УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫСОТЫ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Заявляемая полезная модель относится к системам управления движением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в частности к устройствам стабилизации высоты БПЛА, предназначенных для экологического мониторинга.
БПЛА для экологического мониторинга в режиме обзора, в зависимости от дальности применяемой целевой аппаратуры (оптическая, телевизионная камера, механизм взятия пробы воды) и метеорологических условий, в целях обеспечения высокого качества изображения на экране оператора должен летать на различных высотах. При взятии пробы воды, БПЛА должен летать на предельно малой высоте. Его устройство стабилизации высоты должно обеспечить эти режимы полета.
Известна система управления высотой полета летательного аппарата (ЛА) [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: "Машиностроение", 1973. 506 с.] (стр 139), которая содержит задатчик высоты, блок разности, сумматор, рулевой привод, руль высоты, датчик угловой скорости, датчик углового положения, высотомер, дифференцирующий блок. Рулевой привод, датчик угловой скорости, датчик углового положения, руль высоты образуют контур угловой стабилизации угла тангажа [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973. 506 с.; Санников В.А., Шалыгин А.С. Математические модели стабилизации летательных аппаратов. Ленинград.: ЛМИ 1989. 90 с.].
Система работает следующим образом:
зад
зад
В задатчике высоты формируется сигнал h(t). В высотомере формируется сигнал h(t). В дифференцирующем блоке формируется сигнал dh(t)/dt. В блоке разности формируется сигнал Δh(t)=h(t)-h(t) В сумматоре формируется сигнал  тот сигнал поступают в контур
угловой стабилизации угла тангажа. Следовательно, в этой системе реализуется закон стабилизации позиционно - дифференциального (ПД) - регулятора:
где σ(t) - сигнал управления, который поступает в контур угловой стабилизации угла тангажа.
Стабилизация ЛА по высоте и стабилизация ЛА по угловому положению (углу тангажа) осуществляются с помощью одного органа управления -руля высоты.
0
свободн. гироскоп
зад
зад
При отсутствии внешнего возмущения в горизонтальном полете ЛА летит с углом атаки α=υ υ- Значение υ зависит от веса ЛА. Руль высоты находится в нейтральном положении.
Допустим, что под действием внешнего возмущения, например, вертикальный ветер, эксцентриситет тяги, асимметрия ЛА, и т.д. ЛА отклоняется от заданной высоты. С выхода блока разности появляется сигнал Δh(t), который отклоняет руль высоты от нейтрального положения. Отклонение руля высоты вызывает разворот продольной оси ЛА, приводящий к рассогласованию в контуре угловой стабилизации угла тангажа. Это рассогласование поступает в рулевой привод и вернет руль высоты в нейтральное положение, т. е. требуемого устранения Δh(t) может не произойти в силу того, что сигналы стабилизации угла тангажа υ(t) и Δh(t) будут работать встречно. В этом случае применение закона ПД - регулятора (1) не позволяет точно удержать ЛА на заданной высоте при воздействии внешних возмущений.
Таким образом, основным недостатком системы управления высотой полета летательного аппарата [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: "Машиностроение", 1973. 506 с.] является сильное влияние внешних возмущений на точность отработки заданной высоты.
Известна также система стабилизации высоты полета ЛА [Санников В.А., Шалыгин А.С. Математические модели стабилизации летательных аппаратов. Ленинград.: ЛМИ 1989. 90 с.] (стр. 43), которая содержит задатчик
высоты, высотомер, блок разности, дифференцирующий блок, интегрирующий блок, сумматор, контур угловой стабилизации угла тангажа.
Система работает следующим образом:
зад
зад
Задатчик высоты формирует сигнал, пропорциональный h(t). Высотомер выдает сигнал, пропорциональный высоте ЛА h(t). На выходе блока разности формируется сигнал, пропорциональный Δh(t)=h(t)-h(t). На выходе дифференцирующего блока формируется сигнал, пропорциональный . На выходе интегрирующего блока формируется сигнал . На выходе сумматора формируется сигнал, пропорциональный . Этот сигнал поступают в контур угловой стабилизации угла тангажа. Таким образом, в этой системе реализуется закон стабилизации позиционно - интегрально - дифференциального (ПИД) -регулятора:
где σ(t) - сигнал управления, который поступает в контур угловой стабилизации угла тангажа.
Наличие интегрирующего блока позволяет обеспечить точное удержание ЛА на заданной высоте.
