Способ стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором

Изобретение относится к области проектирования систем управления летательными аппаратами (ЛА), может быть использовано системой управления в устройстве пропорционально–интегрально-дифференцирующего регулятора автомата стабилизации движения для обеспечения устойчивости колебаний жидкого наполнителя в топливных баках. Строится параллельный контур управления с использованием резонансного фильтра высокой добротности на частоте структурно неустойчивого осциллятора. Выделяют гармонический сигнал, синфазный с колебаниями структурно неустойчивого осциллятора, который, путем его подключения к выходу автомата стабилизации ЛА, обеспечивает фазовую стабилизацию структурно неустойчивых колебаний жидкого наполнителя в топливном баке ЛА. Повышаются запасы устойчивости и качества движения ЛА с жидким топливом в баках средствами системы управления, повышается надежность работы системы управления, уменьшается вероятность нештатной ситуации системы управления. 4 ил.

 

Изобретение относится к области проектирования систем управления летательными аппаратами (ЛА) и может быть использовано системой управления в устройстве пропорционально-интегрально-

дифференцирующего (ПИД)-регулятора автомата стабилизации для стабилизации движения летательного аппарата в случаях структурной неустойчивости колебаний жидкого наполнителя в топливных баках.

Из уровня техники известно 7 основных подходов (способов) решения задачи стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, являющиеся аналогами данного изобретения [1, 2]. Такими способами являются следующие:

1. Способ стабилизации летательного аппарата со структурной неустойчивостью колебаний жидкого наполнителя в топливных баках путем выбора фазовой характеристики автомата стабилизации по параметрам состояния объекта (Колесников К.С., «Жидкостная ракета как объект регулирования», М.: «Машиностроение», 1969).

2. Способ стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, заключающийся в обеспечении автоматом стабилизации амплитудной стабилизации (Колесников К.С., Жидкостная ракета как объект регулирования, М.: «Машиностроение», 1969).

3. Конструктивный способ решения задачи стабилизации летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, заключающийся в установке дополнительных устройств в виде поплавков на свободную поверхность жидкости в топливном баке для увеличения рассеяния энергии (Колесников К.С., Жидкостная ракета как объект регулирования, М.: «Машиностроение», 1969).

4. Конструктивный способ решения задачи стабилизации летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, заключающийся в изменении геометрии топливного бака и уровня заполнения жидкости для уменьшения приведенной массы и ослабления суммарного динамического эффекта от колебаний жидкости (Колесников К.С., Жидкостная ракета как объект регулирования, М.: «Машиностроение», 1969).

5. Конструктивный способ решения задачи стабилизации летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, заключающийся в изменении частоты собственных колебаний жидкости (Колесников К.С., Жидкостная ракета как объект регулирования, М.: «Машиностроение», 1969).

6. Способ стабилизации структурно неустойчивых объектов с топливными баками на основе алгоритма с эталонной моделью (Бабин А.В., Мытарев А.И., статья «Стабилизация структурно неустойчивых объектов ракетно-космической техники с топливными баками на основе алгоритма с эталонной моделью», журнал «Космонавтика и ракетостроение», вып.6 (85), 2015).

7. Способ стабилизации при собственной динамической неустойчивости летательного аппарата, заключающийся в установке демпфирующих перегородок в топливные баки (Бужинский В.А., Новоселецкий Д.В., статья «О стабилизации движения верхних ступеней ракет-носителей при собственной динамической их неустойчивости», журнал «Космонавтика и ракетостроение», вып.4 (97), 2017).

