Brevet FR2045568A1 — publié le 19710305

La présente invention concerne un calculateur dlaborant, à partir de signaux de-tension continue, des signaux impulsionnels de commande. Un tel calculateur convient particulierement à la commande des appareils de pilotage en attitude d'une sonde spatiale, et l'on décrira dans la suite un calculateur de ce type recevant soit des informations d'un appareil de mesure tachymétrique, soit d'un senseur angulaire à grand champ, soit d'un senseur angulaire de haute précision à champ étroit. Le calculateur de l'invention élabore, à partir des tensions continues délivrées par les appareils ou senseurs et correspondant à des vitesses angulaires ou à des écarts angulaires, et de termes d'amortissement qu'il produit lui-même, des signaux impulsionnels du type "tout ou rien" capables de commander, après amplification, ltouserture d'électrovannes alimentant des tuyères d'éjection de gaz situées à la périphérie de la sonde spatiale. Ledit calculateur est en particulier caractérisé par le fait que le termes d'amertissement qu'il élabore sont obtenus soit par dérivation dans 1. temps des signaux relatifs aux senseurs, soit par intégration des tensions par lesquelles il commande les dlec- trovannes, soit par une somme des termes définis comas ci-dessus. Le calculateur de l'invention comprend-trois voies de pilotage, l'une-en roulis et les deux autres suivant chacun des axes transverses de la sonde, ctést-s-dire en tangage et en lacet. Seule l'une des voies sera décrit dans la suite en détail, les deux autres étant substantiellement identiques. Le calculateur de l'invention comprend, dans chaque voie de pilotage t - un premier étage d'amplification qui amplifie, avec un gain élevé, le signal appliqué à son entrée jusqu' une certaine limite de l'amplitude dudit signal correspondant B une valeur angulaire déterminée dite "angle de commutation" ét amplifie avec un gain plus faible ledit signal au-deld de cette limite - un étage de dérivation du signal délivré par le premier étage d'amplification avec une première constante de temps lorsque le signal correspond à une valeur angulaire inférieure à l'angle de commutation et avec une seconde constante de temps pour un signal de valeur supérieure , - un second étage d'amplification recevant comme signal d'entrée le signal amplifié par le premier étage d'amplification et le signal dérivé pour former un signal composite contenant un terme d'amortissement - deux bascules respectivement positive et négative, recevant comme signal d'entrée commun le signal de sortie du second étage d'ampli- fication et comme second' signal d'entrée un signal de référence de polarité inverse pour chacune des deux bascules - des moyens de faire varier l'hystérésis des bascules en fonction de l'amplitude du signal d'entrée commun qui leur est appliqué t - des moyens d'intégrer le signal de sortie des bascules avec En coefficient plus élevé lorsque ledit signal est relatif au senseur à champ étroit que lorsque ledit signal est relatif au senseur k grand champ et des moyens d'appliquer ledit signal intégré à l'entrée desdites bascules ; et - des moyens de commander les électrovannes d'une sonde spatiale par l'es signaux de sortie des bascules avec une polarité conv@na- ble et après amplification. L'invention va maintenant être décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels r - la Fig. 1 représente le schéma du calculateur de l'invention - les Figs. 2a, 2b, 2c sont des schémas de forme d'onde de signaux destinés à l'explication du fonctionnement du calculateau ; - le Fig. 3 représente la parabole de commutation optimum relative à une accélération déterminée et les lignes brisées obtenues par le calculateur dans une phase d'acquisition - la Fig. 4 représente un exemple de courbe d'acquisition ebtenue par le calculateur de l'invention commandé par le senseur @ champ étroit;; et - la, Fig, . 5 5 est une représentation de l'exemple de courbe d'acqui sition de la Fig. 4 dans-un autre plan de coordonnées. En se référant à la Fig.