Способ управления движением динамического объекта по пространственной траектории

Изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами и может быть использовано для создания высокоточных систем автоматического управления движением этих объектов по заданным пространственным траекториям. Технический результат - обеспечение максимально возможной скорости движения объекта управления по заданной пространственной траектории без превышения допустимого уровня отклонения этого объекта от заданной траектории, что достигается с помощью формирования указанной скорости движения на основе информации о разнице между допустимым отклонением объекта от траектории и текущей величиной этого отклонения. В способе дополнительно использованы блок вычисления отклонения объекта управления от программной траектории и третий сумматор. Введение новых элементов позволяет сформировать дополнительный контур автоматической настройки режима (скорости) движения объекта управления по заданной траектории для обеспечения максимально быстрого движения этого объекта при заданной величине его отклонения от указанной траектории. 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 обеспечить высокую точность управления (особенно нелинейными нестационарными объектами) в условиях неконтролируемых возмущений.

Известен также способ управления движением динамического объекта, включающий подачу на вход его системы управления сигнала программного воздействия, определяющего требуемое местоположение объекта в произвольный момент времени, оценку текущего отклонения местоположения этого объекта от желаемого местоположения, задаваемого сигналом программного воздействия, использование текущего отклонения для получения корректирующего сигнала управления, уменьшающего величину текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналом программного воздействия местоположения, причем, сигнал программного воздействия учитывают и используют при формировании дополнительного корректирующего сигнала управления для дополнительного уменьшения текущего отклонения местоположения этого объекта от заданного сигналом программного воздействия местоположения [Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1978, с.144-145].

Этот способ управления является наиболее близким к предлагаемому новому способу. Недостатком этого способа 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 точно 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 динамической точности движения объекта по задаваемой пространственной 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 полному сходу объекта с предписанной 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 динамическую точность.

Способ управления движением динамического объекта по траектории, включающий подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта на заданной 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, однако 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 заданной программной траектории движения, но такой, чтобы при этом значения текущего отклонения местоположения этого объекта от программной траектории 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 заданной программной траектории движения» 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 траектории его движения, задаваемой сигналами указанных программных воздействий, то величина этой скорости всегда ограничивается.

Признак «значения текущего отклонения местоположения этого объекта от программной траектории ограничивались величиной, не превышающей заранее заданного для данного динамического объекта допустимого значения» позволяет объекту точно двигаться вдоль заданной траектории с отклонением, не превышающим допустимой величины.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана схема одного канала системы управления динамическими объектами, реализующая заявленный способ; на фиг.2 схематически показано движение объекта вдоль траектории.

На чертежах показаны: устройство 1 программного управления, первое 2 и второе 3 корректирующие устройства, усилитель 4, исполнительный элемент 5, первый 6, второй 7 и третий 8 сумматоры, первая 9 и вторая 10 линии отрицательных обратных связей, система 11 управления i-го канала, блок 12 формирования текущего отклонения местоположения 13 объекта 14 управления от заданной программной траектории 15 его движения, желаемое местоположение 16 объекта 14 на программной траектории 15, точка 17 на программной траектории 15, ближайшая к текущему местоположению объекта 14 управления.

Кроме того, на чертежах введены следующие обозначения: x_прi - сигнал программного управления рассматриваемого i-го канала, соответствующий желаемому местоположению 16 объекта 14 на траектории 15; x_прj - сигналы программного управления, подаваемые на другие j-е каналы i≠j, ), соответствующие желаемому местоположению 16 объекта 14 на траектории 15; ε_n, ε_∂ - соответственно, текущее отклонение текущего местоположения 13 объекта 14 управления от заданной программной траектории 15 и его допустимое значение; ε_c - текущее отклонение местоположения 13 объекта 14 управления от заданного программными сигналами его желаемого местоположения 16 на траектории 15; x_i - текущее значение выходной координаты i -го канала управления объектом 14; x_j - текущие значения выходных координат j-x каналов управления объектом 14 (i≠j, ), ε_i - текущая ошибка слежения i-го канала управления.

В качестве устройства 1 программного управления, первого 2 и второго 3 корректирующих устройств, усилителя 4, исполнительного элемента 5, первого 6, второго 7 и третьего 8 сумматоров, а также блока 12 формирования величины ε_n использованы известные устройства, чьи технические и эксплуатационные характеристики соответствуют режимным параметрам работы объекта 14.

Объектами 14 управления могут являться автономные подводные или летательные аппараты известной конструкции, снабженные автоматической системой управления, включающей навигационную систему, обеспечивающую оценку текущего отклонения ε_n местоположения 13 объекта 14 от траектории 15 его движения. 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 14 по задаваемой криволинейной пространственной траектории 15 величина ошибки этого движения увеличивается при увеличении скорости движения этого 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 14 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 14 от желаемого 16, которое непрерывно задается сигналами программного управления , а также отклонение от заданной траектории 15 движения увеличивается. Поэтому для сохранения высокой динамической точности движения объекта 14 помимо использования типовых корректирующих устройств 2 и 3, реализующих комбинированное управление, необходимо осуществлять дополнительное управление и самими программными воздействиями в соответствующих контурах управления таким образом, чтобы объект 14 двигался по соответствующим участкам предписанной траектории с такой скоростью, при которой его текущее отклонение от этой траектории не превышало допустимой величины.

В традиционных следящих системах, построенных по принципу введения отрицательных обратных связей, в каждом канале управления формируется динамическая ошибка слежения (величина отклонения от заданного программного воздействия ε_i), 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 управления реализуется следующим образом.

При движении динамического объекта 14 по задаваемой криволинейной пространственной траектории 15 величина ошибки этого движения (ε_c) увеличивается при увеличении скорости перемещения объекта 14 и кривизны соответствующего участка траектории, поскольку в этом случае возникают большие взаимовлияния между всеми каналами управления, которые приводят к изменениям параметров всех его исполнительных элементов 6. В результате происходит не только запаздывание движения объекта 14 по траектории 15 (это не приводит к существенному ухудшению работоспособности объекта), но, самое главное, наблюдается одновременное отклонение этого объекта от указанной траектории на величину ε_n на ее криволинейных участках. А это уже может привести к возникновению аварийных ситуаций. В результате для обеспечения высокой точности перемещения объекта 14 именно вблизи траектории 15 необходимо одновременно осуществлять дополнительное управление и самими программными сигналами во всех каналах управления пространственным движением объекта 14 таким образом, чтобы указанный объект в процессе его движения всегда находился вблизи задаваемой криволинейной траектории 15 с отклонением от нее, не превышающим допустимую величину ε_∂. То есть в данном способе предлагается осуществлять управление еще и режимом (интенсивностью) движения объекта 14 по (вблизи) траектории 15. Причем скорость движения динамического объекта 14 по этой траектории должна задаваться обратно пропорционально значению текущего отклонения ε_n этого объекта от заданной траектории 15.

Способ управления движением динамического объекта по пространственной траектории, включающий подачу на входы систем каждого канала управления программных воздействий, определяющих требуемое местоположение объекта 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 заданной программной траектории движения, но такой, чтобы при этом значения текущего отклонения местоположения этого объекта от программной траектории ограничивались величиной, не превышающей заранее заданного для данного динамического объекта допустимого значения.