СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING SIGNAL TO CONTROL DRONE ANGULAR FLIGHT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к бортовым устройствам для систем автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА).
Известен способ формирования сигнала управления, заключающийся в том, что задают сигнал управления, измеряют сигналы углового положения и угловой скорости, формируют сигнал рассогласования между измеренным сигналом углового положения и заданным сигналом управления, усиливают сигналы рассогласования и угловой скорости и формируют выходной сигнал управления суммированием усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости [1].
Известно устройство управления систем автоматического управления БПЛА, в котором содержится блок задающего воздействия, блок вычитания, суммирующий усилитель, датчики состояния [1].
Недостатком известных способа и устройства управления является ограниченность функциональных возможностей в условиях возникновения значительных угловых рассогласований, обусловленных нештатной ситуацией, а также в связи с техническими ограничениями, характерными для интервалов времени отхода БПЛА от носителя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования сигнала управления БПЛА, заключающийся в том, что задают сигнал управления, измеряют сигналы углового положения и угловой скорости, формируют сигнал рассогласования между измеренным сигналом углового положения и заданным сигналом управления, усиливают сигналы рассогласования и угловой скорости, формируют базовый сигнал управления суммированием усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости, формируют выходной сигнал управления посредством противоизгибной фильтрации базового сигнала управления [2].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство формирования сигнала управления БПЛА, содержащее последовательно соединенные задатчик сигнала управления, первый блок вычитания и первый усилитель, последовательно соединенные сумматор и противоизгибный фильтр, выход которого является выходом устройства, измеритель угла, выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания, и последовательно соединенные измеритель угловой скорости и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом сумматора [2].
Недостатками известных способа и устройства являются ограниченные функциональные возможности в условиях существенного изменения условий полета по скорости и высоте, при аппаратурных ограничениях значений параметров цифроаналоговых элементов и наличии отказов по превышению сигналов углового рассогласования, что может привести к срыву устойчивости в целом.
Технической задачей, решаемой в предлагаемых способе и устройстве, является повышение устойчивости процессов управления и расширение функциональных возможностей с учетом возникновения отказных ситуаций при многофакторных условиях полета.
Неотъемлемой составной частью синтеза контура угловой стабилизации является учет разбросов параметров и факторов упругости объекта. Эти обстоятельства в совокупности с отказной ситуацией определяют необходимость в идентификации состояния объекта управления и системы управления в целом. Предложенным построением обеспечивается адаптация параметров устройства и функционально-логическое их изменение, что обеспечивает повышение устойчивости и качества процессов управления.
м
1
1
1
Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ формирования сигнала управления БПЛА, состоящий в том, что задают сигнал управления, измеряют сигналы углового положения и угловой скорости, формируют сигнал рассогласования между измеренным сигналом углового положения и заданным сигналом управления, усиливают сигналы рассогласования и угловой скорости, формируют базовый сигнал управления суммированием усиленных сигналов рассогласования и угловой скорости, формируют выходной сигнал управления посредством противоизгибной фильтрации базового сигнала управления, дополнительно задают опорный сигнал, выделяют сигналы модульных функций сигнала рассогласования и заданного сигнала управления, формируют разность сигналов модульных функций сигнала рассогласования и заданного сигнала управления при превышении указанной разности опорного сигнала, масштабируют разностный сигнал, формируют дополнительную компоненту сигнала рассогласования дополнительным усилением при положительной полярности масштабированного разностного сигнала, полученную дополнительную компоненту вычитают из усиленного сигнала рассогласования и формируют реверсивное исключение дополнительной компоненты при отрицательной полярности масштабированного разностного сигнала, при этом коэффициент масштабирования K=1,1-1,4, а коэффициент дополнительного усиления ΔK=(0,5-0,8)K, где K - коэффициент усиления сигнала рассогласования.
Указанный технический результат достигается и тем, что в известное устройство формирования сигнала управления БПЛА, содержащее последовательно соединенные задатчик сигнала управления, первый блок вычитания и первый усилитель, последовательно соединенные сумматор и противоизгибный фильтр, выход которого является выходом устройства, измеритель угла, выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания, и последовательно соединенные измеритель угловой скорости и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные первый формирователь модульной функции, вход которого соединен с выходом задатчика сигнала управления, второй блок вычитания, блок выделения сигнала положительной полярности, масштабный усилитель с зоной нечувствительности, управляемый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, третий усилитель и третий блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход - со входом сумматора, и второй формирователь модульной функции, вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, а выход - со вторым входом второго блока вычитания.
Действительно, при этом обеспечивается отработка сигналов управления с максимальным качеством в широком диапазоне изменения высоты и скорости полета БПЛА, а также при возникновении отказных ситуаций по угловому рассогласованию.
На чертеже представлена блок-схема устройства формирования сигнала управления угловым движением БПЛА с реализацией способа.
