ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСА АВТОПИЛОТИРОВАНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области управления и может быть использована в исполнительных системах управления рулевыми агрегатами комплекса автопилотирования беспилотного летательного аппарата.
Известны, исполнительные системы комплексов автопилотирования беспилотных летательных аппаратов содержащие устройства формирования управляющих воздействий и различные усилители, формирующие сигналы для управления двигателями рулевых агрегатов.
Недостатком исполнительных систем управления рулевыми агрегатами комплекса автопилотирования беспилотного летательного аппарата является невозможность осуществления контроля правильного функционирования рулевых агрегатов беспилотного летательного аппарата (целостности обмоток рулевого агрегата и связей с потенциометром обратной связи) и отсутствие защиты системы от короткого замыкания в условиях ограничения числа линий связи, что снижает достоверность контроля готовности летательного аппарата к полету.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание исполнительной системы управления комплекса автопилотирования беспилотного летательного аппарата, обеспечивающего возможность эффективного управления рулевыми агрегатами по цифровым каналам связи, осуществления контроля правильного функционирования рулевых агрегатов беспилотного летательного аппарата (целостности обмоток рулевого агрегата и связей с потенциометром обратной связи) и защита от короткого замыкания.
Сущность полезной модели заключается в том, что в исполнительной системе комплекса автопилотирования беспилотного летательного аппарата, содержащей адаптер мультиплексного канала информационного обмена, последовательная цифровая шина которого является цифровым входом-выходом системы, четыре преобразователя код-напряжение и восемь преобразователей напряжение-код, выходы которых и входы преобразователей код-напряжение соединены посредством параллельной цифровой шины с параллельной цифровой шиной адаптера мультиплексного канала информационного обмена, а также блок усилителей рулевого тракта, содержащий блок коммутации и масштабирования
и четыре усилителя рулевого тракта (УРТ), каждый из которых содержит первый сумматор, выход которого соединен с входом фильтра низкой частоты, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, третий вход которого соединен со средней точкой потенциометра юстировки, который подключен к положительной шине источника питания и шине нулевого потенциала, преобразователь напряжение-ток с симметричным выходом (ПНТСВ), который является выходом для подключения обмотки двигателя соответствующего рулевого агрегата, первый масштабирующий усилитель, вход которого соединен с одним из выводов симметричного выхода ПНТСВ, второй масштабирующий усилитель, вход которого, соединенный со вторым входом второго сумматора, является входом для подключения к среднему выводу потенциометра обратной связи соответствующего рулевого агрегата, при этом выход сигнала коммутации адаптера мультиплексного канала информационного обмена соединен с управляющим входом блока коммутации и масштабирования, входы ωх, ωy, ωz блока коммутации и масштабирования являются входами устройства для подключения выходов соответствующих датчиков угловых скоростей, где ωх, ωy, ωz - сигналы, пропорциональные значениям проекций угловой скорости центра масс летательного аппарата на оси координат х, у, z, а выходы ωх, ωy блока коммутации и масштабирования соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора первого усилителя рулевого тракта, выход ωz блока коммутации и масштабирования соединен с третьими входами первого сумматора второго и четвертого усилителей рулевого тракта, выходы - ωх и ωy блока коммутации и масштабирования соединены соответственно с первым и вторым входами первого сумматора третьего усилителя рулевого тракта, выходы преобразователей код-напряжение с первого по четвертый соединены с четвертыми входами первого сумматора усилителей рулевого тракта с первой по четвертый, соответственно, вход каждого из преобразователей напряжение-код с первого по четвертый соединен с выходом первого масштабирующего усилителя усилителей рулевого тракта с первого по четвертый, соответственно, вход каждого из преобразователей напряжение-код с пятого по восьмой соединен с выходом второго масштабирующего усилителя усилителей рулевого тракта с первого по четвертый, соответственно, каждом усилителе рулевого тракта ПНТСВ выполнен с устройством защиты от короткого замыкания (УЗКЗ) на своем входе, которое содержит дифференциальный усилитель, первый суммирующий усилитель-ограничитель (СУО), первый резистивный делитель напряжения, первый сумматор-ограничитель (СО), второй СУО, второй резистивный делитель напряжения, второй СО и два выходных резистора,
