Система наведения и стабилизации
GUIDANCE AND STABILIZATION SYSTEM

Изобретение относится к области систем автоматического управления, в частности к системам наведения и стабилизации артиллерийского и ракетного вооружения, чувствительных элементов оптико-электронных устройств подвижных объектов военной техники, и может быть использовано в системах наведения и стабилизации вооружения и оптико-электронных устройств боевых машин пехоты (БМП), пусковых установок зенитно-ракетных и зенитно-пушечных комплексов.
Известны устройства по патентам РФ №№2204784, 2207487, 2230279. Их недостатком является недостаточная динамическая точность стабилизации при движении носителя.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является привод вертикального наведения (ВН) стабилизатора вооружения 2Э36-1 боевой машины пехоты БМП-2 (Боевая машина пехоты БМП-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Часть 1. М.: Военное издательство, 1987 г.), принятый за прототип.
Это устройство содержит интегратор, первый вход которого является входом устройства, первый гиротахометр, выход которого соединен со вторым входом интегратора, второй гиротахометр, измеряющий угловую скорость носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления, последовательно соединенные суммирующий усилитель, усилитель мощности, исполнительный двигатель, выход которого механически связан с объектом управления, тахогенератор, вход которого механически связан с объектом управления, сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго гиротахометра, второй вход соединен с выходом тахогенератора, а выход соединен с первым входом суммирующего усилителя. Второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом интегратора. Вход первого гиротахометра механически связан с объектом управления и измеряет его абсолютную угловую скорость относительно оси наведения и стабилизации.
Устройство работает следующим образом. При движении носителя объект управления, участвуя в движении носителя, отклоняется от исходного положения в пространстве. Вместе с объектом управления отклоняется первый гиротахометр, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине скорости и соответствующий по фазе направлению отклонения объекта управления. Сигнал с выхода первого гиротахометра поступает на вход интегратора, который вырабатывает сигнал, пропорциональный интегралу скорости, что соответствует величине угла отклонения объекта управления от исходного положения.
Сигнал с выхода интегратора поступает на суммирующий усилитель и далее на усилитель мощности, которым он усиливается по напряжению и мощности до уровня, необходимого для управления исполнительным двигателем, который поворачивает объект управления в сторону, противоположную отклонению носителя, удерживая его в исходном положении с точностью до величины ошибки стабилизации.
Для получения требуемых характеристик устройства, принятого за прототип (минимальной ошибки стабилизации и переходного процесса), используется сигнал обратной связи по скорости. Для формирования сигнала обратной связи по скорости используются сигналы тахогенератора и второго гиротахометра. Тахогенератор вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости поворота объекта управления относительно основания, а второй гиротахометр вырабатывает сигнал, пропорциональный угловой скорости поворота носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления. Сумма этих сигналов, сформированная на выходе сумматора, используется в качестве сигнала обратной связи по скорости.
Наведение объекта управления осуществляется по входному сигналу, поступающему на первый вход интегратора и суммирующемуся с выходным сигналом первого гиротахометра, поступающим на второй вход этого же интегратора. С выхода интегратора сигнал, пропорциональный интегралу суммы входного сигнала устройства и выходного сигнала первого гиротахометра, поступает на суммирующий усилитель, где суммируется с сигналом обратной связи по скорости, сформированным на выходе сумматора, и далее после усиления усилителем мощности поступает на исполнительный двигатель, который поворачивает объект управления в направлении и со скоростью в соответствии со знаком и величиной входного сигнала.
Недостатком этого устройства является недостаточная точность стабилизации, обусловленная тем, что оно реализовано по принципу регулирования по отклонению, в соответствии с которым управляющее воздействие на объект управления формируется на основе информации об отклонении его положения в пространстве, то есть на основании ошибки стабилизации. Общим недостатком систем наведения и стабилизации, реализованных по принципу регулирования по отклонению, является ограничение точности стабилизации объекта управления, обусловленное имеющимся на практике ограничением возможности расширения полосы пропускания системы. Возможность расширения полосы пропускания зависит от имеющихся в системе наведения и стабилизации инерционных элементов и резонансных свойств участвующих в передаче движения от исполнительного двигателя к объекту управления механических передач.
