Система угловой стабилизации

Полезная модель разработана для повышение точности системы угловой стабилизации ракеты в процессе полета на активном участке траектории при вешних возмущениях.

Поставленная цель достигается тем, что в известную систему угловой стабилизации, дополнительно введены: блок вычисления угла атаки, и блок формирования обратной величины управляющего тока по каналу тангажа, содержащий блоки деления и умножения, при чем входы блока вычисления угла атаки 28 соединены с выходами датчиков угла тангажа 1, рыскания 2 и вращения 3 и выходами интегрирующих акселерометров каналов тангажа 4, рыскания 5 и вращения 6, при этом входы первого блока деления 26 блока формирования обратной величины управляющего тока по каналу тангажа соединены с выходом первого сумматора канала тангажа 21, первый вход второго блока деления 27 соединен с выходом первого блока деления 26, а второй вход с выходом первого сумматора канала тангажа 21, выход второго блока деления 27 соединен с первым входом блока умножения 29, выход блока вычисления угла атаки 28 соединен через масштабирующий блок 20 со вторым входом блока умножения 29, выход блока умножения 29 соединен с третьим входом третьего сумматора канала тангажа 25. Этим и достигается повышение точности системы угловой стабилизации ракеты в процессе полета на активном участке траектории при вешних возмущениях.

Полезная модель относится к системам управления и стабилизации летательных аппаратов и может быть использована в управляемых ракетах.

Известна система стабилизации ракеты, включающая два канала тангажа и рыскания автомата угловой стабилизации, причем канал стабилизации угла тангажа входит в состав канала управления нормальным движением, а канал стабилизации угла рыскания - в канал управления боковым движением центра масс летательного аппарата (Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов - М.: Машиностроение, 1990-272 с).

Известна система стабилизации ракеты, содержащая по каналам: тангажа, рыскания, вращения, датчик угла, интегрирующий акселерометр, соединенные с сумматорами через масштабирующие, дифференцирующие и интегрирующие блоки, выходы сумматоров соединены со входами рулевых приводов через сумматор, выходы рулевых приводов соединены с входами органов управления (Дегтярева В.Б., Дубко Ю.В. Системы автоматического управления летательными аппаратами - М.: Машиностроение, 1988-176 с), которая была принята в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатком данной системы угловой стабилизации является низкая точность, обусловленная невозможностью повышения коэффициента передачи алгоритма управления, из-за снижения запасов устойчивости.

Целью предлагаемой модели является повышение точности системы угловой стабилизации ракеты в процессе полета на активном участке траектории при вешних возмущениях.

Поставленная цель достигается тем, что в систему угловой стабилизации содержащую по каналам: тангажа, рыскания, вращения, датчик угла, интегрирующий акселерометр, соединенные с сумматорами через масштабирующие, дифференцирующие и интегрирующие блоки, выходы сумматоров соединены со входами рулевых приводов через сумматор, выходы рулевых приводов соединены с входами органов управления, дополнительно введены: блок вычисления угла атаки, и блок формирования обратной величины управляющего тока по каналу тангажа, содержащий блоки деления и умножения, при чем входы блока вычисления угла атаки соединены с выходами датчиков угла и выходами интегрирующих акселерометров каналов тангажа, рыскания и вращения, при этом входы первого блока деления блока формирования обратной величины управляющего тока по каналу тангажа соединены с выходом первого сумматора канала тангажа, первый вход второго блока деления соединен с выходом первого блока деления, а второй вход с выходом первого сумматора канала тангажа, выход второго блока деления соединен с первым входом блока умножения, выход блока вычисления угла атаки соединен через масштабирующий блок со вторым входом блока умножения, выход блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора канала тангажа.

