Полезная модель рф 50011

Полезная модель относится к функциональным устройствам для бортовых систем управления беспилотными летательными аппаратами. Технической задачей изобретения является достижение устойчивости процесса итераций и ограничение диапазона разброса значений углов атаки при расчете. В устройство, содержащее задатчик сигнала коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя и блок вычитания, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, и последовательно соединенные квантователь, вход которого соединен с выходом второго блока деления, и блок формирования сигнала степенной функции, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, введен нелинейный элемент с ограничением, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход является выходом устройства.

Полезная модель относится к функциональным устройствам для бортовых систем управления беспилотными летательными аппаратами.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство формирования сигнала алгебраической функции с переменной N-го порядка в знаменателе для систем автоматического управления летательными аппаратами [1], основанное на его вычислении по итерационной математической зависимости вида , где _i, _i+1 - значения угла атаки на i-ом и на (i+1)-ом шагах, А - коэффициент числителя - параметр, характеризующий вес, вертикальную перегрузку и компоненту подъемной силы при =0, В - коэффициент знаменателя - параметр, характеризующий производную коэффициента подъемной силы по углу атаки. Устройство содержит задатчик сигнала коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя и блок вычитания, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, а выход является выходом устройства, и последовательно соединенные квантователь, вход которого соединен с выходом второго блока деления, и блок формирования сигнала степенной функции, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания.

Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются

- устройство для автономного формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, основанное на его вычислении по итерационной математической зависимости вида , где _i, _i+1 - значения угла атаки на i-ом и на (i+1)-ом шагах, А - коэффициент числителя - параметр, характеризующий вес, вертикальную перегрузку и компоненту подъемной силы при =0, B - коэффициент знаменателя - параметр, характеризующий производную коэффициента подъемной силы по углу атаки, содержит задатчик сигнала коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя и блок вычитания, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, и последовательно соединенные квантователь, вход которого соединен с выходом второго блока деления, и блок формирования сигнала степенной функции, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания.

В процессе полета летательного аппарата в связи с отсутствием, датчиков, непосредственно измеряющих угол атаки, значение этого угла (балансировочное значение _бал.; текущее _t) вычисляется, например, в системе управления летательного аппарата - для ограничения перегрузки, для оценки динамических характеристик ЛА по результатам телеметрических измерений и т.д. В соответствии, например, с [2, 3], угол атаки может быть рассчитан на основе знания веса летательного аппарата, перегрузки в процессе полета и аэродинамической характеристики - коэффициента подъемной силы. Последний при этом имеет сложную математическую зависимость от . С достаточной степенью точности значение может быть определено на основе метода итерации, включающем в себя

последовательное вычисление переменной на следующем шаге по значению переменной на предыдущем в соответствии со следующей математической зависимостью, содержащей в знаменателе степенную функцию:

где _i, _i+1 - значения угла атаки, соответственно, на i-ом и на (i+1)-м шагах.

В формуле (1)

А - параметр, характеризующий вес летательного аппарата, его вертикальную перегрузку и компоненту подъемной силы при =0;

В - параметр, характеризующий первую производную коэффициента подъемной силы летательного аппарата по .

Недостатком известного устройства является возможная неустойчивость процесса итерации и невысокая точность, причем погрешность возрастает с ростом значений угла атаки.

Анализ зависимости (1) показывает, что при определенном соотношении параметров А и В возможна неустойчивость процесса итерации. Процесс итерации при i определяет корректное действительное значение корня алгебраического уравнения на основе (1). Действительно, например, при знаменателе для в первой степени алгебраическое выражение для (1) разрешимо относительно :

Из (2) получается алгебраическое уравнение второго порядка:

корнями которого являются:

При

корни _1,2 по (4) являются комплексными, т.е. действительного решения уравнения (3) не существует.

Непосредственный анализ (2) при выполнении условия (5) показывает, что итерационный процесс носит расходящийся характер как при ₀=0, так и при ₀0.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является достижение устойчивости процесса итераций, а также ограничение диапазона разброса значений углов атаки при расчете, поскольку реально необходимый рабочий диапазон углов ограничен. Это в свою очередь повышает качество управления летательным аппаратом и повышает вероятность невыхода режимов полета за ограничения по прочности.

