Устройство управления трехстепенным карданным подвесом

 

Изобретение относится к управлению положением физических тел в пространстве и может быть использовано в гироскопических устройствах, авиационных пилотажных приборах, планетариях, звездных глобусах, моделях звездной сферы, наглядных учебных пособиях и т.п. Цель изобретения - повышение точности управления. Цель достигается за счет того, что в устройство дополнительно введены блок управления знаками, задатчик постоянного сигнала и три коммутатора с соответствующими связями . 2 з.п.ф-лы. 6 ил, 6 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5П5 G 05 В 11/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР, " Т ц@. p-...,„» Фг, ®Цф аЛИРТ Кя

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4620121/24 (22) 12, 12.88 (46) 07.09,91, Бюл. М 33 (72) Е.К, Никонов (53) 62-50(088.8) (56) Бимбас В.А. Кинематические уравнения движения рам динамического стенда полуперевернутой схемы. Сб. Имитаторы и тренажеры, вып, 1, ч. 1, 1973, с. 34-39, рис. 1.

Мс Phall. С,D. Apollo external visual

simulation display sustems. AIAA Paper 1967, М 2, 53, 1-22. Экспресс-информация "Астронавтика и ракетодинамика". 1968, 1Ф 13, рис.5.

Изобретение относится к области управления положением физических тел в пространстве и может быть использовано в гироскопических устройствах, авиационных пилотажных приборах. планетариях, звездных глобусах, моделях звездной сферы, наглядных учебных пособиях и т.п.

Цель изобретения — повышение точности управления .

На фиг. 1 представлена общая блок-схема устройства управления; на фиг. 2, 3— схемы блоков устройства; на фиг. 4 — временные диаграммы (эпюры) работы устройства; на фиг. 5 — графики процессов управления; на фиг. 6 — точностные диаграммы устройства.

Устройство содержит блок 1 задания синусов и косинусов углов поворота рамок подвеса, первый 2, второй 3 и третий 4 коммутаторы, первый 5, второй 6 и третий 7 блоки преобразования в механический поворот, внешнюю 8, среднюю 9 и внутрен„„SU ÄÄ 1675844 А1 (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХСТЕПЕННЫМ КАРДАННЫМ ПОДВЕСОМ (57) Изобретение относится к управлению положением физических тел в пространстве и.может быть использовано в гироскопических устройствах, авиационных пилотажных приборах. планетариях, звездных глобусах, моделях звездной сферы, наглядных учебных пособиях v т.п. Цель изобретения — повышение точности управления. Цель достигается за счет того. что в устройство дополнительно введены блок управления знаками, задатчик постоянного сигнала и три коммутатора с соответствующими связями. 2 з,п.ф-лы, 6 ил, 6 табл. нюю 10 рамки карданного подвеса 11, первый 12, второй 13 и третий 14 датчики синуса и косинуса угла поворота рамки, блок 15 управления знаками и эадатчик 16 ностоянного сигнала.

Коммутатор 2 (3, 4) содержит первый

17 и второй 18 инверторы, релейный элемент 19.

Блок 15 управления знаками содержит блок 20 формирования абсолютного значения, компаратор 21, блок 22 дифференцирования, диодный элемент 23 и триггер 24.

Устройство после включения работает следующим образом.

Для управления физическим телом в пространстве используются синусы и косинусы углов а, Р, у поворота рамок карданного подвеса, которые определяются по известным направляющим косинусам aii, 1, j

= 1, 2, 3, положения тела в отсчетной, например инерциальной, системе координат с помощью уравнений вида

sin/3 = aiz; (1)

cos P =- V 1 — а1 (2)

81п a=- -а13/соя /3; (3)

cos а=- 8«/cos/3; (4)

sin y = -а32/cos /3; (5)

cos ) = -а22/сов р; (6)

Данные уравнения решаются в блоке! задания синусов и косинусов углов поворога рамок подвеса.