Пусть ЛА в данный момент находится на заданной высоте. Предполагается, что в системе нет внешних возмущений. Тогда сигнал на выходе блока разности Δh(t) и сигнал на выходе интегрирующего блока равны нулю. Пусть теперь задается новая высота. Возникает сигнал рассогласования Δh(t) на выходе блока разности. Сигнал Δh(t) поступает в интегрирующий блок. Выходной сигнал интегрирующего блока Δh(t)dt и сигнал Δh(t) поступают в контур угловой стабилизации угла тангажа. Под действием этих сигналов ЛА приближается к новой высоте. Выходной сигнал интегрирующего блока увеличивается по модулю до тех пор, пока его входной сигнал Δh(t) не равен нулю. Когда ЛА достигает новой заданной высоты (Δh(t)=0), выходной сигнал интегрирующего блока не равен нулю. Этот сигнал заставит ЛА проскочить
заданную высоту. Т.е. происходит перерегулирование в системе. С этого момента сигнал Δh(t) меняет знак на противоположный. Выходной сигнал интегрирующего блока уменьшается по модулю. Перерегулирование в системе происходит до тех пор, пока выходной сигнал интегрирующего блока не равен нулю и высота БПЛА не равна новой заданной. При этом может возникать колебательный переходной процесс в зависимости от параметров системы.
Таким образом, основным недостатком системы стабилизации высоты полета ЛА [Санников В.А., Шалыгин А.С. Математические модели стабилизации летательных аппаратов. Ленинград.: ЛМИ 1989. 90 с.] является наличие перерегулирования в переходном процессе при изменении заданной высоты.
Известна также система стабилизации высоты ракеты "ТЕРМИТ" [Миронов В.В., Васильев С. В. Устройство бортовой аппаратуры системы управления комплекса ракетного вооружения "ТЕРМИТ". СПб.: БГТУ 2001. 196 с.], наиболее близкая по технической сущности, которая принята в качестве ближайшего аналога. Система стабилизации высоты ракеты "ТЕРМИТ" содержит задатчик высоты, блок разности, нормально - разомкнутые контакты реле, интегрирующий блок, усилитель - сумматор, контур угловой стабилизации угла тангажа, радиовысотомер, дифференцирующий блок. Контур угловой стабилизации угла тангажа содержит свободный гироскоп, дифференцирующий гироскоп, сумматор, рулевой привод, руль высоты, причем выход задатчика высоты подключен к первому входу блока разности, выход блока разности подключен к первому входу усилителя - сумматора и к одному контакту из нормально - разомкнутых контактов реле, другой контакт из нормально - разомкнутых контактов реле подключен к входу интегрирующего блока, выход интегрирующего блока подключен ко второму входу усилителя - сумматора, выход усилителя - сумматора подключен к входу контура угловой стабилизации угла тангажа, выход радиовысотомера подключен к входу дифференцирующего блока и ко второму входу блока разности, выход
дифференцирующего блока подключен к третьему входу усилителя -сумматора.
Система работает следующим образом:
зад
зад
В задатчике высоты формируется сигнал h(t). В радиовысотомере формируется сигнал h(t). В дифференцирующем блоке формируется сигнал dh(t)/dt. В блоке разности формируется сигнал Δh(t)=h(t)-h(t). Сигналы Δh(t) и dh(t)/dt при наборе высоты поступают в контур угловой стабилизации угла тангажа. Следовательно, при наборе высоты в системе реализуется закон ПД - регулятора (1). По окончанию набора высоты, когда в системе заканчивается переходный процесс, подается команда в виде напряжения постоянного тока на обмотку реле. Реле срабатывается и включается интегрирующий блок с помощью нормально разомкнутых контактов реле. С этого момента сигнал Δh(t) с выхода блока разности, сигнал dh(t)/dt с выхода дифференцирующего блока и сигнал  с выхода интегрирующего блока поступают в контур угловой стабилизации угла тангажа. Следовательно, после набора высоты в системе реализуется закон стабилизации ПИД - регулятора (2).
Однако до включения в системе имеется некоторая статическая ошибка, так как система с ПД - регулятором не может исключить влияние внешних возмущений. При включении интегрирующего блока в системе вновь возникает некоторое перерегулирование. Таким образом, система не может полностью исключить перерегулирование.
Основным недостатком ближайшего аналога - система стабилизации высоты ракеты "ТЕРМИТ" является наличие перерегулирования при включении интегрирующего блока и ошибки, вызванной внешними возмущениями до момента включения интегрирующего блока.
Перед заявляемой полезной моделью поставлена задача значительно снизить перерегулирование во время изменения высоты БПЛА при точном удержании БПЛА на заданной высоте.