при этом первый СУО, первый СО, второй СУО и второй СО выполнены на операционных усилителях (ОУ), неинвертирующие входы которых соединены с шиной нулевого потенциала непосредственно или с целью компенсации влияния входных токов - через дополнительно введенные резисторы, инвертирующий вход ОУ первого СУО через первый суммирующий резистор первого СУО соединен с выходом дифференциального усилителя УЗКЗ и через второй суммирующий резистор первого СУО - с выходом первого резистивного делителя напряжения, выход ОУ первого СУО соединен с анодом первого диода первого СУО, катод которого через первый резистор обратной связи первого СУО соединен с инвертирующим входом ОУ первого СУО, выход ОУ первого СУО соединен также с катодом второго диода первого СУО, анод которого через второй резистор обратной связи первого СУО соединен с инвертирующим входом ОУ первого СУО, инвертирующий вход ОУ первого СО через первый суммирующий резистор первого СО соединен с выходом второго сумматора данного усилителя рулевого тракта и через второй суммирующий резистор первого СО - с точкой соединения катода первого диода первого СУО с первым резистором обратной связи первого СУО, выход ОУ первого СО соединен с анодом первого диода первого СО, катод которого через первый резистор обратной связи первого СО соединен с инвертирующим входом ОУ первого СО, выход ОУ первого СО соединен также с катодом второго диода первого СО, анод которого через второй резистор обратной связи первого СО соединен с инвертирующим входом ОУ первого СО, инвертирующий вход ОУ второго СУО через первый суммирующий резистор второго СУО соединен с выходом дифференциального усилителя и через второй суммирующий резистор второго СУО - с выходом второго резистивного делителя напряжения, выход ОУ второго СУО соединен с катодом первого диода второго СУО, анод которого через первый резистор обратной связи второго СУО соединен с инвертирующим входом ОУ второго СУО, выход ОУ второго СУО соединен также с анодом второго диода второго СУО, катод которого через второй резистор обратной связи второго СУО соединен с инвертирующим входом ОУ второго СУО, инвертирующий вход ОУ второго СО через первый суммирующий резистор второго СО соединен с выходом второго сумматора данного усилителя рулевого тракта и через второй суммирующий резистор второго СО - с точкой соединения анода первого диода второго СУО с первым резистором обратной связи второго СУО, выход ОУ второго СО соединен с катодом первого диода второго СО, анод которого через первый резистор обратной связи второго СО соединен с инвертирующим входом ОУ второго СО, выход ОУ второго СО соединен также с анодом
второго диода второго СО, катод которого через второй резистор обратной связи второго СО соединен с инвертирующим входом ОУ второго СО, один из выводов первого резистивного делителя напряжения подключен к положительной шине двуполярного источника питания, один из выводов второго резистивного делителя напряжения подключен к отрицательной шине двуполярного источника питания, вторые выводы первого и второго резистивных делителей напряжения подключены к шине нулевого потенциала, выходные резисторы включены последовательно между катодом первого диода первого СО и анодом первого диода второго СО, а точка соединения этих резисторов является выходом УЗКЗ данного усилителя рулевого тракта, ПНТСВ содержит последовательно соединенные входной суммирующий усилитель, выполненный на своем ОУ, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения выходных резисторов, и, по меньшей мере, один преобразователь напряжение-ток, выполненный на своем ОУ с токозадающим резистором, включенном между выходом этого ОУ и первым выводом симметричного выхода ПНТСВ, а также инвертирующий повторитель напряжения, вход которого подключен к выходу ОУ преобразователя напряжение-ток данного ПНТСВ, а выход через токоограничительный резистор подключен ко второму выводу симметричного выхода ПНТСВ, входы дифференциального усилителя УЗКЗ подключены к выводам токозадающего резистора, включенного между выходом ОУ, на котором выполнен преобразователь напряжение-ток данного ПНТСВ, и первым выводом симметричного выхода данного ПНТСВ, или к выводам токоограничительного резистора, включенного между выходом инвертирующего повторителя напряжения данного ПНТСВ и вторым выводом симметричного выхода данного ПНТСВ.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг.1 - функциональная схема системы;
на фиг.2 - электрическая схема устройства защиты от короткого замыкания;
на фиг.3 - электрическая схема преобразователя напряжение-ток с симметричным выходом;
На фиг.1 обозначены:
1 - адаптер мультиплексного канала информационного обмена МКИО,
2,..., 5 - преобразователя код-напряжение (ПКН σ1, ПКН σ2, ПКН σ3, ПКН σ4),
6,..., 9 - преобразователи напряжение-код (ПНК УРТ1, ПНК УРТ2, ПНК УРТ3, ПНК УРТ4),
10,..., 13 - преобразователи напряжение-код (ПНК δ1, ПНК δ2, ПНК δ3, ПНК δ4),
14 - блок усилителей рулевого тракта,
15 - блок коммутации и масштабирования, представляющий собой набор из трех масштабирующих усилителей сигналов ωх, ωy, ωz, инвертирующий усилитель сигнала ωх и коммутатор выходных сигналов -ωх, ωх, ωу, ωz, подключающий к выходу блока сигналы - ωх, ωх, ωу, ωz по сигналу коммутации, поступающему из адаптера 1 МКИО,
16,..., 19 - усилители рулевого тракта (УРТ1, УРТ2, УРТ3, УРТ4),
20 - первый сумматор (∑1),
21 - фильтр низкой частоты (ФНЧ),
22 - второй сумматор (∑2),
юст
23 - потенциометр юстировки (R),
24 - устройство защиты от короткого замыкания
25 - преобразователь напряжение-ток с симметричным выходом,
26 - первый масштабирующий усилитель,
27 - второй масштабирующий усилитель,
28,..., 31 - рулевые агрегаты,
32 - потенциометр обратной связи R, подключенный к положительной шине источника питания «-Е» и шине нулевого потенциала (общей точке «О.Т.»)
