Система автоматического управления пространственным разворотом объекта

О П И С А Н И Е 1111 86936ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 03.12.74 (21) 2081077/24 М. Кл,- 6 05 В 17/02 присоединением заявки М гссрарственный комит Совета Министров ССС ае делам изобретении и атнрытий) УДК 621;52(088,8 ата опуолпкования зйТБ В9014 ВЯИЧ 33вКрасного ЗнамениБаумана(72) Лвторы изобретения (71) Заявитель С, К. Арутюнов и Б. В, Кирили осковское ордена Ленина и ордена Трудового высшее техническое училище имени Н.(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗВОРОТОМ ОБЪЕКТА вляется повышение работы системы упобъема требуемых Изобретение относится к управлению движущимися объектами и 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 вре мени управляющий воздействий, которыедолжны компенсировать гигроскопический момент и обеспечивать оптимальный закон движения вокруг неподвижной оси. Однако эта система работоспособна лишь при точном вы- О 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 снижа ется точность маневра по углу; кроме того,наличие при этом в конце маневра ненулевой скорости вращения (сниженпе точности по угловой скорости) в ряде случаев может прн.вести к аварийной закрутке аппарата. Таким 0 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, чтоприводит к значительным затратам машинного времени и памяти.Целью изобретения яточности и устойчивости30 равления и сокращениевычислений, что в целом обеспечивает надежную и экономичную реализацию маневра пространственного разворота объекта, В описываемой системе это достигается тем, 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 составляю 44 Ф ойгпайауправления непосредственно и - итход.сумматора через усилитель соединеныс соотвстствуюгцими 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 ЦВМ 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 составляютблок формирования управляющих сигналов 1, блок исполнительных органов 2 и собственно объект 3, движение которого около центра масс описывается динамическими уравнениями Эйлеращд + (Уз 12) доядддз - Мддз 2 + (д з) ддз дод здзодз + (з д) одддоз - Мз,где 1 с - моменты инерции относительно главных осей (совпадающих с осями связанной с объектом системы координат);ос - составляющие вектора угловой скорости объектов связанной системы координат;М, - моменты силы, воздействующие наобъект (соответственно осям свя занной системы координат), с=-1,2, 3.Разомкнутый контур системы вместс сблоком датчиков угловой скорости 4 составляет известную систему. Эту систему автоматического управления маневром пространственного разворота объекта дополняют блокформирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5, блок формирования перемен 10 ной составляющей сигнала управления б,блок формирования сигнала отклонения осивращения от заданного направления 7, усилитель 8 и сумматор 9.Начальные условия, задающие разворот,15 могут быть определены либо тремя угламиЭйлера, либо тремя направляющими косинусами оси разворота д,(с=1, 2, 3), а такжевеличиной и знаком эквивалентного угла разворота ср. От первого способа задания на 20 чальных условий всегда можно перейти ковторому посредством простых вычислений.Управляющие моменты, прикладываемые поосям объекта, могут быть разделены на двесоставляющие; постоянную и переменную, -25 как видно из преобразованных выраженийМ =М з 1 дп,М;.,д = - М.А+д з 1 дп (з) + В+,з,где 50 60 30 Мс,.а =- М,.А,. ядп (з) Вр.,с - номер оси, по которой прикладывается максимальная составляющая вектора управляющего момента;35Мдп, - ограничения на моменты управления, заданные в связанных осях(с=с, с=с+ 1, К=у+-2);А, и В, - постоянные коэффициенты, зависящие только от начальных условийи от тензора инерции объекта ивычисляемые ЦВМ перед началомманеврассч;Ас= сВс=Ь, - АсЬ,45 ,1,Ьс - (с+ - 1 с+д) чс+счс+г,+1 при О (8 С,Мдп(д) =- 1 при 1 д (1 (Т,где, в свою очередь, 1 д - момент времени переключения управления, Т - общее время маневра.В начале маневра (1=0) в блоке формирования управляющих сигналов 1 вырабатываются сигналы (соответственно осям объекта),пропорциональныеМ-с щЦ-сдМ, (2 = МщдА,с2Эти сигналы поступают на блок исполнительных органов 2, который создает соответ 65 ствующие управляющие моменты, воздейст 56193645 50 55 60 65 вующие на корпус объекта и приводящие его во вращение. С возникновением угловой скорости р= а появляются сигналы а ( = 1, 2, 3), снимаемые с блока датчиков угловой скорости 4. В блоке формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5 вырабатывается сигнал в соответствии с формулой:зв=ХвР. В блоке формирования перес:аменной 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 (-й оси сигнал остается максимальным, пропорциональным М;з 1 дп, 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 1 (вычисленный ЦВМ) в блоке формирования управляющих сигналов 1 происходит переключение функции ядп, т. е. сигналы, пропорциональные постоянным составляющим управляющих моментов по осям +1 и 1+2, а также по оси(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 Гс - -М(=1, 2, 3), для чего в него поступает также сигнал, пропорциональныйос блока формирования квадрата нормы вектора угловой скорости 5. С сигналом, идущим от блока формирования сигнала отклонения оси вра 5 10 15 20 25 30 35 40 щения от заданного направления 7, в сумматоре 9 складывается соответствующий опорный сигнал = (), взятый с обратным знаком, где ;(=1, 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. Вроси. Во всех этих случаях сигнал с выходаумматора 9, усиленный в усилителе 8, пост- паетет в блок формирования сигналов управле- уния 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, о т л и ч а ю щ а я с я 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 с561936 оставитель Э. МитрошТехред А. Галахова актор Л, Тюрина рректор Е. Хмелева Заказ 1537/8 ЦНИИП ов СССР Изд. Мз 513 И Государственного по делам изо 113035, Москва, Ж,Тираж 1109комитета Совета Министрретений и открытий35, Раушская наб д. 4/5 одписное пографпн, 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 оптимальнойпереориентации КА. Космические исследования, 1973, т. Х 1, Юз 2.2. Гурман В. И., Лавровский Э. К. и Сергеев С. И. Оптимальное управление ориентацией осесимметричного вращающегося космического аппарата. Космические исследования. 1970, т. И 11, Ма 3.3. Петров Б. Н., Боднер В. А. и Алексеев 10 К, Б. Аналитическое решение задачи управления пространственным поворотным маневром. ДАН, 1970, т. 192, Мо 6.