автоколебательный автопилот управляемого снаряда

Формула изобретения

1. Автоколебательный автопилот управляемого снаряда, содержащий источник питания и последовательно соединенные блок вычитания, нелинейный элемент, усилитель мощности, рулевую машину с управляющим магнитом, датчик обратной связи, отличающийся тем, что в нем нелинейный элемент выполнен в виде последовательно соединенных суммирующего элемента, линейного усилителя-ограничителя и дифференцирующего звена, подключенного выходом к второму входу суммирующего элемента, причем вход суммирующего элемента соединен с выходом блока вычитания, а выход линейного усилителя-ограничителя соединен с входом усилителя мощности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано в рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых снарядов (реактивных, артиллерийских и др.).

Известна релейная автоколебательная система управления (аналог) в сборнике научных трудов Тульского политехнического института [1]

Наиболее близким является известных автоколебательный рулевой привод (прототип) управляемого снаряда 9М117 в техническом описании и инструкции по эксплуатации снаряда [2]

Рулевой привод содержит суммирующее устройство, корректирующий фильтр, триггерное устройство (нелинейный элемент), усилитель мощности, рулевую машину. Сигнал обратной связи по положению рулей, снимаемый с потенциометра обратной связи, кинематически связанного с рулями, поступает на суммирующее устройство. Вследствие наличия отрицательной обратной связи и триггерного устройства рули работают в автоколебательном режиме.

Недостатком известных автоколебательных приводов является их низкая точность отработки импульсных сигналов управления в автопилотах управляемых снарядов при необходимости удержания руля в нулевом положении при отсутствии сигнала управления.

Низкая точность отработки сигнала управления объясняется наличием низкой частоты автоколебаний (40-70 Гц) при сравнительно большой амплитуде (5-8^o).

В функционировании автоколебательных автопилотов с импульсными сигналами управления можно выделить два режима:отработки большого входного ступенчатого воздействия и согласования и удержания нулевого положения при отсутствии на входе автопилота импульсного сигнала управления.

Первый режим характеризуется функционированием автопилота на предельных ускорениях и скоростях, определяющим критерием качества при этом является минимальное время поворота рулей на максимальный угол.

Критерием эффективности в режиме согласования и удержания нулевого положения руля является минимальное время его перемещения с упора в ноль и динамическая и статическая точность удержания рулей в нулевом положении.

Исходя из анализа режимов работы автоколебательного автопилота с импульсным сигналом управления видно, что в режиме отработки большого входного ступенчатого воздействия одним из весомых факторов, влияющих на точность (время отработки) автопилота, является частота автоколебаний. Чем выше частота автоколебаний, тем точность выше. Это определяется тем обстоятельством, в какой фазе колебания поступает импульсный сигнал управления. Он может совпадать с ним ( ошибка во времени от частоты автоколебаний будет нулевой), а также не совпадать с ним максимум на половину периода автоколебаний, что при низкой частоте автоколебаний 30-40 Гц может составить значительную и недопустимую величину, равную 12-16 мс. Кроме того, эта величина является нестабильной во времени, так как зависит от случайного совпадения по времени фазы колебаний и сигнала управления, что также является дополнительным отрицательным фактором.

Для обеспечения точности системы управления управляемого снаряда (обеспечения минимального выбираемого промаха снаряда с головкой самонаведения), а также статической точности удержания нулевого положения рулей автопилота при отсутствии сигналов управления, необходимо иметь минимальную амплитуду автоколебаний рулей, не превосходящую значений, заданных техническими требованиями на снаряд и автопилот (например, не более 3^o на частотах автоколебаний не ниже 60 Гц). Минимальная амплитуда автоколебаний позволит уменьшить также лобовое сопротивление снаряда.

Поскольку линейная часть автоколебательного автопилота является фильтром низкой частоты, то небольшое значение амплитуды колебаний может быть обеспечено за счет повышения частоты автоколебаний (при отсутствии на этих частотах резонансных явлений).

Повышение частоты автоколебаний (уменьшение амплитуды автоколебаний) может быть достигнуто за счет следующих известных мероприятий:

а) применение корректирующих устройств;

б) подавления низкочастотных автоколебаний внешними высокочастотными колебаниями;

в) охвата релейного элемента отрицательной обратной связью через апериодическое звено.

Применение корректирующего устройства не позволяет существенно (в несколько раз) увеличить частоту автоколебаний, недостатком второго мероприятия является необходимость применения дополнительного генератора линеаризирующих колебаний [3]

Недостатком известной релейной автоколебательной системы автоматического регулирования с отрицательной обратной связью вокруг релейного элемента через апериодическое звено [3] является наличие запаздывания автоколебательного контура (релейного усилителя с обратной связью), определяемое величиной зоны неоднозначности релейного усилителя, и неизбежное в релейном усилителе временное запаздывание t.

Целью изобретения является повышение точности отработки автопилотом импульсных сигналов управления за счет уменьшения амплитуды автоколебаний без увеличения массы и габаритов аппаратуры.