Поставленная задача решается тем, что заявляемая полезная модель содержит задатчик высоты, блок разности, интегрирующий блок, усилитель -сумматор, контур угловой стабилизации угла тангажа, измеритель высоты, дифференцирующий блок, причем выход задатчика высоты подключен к первому входу блока разности, выход блока разности подключен к первому входу усилителя - сумматора, выход интегрирующего блока подключен ко второму входу усилителя - сумматора, выход усилителя - сумматора подключен к входу контура угловой стабилизации угла тангажа, выход измерителя высоты подключен к входу дифференцирующего блока и ко второму входу блока разности, выход дифференцирующего блока подключен к третьему входу усилителя - сумматора, дополнительно введен сумматор, первый вход которого подключен к выходу блока разности, второй вход сумматора подключен к выходу дифференцирующего блока, выход сумматора подключен к входу интегрирующего блока.
Задатчик высоты может быть выполнен в виде потенциометра с электрическим двигателем.
В блоке разности, в сумматоре, в интегрирующем блоке, в усилителе -сумматоре, в дифференцирующем блоке могут быть установлены операционные усилители.
Измеритель высоты может быть выполнен в виде радиовысотомера.
Контур угловой стабилизации угла тангажа заявляемой полезной модели содержит усилитель базового механизма, датчик углового положения угла тангажа, датчик угловой скорости угла тангажа, суммирующий - разностный блок, усилитель мощности, рулевую машину, редуктор, потенциометр обратной связи, дифференцирующий блок, руль высоты, причем выход усилителя - сумматора подключен к входу усилителя базового механизма, выход усилителя базового механизма подключен к датчику углового положения угла тангажа, выход датчика углового положения угла тангажа и выход датчика угловой скорости угла тангажа подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего - разностного блока, выход суммирующего -
разностного блока подключен к входу усилителя мощности, выход усилителя мощности подключен к рулевой машине, руль высоты подключен к рулевой машине через редуктор, потенциометр обратной связи подключен к рулю высоты, выход потенциометра обратной связи подключен к входу дифференцирующего блока и к третьему входу суммирующего - разностного блока, выход дифференцирующего блока подключен к четвертому входу суммирующего - разностного блока.
Датчик углового положения угла тангажа может быть выполнен в виде свободного гироскопа.
Датчик угловой скорости угла тангажа может быть выполнен в виде дифференцирующего гироскопа.
В дифференцирующем блоке контура угловой стабилизации угла тангажа, в суммирующем - разностном блоке контура угловой стабилизации угла тангажа могут быть установлены операционные усилители.
Благодаря предлагаемой схеме заявляемая полезная модель позволила получить технический результат, а именно значительно снизила перерегулирование во время изменения высоты БПЛА при точном удержании БПЛА на заданной высоте.
На фиг.1 приведена блок - схема заявляемой полезной модели.
На фиг.2 приведена блок - схема задатчика высоты заявляемой полезной модели.
На фиг.3 приведена блок - схема контура угловой стабилизации угла тангажа заявляемой полезной модели.
На фиг.4 приведен график изменения высоты БПЛА заявляемой полезной модели при скачкообразным изменением сигнала задатчика высоты с 100 м на 1 м.
На фиг.5 приведен график реакции заявляемой полезной модели на внешнее возмущение, например, вертикальный ветер со скоростью - 0,5 м/с.
На фиг.6 приведен график реакции системы стабилизации высоты БПЛА с ПД - регулятором на такое же возмущение.
Заявляемая полезная модель (см. фиг.1) содержит: задатчик 1 высоты, блок 2 разности, сумматор 3, интегрирующий блок 4, усилитель - сумматор 5, дифференцирующий блок 6, измеритель 7 высоты, контур 8 угловой стабилизации угла тангажа.
Выход задатчика 1 высоты подключен к первому входу блока 2 разности. Выход блока 2 разности подключен к первому входу сумматора 3 и первому входу усилителя - сумматора 5. Выход сумматора 3 подключен к входу интегрирующего блока 4. Выход интегрирующего блока 4 подключен ко второму входу усилителя - сумматора 5. Выход усилителя - сумматора 5 подключен к входу контура 8 угловой стабилизации угла тангажа. Выход измерителя 7 высоты подключен к входу дифференцирующего блока 6 и ко второму входу блока 2 разности. Выход дифференцирующего блока б подключен к третьему входу усилителя - сумматора 5 и ко второму входу сумматора 3.
Задатчик 1 высоты (см. фиг.2) выполнен в виде потенциометра 9 с электрическим двигателем 10.
