Робастный автопилот канала тангажа

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РОБАСТНЫЙ АВТОПИЛОТ КАНАЛА ТАНГАЖА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Малкин Виталий Александрович Гриднев Юрий Васильевич Пальцев Александр Николаевич Цанава Андрей Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Робастный автопилот канала тангажа, содержащий программный датчик угла тангажа,первый блок разности, сервопривод, выход которого управляет рулем высоты летательного аппарата, с которым жестко связаны датчик угла атаки и датчик угла тангажа, выход которого по внешней цепи обратной связи соединен со вторым входом первого блока разности и входом датчика угловой скорости тангажа, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные первый усилитель, второй блок разности, второй усилитель, интегратор, третий блок разности, третий усилитель, выход которого соединен с входом рулевого привода, выход датчика угла атаки через четвертый усилитель соединен с первым входом сумматора и напрямую соединен со вторым входом второго блока разности, а также соединен с входом дифференцирующего устройства, выход которого соединен с первым входом переключателя, выход переключателя через пятый усилитель соединен со вторым входом сумматора и этот же выход переключателя через корректирующий фильтр соединен с третьим входом сумматора, выход которого соединен со вторым входом третьего блока разности, выход датчика угла тангажа летательного аппарата соединен с входом датчика угловой скорости тангажа, выход которого соединен с вторым входом переключателя.(56) 1. Патент 2272747, 2004. 2. Макимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоуправление ракетами. - М. Советское радио. С. 264, 265, 266, рис. 7.10 (прототип). 3. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Цикл лекций. - М. Машиностроение, 2004. - 576 с. Полезная модель относится к авиационному приборостроению и касается создания автопилотов для стабилизации заданного угла тангажа летательного аппарата (ЛА). Общеизвестен принцип построения автопилотов для угловой стабилизации полета ЛА, согласно которому управляющее воздействие на сервопривод формируется на основе сигнала ошибки, представляющего собой разность 3 между заданным углом тангажа 3 от программного устройства и измеренным угломот датчика угла тангажа. К сигналу ошибки прибавляются сигналы других датчиков, и весь этот сложный сигнал преобразуется в различных линейных и нелинейных устройствах, усиливается и подается на рулевой привод (сервопривод), приводящий в действие руль высоты. Такой сложный сигнал на входе сервопривода позволяет получить высокое быстродействие замкнутого следящего контура канала тангажа, плавность переходного процесса и большой запас устойчивости. Известен адаптивный автопилот угла крена 1, который включает классический автопилот с эталонной моделью. Схема автопилота состоит из последовательно соединенных датчика угла крена, двух схем разности с усилителем, комбинированного контура настройки, сервопривода. Данный автопилот позволяет с помощью комбинированного контура настройки с моделью формировать сложный сигнал управления на входе рулевого привода канала тангажа. При таком сигнале управления обеспечивается требуемая динамическая точность управления автопилотом по углу крена в широком диапазоне изменения параметров ЛА. Недостатком указанного аналога является техническая сложность эталонной модели комбинированного контура самонастройки. Динамические цепи модели и контура увеличивают время адаптации (подстройки) параметров автопилота под эталонную модель, что отрицательно сказывается на переходных процессах автопилота. Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту, его прототипом,принимается автопилот канала тангажа, описанный в 2. Данный прототип состоит из последовательно соединенных первой схемы разности, регулятора, второй схемы разности,сумматора, интегратора и двух цепей обратной связи. Внешняя цепь обратной связи соединяет выход датчика угла тангажа ЛА со вторым входом первой схемы разности, а внутренняя цепь соединяет выход датчика угловой скорости тангажа ЛА через усилитель со вторым входом второй схемы разности. Данный автопилот за счет внутренней цепи автоподстройки - цепи демпфирования и внешней основной цепи обеспечивает полет ЛА с заданными точностными характеристиками в соответствии с программой изменения угла тангажа. Работа данного автопилота определяется следующим. Программный угол тангажа поступает на первый вход первой схемы разности, а на второй вход этой схемы с выхода автопилота поступает измеренный угол тангажа ЛА. На выходе первой схемы разности формируется сигнал ошибки 3, который проходит через автопилот, и на выходе автопилота будет сигнал. Этот сигнал проходит через вторую схему разности, на выходе которой формируется сигнал управления для рулевого привода 2 где- оператор Лапласа- угловая скорость ЛА вокруг оси- коэффициент