На чертеже представлена принципиальная схема автоколебательного автопилота управляемого снаряда.

Автоколебательный автопилот состоит из блока вычитания БВ 1, нелинейного элемента НЭ 2 в составе суммирующего элемента СЭ 3, линейного усилителя - ограничителя ЛУО 4, охваченного положительной обратной связью через дифференцирующее звено ДЗ 5 с передаточной функцией



усилителя мощности УМ 6, рулевой машины 7 в составе управляющего электромагнита УЭМ 8, исполнительного двигателя ИД 9, связанного с рулями, датчика обратной связи ДОС (10), подключенного к сравнивающему входу блока вычитания БВ (1), источника электро- и пневмопитания ИП 11.

Устройство работает следующим образом. В контуре, состоящем из линейного усилителя-ограничителя ЛУО, охваченного положительной обратной связью через дифференцирующее звено ДЗ, устанавливаются автоколебания, частота которых определяется значениями постоянной времени Т дифференцирующего звена, коэффициента К положительной обратной связи, величины ограничения линейного усилителя-ограничителя. Причем частота автоколебаний тем выше, чем меньше значения Т и К.

На выходе нелинейного элемента НЭ устанавливаются прямоугольные колебания 50%-ной скважины (при отсутствии сигнала на входе НЭ) с частотой автоколебаний контура амплитудой, равной величине ограничения усилителя-ограничителя ЛУО. С целью обеспечения на выходе автопилота допустимой амплитуды автоколебаний рулей, например, не более 3^o, частота автоколебаний контура выбирается достаточно высокой, порядка нескольких сотен герц (около 250-300 Гц).

При отсутствии входного сигнала управления U_вх на входе автопилота среднее значение сигнала ошибки на выходе блока вычитания БВ отсутствует (например, при отсутствии шарнирного момента на рулях). Скважность импульсов на выходе нелинейного элемента РЭ составляет 50% якорь управляющего электромагнита и соответственно шток исполнительного двигателя и связанные с ним рули колеблются около нулевого среднего значения с частотой, близкой к частоте колебаний внутреннего генератора-нелинейного элемента НЭ. При этом амплитуда автоколебаний автопилота пренебрежимо мала и является достаточной для линеаризации трения и люфтов механической системы шток исполнительного двигателя рули.

При наличии входного сигнала среднее значение ошибки на выходе блока вычитания БВ не равно нулю, скважность импульсов на выходе нелинейного элемента НЭ отличается от 50% (пропорционально ошибке), соответственно якорь магнита, поршень исполнительного двигателя и рули сместятся на величину ошибки рассогласования, отработав тем самым команду управления, и будут колебаться около нового среднего положения пропорционального команде управления U_вх.

Как показали результаты экспериментальных и теоретических исследований статических и динамических характеристик внутреннего автоколебательного контура (нелинейного элемента НЭ) при отработке сигналов управления, статические характеристики контура имеют вид типа приведенных на рис.XIII.15 стр.48 при s₂ 0 [3] В динамике частотные характеристики контура описываются примерно дифференцирующим звеном с передаточной функцией

W(p)=T_p+1.

Запаздывание в контуре, определяемое величиной ₂ (шириной зоны неоднозначности релейного элемента) [3]отсутствует, так как в предлагаемой схеме автопилота использован линейный усилитель-ограничитель, принципиально не имеющий зоны неоднозначности, охваченный положительной обратной связью через дифференцирующее звено, вместо релейного усилителя с зоной неоднозначности, охваченного отрицательной обратной связью через апериодическое звено, в известной литературе. По этой же причине в предлагаемой схеме отсутствует и временное запаздывание t в релейном усилителе.

Эти достоинства в сочетании с малой амплитудой автоколебаний на высокой частоте позволили обеспечить в предлагаемом автоколебательном автопилоте с импульсными сигналами управления перспективных управляемых снарядов требуемые динамические и точностные характеристики в широком диапазоне изменения шарнирных нагрузок (от пружинной до перекомпенсации) и развиваемых моментов исполнительного пневмодвигателя рулевой машины, использующего энергию набегающего потока сжатого воздуха в широком диапазоне скоростей полета управляемого, например, артиллерийского снаряда с головкой самонаведения.

Таким образом предлагаемое техническое решение по сравнению с известным позволяет увеличить частоту автоколебаний, снизить амплитуду и в результате повысить точность отработки автопилотом импульсных сигналов управления без увеличения массы и габаритов аппаратуры в управляемом снаряде.

Источники информации:

1. Релейная автоколебательная система управления. Сборник научных трудов. Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов, Тульский политехнический институт, Тула, 1990, с.31-36.

2. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда 9М117. Выстрел ЗУБК10 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10.00.00.000 ТО, М. Военное издательство, 1987, с.15-19, рис.11.

3. Теория автоматического регулирования под редакцией В.В.Солодовникова. Кн. 3. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающихся систем автоматического регулирования, ч.II, М. Машиностроение, 1969.