Изобретение направлено на повышение точности стабилизации объекта управления.
Сущность технического решения заключается в следующем. Стабилизация артиллерийского и ракетного вооружения, чувствительных элементов оптико-электронных устройств подвижных объектов военной техники, например, вооружения и оптико-электронных устройств боевых машин пехоты, пусковых установок зенитно-ракетных и зенитно-пушечных комплексов, осуществляется системами автоматического управления, замкнутыми по угловому отклонению объекта управления от исходного его положения в инерциальной системе координат. При этом сигнал отклонения объекта управления от исходного положения вырабатывается путем интегрирования сигнала от гиротахометра, механически связанного с объектом управления (установленного на объекте управления). В результате обработки сигнала отклонения объекта управления от исходного положения в системе наведения и стабилизации формируется сигнал управления, который с помощью усилителя мощности усиливается до уровня, необходимого для управления исполнительным двигателем, осуществляющим посредством механической связи воздействие уже непосредственно на объект управления для уменьшения его отклонения от исходного положения. Точность стабилизации объекта управления, для воздействия на который используется сигнал его отклонения от исходного положения, лимитируется полосой пропускания системы наведения и стабилизации. Чем выше полоса пропускания, тем выше достижимая точность стабилизации. В связи с этим для повышения точности стабилизации в структуре систем наведения и стабилизации используются корректирующие устройства, разновидностью которых являются стабилизирующие обратные связи, позволяющие расширить полосу пропускания этих систем. Однако возможности расширения полосы пропускания систем наведения и стабилизации за счет введения последовательных корректирующих устройств и стабилизирующих обратных связей на практике также ограничены в силу имеющихся в системе ограничений максимальных значений выходных величин элементов и других ограничений практической реализуемости.
С учетом имеющихся на практике ограничений возможности расширения полосы пропускания систем наведения и стабилизации одним из наиболее эффективных способов повышения точности стабилизации является использование принципа комбинированного регулирования, в соответствии с которым для управления исполнительным двигателем, воздействующим на объект управления, дополнительно к сигналу отклонения объекта управления от исходного положения используется компенсирующий сигнал, выработанный на основе измеренного внешнего возмущения, вызывающего отклонение объекта управления от исходного положения.
Применительно к системам наведения и стабилизации объектов, размещаемых на подвижных носителях, одним из наиболее существенных воздействий, оказывающих влияние на точность стабилизации, является угловая скорость движения носителя, для выработки компенсирующего сигнала которой может использоваться гиротахометр.
Однако для достижения высокой точности стабилизации объекта управления при использовании принципа комбинированного регулирования необходимо обеспечить в компенсирующем канале коэффициент передачи, соответствующий условию полной компенсации возмущающего воздействия. Для выполнения этого условия коэффициент передачи компенсирующего канала должен находиться во вполне определенном соотношении с коэффициентом передачи системы от точки введения компенсирующего сигнала до ее выхода. Как правило, произведение этих коэффициентов должно быть равно единице.
В процессе эксплуатации при действии различных факторов, например, температуры окружающей среды, значение коэффициента передачи системы наведения и стабилизации от точки введения компенсирующего сигнала до ее выхода может изменяться. При этом для сохранения высокой точности стабилизации необходимо обеспечить соответствующее изменение коэффициента передачи компенсирующего канала по скорости носителя, что может быть выполнено за счет включения в систему наведения и стабилизации дополнительных элементов, обеспечивающих его настройку в процессе работы системы.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в систему наведения и стабилизации, содержащую первый интегратор, первый вход которого является входом системы наведения и стабилизации, последовательно соединенные сумматор, суммирующий усилитель, усилитель мощности и исполнительный двигатель, выход которого механически связан с объектом управления, первый гиротахометр, вход которого механически связан с объектом управления, а выход соединен со вторым входом первого интегратора, тахогенератор, второй гиротахометр, измеряющий угловую скорость носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления, введены первый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго гиротахометра, второй вход соединен с выходом первого интегратора, второй интегратор, вход которого соединен с выходом первого блока умножения, второй блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго гиротахометра, второй вход соединен с выходом второго интегратора, а выход соединен со вторым входом сумматора, первый вход сумматора соединен с выходом первого интегратора, выход первого гиротахометра и выход тахогенератора соединены соответственно со вторым и третьим входами суммирующего усилителя, вход тахогенератора механически связан с выходом исполнительного двигателя.