Управление положением каждой рамки подвеса осуществляется в соответствии с законом управления, например, по каналу внешней рамки

Л = SIR a COS ав — COS ГХ Sin ав, (7) где Л вЂ” сигнал рассогласования (управляющий сигнал);

sin a, cosa — заданные синус и косинус угла поворота рамки;

sin а„, cos a„измеренные синус и косинус угла поворота рамки.

Поворот рамок подвеса производится до достижения нулевого значения рассогласования Л, т.е, до совпадения заданных и измеренных функциональных сигналов, например sin a„- sin а, cos а„- cos а, в результате обеспечивается положение каждой рамки подвеса, однозначно соответствующего заданному, в неограниченном диапазоне углов поворота.

Закон управления (7) реализуется в блоке 5 (6, 7) преобразования в механический поворот рамки 8 (9, 10), на которой установлен датчик 12 (13, 14) синуса и косинуса угла поворота рамки, выходные сигналы

sin an cos ав которого в виде обратной связи поступают в блок 5 (6, 7).

Как видно из уравнений (3) — (6), может возникать особенность типа деления на нуль при достижении функции cos/3 малых значений

I cosP I <д, (8) т.е. при подходе угла поворота средней рамки к значению

IPI =900 требуются бесконечно большие скорости поворота внешней и внутренней рамок.

Суть этого известного явления "складывания рамок подвеса" заключается в том, что знак функции cos P в уравнении 2 принят всегда постоянным (например, положительным), при прохождении особой области происходит поворот средней рамки на угол

/3 до точки 90" (или - 90 ) и затем возвращение ее в обратном направлении (I /3 I - 0) с одновременным весьма быстрым повороТоМ внешней и, внутренней рамок (угла а и } ) на угол 180". При реальных ограниченных скоростях. поворс.1» рамок реального подвеса v ìåю мг. ". о весьма

55 существенные погрешности управления движением физического тела в виде отклонений движения подвешенного тела от заданного, расчетного.

Матричное уравнение связи направляющих косинусов ал и углов а,/3, у справедливо при двух равноправных комбинациях

А и В знаков тригонометрических функций, указанных в табл, 1, Следовательно, без ущерба для правильности математического описания движения рассматриваемой системы подвеса и тела можно допустить изменение знака функции cos/3, тем самым бесконечно расширить пределы изменения угла/3(сверх традиционных пределов +- 90 ) и не требовать резкого изменения углов а и у на 180 в особой области, обеспечив регуляризацию движения рамок подвеса и устранение разрыва управляющих функций.

При этом система управления как бы переходит из одной области однозначности (лист А) в другую область однозначности (лист В), обеспечивается многолистное управление, Одновременное изменение знаков пяти тригонометрических функций в соответствии с табл. 1. в какой бы момент оно не происходило, не влияет на движение подвешенного тела. Использование этого дополнительно выявленного качества системы позволяет получить определенный выигрыш, например, в точности управления, избавившись от резких поворотов внешней и внутренней рамок.

При вхождении системы в особую область (8), т.е, всякий раз при пересечении извне вовнутрь границы особой области, производится одновременное изменение на противоположные знаков заданных синусов и косинусов углов поворота внешней и внутренней рамок подвеса и косинуса угла поворота средней рамки, r.е, знаков пяти функций:

sin à, cosа, cosp, siny,cosy.

Данное изменение знаков на противоположные подразумевает, что возвращение к "старым" знакам осуществляется при следующем очередном вхождении в область (8).

В результате изменения знака переменной cos/3, которая в этот момент имеет достаточно малое значение, средняя рамка подвеса плавно переходит в область положений I p l > 90О, Внешняя и внутренняя рамки продолжают двигаться также плавно.

Больше изменений знаков не требуется до следующего приближения к особой области, Переключение знаков функций осуществляется с помощью коммутаторов 2 — 4 по команде, поступающей из блока 15 управления знаками, реализующего неравенство

1675844 (8), Величина д области изменения знаков выбирается исходя из минимума максимальной погрешности управления и задается задатчиком 16.