33 - бортовая вычислительная машина (БЦВМ),
34 - автоматизированная система управления (АСУ),
ωх, ωу, ωz - сигналы, пропорциональные значениям проекций угловой скорости центра масс летательного аппарата на оси координат х, у, z, поступающие от датчика угловых скоростей (ДУС),
σ1, σ2, σ3, σ4 - сигналы, пропорциональные задаваемым углам поворота рулей рулевым агрегатам (РА1, РА2, РА3, РА4),
δ1, δ2, δ3, δ4 - сигналы, пропорциональные значениям угла положения руля, поступающие с потенциометров R обратной связи (датчика положения руля) на вход второго сумматора ∑2 соответствующего УРТ.
В каждом усилителе рулевого тракта ПНТСВ 25 выполнен с устройством 24 защиты от короткого замыкания (УЗКЗ) на своем входе, которое содержит дифференциальный усилитель 35, первый суммирующий усилитель-ограничитель (СУО) 36, первый резистивный делитель 37 напряжения, первый сумматор-ограничитель (СО) 38, второй СУО 39, второй резистивный делитель 40 напряжения, второй СО 41 и два выходных резистора 42 и 43, при этом первый СУО 36, первый СО 38, второй СУО 39 и второй СО 41
выполнены на операционных усилителях (ОУ) 44-47, неинвертирующие входы которых соединены с шиной нулевого потенциала непосредственно или с целью компенсации влияния входных токов - через дополнительно введенные резисторы, инвертирующий вход ОУ 44 первого СУО 36 через первый суммирующий резистор 48 первого СУО 36 соединен с выходом дифференциального усилителя 35 УЗКЗ и через второй суммирующий резистор 49 первого СУО 36 - с выходом первого резистивного делителя 37 напряжения, выход ОУ 44 первого СУО 36 соединен с анодом первого диода 50 первого СУО 36, катод которого через первый резистор 51 обратной связи первого СУО 36 соединен с инвертирующим входом ОУ 44 первого СУО 36, выход ОУ 44 первого СУО 36 соединен также с катодом второго диода 52 первого СУО 36, анод которого через второй резистор 53 обратной связи первого СУО 36 соединен с инвертирующим входом ОУ 44 первого СУО 36, инвертирующий вход ОУ 45 первого СО 38 через первый суммирующий резистор 54 первого СО 38 соединен с выходом второго сумматора 22 данного усилителя рулевого тракта и через второй суммирующий резистор 55 первого СО 38 - с точкой соединения катода первого диода 50 первого СУО 36 с первым резистором 51 обратной связи первого СУО 36, выход ОУ 45 первого СО 38 соединен с анодом первого диода 56 первого СО 38, катод которого через первый резистор 57 обратной связи первого СО 38 соединен с инвертирующим входом ОУ 45 первого СО 38, выход ОУ 45 первого СО 38 соединен также с катодом второго диода 58 первого СО 38, анод которого через второй резистор 59 обратной связи первого СО 38 соединен с инвертирующим входом ОУ 45 первого СО 38, инвертирующий вход ОУ 46 второго СУО 39 через первый суммирующий резистор 60 второго СУО 39 соединен с выходом дифференциального усилителя 35 и через второй суммирующий резистор 61 второго СУО 39 - с выходом второго резистивного делителя 40 напряжения, выход ОУ 46 второго СУО 39 соединен с катодом первого диода 62 второго СУО 39, анод которого через первый резистор 63 обратной связи второго СУО 39 соединен с инвертирующим входом ОУ 46 второго СУО 39, выход ОУ 46 второго СУО 39 соединен также с анодом второго диода 64 второго СУО 39, катод которого через второй резистор 65 обратной связи второго СУО 39 соединен с инвертирующим входом ОУ 46 второго СУО 39, инвертирующий вход ОУ 47 второго СО 41 через первый суммирующий резистор 66 второго СО 41 соединен с выходом второго сумматора 22 данного усилителя рулевого тракта и через второй суммирующий резистор 67 второго СО 41 - с точкой соединения анода первого диода 62 второго СУО 39 с первым резистором 63 обратной связи второго СУО 39, выход ОУ 47 второго СО 41 соединен с