Реализация предлагаемых конструктивных способов решения задачи стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором приводит к изменениям конструкции топливных баков и дополнительным весовым затратам. Увеличение частоты собственных колебаний жидкости и связанное с эти изменение частоты системы может затруднить фазовую стабилизацию. Поэтому в результате изменения геометрии баков оптимальные результаты достигаются не всегда.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению в части функционального предназначения (прототипом) выбрано техническое решение «Способ стабилизации летательного аппарата со структурной неустойчивостью колебаний жидкого наполнителя в топливных баках путем выбора фазовой характеристики автомата стабилизации по параметрам состояния объекта», представленное в книге Колесникова К.С., «Жидкостная ракета как объект регулирования», М.: «Машиностроение», 1969.

Технический результат прототипа заключается в том, что стабилизация движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором осуществляется управляющим воздействием, вырабатываемым ПИД-регулятором по параметрам состояния летательного аппарата.

Недостатком прототипа является то, что при наличии близких характерных частот обеспечение стабилизации может оказаться невозможным, так как на одной частоте от автомата стабилизации может потребоваться опережение по фазе, а на другой близкой частоте - запаздывание.

Общим существенным признаком исследуемого решения и прототипа является выбор фазовой характеристики автомата стабилизации для обеспечения устойчивости движения летательного аппарата.

Техническим эффектом заявляемого «Способа стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором» является создание стабилизирующего управляющего сигнала на исполнительные органы летательного аппарата, создаваемого ПИД-регулятором совместно с дополнительным параллельным контуром системы управления, который основан на эффекте резонанса.

К существенным признакам, отличающим от прототипа исследуемое техническое решение, принятое в заявляемом изобретении, относятся: ввод дополнительного контура управления, который подключен параллельно ПИД-регулятору автомата стабилизации; ввод гармонического сигнала, включающего параметры следующих значений: противоположной фазы, превосходящей амплитуды по отношению к фазе и амплитуды колебаний выходного сигнала ПИД-регулятора на частоте собственных колебаний структурно неустойчивого осциллятора.

Для реализации способа необходимо в процессе движения летательного аппарата определять фазу и амплитуду управляющего сигнала на частоте структурно неустойчивого осциллятора, что может быть выполнено с помощью различных устройств: аналоговых или цифровых фильтров, эталонных моделей, нечетких логических устройств, анализаторов и др.

Заявляемый способ стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором поясняют следующие фигуры:

- на фиг. 1 показана традиционная структура автомата стабилизации (прототип);

- на фиг. 2 показана структура автомата стабилизации с введенным резонансным фильтром на частоте структурно неустойчивого осциллятора;

- на фиг. 3 показан неустойчивый переходной процесс по отклонению рулей для замкнутой системы;

- на фиг. 4 показан устойчивый переходной процесс по отклонению рулей для замкнутой системы, в которой к традиционному автомату стабилизации на основе ПИД-регулятора параллельно подключен резонансный фильтр.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - выходной сигнал летательного аппарата по угловому положению;

2 - выходной сигнал летательного аппарата по кажущейся скорости;

3 - ПИД-регулятор;

4 -управляющий сигнал на исполнительные органы летательного аппарата;

5 - сумматор;

6 - резонансный фильтр;

7 - неустойчивый переходной процесс;

8 - устойчивый переходной процесс.

Для решения вопроса обеспечения устойчивости структурно неустойчивых колебаний средствами алгоритмов системы управления предлагается использовать эффект резонанса и организовать его между искусственно веденным в систему управления колебательным контуром и колебаниями структурно неустойчивого осциллятора.