Устройство содержит последовательно соединенные задатчик сигнала управления 1 (ЗСУ), первый блок вычитания 2 (1БВ) и первый усилитель 3 (1У), последовательно соединенные сумматор 4 (С) и противоизгибный фильтр 5 (ПИФ), выход которого является выходом устройства, измеритель угла 6 (ИУ), выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания 2, и последовательно соединенные измеритель угловой скорости 7 (ИУС) и второй усилитель 8 (2У), выход которого соединен со вторым входом сумматора 4, последовательно соединенные первый формирователь модульной функции 9 (1ФМФ), вход которого соединен с выходом задатчика сигнала управления 1, второй блок вычитания 10 (2БВ), блок выделения сигнала положительной полярности 11 (БВСПП), масштабный усилитель с зоной нечувствительности 12 (МУЗН), управляемый ключ 13 (УК), второй вход которого соединен с выходом первого блока вычитания 2, дополнительный третий усилитель 14 (ЗУ) и третий блок вычитания 15 (ЗБВ), второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 3, а выход - со входом сумматора 4, и второй формирователь модульной функции 16 (2ФМФ), вход которого соединен с выходом первого блока вычитания 2, а выход - со вторым входом второго блока вычитания 10.
Устройство формирования сигнала управления угловым движением БПЛА, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
у
Основные каналы сформированы на базе аналоговых звеньев. Сигналы управления φ от задатчика 1 и текущего положения φ от измерителя угла 6 поступают на первый блок вычитания 2, с выхода которого сигнал рассогласования Δφ
1
поступает на первый усилитель 3, который формирует базовую компоненту сигнала управления по рассогласованию u
1
где K - передаточный коэффициент усилителя 3.
2
Компонента сигнала управления по угловой скорости u формируется во втором усилителе 8:
z
где ω - сигнал угловой скорости, получаемый от измерителя угловой скорости 7;
2
K - передаточный коэффициент по угловой скорости второго усилителя 8.
вых
В сумматоре 4 все компоненты сигнала управления суммируются, формируя сигнал u, который фильтруется противоизгибным фильтром 5, вырабатывая выходной сигнал устройства u.
1
2
Значения передаточных коэффициентов K и K определены исходя из условий обеспечения устойчивости переходных процессов с учетом ограничений по упругости конструкции БПЛА. Управляемый переключатель 13 разомкнут.
у
При возникновении высоких значений сигналов управления φ от задатчика 1 и больших начальных значений рассогласований Δφ в блоке 2 устройства, имеющего технические ограничения, возможен срыв устойчивого движения и возникновение отказной ситуации.
у
Предлагаемое техническое решение позволяет исключить возникновение указанной отказной ситуации. Блоки 9 и 16 соответственно выделяют сигналы модульных функций φ и Δφ.
Второй блок вычитания 10 формирует разность полученных сигналов:
а
a
2
1
у
Блок 11 выделяет положительную составляющую  сигнала , свидетельствующую о превышении сигнала |Δφ| над сигналом |φ| и о возможном отказе и срыве процесса управления.
а
2
м
1
Сигнал  усиливается масштабным усилителем 12 с зоной нечувствительности ε и с коэффициентом усиления K=(1,1÷1,4). Сигнал А на выходе масштабного усилителя 12 вызывает коммутацию ключа 13 на замыкание, подключая дополнительную компоненту сигнала управления по рассогласованию Δφ через дополнительный третий усилитель 14 с коэффициентом ΔK к третьему блоку вычитания 15.
1к
На выходе блока 15 формируют сигнал u
1к
Сигнал u поступает на сумматор 4, на выходе которого формируется сигнал и
вых
Сигнал u фильтруется противоизгибным фильтром 5, выход которого является выходным сигналом устройства u.
1
1
1
1
у
1
2
Необходимо отметить, что решение основано на уменьшении общего коэффициента сигнала рассогласования, который при приближении к отказной ситуации становится равным (K-ΔK). При этом ΔK=(0,5÷0,8)·K. Такое решение позволяет находиться в области устойчивости с удалением от границы устойчивости. В дальнейшем при отработке заданного сигнала φ сигнал Δφ уменьшается и становится меньше ε, ключ 13 размыкается, восстанавливая общий передаточный коэффициент по Δφ, равный K, т.е. восстанавливая качество работы устройства. Воспользоваться изменением коэффициента K затруднительно в условиях управления БПЛА с учетом упругих колебаний во избежание выхода за границу области устойчивости.
Все составные операции способа, звенья и блоки устройства формирования сигнала управления могут быть выполнены на современных элементах автоматики и вычислительной техники [3, 4], а также и программно-алгоритмически в бортовых вычислительных машинах БПЛА.
Предложенные способ формирования сигнала управления угловым движением беспилотного летательного аппарата и устройство для его осуществления решают проблему отказных ситуаций.
Источники информации
1. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. / Под ред. Г.С. Бюшгенса. М.: Наука. Физматлит, 1998, с.443.
2. Патент РФ №2338236, кл. G05D 1/08, 10.11.2008 г.
3. В.Б. Смолов. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, с.22, 41.
4. А.У. Ялышев, О.И. Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М., Машиностроение, 1981, с.107, 126.