- 1, le premier étage d'amplification 1 est constitué par un amplificateur opérationnel 10 (on rappelle qu'on appelle ainsi un amplificateur à courant continu ayant deux entrées en opposition de phase) dont l'entrée avec inversion 13 est reliée par des circuits de commutation extérieurs soit à la sortïe d'un appareil de mesure tachymétrique 2 par l'intermédiaire du contact 240 du relais 24, soit à la sortie d'un senseur à grand champ-3 par l'interméd,iaire du contact 241 du relais 24 et du contact 250 du relais 25, soit enfin à la sortie d'un senseur à champ' étroit 4 par l'intermédiaire du contact 251 du relais 25, les informations reçues de 2, 3 et 4 consistant en des tensions électriques adaptées et mises en forme par des adaptateurs, respec tivement 21, 31, 41 et dont les courbes représentatives sont figurées en 22 sur la Figo 2a, en 32 sur la Fige 2b et en 42 sur la Fig. 2c. L'entrée sans inversion 11 est mise à la terre à travers la résistance 120 L'amplificateur tOy associé à un circuit de contre réaction variable décrit ci-après fournit une tension linéaire de sortie fortement amplifiée jusqu'aux angles de commutation positif et négatif, puis une tension linéaire moins amplifiée au-delà de ces angles de commutation.L'intérêt de l'amplification plus forte dans la zone centrale est de deux ordres : elle permet d'économiser un amplificateur dans la-, chaine subséquente du calculateur en délivrant pour le plus petit angle pour lequel le pilotage réagit dit "angle de seuil" une tension importante avec un rapport du signal au bruit favorable et elle permet, dans toute l'étendue de mesure des senseurs, d'obtenir des tensions ne saturant pas la channe de pilotage et par conséquent pouvant être dérivées pour former le signal composite d'attaque des bascules. On peut par exemple, Si le seuil de pilotage est de 15', obtenir un signal de 1 volt pour un angle de commutation de 1 égal à quatre angles de seuil et un signal de. 8 volts seulement-pour toute l'étendue de mesure de 1200 égale à 480 angles de seuil. La sortie de l'amplificateur 10 est reliée son entrée avec inversion 13 par la résistance 14 de valeur R0 en parallèle avec deux diodes 15 et. 16 montées en sens inverse l'une de l'autre et polarisées par des tensions de polarisation opposées par rapport à la terre. Les résistances 17 eut 18 des ponts de polarisation ont une valeur R'0. Si les valeurs des résistances 23, 33, 43 sont respectivement Ri, R'iX R"i' on voit que-pour. des signaux positifs ou-négatifs dont la valeur absolue est inférieure à une valeur de, commutation définie par la tension de polarisation des diodes 16 et 17 le gain pour chaque signal est respectivement de R0/Ri' R0/R'i' R0/R"i et que pour des si-gnaux dont la valeur absolue est supérieure à ladite valeur de commutation le gain est R'0/Ri' R'0/R'i' R;0/R"i (la valeur de R'0 étant. faible devant R0). C'est cette valeur de commutation qui fixe pour chaque senseur en fonction de sa sensibilité propreS la valeur de l'angle de commutation défini ci-dessus. La forme de la courbe d'amplification tension d'entrée Vi - tension de sortie V0 # de l'amplificateur 10 est représentée en 22 sur la Fig. 2a où v représente la valeur de la tension dw commutation. En se référant maintenant å la Fig. 3 relative à l'équation des courbés de commutation optimales, l'équation desdites courbes de commutation dans le plan de phase de coordonnée X, écart angu o laire en attitude et X dérivée de X par rapport au temps est : X + T# = # Xs @ù 1 @st l@ @@@t@ des @@@ites de @@mmut@tion dens l@ @l@n de où ! est la pente des droites de commutation-dans le plan de phase et Xs l'angle de seuil.Lorsqu'on s'intéresse à toute l'étendue de mesure du senseur, on peut, devant la faible valeur du seuil Xs, ne considérer que la courbe de commutation correspond au seuil nul t X + T# = 0 - Si T-est constant, cette courbe est une droite passant par l'origine des coordonnéés@. Mais la courbe de commutation optimale est celle qui permet d'obtenir un temps d'acquisition minimal pour une accélération donnée quel