Для фазовой стабилизации структурно неустойчивого тона колебаний жидкого наполнителя ЛА в традиционную структуру автомата стабилизации (фиг. 1) предлагается ввести резонансный фильтр 6 на частоте структурно неустойчивого осциллятора (фиг. 2). Подключив резонансный фильтр 6 параллельно ПИД-регулятору 3, подав на его вход выходные сигналы летательного аппарата по угловому положению 1 и кажущейся скорости 2, проведя фазовую коррекцию с помощью дифференцирующего звена и сложив с помощью сумматора 5 с сигналом от ПИД-регулятора 3, получим управляющий сигнал на исполнительные органы летательного аппарата 4 в контуре стабилизации структурно неустойчивого осциллятора на основе использования резонансного фильтра в автомате стабилизации ЛА (фиг. 2). ПИД-регулятор 3, который получает выходные сигналы летательного аппарата по угловому положению 1 и кажущейся скорости 2 с дополнительным контуром управления в виде резонансного фильтра осуществляет стабилизацию движения ЛА со структурно неустойчивым осциллятором. Контур ПИД-регулятора 3 обеспечивает выработку сигнала управления с требуемым качеством движением ЛА как твердого тела, при этом вследствие структурной неустойчивости на его выходе наблюдаются колебания на частоте СНО. Одновременно по параллельному контуру резонансный фильтр 6 выделяет колебания на частоте структурно неустойчивого осциллятора и, благодаря достаточной добротности, подавляет сигналы на других частотах. Далее колебания на частоте структурно неустойчивого осциллятора получают фазовую коррекцию. На сумматоре 5 сигналы на частоте структурно неустойчивого осциллятора складываются в противофазе так, что обеспечивается отрицательная обратная связь всей системы на частоте структурно неустойчивого осциллятора, и суммарное движение становится устойчивым. Параметры резонансного фильтра 6 обеспечивают получение на его выходе колебания, синфазные с колебаниями структурно неустойчивого осциллятора, которые использованы в резонансном фильтре 6 для создания стабилизирующего сигнала, подаваемого на сумматор 5 (фиг. 2). Полученный результат 8 удовлетворяет основным требованиям по качеству процессов регулирования ЛА (фиг. 4).

Способ решает задачу стабилизации структурно неустойчивого осциллятора ЛА системой управления движением. Ее решение основывается на использовании для стабилизации структурно неустойчивого осциллятора способа формирования управляющего воздействия, отличающегося тем, что управляющее воздействие дополняют гармоническим сигналом, который должен удовлетворять двум требованиям - противоположной фазы и превосходящей амплитуды по отношению к фазе и амплитуде колебаний выходного сигнала ПИД-регулятора на частоте собственных колебаний СНО.

Кроме частотного анализа действие устройства было изучено путем моделирования процесса управления с подключением устройства к ПИД-регулятору автомата стабилизации (наблюдаемый параметр - угол поворота органа управления вектором тяги) при отсутствии (фиг. 3) и при введении дополнительного контура управления (фиг. 4). Таким образом, использование заявляемого способа обеспечило устойчивость при наличии в ЛА структурно неустойчивого осциллятора.

Для исследований были составлены математические модели исследования устойчивости системы с резонансным фильтром методом математического моделирования и частотным методом Найквиста.

Эффективность ввода в состав традиционного автомата стабилизации предлагаемого дополнительного резонансного фильтра оценена для типового ЛА со структурной неустойчивостью колебаний жидкого наполнителя для которого был построен автомат стабилизации на основе традиционного ПИД-регулятора, удовлетворяющий основным требованиям по качеству процессов регулирования. Затем, дополнительно к традиционному автомату стабилизации, был подключен резонансный фильтр с имитацией входа, близкого к входу на структурно неустойчивый осциллятор. Соответствующий выбор параметров резонансного фильтра обеспечил получение на его выходе синфазных со структурно неустойчивым осциллятором колебаний, которые использованы в резонансном фильтре для создания стабилизирующего сигнала, подаваемого на сумматор.

Как показали исследования, подключение контура резонансного фильтра в контур автомата стабилизации позволило увеличить область устойчивости и выбрать рабочие настройки, исходя из требований к качеству переходных процессов и запасов устойчивости по критерию Найквиста.

Технический эффект от использования способа заключается в повышении запасов устойчивости и качества движения летательного аппарата с жидким топливом в баках средствами системы управления, повышении надежности работы системы управления, уменьшении вероятности нештатной ситуации системы управления, связанной со структурной неустойчивостью, исключении колебательных движений летательного аппарата и связанных с ними колебаний маршевой двигательной установки, рулевых приводов, дополнительных нагрузок на корпус и выводимую полезную нагрузку.

