Система автоматического управления пространственным разворотом объекта

 

О П И С А Н И Е 1111 56I936

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.12.74 (21) 2081077/24 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 15.06.77. Бюллетень ¹ 22

Дата опубликования описания 22.07.77 (51) М. Кл. - G 05В 17/02

Гсср арственный комитет

Совета Министров СССР

an делам изаеретений и стнрытий (53) УДК 621:52(088.8) ЗРТБ

903й ййИ П3 (72) Лвторы изобретения (71) Заявитель

С. К. Арутюнов и Б. В. Кириличев

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище имени H. Э. Баумана (54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗВОРОТОМ ОБ hEKTA

Изобретение относится к управлению движущимися объектами ц может быть использовано для управления движением объектов с произвольными инерционными свойствами (например, летательными аппаратами) около центра масс.

Известны системы управления поворотным маневром, в которых при заданных величинах эйлеровых углов, ограничениях на управляющие моменты по связанным с аппаратом осям и времени на разворот вычисляется время переключения управления и управляющие воздействия, обеспечивающие поворот аппарата вокруг неподвижной в инерциальном пространстве оси Эйлера за заданное время с минимальными затратами рабочего тела (1, 2). Эти системы позволяют осуществлять,поворотный маневр лишь в тех случаях, когда ось Эйлера лежит в одной из плоскостей связанной системы координат (т. е. когда один из направляющих косинусов оси вращения обращается в нуль), поэтому они не обеспечивают выполнения поворотного маневра для всего множества положений оси Эйлера. Известна также система управления поворотным маневром, содержащая последовательно соединенные блоки формирования управляющих сигналов и блок исполнительных органов, блоки датчиков угловой скорости, основанная на принципе оптимального экстенсивного разворота вокруг неподвижной в инерциальном пространствс оси (3). Известная система предполагает в течение всего маневра вычисление программы изменения во времени управляющий воздействий, которые должны компенсировать гигроскопический момент и обеспечивать оптимальный закон движения вокруг неподвижной оси. Однако эта система работоспособна лишь при точном выИ числении и реализации этой программы.

В противном случае, а также в случае неточности определения математической модели (тензора инерции) объекта (ЛЛ) или при действии внешних возмущений резко снижается точность маневра по углу; кроме того, наличие при этом в конце маневра ненулевой скорости вращения (сниженпе точности по угловой скорости) в ряде случаев может привести к аварийной закрутке аппарата. Таким

20 образом, известная разомкнутая система управления неустойчива по отношению к перечисленным выше факторам. Она требует непрерывной работы цифровой вычислительной машины (ЦВМ) в течение всего маневра для

25 вычисления управляющих воздействий, что приводит к значительным затратам машинного времени и памяти.

Целью изобретения является повышение точности и устойчивости работы системы уп30 равления и сокращение объема требуемых

561936 где

60 вычислений, что в целом обеспечивает надежную и экономичную реализацию маневра пространственного разворота объекта. В описываемой системе это достигается тсм, что в нее введены блок формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, блок формирования переменной составляющей сигнала управления, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, усилитель и сумматор, вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, входы которого подключены соответственно к выходу блока датчиков угловой скорости и к соединенному также с входом блока формирования переменной составляющей сигнала управления выходу блока формирования квадрата нормы вектора угловой.екоуости, вход которого соединен с выходом блока датчиков угловой скорости, выход .- -,"блока формирования переменной составляю44@ mfI naka управления непосредственно и

- им ход.сумматора через усилитель соединены с соответствующими входами блока формирования управляющих сигналов.

Таким образом сформирован контур, обеспечивающий отработку отклонения мгновенной оси вращения от заданного направления, создающий устойчивую работу системы управления и повышающий точность пространственного разворота, и контур, позволяющий отказаться от необходимости дискретного вычисления на LIBM значений управляющих моментов в течение всего маневра разворота и обеспечивающий, таким образом, непрерывное управление маневром. Работа ЦВМ при этом сводится к однократному вычислению постоянных составляющих управляющих моментов, а также коэффициентов передачи, после чего система управления автоматически отрабатывает заданный маневр разворота.

