_i ², где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения, масштабирующий усилитель и блок умножения, выход задатчика коэффициента числителя соединен через последовательно соединенные первый и второй блоки деления и блок умножения с выходом устройства, выход второго блока деления через последовательно соединенные блок выборки и хранения и блок формирования сигнала вида у_i ² соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом второго блока деления, а задатчик опорного сигнала соединен со вторым ходом первого блока деления и через маштабирующий усилитель - со вторым входом блока умножения.

3. Устройство формирования сигнала угла атаки летательного аппарата по п.2, отличающееся тем, что блок формирования сигнала вида у_i ², где у_i - сигнал на выходе блока выборки и хранения, содержит задатчик единичного сигнала и два устройства умножения, вход блока соединен через два последовательно соединенных устройств умножения с выходом блока и со вторым входом второго устройства умножения непосредственно, а второй вход первого устройства умножения соединен с выходом задатчика единичного сигнала.