Константинов М.С., Каменков Е.Ф., Перелыгин Б.П., Безвербый В.К. Механика космического полета (1989) (1246269), страница 74
Текст из файла (страница 74)
В момент входа угол атаки а,=а,,„=30' и поддерживается постояв. ным вплоть до момента достижения перегрузкой допустимого значения (п=п ), после чего угол атаки уменьшается до а;„ для поддержания перегрузки СА на допустимом уровне и= е и =сопз1.
Такой алгоритм входа позволяет сместить нижнюю границу по сравнению с ее положением при а=7'=сопз1 на 11 км (г',„=13 км/с), на 6 км ($'„=16 км/с) и на 4,2 км (г',„=18 км/с). Результаты расчетов на ЭВМ приведены па рис. 9.10. ГЛАВА 1О.метОды упРАВления дВижением СПУСКАЕМЫХ АППАРАТОВ Система управления спуском — зто комплекс устройств, предназначенных для организации управления аппаратом в процессе спуска. Задача управления СА в атмосфере состоит в том, чтобы перевести аппарат из заданной точки пространства, лежащей на условной границе атмосферы и имеющей определенные фазовые координаты, в заШанную точку на поверхнос. ти планеты или в какую-либо другую точку при наличии ограничений на параметры движения СА в процессе спуска.
1О.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПУСКОМ (СУС) Задачу приведения СА в заданную точку посадки можно разделить на три функционально связанных друг с другом алгоритма. 1. Навигационный алгоритм, предназначенный для определения текущих значений кинематических параметров движения аппарата на основе априорной информации и показаний измерительных устройств. 2. Алгоритм управления, осуществляющий процесс формирования углового движения СА для получения необходимого изменения (или ориентации) вектора подъемной силы СА. 3. Алгоритм стабилизации, реализующий управление движением СА относительно центра масс и обеспечивающий отклонение в допустимых пределах фактического углового движения аппарата от движения, формируемого алгоритмом управления.
Структурная схема СУС приведена на рис. 10.1. Общая задача управления спуском, как правило, разбивается на две самостоятельные задачи. 1. Выбор номинальной траектории и соответствующей ей программы управления. Под номинальной траекторией понимается траектория, удовлетворяющая всем поставленным требованиям и ограничениям. 14~ з79 Г ь И о М н > ж ж Ю Ю 3 О й Ю и с> Й Ф х о к О О. » Ы $" > О. о о ы а 2. Анализ возмущенного движения СА. К основным возмущениям, действующим на СА в процессе спуска, относятся [9): 1) возмущения по начальным условиям входа: ошибки по утлу и скорости входа, а также по координатам точки входа; 2) возмущения, вызванные неточным знанием массовых, геометрических и аэродинамических характеристик СА; 3) возмущения, вызванные неточным знанием характеристик атмосферы (изменение плотности по высоте), а также турбулентностью атмосферы и т.
д.; 4) приборные погрешности СУС (ошибки чувствительных элементов, средств обработки информации, исполнительных органов и т. д.). Вследствие значительного различия времени длинно- и короткопериодических колебаний СА при спуске в атмосфере влиянием последних на первые при проведении приближенных расчетов можно пренебречь и при анализе траекторий СА рассматривать как материальную точку. В настоящее время СУС современных аппаратов в основном построены на использовании управления эффективным аэродинамическим качеством путем разворотов аппарата по углу крена (у-управление) при постоянном балансировочном угле атаки (аггел).
Поворот продольной оси СА вокруг вектора скорости на угол крена у приводит к изменению вертикальной составляющей полного аэродинамического качества СА — К, т. е. К.Фф = К соз 7, и вертикальной составляющей подъемной силы аппарата, что позволяет управлять продольной дальностью полета СА. При однопараметрическом управлении по углу крена управление продольной и боковой дальностями спуска осуществляется путем использования модуля и знака угла крена, причем, как правило, модуль угла крена используется для управления продольной дальностью спуска, а знак — для ликвидации относительно небольших боковых отклонений. Классификацию СУС можно провести по некоторым общим признакам. В работе 19) приведена классификация СУС, на наш взгляд, наиболее полно отражающая ее характерные признаки. 1.
По структуре используемых алгоритмов управления и принципу синтеза можно рассматривать СУС: с использованием заранее рассчитанных программных зависимостей (управление относительно опорной траектории); с прогнозированием точки посадки; смешанного типа, когда по результатам прогноза точки посадки выбирается опорная траектория. 2. По использованию информации: 381 автономные; командного наведения с Земли или спутника; полуавтономные или комбинированные; с использованием высокоточных методов наведения СА в точку посадки на конечном участке (самонаведение, по опорному направлению и т. д.). 3. По способу управления: с непрерывным управлением; с дискретным корректированием траектории в некоторых характерных точках.
4. По роли человека в управлении полетом: автоматические; ручные; смешанного типа. 5. По характеру обработки информации: с простейшей обработкой; с использованием специализированных вычислителей или бортовых вычислительных комплексов. 6. По типу расположения чувствительных элементов: с использованием гиростабилизированных платформ; с чувствительными элементами, жестко связанными с корпусом СА. Каждая СУС имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения обеспечения требуемой точности, надежности работы, массовых характеристик, информационного обеспечения, простоты тактической реализации и т. д.