катодом первого диода 68 второго СО 41, анод которого через первый резистор 69 обратной связи второго СО 41 соединен с инвертирующим входом ОУ 47 второго СО 41, выход ОУ 47 второго СО 41 соединен также с анодом второго диода 71 второго СО 41, катод которого через второй резистор 71 обратной связи второго СО 41 соединен с инвертирующим входом ОУ 47 второго СО 41, один из выводов первого резистивного делителя 37 напряжения подключен к положительной шине двуполярного источника питания, один из выводов второго резистивного делителя 40 напряжения подключен к отрицательной шине двуполярного источника питания, вторые выводы первого и второго резистивных делителей 37 и 40 напряжения подключены к шине нулевого потенциала, выходные резисторы 42 и 43 включены последовательно между катодом первого диода 56 первого СО 38 и анодом первого диода 68 второго СО 41, а точка соединения этих резисторов является выходом УЗКЗ данного усилителя рулевого тракта См. фиг.2).
ПНТСВ 25 содержит последовательно соединенные входной суммирующий усилитель 72, выполненный на своем ОУ 73 с резистором 74 в цепи отрицательной обратной связи, инвертирующий вход которого (ОУ 73) подключен к точке соединения выходных резисторов 42 и 43 УЗКЗ 24, и, по меньшей мере, один преобразователь 75 напряжение-ток, выполненный на своем ОУ 76 с токозадающим резистором 77, включенном между выходом этого ОУ и первым выводом симметричного выхода ПНТСВ 25 и делителями на резисторах 78-81, а также инвертирующий повторитель 82 напряжения, вход которого подключен к выходу ОУ 76 преобразователя 75 напряжение-ток данного ПНТСВ 25, а выход через токоограничительный резистор 83 подключен ко второму выводу симметричного выхода ПНТСВ 25.
Входы дифференциального усилителя 35 УЗКЗ 24 подключены к выводам токозадающего резистора 77, включенного между выходом ОУ 76, на котором выполнен преобразователь 75 напряжение-ток данного ПНТСВ 25, и первым выводом симметричного выхода данного ПНТСВ 25, или к выводам токоограничительного резистора 83, включенного между выходом инвертирующего повторителя 82 напряжения данного ПНТСВ 25 и вторым выводом симметричного выхода данного ПНТСВ 25 (см. фиг.3).
Устройство управления рулевыми агрегатами беспилотного летательного аппарата представляет собой цифро-аналоговую систему управления и работает следующим образом.
Сигналы управления рулями σi вычисляются БЦВМ 33 в соответствии с алгоритмом управления и по цепи «БЦВМ 33 - последовательная цифровая шина - адаптер 1 МКИО -
i
i
i
параллельная цифровая шина - ПКН (σ) - вход 4 первого сумматора 20» поступают на первый сумматор 20, где суммируются с сигналами аналоговых обратных связей ωi, поступающими по цепи «ДУС - блок 15 коммутации и масштабирования - соответствующий вход первого сумматора 20», сигнал с выхода первого сумматора 20 поступает на вход ФНЧ 21, отфильтровывающего высокочастотную составляющую сигнала, которая возникает за счет дискретности сигнала σ и других шумов, с выхода ФНЧ 21 сигнал поступает на первый вход второго сумматора 22, на котором суммируется с сигналом δi, поступающим по цепи «потенциометр 32 обратной связи - вход 2 второго сумматора», с выхода второго сумматора сигнал поступает через схему защиты от КЗ 24 на вход преобразователя напряжение-ток. При этом в нагрузке (обмотка двигателя рулевого агрегата) возникает ток пропорциональный входному напряжению, вызывающий поворот руля, при этом изменяется значение сигнала δ на входе 2 второго сумматора и поворот руля происходит до тех пор пока сумма всех входных сигналов на входах второго сумматора 22, а следовательно, и сигнал на выходе сумматора 22 не станет равными нулю.