Логика переключения знаков иллюстри- 5 руется временными диаграммами (фиг. 4) траектории прохождения наблюдаемойточки тела через особую область. при этом Um обозначает выходной сигнал m-го блока, На фиг. 4а представлен график изменения иэ- 10 меренного сигнала cos Д с датчика 13, поступающего на вход блока 15 и затем блока

20, на выходе которого формируется абсолютное значение! созр, ("выпрямленный сигнал") (фиг, 4б). На выходе компаратора 15

21 формируются прямоугольные сигналы, соответствующие условию (4) (фиг. 4в). На выходе блока 22 дифференцирования формируются импульсы переднего и заднего фронтов сигнала нахождения в особой обла- 20 сти, т.е. сигналы входа и выхода из особой области (фиг. 4г). С помощью диодного элемента 23 выделяются импульсы вхождения в особую область извне внутрь (фиг. 4д).

Триггер 24 суммирует (считает) входные им- 25 пульсы по модулю два и переключает свои состояния из 0 в 1 и обратно (фиг. 4е), в результате в момент tz формируется так называемый "старый" знак, который был на интервале to..л!. Выходной сигнал с тригге- 30 ра 24 (и блока 15 управления знаками) по- . ступает на управляющий вход коммутатора

3 и далее на обмотку управления релейного элемента 19, который своими перекидными контактами коммутирует прямой и инверти- 35 рованный сигналы тригонометрических функций. На выходе коммутатора 3 формируется коммутированный сигнал cos P», при этом в моменты т1, т .... образуются небольшие скачки, зависящие от величины зоны 40 д и определяющие погрешность предложенного устройства управления.

Точность управления подвесом оценивается погрешностью Л,, равной расстоянию между заданной (ЗТ) и фактической 45 (ФТ) траекториями движения наблюдаемой характерной точки подвешенного тела

Лт = II 3T, ФТ II, Величина погрешности Лт управления зависит от соотношения угловой скорости

50 в вращения подвешенного тела и максимально возможной скорости а»с поворота рамок, а также от углового расстояния

ЛР положения системы до особой точки

Лф =90 — IP I.

На фиг, 5 приведены траектории движе/ ния характерной точки подвешенного тела при конкретных значениях в= 2 /с, в а» - 15О/с: ТО, Т1, Т2, ТЗ, Т5 — траектории, полученные в предложенном устройстве управления, соответствующие параметрал1

Лj3 = 0, 1О, 2О, Зо, 5О; ТО, Т1, Т2. т3, Т5траектории, полученные в устройстве без переключения знаков функций и при тех же

ЛР. т,е. траектории ТЗ и Т5 совпадают для обоих случаев, а для критических параметров погрешности в предложенном устройстве л1еньше.

В табл, 2 и 3 приведены значения погрешностей для подвесов, имеющих максимально возможную скорость поворота рамок й)ма»с =5 /с и Q+a»c = 15 /с, при успо виях движения и = 2О/с, AP = var, без переключения знаков функций. Погрешности

Л т управления оказываются наибольшими при прохождении строго через особую точку (Л/3 = О) и составляют соответственно 35.3 и 12,1 .

Значения погрешностей предложенного устройства управления при идентичных условиях движения приведены в табл. 4 и 5, оказываются наибольшими при прохождении вблизи границы области изменения знаков и составляют соответственно 13,4 и

3,8 при оптимальных значениях величины зоны, равных соответственно 7 и Зо

Диаграмма зависимости погрешности Лт от углового расстояния ЛР приведена на фиг. ба, где I — кривая зависимости Лт (ЛД без переключения знаков; II — кривые зависимости Л, (A/3) для предложенного устройства внутри области изменения знаков, для различных д; Лп — максимальная погрешность, соответствующая устройству без

1 переключения знаков функций; Л вЂ” погрешность, соответствующая недостаточной веt lI личине области (д ); Л вЂ” погрешность, соответствующая черезмерно большой веtt личине области (д ); Л«T — погрешность, соответствующая оптимальной величине области (допт ).

