Способ ориентации космического аппарата по углу крена и устройство для его реализации

Способ ориентации космического аппарата по углу крена и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области систем управления нестационарными объектами, в частности к системам управления ориентацией космического аппарата (КА) по углу крена при отсутствии измерителя угловой скорости.

Известен способ ориентации КА по углу крена, заключающийся в том, что формируют сигнал задания, измеряют угол крена, определяют сигнал ошибки, из которого формируют сигнал управления [1].

Известно также и устройство для ориентации КА по углу крена, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, второй сумматор, третий сумматор, двигатель-маховик, четвертый сумматор, космический аппарат и астродатчик, выход которого через первый нормально-замкнутый переключатель соединен с первым входом первого сумматора [1] (прототип).

Недостатками известных способа и устройства является низкая точность и надежность процедуры ориентации КА при отсутствии датчика угловой скорости и малой надежности астродатчика. С целью устранения указанных недостатков предложенный способ отличается тем, что определяют сигнал оценки угла крена, сигнал оценки угловой скорости, сигнал оценки ошибки и сигнал оценки управления, вычитают из сигнала ошибки сигнал оценки угловой скорости, определяют первый сигнал разности сигнала оценки управления и сигнала управления и суммируют сигнал управления и интеграл первого сигнала разности, определяют второй сигнал разности сигнала оценки угла крена и сигнала крена, формируют из второго сигнала разности сигнал суммы пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих и сигнал суммы вычитают из сигнала оценки ошибки.

Устройство для реализации способа ориентации КА отличается тем, что оно дополнительно содержит четыре интегратора, два блока памяти, два нормально-замкнутых переключателя, нормально-разомкнутый переключатель, три усилителя, шесть сумматоров, второй вход первого сумматора через последовательно соединенные пятый сумматор, второй усилитель, шестой сумматор, модель двигателя-маховика, первый интегратор, седьмой сумматор, второй интегратор, восьмой сумматор, второй нормально-замкнутый переключатель, третий интегратор, девятый сумматор, третий нормально-замкнутый переключатель и первый блок памяти подключен ко второму входу пятого сумматора, выход второго нормально-замкнутого переключателя соединен со вторым входом девятого сумматора, а через второй блок памяти - со вторым входом седьмого сумматора, выход которого через третий усилитель соединен со вторыми входами второго и шестого сумматоров, выход астродатчика соединен со вторым входом восьмого сумматора, выход второго интегратора соединен с третьим входом пятого сумматора, а через нормально-разомкнутый переключатель - с третьим входом первого сумматора, выход шестого сумматора соединен через последовательно подключенные десятый сумматор, четвертый усилитель и четвертый интегратор со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора.

Устройство для реализации способа ориентации КА приведено на чертеже.

Рассматривается случай, когда датчик угловой скорости ϕ ˙ ( t ) отсутствует, а в качестве измерителя угла крена φ(t) используется астродатчик. На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - пятый сумматор;

2 - второй усилитель;

3 - шестой сумматор;

4 - модель двигателя-маховика;

5 - третий сумматор;

6 - третий усилитель;

7 - второй блок памяти;

8 - первый интегратор;

9 - второй интегратор;

10 - нормально-разомкнутый переключатель;

11 - десятый сумматор;

12 - четвертый усилитель;

13 - третий нормально-замкнутый переключатель;

14 - четвертый интегратор;

15 - первый блок памяти;

16 - девятый сумматор;

17 - третий интегратор;

18 - восьмой сумматор;

19 - второй нормально-замкнутый переключатель;

20 - первый нормально-замкнутый переключатель;

21 - астродатчик;

22 - основной контур ориентации (ОКО);

23 - первый сумматор;

24 - первый усилитель;

25 - второй сумматор;

26 - двигатель-маховик;

27 - четвертый сумматор;

28 - космический аппарат (КА);

29 - модель ОКО;

30 - седьмой сумматор.

Структура ОКО 22 описана в [1] и отличается лишь тем, что в ней отсутствует датчик угловой скорости ϕ ˙ ( t ) в обратной связи. Именно поэтому ОКО 22 в исходном состоянии неустойчив. Получение угловой скорости ϕ ˙ ( t ) путем дифференцирования выходного сигнала астродатчика φ(t) нежелательно, т.к. сигнал φ(t) измеряется с помехой и при дифференцировании сигнал ϕ ˙ ( t ) будет определяться с большой ошибкой.

Структура ОКО 22, как видно из чертежа, состоит из последовательно соединенных первого сумматора 23, первого усилителя 24, второго сумматора 25, третьего сумматора 5, двигателя-маховика 26, четвертого сумматора 27, КА 28 и астродатчика 21, выход которого соединен со входом первого сумматора 23 через первый нормально-замкнутый переключатель 20.

Для устойчивости ОКО 22 не хватает обратной связи по угловой скорости ϕ ˙ ( t ) [1]. На входы КА 28 поступают координатная M_B(t) и параметрическая F(t) помехи, которые уменьшают точность ориентации КА 28. Для обеспечения устойчивости ОКО 22 введена параллельно модель ОКО 29 (на чертеже обведен пунктирной линией), которая по структуре аналогична ОКО 22 и состоит из пятого сумматора 1, второго усилителя 2, шестого сумматора 3, модели двигателя-маховика 4, первого интегратора 8, седьмого сумматора 30, второго интегратора 9 и третьего усилителя 6.

Дифференциальные уравнения (ДУ), описывающие движение ОКО 22 и модели ОКО 29, имеют второй порядок [1], а параметры дифференциальных уравнений не равны, т.к. момент инерции J(t) КА 28 меняется во времени и является неизвестной величиной.