В заявленном устройстве повышение точности стабилизации объекта управления обеспечивается включением первого и второго блоков умножения, второго интегратора, а также изменением связей между входящими в устройство элементами, обеспечивающих реализацию системы наведения и стабилизации по принципу комбинированного регулирования с самонастройкой коэффициента передачи компенсирующего канала по скорости носителя.
Вновь введенные первый и второй блоки умножения и второй интегратор обеспечивают текущее значение коэффициента передачи компенсирующего канала по скорости носителя, соответствующее минимальному значению ошибки стабилизации при работе системы наведения и стабилизации, в том числе при изменяющихся условиях окружающей среды.
В отличие от прототипа в заявленном устройстве реализованы два контура обратных связей по скорости: первый - по скорости исполнительного двигателя, замкнутого по выходному сигналу тахогенератора, вход которого механически связан с исполнительным двигателем, и второй - по скорости отклонения объекта управления от исходного положения (по скорости ошибки стабилизации), замкнутый по выходному сигналу первого гиротахометра, выход которого механически связан с объектом управления. В прототипе сигнал скорости отклонения объекта управления от исходного положения формируется путем сложения выходного сигнала тахогенератора, вход которого механически связан с объектом управления, и выходного сигнала второго гиротахометра, измеряющего угловую скорость носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления. При этом для получения достоверного сигнала скорости отклонения объекта управления от исходного положения в прототипе необходимо обеспечить равенство коэффициентов передачи тахогенератора и второго гиротахометра. Нарушение этого равенства в прототипе в процессе эксплуатации приводит к ухудшению точности стабилизации. Использованные в заявленном устройстве два контура обратных связей по скорости устраняют данный недостаток прототипа и, кроме того, обеспечивают возможность достижения более широкой полосы пропускания контура системы наведения и стабилизации, замкнутого по угловому отклонению объекта управления от исходного положения.
На фигуре приведена схема заявленного устройства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата, заключаются в следующем.
Система наведения и стабилизации содержит первый интегратор 1, первый гиротахометр 2, второй гиротахометр 3, первый блок умножения 4, второй интегратор 5, второй блок умножения 6, последовательно соединенные сумматор 7, суммирующий усилитель 8, усилитель мощности 9, исполнительный двигатель 10, выход которого механически связан с объектом управления 11 и тахогенератором 12.
Первый вход первого интегратора 1 является входом системы наведения и стабилизации, второй его вход соединен с выходом первого гиротахометра 2, вход которого механически связан с объектом управления 11. Первый вход первого блока умножения 4 соединен с выходом второго гиротахометра 3, измеряющего угловую скорость носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления 11. Второй вход первого блока умножения 4 соединен с выходом первого интегратора 1. Вход второго интегратора 5 соединен с выходом первого блока умножения 4. Первый и второй входы второго блока умножения 6 соединены соответственно с выходом второго гиротахометра 3 и выходом второго интегратора 5. Первый и второй входы сумматора 7 соединены соответственно с выходом первого интегратора 1 и выходом второго блока умножения 6. Второй и третий входы суммирующего усилителя 8 соединены соответственно с выходом первого гиротахометра 2 и тахогенератора 12.
Система наведения и стабилизации работает следующим образом.
При движении носителя объект управления 11, участвуя в движении носителя, отклоняется от исходного положения в пространстве. Вместе с объектом управления 11 отклоняется первый гиротахометр 2, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине скорости и соответствующий по фазе направлению отклонения объекта управления 11. Сигнал с первого гиротахометра 2 поступает на вход первого интегратора 1, который вырабатывает сигнал, пропорциональный интегралу скорости, что соответствует величине угла отклонения объекта управления 11 от исходного положения, то есть ошибке стабилизации.