Экономическая эффективность от использования способа заключается в экономии весовых затрат на установку конструктивных демпферов в топливных баках, неэффективных затрат топлива двигательной установки в поперечном к движению направлении, затрат на энергетику рулевых приводов, снижении веса конструкции летательного аппарата из-за отсутствия необходимости упрочнять ее на дополнительные деформации.

Предложено для обеспечения асимптотической устойчивости движения ЛА со структурно неустойчивым осциллятором параллельно к традиционному ПИД-регулятору автомата стабилизации ввести параллельный дополнительный контур управления в виде резонансного фильтра на частоте структурно неустойчивого осциллятора, при этом выбор фазы выходного сигнала резонансного фильтра используется как способ стабилизации ЛА со структурно неустойчивыми осцилляторами.

Способ стабилизации движения летательного аппарата со структурно неустойчивым осциллятором, заключающийся в формировании управляющего воздействия, вырабатываемого пропорционально-интегрально-дифференцирующим регулятором системы управления по параметрам состояния летательного аппарата, отличающийся тем, что управляющее воздействие дополняют гармоническим сигналом с выполнением двух условий - противоположной фазы и превосходящей амплитуды по отношению к фазе и амплитуде колебаний выходного сигнала пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора на частоте собственных колебаний структурно неустойчивого осциллятора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области робототехники, в частности к планированию движений автономных мобильных роботов, таких как подводные аппараты, беспилотные летательные аппараты, наземные роботы, в заранее неизвестном окружении.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам управления силовым агрегатом. Устройство управления силовым агрегатом содержит контроллер обратной связи, выполненный с возможностью определять входное управляющее воздействие для силового агрегата во время ввода целевого значения предварительно определенного количественного параметра состояния силового агрегата, так что количественный параметр состояния следует целевому значению.

Изобретение относится к системе управления автоматизированных электроприводов. Устройство для управления электромеханической системой содержит первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, силовой преобразователь, измерительный блок, безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3, блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов.

Изобретение относится к системе управления автоматизированных электроприводов. Устройство для управления электромеханической системой содержит первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, силовой преобразователь, измерительный блок, безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3, блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов.

Группа изобретений относится к системам автоматического выявления рабочего состояния рабочей машины на основании сигналов от датчиков. Система выявления рабочего состояния рабочей машины содержит по меньшей мере два датчика для определения параметров, влияющих на рабочее состояние рабочей машины, и схему оценки рабочего состояния, имеющую выход значения сигнала рабочего состояния.

Группа изобретений относится к средствам предоставления информации для водителей. Технический результат – повышение точности определения информации, которую необходимо предоставить водителю.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в управляемых электрических двигателях, в частности для формирования управляющих сигналов в системе с двухфазным вентильным двигателем.

Группа изобретений относится к самонастраивающимся системам управления. Способ управления интеллектуальным устройством заключается в следующем.

Группа изобретений относится к самонастраивающимся системам управления. Способ управления интеллектуальным устройством заключается в следующем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования управляющих сигналов в системе с вентильным двигателем. Техническим результатом является создание системы, оптимальной по точности угла поворота выходного вала вентильного двигателя, инвариантной (не зависящей) от изменяющегося момента нагрузки, путем аналитического конструирования оптимального по точности регулятора угла поворота вентильного двигателя и подчиненного ему регулятора тока вентильного двигателя.

Изобретение относится к системам управления. Автоматизированная система управления для домов, обеспечивающая возможность управления электрическими и электронными устройствами, установленными в доме, содержит сервер для каждого дома, клиентские устройства, расположенные в каждом помещении автоматизируемого дома.

