Способ управления движением динамического объекта по траектории
Владельцы патента RU 2406103:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) (RU)
Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами. Технический результат заключается в обеспечении возможности перемещения объекта с максимально возможной скоростью с заранее заданной точностью. Он достигается тем, что способ включает подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта на траектории, оценку в каждом канале текущего отклонения от желаемого, использование в каждом канале соответствующего текущего отклонения для получения корректирующих сигналов управления, причем сигналы всех программных воздействий учитывают и используют при формировании в каждом канале дополнительных корректирующих сигналов для уменьшения текущих отклонений от сигналов программных воздействий. При этом скорость движения объекта с помощью соответствующей одновременной коррекции сигналов программных воздействий в каждом канале задают максимально возможной обратно пропорциональной значению текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами указанных программных воздействий местоположения, но такой, чтобы при этом значения текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами ограничивались величиной, не превышающей заранее заданного для данного динамического объекта допустимого значения. 2 ил.
Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами, обеспечивающего их точное движение по заданной траектории, в частности летательными аппаратами и/или подводными аппаратами.
Известен способ управления динамическими объектами [Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. - М.: Наука, 1978, с.225-226], заключающийся в том, что по известным координатам состояния объекта определяют величину ошибки, равную разности между заданными входными координатами и соответствующими текущими координатами объекта. Команды управления объектом формируются в соответствии с величинами ошибки и коэффициентов пропорциональности, которые вычисляются на основе решения уравнения Риккати.
Недостатком указанного способа управления является невозможность в полной мере обеспечить высокую точность и устойчивость управления (особенно нелинейными нестационарными объектами) в условиях неконтролируемых возмущений.
Известен также способ управления движением динамического объекта по траектории, включающий подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта на траектории в произвольный момент времени, оценку в каждом канале управления текущего отклонения от желаемого, задаваемого сигналами программных воздействий каждого канала, использование в каждом канале соответствующего текущего отклонения для получения корректирующих сигналов управления, уменьшающих величины этих текущих отклонений от сигналов программных воздействий, причем сигналы всех программных воздействий учитывают и используют при формировании в каждом канале управления дополнительных корректирующих сигналов управления для дополнительного уменьшения текущих отклонений от сигналов программных воздействий [Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1978, с.144-145].
Недостатком известного способа управления является невысокая точность при управлении объектом по программным траекториям, если параметры этого объекта за счет взаимодействия с окружающей средой и эффектов взаимовлияния между всеми его степенями подвижности непредсказуемо изменяются, а также, если его исполнительные элементы входят в режим насыщения, что не позволяет им в полной мере отрабатывать сигналы всех программных воздействий для обеспечения движений объекта по этим задаваемым траекториям.
Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка и, в частности, обеспечение требуемой высокой точности движения объекта по задаваемой траектории с учетом его текущих динамических свойств и переменных параметров, а также с учетом ограничений мощности используемых исполнительных элементов, которые при отработке некоторых участков траекторий на больших скоростях движения объектов управления могут входить в насыщение, что неминуемо приведет не только к большим ошибкам управления, но даже к сходу объекта с задаваемой траектории его движения.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности перемещения объекта с максимально возможной скоростью по произвольно заданным непрерывным пространственным траекториям с заранее заданной точностью при использовании традиционных корректирующих устройств без идентификации его текущих динамических свойств, внешних воздействий и ограничений мощности исполнительных элементов за счет формирования таких сигналов программных воздействий, подаваемых на входы каждого канала управления объектом, которые не позволяют уменьшить эту точность.