Погрешность Лопт — наименьшая для

t всех вариантов управления; h a»< Л, It

ЛОпт < Л,ЛОпт< Лп.

Рекомендуемые, оптимальные величины д области изменения знаков (области нулевых значений cos P ) в зависимости от максимальной скорости вша„поворота рамок подвеса приведены в табл. 6 и в виде графика на фиг. 6б, Величину д погрешности управления рекомендуется задавать обратно пропорционально максимальной скорости Ила»с °

Формула изобретения

1, Устройство управления трехстепенным карданным подвесом, содержащее

1675844

Таблица 1

inа +cosa

Таблица 2 смаке = 5 Iс

Таблица 3

2о блок задания. синусов и косинусов углов поворота рамок подвеса, первый, второй и третий блоки преобразования в механический поворот, первый, второй и третий датчики синуса и косинуса угла поворота рамки, причем выходы первого, второго и третьего блоков преобразования в механический поворот связаны механически соответственно с внешней, средней и внутренней рамками, карданного подвеса, которые механически связаны соответственно с первым, вторым и третьим датчиками синуса и косинуса угла поворота рамки, первый и второй выходы каждого из которых соединены с первым и вторым информационными входами соответствующего блока преобразования в механический поворот, о т л и ч а ю ще е с я тем, что, с целью повышения точности управления, в него дополнительно введены блок управления знаками, задатчик постоянно "o сигнала, первый, второй и третий коммутаторы, причем первый и второй выходы блока задания синусов и косинусов углов поВороТВ рамок соединены с первым и вторым информационными входами первого коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными входами первого блока преобразования в механический поворот, третий и четвертый выходы блока задания синусов и косинусов углов поворота рамок соединены с первым и вторым информационными входами второго коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными входами второго блока преобразования в механический поворот, пятый и шестой выходы блока задания синусов и косинусов угг ов поворота рамок соВдинены с первым и вторым информационными входами третьего коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с третьим и четвертым информационными

5 входами третьего блока преобразования в механический поворот, второй выход второго датчика синуса и косинуса угла поворота рамки соединен с первым входом блока управления знаками, второй вход которого со1Г единен с выходом задатчика постоянного сигнала, а выход- с управляющими входами первого, второго и третьего коммутаторов, 2,Устройство по и. 1, отл и чаю щеес я тем, что блок управления знаками содер15 жит последовательно соединенные блок формирования абсолютного значения, компаратор, блок дифференцирования, диодный элемент и триггер, выход которого является выходом блока управления знака20 ми, первый. вход которого является входом блока формирования абсолютного значения, а второй вход — вторым входом компаратора.

3. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е25 с я тем, что коммутатор содержит первый и второй инверторы, релейный элемент, первый и второй перекидные контакты которого соединены соответственно с входом и выходом первого инвертора, а третий и четвер30 тый перекидные контакты — с входом и выходом второго инвертора, причем первый и третий перекидные контакты релейного элемента подключены к первому и второму информационным входам коммутатора, об35 мотка управления релейного элемента — к управляющему входу коммутатора, а первый и второй выходы — к первому и второму выходам коммутатора.

Таблица 4 й) =2о/с юмакс =5о/с 0 =7

9,2о

12,4О

Таблица 5 и = 2о/с в„с = 15 "/с О =- 3 о

0,5

Таблица 6

7,2

1о

1,4О

9 3о

3,2

1615844

13,4

3 8о

4п

2 4о

10,7

1,3

6о

7,Цо

01о

1675844

u) /с

= /Х%!

9иг. 6

Составитель В.Пилишкин

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор H.Êîðoëü

Редактор В.Данко

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3001 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5