На чертеже приведена блок-схема описываемой системы.

Разомкнутый контур системы составляют блок формирования управляющих сигналов 1, блок исполнительных органов 2 и собственно объект 3, движение которого около центра масс описывается динамическими уравнениями Эйлера где I; — моменты инерции относительно главных осей (совпадающих с осями связанной с объектом системы координат); о; — составляющие вектора угловой скорости объектов связанной системы координат;

М, — моменты силы, воздействующие на объект (соответственно осям связанной системы координат), L =-1, 2, 3.

Разомкнутый контур системы вместс с блоком датчиков угловой скорости 4 составляет известную систему. Эту систему автоматического управления маневром пространственного разворота объекта дополняют блок формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5, блок формирования переменной составляющей сигнала управления б, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления 7, усилитель 8 и сумматор 9.

Начальные условия, задающие разворот, могут быть определены либо тремя углами

Эйлера, либо тремя направляющими косинусами оси разворота v,(i= 1, 2, 3), а также величиной и знаком эквивалентного угла разворота ð. От первого способа задания на20 чальных условий всегда можно перейти ко второму посредством простых вычислений.

Управляющие моменты, прикладываемые по осям объекта, могут быть разделены на две составляющие: постоянную и переменную,—

25 как видно из преобразованных выражений

M =М,sign(q), М;,I = — М„„.А +1sign (з) + В + з, 30 М;+ =- М„„А + sign (j) + В +, 1 — номер оси, по которой прикладывается максимальная составляющая вектора управляющего момента;

Mm — ограничения на моменты управления, заданные в связанных осях (i=I, i=I+1, i=i +2);

А, и В, — постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных условий и от тензора инерции объекта и вычисляемые ЦВМ перед началом маневра

f ;

А,= ; В,=Ь,— AIbJ., 45 )

Ь

bI — (it 2 — tidal) >I+I>8+2, +1 при 0 (t (t, sign (q) = — 1 при t, (t (T, где, в свою очередь, tl — момент времени переключения управления, Т вЂ” общее время маневра.

В начале маневра (1=0) в блоке формирования управляющих сигналов 1 вырабатываются сигналы (соответственно осям объекта), пропорциональные м=м, М 1 = М„, А +1, М, z = М А +

Эти сигналы поступают на блок исполнительных органов 2, который создает соответ65 ствующие управляющие моменты, воздейст561936

65 вующие на корпус объекта и приводящие его во вращение. С возникновением угловой скорости «р=а появляются сигналы а (i= l, 2, 3), снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4. В блоке формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5 вырабатывается сигнал в соответствии с формулой: з

j (в ) =Хо, . В блоке формирования перес=i менной составляющей сигнала управления 6 сигнал с выхода блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5 умножается на предварительно вычисленный ЦВМ коэффициента В;.

Таким образом, формируется сигнал, пропорциональной переменной, «гироскопической» составляющей вектора управляющего момента, и разложенный по двум из трех координатных осей (по j-й оси сигнал остается максимальным, пропорциональным

M;sign(cp), т. е. по 1-й оси переменная составляющая отсутствует). Этот сигнал с выхода блока формирования переменной составляющей сигнала управления 6, складываясь в блоке формирования управляющих сигналов

1 с сигналом, пропорциональным постоянной составляющей вектора управляющего момента, поступает на блок исполнительных органов 2, создающий собственно вектор управляющего момента теперь уже с учетом компенсации возникшего с началом движения гироскопического момента, и объект отрабатывает пространственный поворотный маневр.