Функциональная схема системы угловой стабилизации по каналам тангажа, рыскания, вращения представлена на фиг.1 где:

1 - датчик угла тангажа

2 - датчик угла рыскания

3 - датчик угла вращения

4 - интегрирующий акселерометр канала тангажа

5 - интегрирующий акселерометр канала рыскания

6 - интегрирующий акселерометр канала вращения

7 - первый блок вычисления дифференциала

8 - второй блок вычисления дифференциала

9 - блок вычисления интеграла

10 - первый масштабирующий блок

11 - второй масштабирующий блок

12 - третий масштабирующий блок

13 - четвертый масштабирующий блок

14 - пятый масштабирующий блок

15 - шестой масштабирующий блок

16 - седьмой масштабирующий блок

17 - восьмой масштабирующий блок

18 - девятый масштабирующий блок

19 - десятый масштабирующий блок

20 - одиннадцатый масштабирующий блок

21 - первый сумматор

22 - второй сумматор

23 - третий сумматор

24 - четвертый сумматор

25 - пятый сумматор

26 - первый блок деления

27 - второй блок деления

28 - блок вычисления угла атаки

29 - блок умножения

30 - рулевой привод канала тангажа

31 - рулевой привод канала рыскания

32 - рулевой привод канала вращения

33 - управляющий орган канала тангажа

34 - управляющий орган канала рыскания

35 - управляющий орган канала вращения Функциональная схема блока вычисления угла атаки представлена на фиг.2, где:

36 - первый блок вычисления синуса

37 - второй блок вычисления синуса

38 - третий блок вычисления синуса

39 - первый блок вычисления косинуса

40 - второй блок вычисления косинуса

41 - третий блок вычисления косинуса

42 - первый блок умножения

43 - второй блок умножения

44 - третий блок умножения

45 - четвертый блок умножения

46 - пятый блок умножения

47 - шестой блок умножения

48 - седьмой блок умножения

49 - восьмой блок умножения

50 - первый сумматор 51 - второй сумматор

52 - третий сумматор

53 - четвертый сумматор

54 - блок деления

55 - блок вычисления арктангенса

Датчик угла тангажа 1 соединен с первым блоком вычисления дифференциала 7, с блоком вычисления угла атаки и с первым масштабирующим блоком 10, который соединен с сумматором 21, первый блок вычисления дифференциала 7 соединен с седьмым масштабирующим блоком 16, который соединен с сумматором 21, выход которого соединен с сумматором 25, с двумя входами первого блока деления 26 и со вторым входом второго блока деления 27, который соединен с первым входом блока умножения 29, выход первого блока деления 26 соединен с первым входом второго блока деления 27, интегрирующий акселерометр канала тангажа 4, соединен со вторым масштабирующим блоком 11, с блоком вычисления угла атаки и с блоком вычисления интеграла 9, который соединен с восьмым масштабирующим блоком 17, который соединен с сумматором 22, второй масштабирующий блок 11 соединен с сумматором 22, выход которого соединен с сумматором 25, датчик угла рыскания 2 соединен с блоком вычисления угла атаки, с третьим масштабирующим блоком 12 и с четвертым масштабирующим блоком 13, который соединен с девятым масштабирующим блоком 18, выход которого соединен с сумматором 23, выход третьего масштабирующего блока 12 соединен с сумматором 23, интегрирующий акселерометр канала рыскания 5 соединен с пятым масштабирующим блоком 14, который соединен с блоком вычисления угла атаки, датчик угла вращения 3 соединен с блоком вычисления угла атаки, с шестым масштабирующим блоком 15 и со вторым блоком вычисления дифференциала 8, который соединен с девятым масштабирующим блоком 19, выход которого соединен с сумматором 24, выход шестого масштабирующего блока 15 соединен с сумматором 24, интегрирующий акселерометр канала вращения 6 соединен с блоком вычисления угла атаки, выход которого соединен с одиннадцатым масштабирующим блоком 20, выход которого соединен со вторым входом блока умножения 29, выход которого соединен с сумматором 25, выход которого соединен с рулевым приводом канала тангажа 30, который соединен с управляющим органом канала тангажа 33, выход сумматора 23 соединен с рулевым приводом канала рыскания 31, который соединен с управляющим органом канала рыскания 34, выход сумматора 24 соединен с рулевым приводом канала вращения 32, который соединен с управляющим органом канала вращения 35.