Параметры ДУ модели ОКО 29 выбраны так, чтобы они обеспечивали устойчивость движения. Для обеспечения устойчивости ОКО 22 на вход второго сумматора 25 подается через третий усилитель 6 оценка угловой скорости ϕ ¯ ˙ ( t ) .

Для обеспечения точности определения оценки ϕ ¯ ˙ ( t ) вводится цепь компенсации, состоящая из десятого сумматора 11, четвертого усилителя 12 и четвертого интегратора 14, которая формирует на выходе четвертого интегратора 14 сигнал ΔU(t), компенсирующий действие помехи M_B(t) в ОКО 22 при условии, что ε ( t ) = ϕ − ϕ ¯ = 0 , т.е. при равенстве параметров ДУ ОКО 22 и модели ОКО 29. Действительно, на ОКО 22 помеха MB(t) действует, а на модель ОКО 29 не действует, поэтому управление U(t), получаемое с выхода третьего сумматора 5, и оценка управления U ¯ ( t ) с выхода шестого сумматора 3 не будут совпадать. Разность U ¯ ( t ) − U ( t ) с выхода десятого сумматора 11 через четвертый усилитель 12 поступает на вход четвертого интегратора 14, который изменяет свой выходной сигнал до тех пор, пока U(t) не будет равен U ¯ ( t ) . Но так как причиной возникновения неравенства U ¯ ( t ) ≠ U ( t ) является действие помехи M_B(t), то при ϕ ¯ ( t ) = ϕ ( t ) и U ¯ ( t ) = U ( t ) действие M_B(t) в ОКО 22 будет скомпенсировано сигналом ΔU(t) с выхода четвертого интегратора 14.

Для обеспечения равенства ϕ ¯ ( t ) = ϕ ( t ) формируется с использованием метода покомпонентного формирования управлений (МПФУ) [2] сигнал коррекции модели ОКО 29 в виде

где ε ( t ) = ϕ ( t ) − ϕ ¯ ( t ) ,

λ, а ₀, а ₁=const>0,

и который может быть представлен в виде составляющих U K 1 ( t ) и U K 2 ( t ) :

где U K 1 ( t ) = − λ ε ˙ ( t ) ,

Сигнал коррекции U K 2 ( t ) реализуется с помощью соединения восьмого сумматора 18, второго нормально-замкнутого переключателя 19, третьего интегратора 17, девятого сумматора 16, третьего нормально-замкнутого переключателя 13, первого блока памяти 15 и пятого сумматора 1.

Сигнал коррекции U K 1 ( t ) непосредственно реализовать нельзя, т.к. для определения ε ˙ ( t ) требуется измеритель угловой скорости ϕ ˙ ( t ) , который в ОКО 22 отсутствует, поэтому путем эквивалентного преобразования вместо U K 1 ( t ) на входе модели ОКО 29 сигнал λε(t) подается на вход седьмого сумматора 30, установленного после первого интегратора 8.

В этом случае корректирующий сигнал -λε(t) не требует наличия датчика угловой скорости ϕ ˙ ( t ) в ОКО 22.

Наличие первого 20 и второго 19 нормально-замкнутых переключателей, а также нормально-разомкнутого переключателя 10 позволяет на некоторое время (как показывает практика использования процесса ориентации КА 28, на время приблизительно 5-10 минут) отключать астродатчик 21 и использовать для организации функционирования ОКО 29 только информацию об оценках угловой скорости ϕ ¯ ˙ ( t ) и угла крена ϕ ¯ ( t ) .

Таким образом, в случае выхода из строя гироскопического измерителя вектора угловой скорости (который может применяться вместо астродатчика 21 [1]) или астродатчика 21 путем переключения ОКО 22 на измерения с помощью исправного измерителя угловой скорости ϕ ¯ ˙ ( t ) или угла крена ϕ ¯ ( t ) повышается точность и надежность процедуры ориентации КА по углу крена.

Изобретательский уровень предложенного технического решения подтверждается отличительными частями формулы изобретения.

Литература

1. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов / В.Н. Васильев. - М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. С.149-156 (прототип).

2. Лащев А.Я. Метод синтеза адаптивных систем управления с эталонной моделью. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. №1. С.2-6.

Устройство ориентации космического аппарата по углу крена, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый усилитель, второй сумматор, третий сумматор, двигатель-маховик, четвертый сумматор, космический аппарат и астродатчик, выход которого через первый нормально-замкнутый переключатель соединен с первым входом первого сумматора, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит четыре интегратора, два блока памяти, два нормально-замкнутых переключателя, нормально-разомкнутый переключатель, три усилителя, шесть сумматоров, второй вход первого сумматора через последовательно соединенные пятый сумматор, второй усилитель, шестой сумматор, модель двигателя-маховика, первый интегратор, седьмой сумматор, второй интегратор, восьмой сумматор, второй нормально-замкнутый переключатель, третий интегратор, девятый сумматор, третий нормально-замкнутый переключатель и первый блок памяти подключен ко второму входу пятого сумматора, выход второго нормально-замкнутого переключателя соединен со вторым входом девятого сумматора, а через второй блок памяти - со вторым входом седьмого сумматора, выход которого через третий усилитель соединен со вторыми входами второго и шестого сумматоров, выход астродатчика соединен со вторым входом восьмого сумматора, выход второго интегратора соединен с третьим входом пятого сумматора, а через нормально-разомкнутый переключатель - с третьим входом первого сумматора, выход шестого сумматора соединен через последовательно подключенные десятый сумматор, четвертый усилитель и четвертый интегратор со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом десятого сумматора.