Поставленная задача решается тем, что способ управления движением динамического объекта по траектории, включающий подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта на траектории в произвольный момент времени, оценку в каждом канале управления текущего отклонения от желаемого, задаваемого сигналами программных воздействий каждого канала, использование в каждом канале соответствующего текущего отклонения для получения корректирующих сигналов управления, уменьшающих величины этих текущих отклонений от сигналов программных воздействий, причем сигналы всех программных воздействий учитывают и используют при формировании в каждом канале управления дополнительных корректирующих сигналов управления для дополнительного уменьшения текущих отклонений от сигналов программных воздействий, отличается тем, что скорость движения динамического объекта на конкретных участках траектории с помощью соответствующей одновременной коррекции сигналов программных воздействий в каждом канале управления задают максимально возможной обратно пропорциональной значению текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами указанных программных воздействий местоположения на траектории движения объекта, но такой, чтобы при этом значения текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами программных воздействий местоположения на траектории его движения ограничивались величиной, не превышающей заранее заданного для данного динамического объекта допустимого значения.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак «…скорость движения динамического объекта на конкретных участках траектории с помощью соответствующей одновременной коррекции сигналов программных воздействий в каждом канале управления задают максимально возможной обратно пропорциональной значению текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами указанных программных воздействий местоположения на траектории движения объекта…» обеспечивает выработку таких программных воздействий в каждом канале управления, которые дают возможность объекту достигать на конкретных участках траектории его движения максимально возможной скорости с учетом ограничения мощности используемых исполнительных элементов, установленных на объекте управления. Однако, поскольку эта скорость формируется обратно пропорционально значению отклонения текущего местоположения объекта от желаемого местоположения на траектории его движения, задаваемого сигналами указанных программных воздействий, то величина этой скорости всегда ограничивается.
Признак «…значения текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами программных воздействий местоположения на траектории его движения ограничиваются величиной, не превышающей заранее заданного для данного динамического объекта допустимого значения…» позволяет объекту устойчиво двигаться по заданной траектории с заданной динамической точностью.
Указание, на использование «текущего отклонения местоположения» управляемого динамического объекта от «заданного сигналами программных воздействий местоположения на траектории его движения» упрощает реализацию способа, поскольку здесь используется не отклонение местоположения объекта от траектории движения, определение которого является более сложной технической задачей.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематически показана схема одного канала системы управления динамическими объектами, реализующая заявленный способ; на фиг.2 схематически показано движение объекта по траектории.
На чертежах показаны устройство 1 программного управления; первое 2 и второе 3 корректирующие устройства; усилитель 4; звено 5 с ограничением, которое характеризует насыщение исполнительного элемента 6; объект управления 7; первый 8, второй 9 и третий 10 сумматоры; первая 11 и вторая 12 линии отрицательных обратных связей; система 13 управления i-го канала, 14 - блок формирования текущего отклонения местоположения 16 объекта управления 7 от заданного сигналами программных воздействий его местоположения 17 на траектории 18 движения.
Кроме того, на чертежах показаны xпрi - сигнал программного управления рассматриваемого i-го канала; xпрj - сигналы программных управлений, подаваемые на j-е каналы объекта управления; εi - текущая ошибка рассматриваемого i-го канала управления; εс, εд - соответственно текущее отклонение местоположения 15 объекта 7 управления от заданного сигналами программных воздействий его местоположения 16 на траектории 17 движения и его допустимое значение; хi - текущее значение выходной координаты i-го канала рассматриваемого объекта управления; xj - текущие значения выходных координат в j-х каналах управления 
.
В качестве устройства 1 программного управления, первого 2 и второго 3 корректирующих устройств, усилителя 4, исполнительного элемента 6, первого 8, второго 9 и третьего 10 сумматоров, а также блока 14 формирования текущего отклонения местоположения 15 объекта 7 управления от его местоположения 16 на траектории 17 движения использованы известные устройства и узлы сходного назначения, чьи технические и эксплуатационные характеристики соответствуют режимным параметрам работы динамического объекта 7 управления.
В качестве объекта 7 управления может выступать автономный подводный или летательный аппарат известной конструкции, снабженный автоматической предпочтительно многоканальной системой управления, включающей навигационную систему, обеспечивающую оценку текущего отклонения ε местоположения объекта 7 от заданного сигналом программного воздействия его местоположения на траектории движения (на чертежах не показано). Исполнительным элементом может быть движитель или привод рулевых устройств подводного или летательного аппарата (в зависимости от принятой системы пространственного позиционирования и реализованной в конструкции указанных объектов управления).