Сигнал с выхода первого интегратора 1 поступает на второй вход первого блока умножения 4, на первый вход которого поступает выходной сигнал второго гиротахометра 3, измеряющего угловую скорость носителя в плоскости наведения и стабилизации объекта управления 11. Выходной сигнал первого блока умножения 4 поступает на вход второго интегратора 5, на выходе которого вырабатывается коэффициент передачи компенсирующего канала системы наведения и стабилизации по скорости носителя. Если ошибка стабилизации на выходе первого интегратора 1 и угловая скорость носителя, измеренная вторым гиротахометром 3, имеют одинаковые знаки (плюс или минус), что свидетельствует о недокомпенсации системы наведения и стабилизации, то на выходе первого блока умножения 4 произведение имеет положительный знак. При этом значение коэффициента передачи компенсирующего канала по скорости носителя, вырабатываемое на выходе второго интегратора 5, постепенно увеличивается до наступления полной компенсации.
Если ошибка стабилизации на выходе первого интегратора 1 и угловая скорость носителя, измеренная вторым гиротахометром 3, имеют противоположные знаки, что свидетельствует о перекомпенсации системы наведения и стабилизации, то на выходе первого блока умножения 4 произведение имеет отрицательный знак. При этом значение коэффициента передачи компенсирующего канала по скорости носителя, вырабатываемое на выходе второго интегратора 5, постепенно уменьшается опять же до наступления полной компенсации.
Выработанный на выходе второго интегратора 5 коэффициент передачи компенсирующего канала по скорости носителя поступает на второй вход второго блока умножения 6, на первый вход которого поступает сигнал угловой скорости носителя, измеренной вторым гиротахометром 3. Сигнал с выхода второго блока умножения 6, представляющий собой сигнал управления компенсирующего канала по скорости носителя, на сумматоре 7 суммируется с выходным сигналом первого интегратора 1. В свою очередь сигнал с выхода сумматора 7 поступает на первый вход суммирующего усилителя 8, на второй и третий входы которого поступают сигналы отрицательных обратных связей по скорости отклонения объекта управления 11 от исходного положения, измеряемой первым гиротахометром 2, и по скорости исполнительного двигателя 10, измеряемой тахогенератором 12.
Сформированный описанным выше образом сигнал управления с выхода суммирующего усилителя 8 поступает на вход усилителя мощности 9, усиливающего его по напряжению и мощности до уровня, необходимого для управления исполнительным двигателем 10, который поворачивает объект управления 11 в сторону, противоположную отклонению носителя, удерживая его в исходном положении с точностью до величины ошибки стабилизации.
вх
вх
Наведение объекта управления 11 осуществляется по входному сигналу U, поступающему на первый вход первого интегратора 1 и суммирующемуся с выходным сигналом первого гиротахометра 2, поступающим на второй вход этого же интегратора. С выхода первого интегратора 1 сигнал, пропорциональный интегралу суммы входного сигнала устройства U и выходного сигнала первого гиротахометра 2, поступает на сумматор 7, на котором суммируется с сигналом управления компенсирующего канала по скорости носителя, выработанным на выходе второго блока умножения 6.
вх
Далее сигнал с выхода сумматора 7 поступает на вход суммирующего усилителя 8, на котором суммируется с сигналами обратных связей, поступающих от первого гиротахометра 2 и тахогенератора 12. Суммарный сигнал с выхода суммирующего усилителя 8 поступает на вход усилителя мощности 9, усиливающего его по напряжению и мощности до уровня, необходимого для управления исполнительным двигателем 10, который поворачивает объект управления 11 в направлении и со скоростью в соответствии со знаком и величиной входного сигнала U.
В предлагаемом изобретении при практической реализации могут быть использованы известные схемные реализации интегратора, блока умножения, сумматора, суммирующего усилителя, в том числе устройства, реализованные на базе программируемых ЭВМ и контроллеров.
В качестве исполнительного элемента могут быть использованы электродвигатели постоянного и переменного тока, гидромоторы, поворотные гидравлические секторы, гидроцилиндры, комбинированные подъемно-уравновешивающие механизмы.
В качестве усилителя мощности могут быть использованы электромашинные, полупроводниковые усилители, генераторы, регулируемые насосы.
В качестве гиротахометра могут быть использованы гиротахометры любых известных типов (любые известные гироскопические датчики угловой скорости).
В качестве тахогенератора могут быть использованы тахогенераторы постоянного и переменного тока, импульсные датчики скорости.