Наиболее распространенными в настоящее время являются автономные СУС с использованием командного наведения с Земли на конечном участке. Для аппаратов многоразового использования широкое применение получили СУС, основанные на использовании бортовых цифровых вычислительных комплексов (БЦВК). Структура управления спуском при использовании БЦВК очень гибка и позволяет в процессе полета получить значительный объем информации па борту и сформировать многошаговые адаптивные алгоритмы управления спуском. Всю траекторию спуска, как правило, разбивают на несколько характерных участков, на каждом из которых СУС решает специфические задачи.
Первым участком является участок от точки входа СА в атмосферу до точки достижения максимального значения ограничиваемого параметра (теплового потока, перегрузки и т. д.). На втором участке выдерживаются заданные ограничения на параметры движения СА. На основном участке спуска производится управление по продольной дальности и в боковом направлении.
На последнем участке обеспечивается всчход на заданнсче условия по высоте, скорости, углу наклона и траектории, дальности до точки посадки и т. д, Такой метод управле- 382 ния позволяет упростить решения сложной технической зада- чи и обеспечить посадку СА в заданную точку с приемлемыми аэродинамическими и тепловыми нагрузками в процессе спу- ска.
10.2. АНАЛИЗ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПУСКОМ Самым простым с точки зрения практической реализации является неуправляемый (баллистический) спуск, однако его основным недостатком является большой разброс точек посадки (до нескольких сотен километров) особенно при спуске в атмосфере, параметры которой могут колебаться от. носительно номинального значения в широких пределах. При управлении СА с использованием номинальной (опорной) траектории параметры движения аппарата по опорной траектории вычисляются заранее и хранятся в бортовом вычислительном устройстве.
Отклонения измеренных значений параметров движения от номинальных используются для формирования управляющего воздействия либо для выбора новой траектории. В бортовом вычислительном устройстве заложены или параметры опорной траектории, или некоторые коэффициенты влияния в функции независимой переменной, в качестве которой может быть время, перегрузка, скорость СА или высота полета. Если систему нелинейных дифференциальных уравнений движения СА, задающих опорную траекторию, записать в виде — "" = г"„(х„, и, т)), (10.1) (где х„(1(л(т) — переменные величины системы; Р~ — заданные функции; ир — управляющие функции; т1 — независимые переменные), то уравнение, связывающее конечное значение отклонения Ьхт регулируемои величины от опорного значения с отклонениями фазовых координат СА бх в текущий момент времени и изменением управляющего воздействия бар от текущего момента до конца траектории, запишется следующим образом: б х (т)ь) = ~ Хт (т1) б х (т)) + ",«„/„"т (т)) б и .
(10.2) м Р При этом, приняв управляющее воздействие кусочно-постоянным и положив конечное отклонение регулируемой величины равным нулю, получим и„(т~) =ига(т))+ ~ ( — "1 б (т)), (10.3) м тдх,„г, где индекс <О» соответствует опорной траектории. 383 Системы управления спуском с отслеживанием номинальной траектории применимы при малых отклонениях фактической траектории от номинальной. В подобного рода СУС в качестве простой, наиболее доступной для измерения информацией является информация от измерения перегрузок, интегралов от перегрузок и времени полета. Одним из возможных вариантов такой системы является СУС, в которой закон изменения аэродинамического качества СА К имеет следующий вид [7~31: (10.4) где ЛК=К вЂ” Ка', Ьрр=рр — Ура, Ли„,=л„,— ихр Л(-=7.— Еа, причем все номинальные значения фазовых координат СА заданы в функции горизонтальной составляющей скорости У„.
Номинальное аэродинамическое качество определяется законом Ка= — К11'ра, 'Кь Кр, Ка — постоянные коэффициенты усиленна системы (передаточные коэффициенты). Использование переменных коэффициентов позволяет более эффективно влиять на процесс управления и, как правило, улучшает характеристики системы [72). Большое развитие получили системы, в которых отслеживание опорной траектории производится на основе линейного прогноза отклонений конечной дальности (1.,) [1, 2, 9) и др. Отклонения точки посадки в продольной плоскости при условии, что с момента времени 1; возмущения не будут действовать, можно записать в виде [9) Ь 7д (1) = " Л х;+ —" Л у;+ — ' Л и; + — ' Л про (105) дх; ' ду; ' дах,.
дрр,. дьр дьд где — , ..., , — — частные производные конечной дальности дха дар,. полета по координатам и скоростям в момент времени гб Лхь ..., Лпр; — отклонения координат и составляющих скорости СА в момент времени 1; от расчетных значений. Если в качестве управляющего параметра использовать угол крена у, то соответствующее управляющее воздействие определяется следующим образом: д Ы1~) = р. д 'р А у = 0. (10.5) др Коэффициент ~ФО вводится для улучшения динамики процесса управления. Методы построения СУС с переменными передаточными коэффициентами системы (функцнями влияния) являются промежуточными между методом отслеживания номинальной траектории н методом прогнозирования точки посадки ([25], [28) и др ).
384 Пусть уравнения движения СА в векторной форме имеют вид: — =г (х, и, ~1), (10.7) дч где и — скалярное управляющее воздействие; х — вектор фазовых координат СА; г" — вектор-функция фазовых координат и управляющего воздействия. Используя метод сопряженных уравнений Блисса 11), значения для вариации составляющей вектора х в конечный момент времени Т можно записать следующим образом: бх,(Т) = ) (). "'г(Т, т)Ь(т)) ои(т)с(т+Х и'г(Т, Ц) б х((), 16 (10.8) где Х цтЦТ, 1,) — вектор функций влияния, определяемых при решении системы сопряженных уравнений; вектор б(1) состав- дР; лен из производных — '(х,((), и,(()).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