В расчетный момент времени tI (вычисленный ЦВМ) в блоке формирования управляющих сигналов 1 происходит переключение функции sign(cp), т. е. сигналы, пропорциональные постоянным составляющим управляющих моментов по осям j+1 и j+2, а также по оси 1 (постоянная составляющая по этой оси пропорциональна максимально допустимому моменту М;) меняют знак на противоположный — начинается этап торможения до полной остановки объекта в расчетный момент времени Т, после чего управляющие воздействия в блоке формирования управляющих сигналов 1 должны быть обнулены, и маневр завершается.

Снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4 сигналы, пропорциональные состав.— ляющим вектора угловой скорости разворота, используются в блоке формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления 7 для формирования сигналов отклонения оси вращения от заданного направления.

Этот блок реализует функцию

fz = "/4 ll >ll (i=1, 2, 3), для чего в него поступает также сигнал, пропорциональный о с блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5. С сигналом, идущим от блока формирования сигнала отклонения оси вра5

40 щения от заданного направления 7, в сумматоре 9 складывается соответствующий опорный сигнал v= (v>v>v3), взятый с обратным знаком, где v; (i = l, 2, 3) — направляющие косинусы оси разворота, заданные в виде начальных условий маневра (второй способ задания начальных условий) или однократно вычисленные по начальным условиям, заданным в виде углов Эйлера (первый способ задания начальных условий). В результате обеспечивается устойчивость оси разворота в инерциальном пространстве.

Сигнал на выходе сумматора 9 отличен от нуля лишь в том случае, когда направляющие косинусы вектора угловой скорости отличаются от опорных значений. Это может происходить в результате действия на объект внешних возмущающих воздействий (моментов) или изменения составляющих тензора инерции объекта в процессе маневра или при ненулевом начальном значении угловой ско ости. В рос и. Во всех этих случаях сигнал с выход а умматора 9, усиленный в усилителе 8, постпает ет в блок формирования сигналов управлеУ ния 1 с обратным знаком, осуществляя отработку ошибки относительно программнойтраектории, обеспечивая устойчивость работы всей системы.

Описываемая система обеспечивает надежную практическую реализацию оптимального с точки зрения затрат рабочего тела или времени маневра пространственного разворота объекта, гарантируя от возникновения аварийной ситуации, повышает точность выполнения маневра при действии возмущений и при ошибках реализации управляющих воздействий и математического описания объекта и сокращает объем вычислений, необходимых для реализации маневра, до однократного вычисления коэффициентов передачи, а также моменты времени переключения управления, что позволяет снизить требования к

БЦВМ.

Формула изобретения

Система автоматического управления пространственным разворотом объекта, содержащая последовательно соединенные блок формирования управляющих сигналов и блок исполнительных органов, блок датчиков угловой скорости, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и устойчивости работы системы при действии возмущений, она содержит блок формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, блок формирования переменной составляющей сигнала управления, блок формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, усилитель и сумматор, вход которого подключен к выходу блока формирования сигнала отклонения оси вращения от заданного направления, входы которого подключены соответственно к выходу блока датчиков угловой скорости и к соединенному также с

561936

Составитель Э. Митрошин

Техред А. Галахова Корректор E. Хмелева

Редактор Л, Тюрина

Заказ 1537/8, Изд. М 513,Тираж 1109 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 входом блока формирования переменной составляющей сигнала управления выходу блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости, вход которого соединен с выходом блока датчиков угловой скорости, выход блока формирования переменной составляющей сигнала управления непосредственно и выход сумматора через усилитель соединены с соответствующими входами блока формирования управляющих сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лоскутов Е. М. К задаче оптимальной переориентации КА. «Космические исследования». 1973, т. XI, Мз 2.

2. Гурман В. И., Лавровский Э. К. и Сергеев С. И. Оптимальное управление ориентацией осесимметричного вращающегося космического аппарата. «Космические исследования». 1970, т. VIII, Ko 3.

3. Петров Б. H., Боднер В. А. и Алексеев

10 К. Б. Аналитическое решение задачи управления пространственным поворотным маневром. ДАН, 1970, т. 192, Мз 6.