que soit l'écart initial X0. C'est une parabole. D'autre part, la trajectoire d'un point représentatif du mouvement angulaire de la sonde autour d'un axe dans le plan de phase est une parabole P d'équation : 1 X0 - X = #2 où # est l'accélération de rotation et X0 l'écart angulaire initial. Il est difficile de réaliser une courbe de commutation parabo lique. Conformément à l'invention, on remplace la courbe parabolique P- (en ce qui concerne le signal en provenance du senseur à grand champ) par deux segments de droite OA et AB approchant le mieux possible la parabole, l'abscisse du point A étant Xs l'angle de seuil. Le signal de sortie du premier étage d'amplification 1 (Pig.1) est appliqué à un étage de dérivation 5 comprenant une résistance 52 shuntée par un condensateur 51 qui dérive une partie du signal par l'intermédiaire du contact 252 'du relais 25. Un condensateur 53 se trouve connecté en parallèle sur le circuit de dérivation formé par-la résistance 52 et le condensateur 51 par l'intermédiai- re du contact 253 du relais 25 seulement dans le cas où la valeur dudit signal de sortie est supérieure à la valeur de polarisation, positive ou négative,-des diodes 54 et 55. Le condensateur 53 est sans effet dans le cas contraire et se décharge dans la résistance 56. On voit dtaprès la Fig. 3 qu'en dessous du seuil de commutation des diodes 54 et 55 du circuit de dérivation 5, le coefficient T a la valeur T1 associée à la valeur du condensateur 51 et audessus dudit seuil de commutation le coefficient T a la valeur T2 associée à la valeur des deux condensateurs 51 et 53 montés en parallèle l'un par rapport à l'autre. La valeur du seuil de commutation sera généralement réglée 4 à 5 fois supérieure à celle de l'angle de seuil. Cotte double dérivation permet d'obtenir d'une part l'amortis soient optimum pour les fortes valeurs des signaux-du senseur à grand champ opérant pendant la phase d'acquisition, et d'autre part d'obtenir un amortissement faible ou nul pendant la fin de cette acquisition et les cycles limites correspondants, pour conserver un bon rapport du signal au bruit malgré la forte amplification de l'amplificateur 10 pendant ces dernières phases. Ce moyen d'obtenir des termes d'amortissement est éventuellement complété ou remplacé comme on le verra dans la suite de la desoription par un autre moyen consistant à intégrer la tension de commande des électrovannes. L'ouverture des contacts 252 et 253 du relais 25 permet de supprimer toute dérivation lors du fonctionnement à partir du senseur à champ étroit 4. Le signal composite disponible à la sortie commune de la résistance 52 et des circuits de dérivation précités est amplifié dans le second étage d'amplification 70 Ledit étage comprend un amplificateur opérationnel 70 dont l'entrée sans inversion 71 est mise à la terre à travers la résistance 72. L'entrée avec inversion 73 est connectée à la sortie de l'éta- ge de dérivation 5 à travers la résistance 79 de faible valeur La sortie de l'amplificateur 70 est reliée à son entrée avec inversion 73 par la résistance 74 de valeur R1 shuntée par le condensateur 740 et par les diodes 75 et 76 montées en sens inverse l'une de l'autre et polarisées par des tensions de polarisation opposées par rapport a'- la terre. Les résistances 77 et 78 des ponts de polarisation ayant une valeur R'1 faible devant la valeur de la résistance 52 de l'étage d'amortissement 5, les diodes produisent un écrêtage de la tension de sortie de l'amplificateur 70 pour une valeur de ladite tension supérieure à leur tension de polarisation.En dessous de cette valeur le gain de l'amplificateur 70 est (R1/Rj) (1 + j #RjC1) où Rj est la valeur de la résistance 52, C1 la valeur du condensa- teur 51, et W est la fréquence angulaire, et au-dessus de cette valeur le gain de l'amplificateur 70 est t (R'1/Rj) [ 1 + j# Rj(C1+C2)] où C2 est la valeur du condensateur 53. La sortie de l'amplificateur 70 est reliée à deux circuits de bascule 8 et 9 comprenant chacun un amplificateur opérationnel res- pectivement 80 et 90 dont