передачи автопилота по положению- коэффициент передачи автопилота по скорости- коэффициент передачи автопилота по угловой скорости. Для конкретного типа планера ЛА с его заданными параметрами оптимальный выбор коэффициентов передачи р, , К автопилота позволяет повысить его точностные характеристики за счет уменьшения ошибок переходного и установившиеся режимов полета ЛА. Недостатком данной схемы автопилота - прототипа - является ухудшение точностных характеристик автопилота с постоянными коэффициентами р, , К при изменении параметров планера ЛА (при замене планера ЛА). Такой автопилот для различных типов ЛА с различными параметрами не обеспечивает минимальные ошибки управления полетом ЛА, что уменьшает возможность его применения в широком диапазоне типов ЛА. Задачей настоящей полезной модели является повышение точностных характеристик автопилота канала тангажа для различных типов планеров ЛА с различными его параметрами за счет обеспечения минимальных ошибок переходного и установившегося режимов управления полетом ЛА. Поставленная задача решается тем, что в робастном автопилоте канала тангажа, содержащем программный датчик угла тангажа, первый блок разности, сервопривод, выход которого управляет рулем высоты летательного аппарата, с которым жестко связаны датчик угла атаки и датчик угла тангажа, выход которого по внешней цепи обратной связи соединен со вторым входом первого блока разности и входом датчика угловой скорости тангажа, дополнительно введены последовательно соединенные первый усилитель, второй блок разности, второй усилитель, интегратор, третий блок разности, третий усилитель,выход которого соединен с входом рулевого привода, выход датчика угла атаки через четвертый усилитель соединен с первым входом сумматора и напрямую соединен со вторым входом второго блока разности, а также соединен с входом дифференцирующего устройства, выход которого соединен с первым входом переключателя, выход переключателя через пятый усилитель соединен со вторым входом сумматора и этот же выход переключателя через корректирующий фильтр соединен с третьим входом сумматора, выход которого соединен со вторым входом третьего блока разности, выход датчика угла тангажа летательного аппарата соединен с входом датчика угловой скорости тангажа, выход которого соединен со вторым входом переключателя. Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что передаточная характеристика с заданными коэффициентами робастного автопилота подстраивается под параметры планера ЛА так, чтобы обеспечить минимальные ошибки переходного и установившегося режимов управления полетом ЛА. Это связано с требованием к оптимальным автопилотам, у которых передаточная характеристика с заданными коэффициентами согласована с параметрами планера ЛА с целью обеспечения минимальных ошибок. Если данный оптимальный автопилот установить на другой тип планера ЛА с другими параметрами, то этот автопилот уже не будет оптимальным. Чтобы сделать его оптимальным,необходимо сделать его адаптивным с автоматической подстройкой передаточной характеристики автопилота под параметры нового планера ЛА. Такое решение реализовано в адаптивных автопилотах с моделью, но техническая сложность модели и увеличение времени переходных процессов при работе автопилота затрудняют их применение в малых беспилотных ЛА. Предлагается робастный автопилот канала тангажа, который прост при технической реализации и является оптимальным для различных малоразмерных планеров ЛА. 3 84042012.08.30 Синтез структуры робастного автопилота канала тангажа производится в соответствии с концепцией обратных задач динамики 3, которая позволяет определить управляющее воздействие на входе сервопривода автопилота. Данное управляющее воздействие находится таким образом, чтобы движение объекта управления (ЛА) из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние происходило по траектории, соответствующей траектории автопилота. При синтезе передаточной характеристики автопилота обеспечивают инвариантность характеристик переходного и установившегося режимов работы автопилота к изменению параметров объекта управления (ЛА). Определим сигнал управления на входе рулевого привода, который обеспечивает близость процессов сигнала угла атакина выходе планера ЛА и сигнала на входе рулевого привода . Выходной процесс автопилота описывается дифференциальным уравнением третьего порядка 3(2) где 0, 1, 2, 3 - коэффициенты уравнения, ,- третья, вторая и первая производные времени сигнала на выходе автопилотавх - сигнал на входе автопилота. Коэффициенты 0, 1, 2 выбираются исходя из требуемых характеристик переходного процесса. В качестве автопилота выбрано звено 3 порядка для канала тангажа. Условием близости двух траекторий автопилотаи планера ЛАпри заданной между ними ошибке ( )( )является, согласно обратной задаче динамики, условие минимумафункционала . Тогда в соответствии с этой теорией дифференциальный сигнал управления на входе сервопривода определяется видом 3,(3) где- коэффициент пропорциональности. После интегрирования соотношения (3) получаем сигнал управления на входе сервопривода .