Следует отметить, что при движении объекта 7 по задаваемой нелинейной пространственной траектории 17 величина ошибки этого движения увеличивается при увеличении скорости движения объекта, поскольку в этом случае возникают большие взаимовлияния между всеми каналами управления объекта, которые приводят к изменениям параметров его исполнительных элементов. В результате при большой скорости движения объекта на участках траектории с большой кривизной традиционные системы управления, используемые в каждом канале управления, уже не позволяют обеспечивать заданное качество (точность) этого управления, и отклонение текущего положения объекта от желаемого, которое непрерывно задается программными сигналами, увеличивается. Поэтому для сохранения высокой динамической точности движения объекта, помимо формирования двух указанных выше типовых корректирующих сигналов управления исполнительными элементами (комбинированное управление), необходимо осуществлять дополнительное управление и самими программными воздействиями в соответствующих контурах управления таким образом, чтобы указанный динамический объект двигался по соответствующим участкам предписанной траектории с такой скоростью, при которой его текущее отклонение от желаемого положения на траектории, определяемого программными сигналами соответствующих контуров, не превышало допустимой величины.
В традиционных следящих системах, построенных по принципу введения отрицательных обратных связей, формируется динамическая ошибка слежения (величина отклонения от заданного программного воздействия (εi), которая подается на вход заранее рассчитанного корректирующего устройства и позволяет сформировать сигналы управления исполнительными элементами объекта, уменьшающие величину этой динамической ошибки. Для еще большего уменьшения этой динамической ошибки вводят дополнительные корректирующие сигналы управления исполнительными элементами. В результате строится так называемое комбинированное управление, обеспечивающее каждому каналу управления малую чувствительность его динамической точности к входным воздействиям (инвариантность качества управления к переменному закону изменения указанных сигналов программных воздействий). Однако, как известно из теории автоматического управления, сформировать дополнительный корректирующий сигнал управления исполнительными элементами в силу инерционности реальных элементов в комбинированной системе удается лишь приближенно. В результате точной инвариантности (особенно для объектов, параметры которых непрерывно изменяются в широких пределах) достичь никогда не удается.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
При движении динамического объекта 7 по задаваемой нелинейной пространственной траектории 17 величина ошибки этого движения (εс) увеличивается при увеличении скорости перемещения объекта 7 и кривизны соответствующего участка траектории, поскольку в этом случае возникают большие взаимовлияния между всеми каналами управления, которые приводят к изменениям параметров его исполнительных элементов (приводы 6). В результате для сохранения заданной динамической точности движения объекта 7, помимо формирования двух указанных выше корректирующих сигналов управления исполнительными элементами, необходимо осуществлять дополнительное управление и самими программными воздействиями во всех каналах управления указанным пространственным движением таким образом, чтобы указанный динамический объект проходил вблизи той же самой пространственной траектории, но с отклонением от желаемого (программного) положения, не превышающим допустимую величину εд. То есть в данном способе предлагается осуществлять управление еще и режимом (интенсивностью) движения объекта 7 по задаваемой программными воздействиями траектории 17. Причем скорость движения динамического объекта 7 по этой траектории должна задаваться обратно пропорционально значению текущего отклонения (εс) этого объекта от желаемого положения на этой траектории.
Способ управления движением динамического объекта по траектории, включающий подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта на траектории в произвольный момент времени, оценку в каждом канале управления текущего отклонения от желаемого, задаваемого сигналами программных воздействий каждого канала, использование в каждом канале соответствующего текущего отклонения для получения корректирующих сигналов управления, уменьшающих величины этих текущих отклонений от сигналов программных воздействий, причем сигналы всех программных воздействий учитывают и используют при формировании в каждом канале управления дополнительных корректирующих сигналов управления для дополнительного уменьшения текущих отклонений от сигналов программных воздействий, отличающийся тем, что скорость движения динамического объекта на конкретных участках траектории с помощью соответствующей одновременной коррекции сигналов программных воздействий в каждом канале управления задают максимально возможной обратно пропорциональной значению текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами указанных программных воздействий местоположения на траектории движения объекта, но такой, чтобы при этом значения текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналами программных воздействий местоположения на траектории его движения ограничивались величиной, не превышающей заранее заданное для данного динамического объекта допустимое значение.