Входы первого блока вычисления синуса 36 и первого блока вычисления косинуса 39 соединены с выходом датчика угла тангажа 1, выход первого блока вычисления синуса 36 соединен с со вторым входом пятого блока умножения 46, с первым входом шестого блока умножения 47 и со вторым входом восьмого блока умножения 49, выход первого блока вычисления косинуса 39 соединен со вторым входом первого блока умножения 42, со вторым входом третьего блока умножения 44 и со вторым входом седьмого блока умножения 48, входы второго блока вычисления синуса 37 и второго блока вычисления косинуса 40 соединены с выходом датчика угла рыскания 2, выход второго блока вычисления синуса 37 соединен с первым входом четвертого блока умножения 45, с третьим входом третьего блока умножения 44 и с первым входом пятого блока умножения 46, выход второго блока вычисления косинуса 40 соединен с третьим входом первого блока умножения 42, со вторым входом шестого блока умножения 47 и с первым входом второго блока умножения 43, входы третьего блока вычисления синуса 38 и третьего блока вычисления косинуса 41 соединены с выходом датчика угла вращения 3, выход третьего блока вычисления синуса 38 соединен со вторым входом четвертого блока умножения 45 и со вторым входом второго блока умножения 43, выход третьего блока вычисления косинуса 41 соединен с третьим входом пятого блока умножения 46, с третьим входом шестого блока умножения 47 и с третьим входом седьмого блока умножения 48, первый вход первого блока умножения 42 соединен с выходом интегрирующего акселерометра канала вращения 6 и с первым входом четвертого сумматора 53, первый вход третьего блока умножения 44 соединен с выходом интегрирующего акселерометра канала рыскания 5 и со вторым входом четвертого сумматора 53, первый вход восьмого блока умножения 49 соединен с выходом интегрирующего акселерометра канала тангажа 4 и с первым входом седьмого блока умножения 48, выход которого соединен с третьим входом четвертого сумматора 53, выход первого блока умножения 42 соединен с третьим входом третьего сумматора 52, выход второго блока умножения 43 соединен с первым входом второго сумматора 51, выход третьего блока умножения 44 соединен со вторым входом третьего сумматора 52, выход четвертого блока умножения 45 соединен с первым входом первого сумматора 50, выход пятого блока умножения 46 соединен со вторым входом второго сумматора 51, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора 53, выход шестого блока умножения 47 соединен со вторым входом первого сумматора 50, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора 53, выход которого соединен со вторым входом блока деления 54, выход восьмого блока умножения 49 соединен с первым входом третьего сумматора 52, выход которого соединен с первым входом блока деления 54, выход которого соединен со входом блока вычисления арктангенса 55, выход которого соединен со входом одиннадцатого масштабирующего блока 20.

Система угловой стабилизации по каналам тангажа, рыскания и вращения работает таким образом: на выходе сумматора 21 образуется управляющий сигнал путем суммирования сигнала с датчика угла тангажа 1, прошедшего через масштабирующий блок 10, с сигналом прошедшим через блок вычисления дифференциала. Сигнал управления поступает на сумматор 25, где суммируется с сигналом , поступающим через масштабирующий блок 17 с блока вычисления интеграла 9 от интегрирующего акселерометра канала тангажа. Одновременно сигнал с выхода сумматора 21 поступает на оба входа блока деления 26, для получения единичного сигнала, и на второй вход блока деления 27, для формирования обратной величины управляющего сигнала .

На выходе блока вычисления угла атаки 28 образуется величина угла атаки , которая через масштабирующий блок 20 поступает на вход блока умножения, на выходе которого получается сигнал , который в свою очередь поступает на сумматор 25.

На сумматоре 25 образуется сумма сигналов которая поступает на рулевой привод 30, а затем на управляющий орган 33.

Вычисление величины угла атаки в блоке 28 происходит по зависимостям:

V_x1=V_x0coscos+V_y0sin-V_z0cossin,

V_y1=V_x0(sinsin-sincoscos)+V_y0coscos+

+V_z0(cossin+sinsincos)

V_z1=V_x0(sincossin+sincos)-V_y0cossin+

+V_z0(coscos-sinsinsin)

Таким образом, в предлагаемой схеме реализуется комбинированный принцип управления по отклонению и возмущению, так как величина угла атаки прямо пропорциональна действующему на объект возмущению.

Моделирование в Matlab Simulink показало отставание угла тангажа от угла атаки, что является важным для повышения точности системы угловой стабилизации в процессе полета на активном участке траектории, аэродинамически неустойчивой ракеты, с учетом ограничения скоростной характеристики рулевой машины и рулевого привода.