Из (5) видна возможность достижения устойчивого решения. А именно: должно быть выполнено условие

Введем коэффициент итерации К_um так, чтобы

Тогда коэффициент К_um, соответствующий устойчивому процессу, определяется как:

Необходимо отметить, что в реальных условиях в связи с нестационарностью характеристик летательного аппарата имеет место диапазон значений A(t) и В (t) т.е.

и

Соответственно, выбор коэффициента К _um должен соответствовать всем сочетаниям А и В:

или, для большей надежности:

с учетом того, что параметры A(t) и B(t) некоррелированы.

Для математического представления процесса вычисления угла летательного аппарата на основе формулы (1), т.е. при второй степени переменной в знаменателе, К_um определяется эмпирически как

а с учетом (11) и введением коэффициента запаса К_зап=(1,1÷1,5)

Таким образом, принцип решения поставленной задачи состоит в том, что новый числитель A₁ формируется посредством уменьшения А в К_um раз:

и далее ведется итерационный процесс по уменьшенной переменной

а для выходной переменной увеличивается, соответственно, в указанное К_um раз уменьшенная итерационная переменная, т.е.

При этом, как и в устройстве - прототипе, для итерационного процесса введено квантование по времени от i-го шага к (i+1)-му шагу и запоминание квантованного сигнала.

Указанные приемы необходимы для реализации предлагаемого устройства. Следует отметить также, что реально необходимый рабочий диапазон углов ограничен. Поэтому введено соответствующее ограничение выходного сигнала.

Таким образом, для решения названной технической задачи в устройство автономного формирования сигнала алгебраической функции с переменной N-го порядка в знаменателе для систем автоматического управления летательными аппаратами, основанном на его вычислении по итерационной математической зависимости вида где _i, _i+1 - значения сигнала на i-ом и на (i+1)-ом шагах, А - коэффициент числителя, В - коэффициент знаменателя, содержащем задатчик сигнала коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя и блок вычитания, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, и последовательно соединенные квантователь, вход которого соединен с выходом второго блока деления, и блок формирования сигнала степенной функции, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, введен нелинейный элемент с ограничением, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход является выходом устройства, а также тем, что коэффициент усиления задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации К _um соответствует значению устойчивого процесса

итерации и равен где К_зап - коэффициент запаса, А _mах - максимальное значение коэффициента числителя А из реального диапазона значений, В_min - минимальное значение коэффициента знаменателя из реального диапазона значений.

Нелинейный элемент с ограничением представляет собой общеизвестную схему на операционном усилителе с стабилетронами, регулирующими уровень ограничений [4].

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются введение нелинейного элемента с ограничением, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход является выходом устройства, а также задание величины коэффициента усиления задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации К_um соответствующей значению, обеспечивающему устойчивость процесса итерации и равной K_зап - коэффициент запаса, А _mах - максимальное значение коэффициента числителя А из реального диапазона значений, В_min - минимальное значение коэффициента знаменателя из реального диапазона значений.

При этом, как показывают результаты проведенного математического моделирования, достигается устойчивость процесса итераций, а также ограничивается диапазон разброса значений углов атаки. Это в свою очередь повышает качество управления летательным аппаратом и повышает вероятность невыхода режимов полета за ограничения по прочности.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 представлена структурная схема блока формирования сигнала степенной функции.

Устройство автономного формирования сигнала угла атаки летательного аппарата (Фиг.1) содержит задатчик сигнала коэффициента числителя 1, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя 2 и блок вычитания 3, последовательно соединенные задатчик

опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации 4, первый блок деления 5, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя 1, второй блок деления 6, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания 3, блок умножения 7, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации 4 и нелинейный элемент с ограничением 8, выход которого является выходом устройства, и последовательно соединенные квантователь 9, вход которого соединен с выходом второго блока деления 6, и блок формирования сигнала степенной функции 10, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания 3.