le fonctionnement en bascule est assuré par les diodes 82 et 92 qui annulent toute amplification pour une certaine polarité du signal d'entrée, polarité différente pour chacune des bascules. Pour la polarité pour laquelle l'amplification du signal est possible elle se trouve limitée à une valeur choisie par l.s ponts de résistances 83, 84 d'une part et 93, 94 d'autre part. La tension de sortie résiduelle des bascules est bloqué. respectivement par les diodes 85 et 95. Les seuils de basculement (positif et négatif) sont déterminés par-les valeurs des sources de tension + VR et - VR appliquées à l'entrée avec inversion respectivement 81 et 91 desdites bascules. Les bascules 80 et 90 ont, comnie toutes les bascules, do l1hystérêsis, c'est-à-dire que lorsque le signal d'entrée croit, elles basculent pour une certaine valeur VR de ce signal et que lorsque ledit signal décroît, elles reviennent à leur état initial de repos pour une certaine valeur (VR - h) dudit signal d'entrée (h étant l1hystérésis). La durée de basculement et par conséquement le temps de commande de la vanne augmente avec l'hystérésis. Ledit temps de commande doit être au moins égal à son temps mort d'ouvor- ture tM pour qu'elle s'ouvre ; le "cycle limite" (ainsi appelé parce qu'il représente la limite inférieure de l'amplitude des oscilla tions de la sonde) qui fait suite à l'acquisition, aura une amplitude ## d'autant plus faible que le temps de commande de la vanne, tout en étant supérieur à tM, sera plus voisin detM ; or il est avantageux que le cycle limite ait une amplitude ## faible, car pour une amplitude tX donnée il est alors décrit on un temps long, ce qui permet par exemple la prise de photographies de la cible visée avec un grand temps de pose.- il y a cependant unsrisque grave à régler le temps de commande de la vanne peu supérieur à son temps mort d'ouverture tM ; en effet si le temps mort d'ouverture de la vanne vient à augmenter au cours du vol, ou si l'hystérésis de la bascule vient à diminuer, le temps de commande se réduit et la vanne ne s'ouvrira plus lorsque ledit temps de commande -deviendra inférieur au temps mort d'ouverture.Pour pallier ce risque, chacune des deux bascules comprend un dispositif de régla- ge de l'hystérésis en fonction de l'amplitude du signal de commande. Plus précisément l'hystérésis des bascules croit quand lsampli- tude du signal augmente. On va maintenant décrire en détail le fonctionnement des bascules avec hystérésis variable en fonction du signal de commande. Il y a lieu de noter que les bascules sont dotées dthystérésis constante classique en prélevant une partie de leur tension de sortic que l'on réinjecte à l'entrée avec la relation de phase convenable, les éléments, permettant d'obtenir cette hystérésis constante ne sont pas représentés sur la Pig. 1 ; cette hystérésis constante est aussi faible que possible pour assurer un fonctionnement correct en bascule et négligeable devant lthystérésis variable. Un condensateur réduit le temps de basculement aussi bien lors du passage du repos au travail de la bascule que pendant ie basculement inverse.En ce qui concerne l'hystérésis variable, on ne décrira que le fonctionnement de la bascule 8, celui des la bascule 9 étant identique à part le fait que la première bascule est déclenchée par des signaux négatifs et la seconde par des signaux positifs, les numéros de référence des éléments des bascules ayant des fonctions identiques ont pour la bascule 9, dix unités de plus que pour la bascule 8. La sortie de l'amplificateur 80, après la diode de blocage des tensions résiduelles 85,est reliée'au point-commun des résistances 87 et 88 à travers un transistor 86 du type à effet de champ et une résistance 89 ; la grille du transistor est reliée à la diode 85 vers la sortie de l'amplificateur, son drain à la résistance 89 et sa source est mise à la terrez si la bascule est au repos, aucune tension n'est appliquée à la grille du transistor, celui-ci est passant et les résistances 87, 88 et 89 forment un atténuateur qui affaiblit le