Группа изобретений относится к способу фильтрации грубого заданного значения, модулю фильтрации и системе регулирования турбореактивного двигателя, турбореактивному двигателю, оборудованному такой системой.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования, а конкретно, к приводам наведения артиллерийского вооружения подвижных объектов. Следящий привод содержит сумматор, усилитель, исполнительный привод, датчик углового положения нагрузки, компаратор, схему И, коммутатор, а также дополнительно введен формирователь фиксированного значения угла, выход которого соединен с нормально-разомкнутым входом коммутатора, сигнал управления подключен к нормально-замкнутому входу коммутатора, а выход коммутатора соединен со вторым входом сумматора.

Исполнительная система для самолета, содержащая электромеханический исполнительный механизм (25), содержащий энергонезависимую память (60), в которой хранятся сохраняемые данные (61), включающие в себя данные (62) о конфигурации, относящиеся к указанному электромеханическому исполнительному механизму; управляющий блок (22), использующий указанные данные о конфигурации, для того чтобы реализовать цикл серворегулирования, при этом выходной сигнал представляет собой цифровой сигнал, управляющий электродвигателем указанного электромеханического исполнительного механизма; по меньшей мере один канал (50) передачи цифровой информации соединяет управляющий блок и электромеханический исполнительный механизм.

Изобретение относится к способу работы устройства (1) автоматизации, предпочтительно секции (1а) автоматизации, с манипулятором (2а, b) и модулем (3а, b) ввода-вывода для автоматизированного производства, а также с вычислительным устройством (5).

Изобретение относится к области электротехники, может быть использовано для управления электроприводами постоянного тока, применяемыми в опорно-поворотных устройствах, металлообрабатывающих станках, механизмах металлургического производства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих системах автоматического управления и регулирования для формирования управляющих сигналов в системе с вентильным двигателем.

Представлена система регулирования уровня жидкости в технологической установке. Система регулирования уровня жидкости содержит: подвижный узел, содержащий стержень, при этом стержень подвижного узла включает в себя ближний конец и дальний конец; поплавок, прикрепленный к дальнему концу стержня; приводной механизм, функционально связанный с подвижным узлом; процессор, связанный с приводным механизмом и выполненный с возможностью перемещения поплавка с помощью подвижного узла; датчик, содержащий вход и выход, причем вход датчика функционально связан с подвижным узлом для приема входного сигнала, представляющего характеристику поплавка или рабочей среды, а выход датчика функционально связан с процессором для создания выходного сигнала, связанного с входным сигналом; запоминающее устройство, связанное с процессором; приводящий в действие модуль, сохраненный в запоминающем устройстве, который, будучи выполняемым в процессоре, приводит в действие приводной механизм; устройство вывода данных, соединенное с процессором, и демонстрирующий модуль, сохраненный в запоминающем устройстве, который, будучи выполняемым в процессоре, демонстрирует выходной сигнал датчика на устройстве вывода данных.

Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, например электроприводов постоянного и переменного тока.

Изобретение относится к разделу управления и может быть использовано при регулировании параметров сложных электромеханических систем, например электроприводов постоянного и переменного тока.

Изобретение относится к области проектирования систем управления летательными аппаратами, может быть использовано системой управления в устройстве пропорционально–интегрально-дифференцирующего регулятора автомата стабилизации движения для обеспечения устойчивости колебаний жидкого наполнителя в топливных баках. Строится параллельный контур управления с использованием резонансного фильтра высокой добротности на частоте структурно неустойчивого осциллятора. Выделяют гармонический сигнал, синфазный с колебаниями структурно неустойчивого осциллятора, который, путем его подключения к выходу автомата стабилизации ЛА, обеспечивает фазовую стабилизацию структурно неустойчивых колебаний жидкого наполнителя в топливном баке ЛА. Повышаются запасы устойчивости и качества движения ЛА с жидким топливом в баках средствами системы управления, повышается надежность работы системы управления, уменьшается вероятность нештатной ситуации системы управления. 4 ил.

Наверх