(4) Из уравнения (2) при 31 находим третью производную уравнения траектории автопилота 0 вх 010.(5) Тогда с учетом выполнения условия близости переходного процесса автопилота и планера ЛА можно записать приблизительное равенство между траекториями автопилота и планера ЛА,,,(6) что позволяет уравнение (5) записать в виде(7) После интегрирования уравнения (7) при нулевых начальных условиях получим вторую производную и запишем сигнал управления на входе сервопривода0( вх)12. Для обеспечения требуемой добротности по скорости в прямую цепь необходимо ввести коэффициент усиления 1. Тогда формула (9) принимает вид0(1 вх)12.(10) Согласно полученному уравнению (10), математическая модель предлагаемого робастного автопилота показана на фиг. 1. Данная модель состоит из последовательно соеди 4 84042012.08.30 ненных первой схемы разности канала тангажа, автопилота, который включает последовательно соединенные усилитель с коэффициентом 1, вторую и третью схемы разности,между которыми параллельно включены интегратор с коэффициентом 0 и усилитель с коэффициентом 1, четвертую схему разности, пятую схему разности, выходной усилитель автопилота с коэффициентом , выход которого последовательно соединен с рулевым приводом с коэффициентом РП, с планером ЛА с передаточной характеристикой канала тангажа( )2 122 и передаточной характеристикой преобразования угла атаки в угол тангажа( )В автопилоте кроме прямой цепи имеются три цепи обратной связи самая внутренняя цепь - по угловому ускорению угла атаки, средняя цепь - по угловой скорости угла атаки и внешняя цепь - по углу атаки. Данная схема модели позволяет ослабить зависимость об 2 щей передаточной характеристики автопилота от параметров,,планера летательного аппарата. Это явление доказывается при анализе совместных передаточных характеристик планера ЛА и автопилота. Пусть в составе автопилота существует только внутренний замкнутый контур со второй производной 2 в цепи обратной связи. Тогда в общей передаточной характеристике 2 автопилота отсутствует параметрРПРП,(11) 2 2 12(РП) 12 22122 2 2 гдеРП 12 РП и новая постоянная времени 1 без учета. Пусть в составе автопилота существует второй внутренний замкнутый контур с первой производнойи коэффициентом 2 в цепи обратной связи. Тогда в общей передаточной характеристике автопилота отсутствует параметррпрп 2 где 22 рп 2 222 рп. Пусть в составе автопилота существует третий внутренний замкнутый контур с коэффициент 1 в цепи обратной связи и 0 в прямой цепи. Тогда в общей передаточной характеристике автопилота отсутствует параметр арп 0 0 рп 0(1 рп 1 )2 22212301223 Выражение (10) и соответствующая математическая модель робастного автопилота канала тангажа на фиг. 1 показывают необходимые элементы и связи в схеме автопилота. Такая схема автопилота позволяет обеспечить требуемое качество управления (ошибки переходного и установившегося режимов) каналом тангажа автопилота при изменении характеристик планера ЛА и режимов его полета. На фиг. 2 изображена структурная схема заявляемого робастного автопилота канала тангажа. Робастный автопилот канала тангажа ЛА для управления углом тангажа содержит последовательно соединенные программный датчик угла тангажа 1, первый блок разности 2,первый усилитель 3, второй блок разности 4, второй усилитель 5, интегратор 6, третий блок разности 7, третий усилитель 8, сервопривод 9 с выходом формирования угла откло 5 84042012.08.30 нения руля высоты летательного аппарата 10, датчик угла атаки 11, выход которого через четвертый усилитель 12 соединен с первым входом сумматора 13 и напрямую соединен со вторым входом второго блока разности 4, а также соединен с входом дифференцирующего устройства 14, выход которого соединен с первым входом переключателя 15, выход переключателя через пятый усилитель 16 соединен со вторым входом сумматора 13 и этот же выход переключателя через корректирующий фильтр 17 соединен с третьим входом сумматора 13, выход которого соединен со вторым входом третьего блока разности 7, выход датчика угла тангажа 18 летательного аппарата 10 соединен со вторым входом первого блока разности 2 и входом датчика угловой скорости тангажа 18, выход которого соединен со вторым входом переключателя 15. Робастный автопилот канала тангажа работает следующим образом. Сигнал заданного угла тангажа 3 с выхода программного датчика 1 поступает на первый вход первого блока разности 2, на второй вход которого поступает сигнал текущего угла тангажас выхода датчика угла тангажа 18 летательного аппарата 10. На выходе первого блока разности 2 формируется сигнал разности 3, который поступает на первый усилитель 3 с коэффициентом передачи 14 и с его выхода сигнал 1 поступает на первый вход второго блока разности 4, на второй вход которого с выхода