signal d'entrée.Si la bascule est au travail, une tension est envoyée sur la grille, le transistor est bloqué et le diviseur de tension est supprimé puisque la résistance 89 est en série avec une résistance infinie, ce qui augmenté l'effet du signal d'entrées On remarque cependant que si l'entrée avec inversion était la seule à être alimentée par un signal évolutif (par exemple si entrée sans inversion était reliée à ia terre), l'atténuateur ci-dessus décrit ne produirait encore qu'une hystérésis constante h' puisque la bascule reviendrait au repos-pour une valeur (VR - h') constante du signal de commande. Lrentrée sans inversion 810 étant reliée à un circuit 6 dtin- tégration des tensions de commande des vannes (circuit décrit ciaprès), l'amplificateur 80 réalise, en première approximation, une sommation des signaux reçus sur ses deux entrées et l'on voit que lthystérésis h' sera d'autant plus grande et par conséquent que le temps, de commande des vannes sera d'autant plus grand que la valeur du signal sur l'entrée avec inversion sera grande au moment du basculement vers le repos de la bascule. Cette variation du temps de commande des vannes, due à la variation de l'hystérésis, est limitée par' la saturation du signal du senseur, saturation due soit au senseur lui-même, soit, aux diodes 75 et 76 de l'étage de dérivation 5 comme précédemment décrit. La sortie de la bascule 8 est reliée d'une part, à l'entrée de l'amplificateur de puissance P1 de l'électrovanne E1 et d'autre part, dans un étage inverseur 100, à l'entrée avec inversion de l'amplificateur opérationnel 101 à travers la résistance 102, ladite entrée recevant également les signaux de sortie de la bascule 9 à travers la résistance 103e L'entrée sans inversion est, reliée à la terre à travers la résistance 105. La sortie de l'amplifica- teur 101 est reliée à à son entrée avec inversion par une résistance de contre-réaction 104.Les résistances 102-103-104 ayant même valeur, l'amplificateur 101 fonctionne en amplificateur inverseur, de gain unité et permet l'attaque de l'amplificateur de puissance P2 de l'électrovanne E2 avec des signaux de polarité convenable. De même que, les circuits de, l'étage de dérivation 5 décrits précédemment, le circuit d'intégration 6 permet d'incorporer au signal de commande des vannes un terme d'amortissement, ledit terme étant cette fois obtenu par intégration de la tension de commande des vanne;0 Ce circuit permet dwobtenir un amortissement efficace lorsque le terme d'amortissement donné par les circuits de dérivation est trop faible, du fait par exemple, que l'orientation de la sonde se trouve au voisinage du cycle limite pour lequel les ,vites- ses angulaires sont elles-mêmes très faibles. Le signal de sortie de étage inverseur 100 est connecté à une extrémité du potentiomètre de réglage 62 du circuit d'intégration 6, l'autre extrémité dudit potentiomètre étant reliée à la terre. Les tensions disponibles sur le curseur du potentiomètre 62 sont appliquées aux entrées sans inversion 810 et 910 des amplificateurs 80 et 90 des bascules 8 et 9 à travers la résistance 63 de valeur R. Un condensateur 65 de valeur C forme, avec la résistance 63, une constante de temps RC du signal appliqué aux entrées sans inversion des bascules.Les diodes 66 et 67 montées en parai- lle sur le condensateur 65 par l'intermédiaire du contact 254 du relais 25 limitent l'effet de l'intégrgtion-des tensions de commande des vannes au-dessus d'un certain niveau correspondant à la phase d'acquisition à partir du signal du senseur à grand champ, et sont sans effet pour un niveau inférieur correspondant aux cycles limites. Le condensateur 64, de valeur C', est connecté en parallèle sur la résistance 63 par l'intermédiaire du contact 255 du relais' 25 pendant les phases d'acquisition et de cycles limites à partir des signaux du senseur à champ étroit. Pendant a première de ces deux phases la constante de temps RC obtenue à l'aide de la résistance 63 et du condensateur 65 assure un amortissement convenable et pendant la