i
юст
При включении питания рули рулевых агрегатов 28-31 «застопорены», в состоянии 0°, что соответствует сигналу δi=-E/2 с погрешностью измерения датчика положения руля, значение сигналов σi=0 В (устанавливается БЦВМ 33 или АСУ 34) с погрешностью ПКН 2 (3, ...5), значение сигналов ω=0 В с погрешностью преобразования (при включении питания указанные сигналы отключены схемой коммутации и масштабирования). Таким образом, значение сигнала равно 0 В на входе 1, значение сигнала на входе 2 равно -E/2, значение сигнала =+Е/2 на входе 3 (напряжение снимаемое с движка потенциометра R) второго сумматора 22, при этом значение сигнала равно 0 В на выходе второго сумматора 22 и ток, протекающий через обмотку двигателя рулевого агрегата равен току покоя. Перед началом движения аппарата АСУ 34 осуществляет контроль целостности обмоток рулевого агрегата и связей с потенциометром обратной связи в условиях ограничения числа линий связи, длине линий связи до 300 м и скорости передачи не менее 1бит за 1 мксек, для чего по последовательной цифровой шине задаются значения сигналов σi по цепи «АСУ - последовательная цифровая шина - МКИО - параллельная цифровая шина - ПКН (σi) - вход 4 ∑1» и производится чтение значений сигналов δi и УPTi по цепям «δi (потенциометр 32 обратной связи) - масштабирующий усилитель δi-ПНК(δi) - параллельная цифровая шина - МКИО - последовательная цифровая шина - АСУ» и «УPTi-1 - масштабирующий усилитель УРТi-1 - ПНК УРТi - параллельная цифровая шина - МКИО - последовательная цифровая шина - АСУ», при этом, если значения
сигналов на входах ∑2 в сумме равны 0, то при отсутствии нарушений целостности обмотки РА и связей с потенциометром обратной связи сигнал УРТi=току покоя и сигнал δi=-E/2 (без учета инструментальных погрешностей), при обрыве обмотки рулевого агрегата сигнал УРТi=0,9Е, (преобразователь «напряжение-ток», стремясь сохранить неизменным значение тока, поднимает напряжение до максимально возможного), при обрыве питающего напряжения «-Е», «О.Т.» или провода движка потенциометра обратной связи значения сигнала δi будут соответственно δi=0, δi=-Е, δi=0 (шум).
i
i
i
Управление рулевыми агрегатами по сигналам σ, ωх, ωy, ωz начинается после отключения АСУ 34 с передачей управления БЦВМ 33, которая через схему коммутации и масштабирования сигналом коммутации подключает сигналы ωх, ωy, ωz с выходов ДУС к соответствующим входам сумматора ∑1 соответствующих усилителей рулевого тракта и выдает значения сигналов σ на соответствующие входы сумматора ∑1 соответствующих усилителей рулевого тракта, при этом сигналы σ, поступающие от БЦВМ 33 задают траекторию движения аппарата, а сигналы ωх, ωy, ωz поддерживают стабилизацию аппарата относительно осей координат х, у, z, проходящих через центр масс аппарата.
В процессе управления рулевыми агрегатами УЗКЗ обеспечивает защиту системы комплекса автопилотирования от короткого замыкания в нагрузке или замыкания на корпус. При коротком замыкании с устройства защиты от короткого замыкания обеспечивает резкое уменьшение тока на нагрузке до безопасного уровня. После прекращения режима короткого замыкания система полностью восстанавливается и обеспечивает управление рулевыми агрегатами по цифровым каналам связи в обычном режиме.
Таким образом, технический результат заключается в обеспечении защиты преобразователя напряжение-ток с симметричным выходом от короткого замыкания и возможности управления рулевыми агрегатами по цифровым каналам связи беспилотного летательного аппарата после прекращения режима короткого замыкания.
Представленные чертежи и описание устройства позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить его промышленным способом и использовать для управления рулевыми агрегатами беспилотного летательного аппарата, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.