Контур 8 угловой стабилизации угла тангажа (см. фиг.3) содержит усилитель 11 базового механизма, датчик 12 углового положения угла тангажа, суммирующий - разностный блок 13, усилитель 14 мощности, рулевую машину 15, датчик 16 угловой скорости угла тангажа, дифференцирующий блок 17, редуктор 18, потенциометр 19 обратной связи, руль 20 высоты. Суммирующий - разностный блок 13, усилитель 14 мощности, рулевую машину 15, датчик 16 угловой скорости угла тангажа, дифференцирующий блок 17, редуктор 18, потенциометр 19 обратной связи, руль 20 высоты образуют рулевой привод [Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: "Машиностроение", 1973. 506 с.].
Выход усилителя - сумматора 5 подключен к входу усилителя 11 базового механизма, выход усилителя 11 базового механизма подключен к датчику 12 углового положения угла тангажа, выход датчика 12 углового положения угла тангажа и выход датчика 16 угловой скорости угла тангажа
подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего - разностного блока 13, выход суммирующего - разностного блока 13 подключен к входу усилителя 14 мощности, выход 14 усилителя мощности подключен к рулевой машине 15, руль 20 высоты подключен к рулевой машине 15 через редуктор 18, потенциометр 19 обратной связи подключен к рулю 20 высоты, выход потенциометра 19 обратной связи подключен к входу дифференцирующего блока 17 и к третьему входу суммирующего - разностного блока 13, выход дифференцирующего блока 17 подключен к четвертому входу суммирующего - разностного блока 13.
Коэффициенты передачи блока 2 разности по двум входам равны единице.
v1
v4
Коэффициенты передачи сумматора 3 по первому входу, второму входу равны соответственно k, k.
Коэффициент передачи интегрирующего блока 4 равен единице.
v1
v2
v3
Коэффициенты передачи усилителя - сумматора 5 по первому входу, второму входу, третьему входу равны соответственно k, k, k.
υ
ωz
υ
ωz
Коэффициенты передачи суммирующего - разностного блока 13 по первому входу, второму входу, равны соответственно k, k (где k- коэффициент обратной связи по углу тангажа; k - коэффициент обратной связи по скорости изменения угла тангажа).
oc
Ω
Коэффициенты передачи суммирующего - разностного блока 13 по третьему входу, четвертому входу, равны соответственно k, k. Эти коэффициенты выбираются отдельно при условии обеспечения необходимого качества рулевого привода.
Третий и четвертый входы суммирующего - разностного блока 13 являются инвертирующими.
v1
v2
v3
v4
υ
ωz
Коэффициенты передачи k, k, k, k, и коэффициенты цепей обратной связи контура угловой стабилизации угла тангажа k, k выбираются при параметрической оптимизации заявляемой полезной модели.
При параметрической оптимизации заявляемой полезной модели в качестве критерия оптимальности авторы применили минимум функции [Бесекеркий В. А., Попов Е. п.Теория систем автоматического регулирования. М.: "Наука", 1975.768с.]:
где x(t) отклонение высоты БПЛА от заданной высоты:
при условии отсутствия перерегулирования.
По сравнению с системой с ПД - регулятором, время регулирования в заявляемой полезной модели увеличивается на ≈ 10% (параметры этих двух систем выбираются по минимуму функции (3) при условии отсутствия перерегулирования).
Заявляемая полезная модель работает следующим образом:
программ
зад
На потенциометр 9 подается напряжение постоянного тока. При изменении высоты электрический двигатель 10 работает, изменяя напряжение с выхода потенциометра 9 пропорционально программной высоте h(t) которая называется h(t).
При изменении высоты БПЛА для исключения влияния ограничения рулевого привода (ограничение напряжения источника питания, механическое ограничение угла поворота руля) выходной сигнал задатчика 1 высоты формируется в виде медленно изменяющегося напряжения, пропорционального программной высоте, например:
1
2
где t - начало изменения высоты; t - конец изменения высоты.
Измеритель 7 высоты выдает сигнал, пропорциональный высоте БПЛА h(t). На выходе блока 2 разности формируется сигнал, пропорциональный
v1
v4
Δh(t)=h(t)-hзад(t). На выходе дифференцирующего блока 6 формируется сигнал, пропорциональный dh(t)/dt. На выходе сумматора 3 формируется сигнал, пропорциональный kΔh(t)+kdh(t)/dt. На выходе интегрирующего блока 4 формируется сигнал  . На выходе усилителя -сумматора 5 формируется сигнал, пропорциональный  Следовательно, в таком устройстве реализуется закон стабилизации высоты модифицированного ПИД - регулятора.
где σ(t) - сигнал управления, который поступает в контур 8 угловой стабилизации угла тангажа.