датчика угла атаки 11 поступает сигнал угла атаки . С выхода второго блока разности 4 сигнал (1) проходит через второй усилитель 5 с коэффициентом передачи 0 на вход интегратора 6. Коэффициенты 1 и 0 определяют желаемое время протекания переходного процесса в контуре канала тангажа, причем 0 определяется частотой собственных колебаний автопи лота. Выходной сигнал интегратора 0 (1) подается на третий блок разности 7, на второй вход которого с выхода сумматора 13 подается сигнал корректирующей обратнойсвязи (12) , включающий угол атаки с коэффициентом 1, производную угла атаки с коэффициентом 2 и вторую производную угла атаки. Коэффициенты усиления 2 12,41 м и 2 2,41 м определяются кроме частоты собственных колебаний автопилота м также коэффициентом Баттерворта для характеристического уравнения третьего порядка, что влияет на качество переходного процесса автопилота. Полученный сигнал на выходе третьего блока 7 проходит через третий усилитель 8 с коэффициентом 810 и в качестве управляющего напряжения подается на сервопривод руля высоты 9 в видерв 01 (3)(12) . Для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) класса микро и мини с целью уменьшения веса и простоты технических решений вместо производных угла атакиможет быть использован датчик угловой скорости тангажа 18. При этом переключатель 15 подключает вход усилителя 16 и корректирующий фильтр 17 к выходу датчика угловой скорости тангажа 19. Тогда управляющий сигнал будет равен Для проверки работоспособности и характеристик предлагаемого робастного автопилота канала тангажа разработана его компьютерная модель в программе , которая представлена на фиг. 3. Входными тестовыми сигналами модели являются единичное ступенчатое воздействие - сигнал 1 и сигнал белого шума. В блоке модели 3- 1 собрана схема предлагаемого автопилота согласно выражению (14), выход которого через переключатель соединен с моделью рулевого привода 2. Выход рулевого привода подается на модель формирования передаточной характеристики канала тангажа планера ЛА в виде колебательного звена, в котором можно изменять параметры планера ЛА. На выходе колебательного звена планера ЛА формируется угол атаки , который с помощью - 1 в параллельном вклю 6 84042012.08.30 чении трансформируется в угол тангажа. Все процессы в компьютерной модели контролируются с помощью осциллографа 1, который имеет первый (верхний) вход шумового сигнала, на второй вход поступает входной и выходной сигналы автопилота канала тангажа, на третий вход поступает сигнал с выхода рулевого привода вместе с шумом при включении шума и на четвертый вход поступает сигнал с выхода рулевого привода без шума. Для сравнительной оценки моделей предлагаемого автопилота с существующим прототипом в модели параллельно с робастным автопилотом через переключатель включен автопилот-прототип в виде -. Моделирование проходило в следующей последовательности. На вход модели при заданных параметрах подавался сигнал 1 и для сравнения результатов последовательно включались - прототипа автопилота и предлагаемый робастный автопилот 3- 1. Результаты реакции автопилотов определялись по осциллограммам, на которых горизонтальные оси соответствуют времени, а вертикальные оси - напряжению. На фиг. 4 показан выход автопилота с при 4 и на фиг. 5 - выход автопилота с 3- 1 также при 4. Порядок моделирования повторяется, но только при 8 (увеличениев 2 раза). На фиг. 4 представлены графики переходного процесса автопилота с параллельным ПИД регулятором, на фиг. 5 представлены графики переходного процесса робастного автопилота, на фиг. 6 представлены графики переходного процесса автопилота с параллельным ПИД регулятором при увеличениив 2 раза и на фиг. 7 - графики переходного процесса робастного автопилота при увеличении К в 2 раза. Из фиг. 4, 5, 6 и 7 видно, что в предлагаемом робастном автопилоте переходной процесс на его выходе сохранился при увеличениив 2 раза (расширению полосы канала тангажа), а в автопилоте-прототипе с - при увеличениив 2 раза переходной процесс резко изменился (автопилот почти на грани возбуждения). Аналогичные результаты получены при изменении постоянной времени передаточной характеристики канала тангажа. Результаты моделирования показывают, что робастный автопилот с предложенной схемой сохраняет свои характеристики, а автопилот-прототип нет. Таким образом, предлагаемое новое техническое решение робастного автопилота канала тангажа позволяет обеспечить независимость характеристик переходного процесса в канале тангажа (быстродействие - в соответствии с заданным значением собственной частоты автопилота м и перерегулированием 10 ), а также сохранять эти характеристики при изменении параметров ЛА в диапазоне от 30 до 300 от номинального значения. Кроме того, предлагаемый автопилот обладает робастными свойствами по отношению к внешнему случайному воздействию на входе объекта управления. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.