1. Система угловой стабилизации, содержащая по каналам тангажа, рыскания, вращения датчик угла, интегрирующий акселерометр, соединенные с сумматором через масштабирующие, дифференцирующие и интегрирующие блоки, выходы сумматоров соединены со входами рулевых приводов через сумматор, выходы рулевых приводов соединены с входами управляющих органов, при этом выход датчика угла по каждому каналу соединен со входом дифференцирующего и первого масштабирующего блоков, выход дифференцирующего блока соединен со входом второго масштабирующего блока, выходы масштабирующих блоков соединены со входами первого сумматора, выход интегрирующего акселерометра по каждому каналу соединен с входами интегрирующего и третьего масштабирующего блоков, выход интегрирующего блока соединен со входом четвертого масштабирующего блока, выходы третьего и четвертого масштабирующих блоков соединены со входами второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров соединены через третий сумматор с входом рулевого привода по каждому каналу, выход рулевого привода каждого канала соединен с входом управляющего органа каждого канала, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок вычисления угла атаки, входы которого соединены с выходами датчиков угла и выходами интегрирующих акселерометров каналов тангажа, рыскания и вращения, и блок формирования обратной величины управляющего тока по каналу тангажа, содержащий блоки деления и умножения, при этом входы первого блока деления соединены с выходом первого сумматора канала тангажа, первый вход второго блока деления соединен с выходом первого блока деления, а второй вход с выходом первого сумматора канала тангажа, выход второго блока деления соединен с первым входом блока умножения, выход блока вычисления угла атаки соединен через масштабирующий блок со вторым входом блока умножения, выход блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора канала тангажа.

2. Система угловой стабилизации по п.1, отличающаяся тем, что блок вычисления угла атаки содержит три блока вычисления синуса, три блока вычисления косинуса, восемь блоков умножения, четыре сумматора, блок деления, блок вычисления арктангенса, при этом выход датчика угла тангажа соединен с входом первого блока вычисления синуса и с входом первого блока вычисления косинуса, выход датчика угла рыскания соединен со входом второго блока вычисления синуса и со входом второго блока вычисления косинуса, выход датчика угла вращения соединен со входом третьего блока вычисления синуса и со входом третьего блока вычисления косинуса, выход первого блока вычисления синуса соединен со вторым входом восьмого блока умножения, с первым входом шестого блока умножения и со вторым входом пятого блока умножения, выход первого блока вычисления косинуса соединен со вторым входом третьего блока умножения, со вторым входом первого блока умножения и со вторым входом седьмого блока умножения, выход второго блока вычисления синуса соединен с третьим входом третьего блока умножения, с первым входом четвертого блока умножения и с первым входом пятого блока умножения, выход второго блока вычисления косинуса соединен с третьим входом первого блока умножения, со вторым входом шестого блока умножения и с первым входом второго блока умножения, выход третьего блока вычисления синуса соединен со вторым входом четвертого блока умножения и со вторым входом второго блока умножения, выход третьего блока вычисления косинуса соединен с третьим входом пятого блока умножения, с третьим входом шестого блока умножения и с третьим входом седьмого блока умножения, выход интегрирующего акселерометра канала вращения соединен с первым входом первого блока умножения и с первым входом четвертого сумматора, выход интегрирующего акселерометра канала рыскания соединен с первым входом третьего блока умножения и со вторым входом четвертого сумматора, выход интегрирующего акселерометра канала тангажа соединен с первым входом восьмого блока умножения и с первым входом седьмого блока умножения, выход первого блока умножения соединен с третьим входом третьего сумматора, выход второго блока умножения соединен с первым входом второго сумматора, выход третьего блока умножения соединен со вторым отрицательным входом третьего сумматора, выход четвертого блока умножения соединен с первым входом первого сумматора, выход пятого блока умножения соединен со вторым входом второго сумматора, выход шестого блока умножения соединен со вторым отрицательным входом первого сумматора, выход седьмого блока умножения соединен с третьим входом четвертого сумматора, выход восьмого блока умножения соединен с первым входом третьего сумматора, выход первого сумматора соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора соединен с первым входом блока деления, выход четвертого сумматора соединен со вторым входом блока деления, выход блока деления соединен со входом блока вычисления арктангенса, выход блока вычисления арктангенса соединен со входом масштабирующего блока.