зад1
зад2
зад1
v1
v4
v1
v4
v4
v4
v1
v2
v3
v4
Пусть БПЛА в данный момент находится на заданной высоте h Предполагается, что в системе нет внешних возмущений. Тогда сигнал Δh(t) на выходе блока 2 разности и сигнал на выходе интегрирующего блока 4 равны нулю. Пусть теперь задается новая высота h>h Возникает сигнал рассогласования Δh(t)<0 на выходе блока 2 разности. Этот сигнал поступает непосредственно на усилитель - сумматор 5 и через сумматор 3 и интегрирующий блок 4 также на усилитель - сумматор 5. Сигнал с выхода усилителя - сумматора 5 поступает в контур 8 угловой стабилизации угла тангажа. В результате руль 20 высоты поворачивается так, чтобы изменилось угловое положение БПЛА. БПЛА приближается к заданной высоте. При этом появляется сигнал dh(t)/dt>0 на выходе дифференцирующего блока 6. Суммарный сигнал (kΔh(t)+kdh(t)/dt) с выхода сумматора 3 поступает на интегрирующий блок 4. Сигнал на выходе интегрирующего блока 4 увеличивается по модулю до тех пор, пока его входной сигнал не равен нулю. При приближении БПЛА к новой заданной высоте сигнал kΔh(t) и сигнал kdh(t)/dt имеют противоположные знаки. Сигнал kΔh(t) вызывает увеличение сигнала на выходе интегрирующего блока 4 по модулю, а сигнал kdh(t)/dt -уменьшение его выходного сигнала. При выборе коэффициентов передачи k, k, k, k, и коэффициентов цепей обратной связи контура угловой
υ
ωz
стабилизации угла тангажа k, k по выше описанной методике обеспечивается отсутствие перерегулирования в устройстве. Выходной сигнал интегрирующего блока 4 равен нулю, когда высота БПЛА равна заданной высоте (Δh(t)=0 и dh(t)/dt=0). Переходной процесс системы заканчивается в этот момент. Следовательно, система не имеет перерегулирования.
На фиг.4 приведен график изменения высоты БПЛА заявляемой полезной модели при скачкообразным изменением сигнала задатчика 1 высоты с 100 м на 1 м. В заявляемой полезной модели нет перерегулирования.
0
свободи, гироскоп
зад
зад
При отсутствии внешнего возмущения в горизонтальном полете БПЛА летит с углом атаки α=υ υ. Значение υ зависит от веса БПЛА.
зад
0
зад
Под действием внешнего возмущения (например, вертикальный ветер) БПЛА отклоняется от заданной высоты (например, h(t)<h(1)). Появляется сигнал рассогласования Δh(t)<0 на выходе блока 2 разности. Этот сигнал поступает в усилитель - сумматор 5 и интегрирующий блок 4 через сумматор 3. Сигнал с выхода усилителя - сумматора 5 поступает в усилитель 11 базового механизма. Двигатель базового механизма свободного гироскопа датчика 12 углового положения угла тангажа работает, увеличивая угол выставки свободного гироскопа датчика 12 углового положения угла тангажа. Сигнал с потенциометра свободного гироскопа датчика 12 углового положения угла тангажа поступает в суммирующий - разностный блок 13. В результате руль 20 высоты отклоняется от равновесного положения. Угол атаки α БПЛА увеличивается. Высота БПЛА увеличивается. Когда сигнал на выходе блока 2 разности равен нулю, свободный гироскоп датчика 12 углового положения угла тангажа имеет другое угловое положение υ(t). Сигнал на выходе интегрирующего блока 4 в этом случае не равен нулю, а пропорциональный внешнему возмущению. Этот сигнал и сигнал υ обеспечивают новое угловое положение свободного гироскопа датчика 12 углового положения угла тангажа. Контур 8 угловой стабилизации угла тангажа поддерживает равенство угла тангажа БПЛА новому углу свободного гироскопа датчика 12
углового положения угла тангажа. БПЛА летит с другим углом атаки. Ошибка в системе равна нулю.
На фиг.5 приведен график реакции заявляемой полезной модели на внешнее возмущение, например, вертикальный ветер со скоростью - 0,5 м/с. Видно, что при воздействии внешних возмущений заявляемая полезная модель не имеет ошибки в установившемся режиме.
На фиг.6 приведен график реакции системы стабилизации высоты БПЛА с ПД - регулятором на такое же возмущение. Система с ПД - регулятором имеет ошибку при воздействии внешних возмущений.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволила получить технический результат, а именно значительно снизила перерегулирование во время изменения высоты БПЛА при точном удержании БПЛА на заданной высоте.