Блок формирования сигнала степенной функции 10 (Фиг.2) содержит задатчик единичного сигнала 11 и два последовательно соединенные устройства умножения 12 и 13, причем вход блока соединен также со вторым входом второго устройства умножения 13, а второй вход первого устройства умножения 12 соединен с выходом задатчика единичного сигнала 11.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы, соответствующие параметрам А и В, задаются блоками 1 и 2. Сигнал К _um, необходимый для обеспечения устойчивости процесса итерации, определен (выставлен) в блоке 4, что обеспечивает в дальнейшем требуемое изменение сигнала числителя - на выходе блока 5 формируется сигнал Соответственно, в дальнейшем восстановление результирующего сигнала угла атаки осуществляется посредством умножения в блоке 7 сигнала y=y_i+1 с выхода блока 6 на сигнал К _um с выхода блока 4. В блоке 6 формируется сигнал итерации с учетом начального значения y_о=0 посредством деления сигнала A₁ на сигнал (B-у _i²}. Сигнал у_i+1 формируется следующим образом. На выходе квантователя 9 имеем сигнал y_i, тогда сигнал на выходе блока 6:

При этом частота квантования в квантователе 9 специально не регламентируется, так как может быть невысокой для летательного аппарата (изменение массы летательного аппарата и аэродинамических характеристик достаточно медленное) и может определяться тактом реальной БЦВМ на борту летательного аппарата.

Сигнал степенной функции у_i² формируется блоком 10. С учетом того, что У_o=0, на выходе блока вычитания 3 сигнал равен В-у²_i.

На выходе нелинейного элемента с ограничением 8 формируется выходной сигнал устройства :

где _огр - уровень ограничения, определенный реально допустимым значением угла атаки летательного аппарата.

Положительный эффект разработанного устройства подтвержден непосредственно математическим анализом и результатами математического моделирования.

Все звенья для реализации устройства являются стандартными и могут быть реализованы на элементах автоматики и вычислительной техники, а также в БЦВМ летательного аппарата. При этом квантователь 9 назван по [1, 6] и включает в себя собственно квантователь и фиксатор (экстраполятор нулевого порядка) квантованного сигнала.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обеспечить устойчивость процесса итерации, требуемую точность и ограничение выходного сигнала.

Источники информации:

1. Способ формирования сигнала алгебраической функции с переменной N-го порядка в знаменателе для систем автоматического управления летательным аппаратом и устройство для его осуществления. Патент №2242797 по заявке №2003113005/09 от 07.05.2003.

2. Аэродинамика, устойчивость и управляемость сверхзвуковых самолетов. Под ред. Г.С.Бюшгенса. М.: Наука, Физматлит, 1998, с.723.

3. А.А.Лебедев, Л.С.Чернобровкин. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973, с.147, 281.

4. А.У.Ялышев, О.И.Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М.: Машиностроение, 1981, с.103.

5. В.Б.Смолов. Функциональные преобразователи информации. Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1981, с.53.

6. Б.Куо. Теория и проектирование цифровых систем управления. Перевод с англ. М.: Машиностроение, 1986, с.26-29.

Устройство автономного формирования сигнала угла атаки летательного аппарата, основанное на его вычислении по итерационной математической зависимости вида

где _i, _i+1 - значения угла атаки на i-м и на (i+1)-м шагах;

А - коэффициент числителя - параметр, характеризующий вес, вертикальную перегрузку и компоненту подъемной силы при =0;

B - коэффициент знаменателя - параметр, характеризующий производную коэффициента подъемной силы по углу атаки,

содержащее задатчик сигнала коэффициента числителя, последовательно соединенные задатчик сигнала коэффициента знаменателя и блок вычитания, последовательно соединенные задатчик опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, первый блок деления, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала коэффициента числителя, второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычитания, блок умножения, второй вход которого соединен с выходом задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации, и последовательно соединенные квантователь, вход которого соединен с выходом второго блока деления, и блок формирования сигнала степенной функции, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, отличающееся тем, что оно содержит нелинейный элемент с ограничением, вход которого соединен с выходом блока умножения, а выход является выходом устройства, а также тем, что коэффициент усиления задатчика опорного сигнала коэффициента устойчивой итерации К_ит соответствует значению устойчивого процесса итерации и равен

где К_зап - коэффициент запаса;

А_max - максимальное значение коэффициента числителя А из реального диапазона значений;

В _min - минимальное значение коэффициента знаменателя из реального диапазона значений.