seconde, le condensateur 64 corrige l'amortissement précédent. On se réitère maintenant à la Fig. 4 qui donne dans le plan de phase un exemple de courbe d'acquisition le = f (x) obtenue B l'aide du calculateur selon l'invention commandé par le senseur à champ étroit. On remarque qu'à des périodes AB, CD, EF pendant lesquelles les vannes sont commandées en permanence, succèdent des périodes BC ou DE où le commande des vannes procède par impulsions. La Fig. 5 est une représentation du même exemple d'acquisition que la Fig. 4 mais dans un plan de coordonnées dans lequel V est la tension associée à l'écart angulaire et V' la tension du terme d'amortissement engendré par intégration des tensions de commande des vannes. Cette représentation a l'intérêt de faire apparaRtre l'équiva- lent des droites de commutation à l'ouverture des vannes (lorsque' lrhystérésis est null-e) et à leur fermeture (en tenant compte de la variation de l'hystérésis liée au signal d'écart angulaire). On voit que les phases AB et CD correspondent à une ouverture permanente de la vanne, et la phase BC à une période d'ouvertures partielles en fonction du temps. Pendant la phase BC, on remarque de B k B1 une diminution de la tension aux bornes du condensateur 65 jusqu' la valeur du seuil des bascules, suivie de B1 à B2-d'une recharge dudit condensateur jusqu'à la valeur du seuil des bascules augmen tée de l'hystérésis et ainsi de suite jusqu'à l'obtention du cycle limite. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Calculateur élaborant à part-ir de signaux de tension continue des signaux impulsionnels de type "tout ou rient-de com mande, -ledit calculateur comprenant - un premier étag-e d'amplification, amplifiant avec un gain élevé les signaux d'entrée dont la valeur absolue est inférieure à un seuil déterminé dit "seuil de commutation" et amplifiant avec un gain plus faible les signaux dont la valeur absolue est supérieure audit seuil de commutation - un premier étage d'amortissement connecté au précédant et conjuguant avec les signaux de sortie du premier étage d'amplification, des termes d'amortissement obtenus par dérivation par rapport au temps desdits signaux de sortie dudit premier étage d'amplification ;; - un second étage d'amplification du signal compositeobtenu à la sortie dudit étage d'amortissement - deux bascules, dont les tensions de référence sont opposées, alimentées en parallèle par le signal de sortie du second étage d'amplification, chaque bascula comportant des moyens d'asservissement de son hystérésis à la valeur du signal d'entrée qui la commande - un second étage d'amortissement conjuguant avec chaque signal de sortie de chaque bascule lesdits signaux de sortie étant d'amplitude égale et de polarité opposée, un terme d'amortissement obtenu par intégration par rapport au temps de la tension du signal de sortie de l'une desdites bascules. 2.- Calculateur selon la revendication 1 destiné à la commande -d'un dispositif d'éjection de fluide et commandant alternativement les électrovannes de passage du fluide par l'intermédiaire d'amplificateurs de puissance respectivement alimentés par les bascule-s, ledit calculateur étant caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour maintenir la durée du signal dé commande respectivement donnée par lesdites bascules, supérieure au temps mort à l'ouverture d'une vanne. 3.- Calculateur pour le pilotage en attitude d'un mobile comprenant trois voies de pilotage, chaque voie de pilotage étant constituée par un calculateur selon la revendication 2 et comman dant des vannes d'alimentation en en gaz-, sous pression de tuyères de correetion d'attitude à action de sens opposé. 4.- Calculateur selon la revendication 3 agissant d'après les signaux reçus tou-r à tour d'un senseur à grand champ d'acquisition angulaire et d'un senseur précis à champ étroit d'acquisition angulaire, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens, de mettre hors service le premier étage d'amortissement lorsque le senseur à champ étroit délivre un signal d'acquisition.