Спосіб формування заданого керуючого моменту при керуванні орієнтацією космічного апарату

Изобретение относится к автоматическому управлению ориентацией космического аппарата и может найти применение для организации прецизионных или оптимальных режимов, когда необходимо формировать управляющий момент, постоянный по величине или изменяющийся по заданному закону во времени. Известен способ (прототип) формирования заданного управляющего момента при управлении ориентацией космического аппарата, где заданная величина управляющего момента равна по абсолютной величине возмущающему моменту и противоположно направлена. Прототип описан в литературе (см. Б.В.Раушенбах, Е.Н.Токарь, Управление ориентацией космических аппаратов, М.: Наука, 1974 г., стр. 82). Этот способ состоит в том, что измеряют угловую скорость космического аппарата (например с помощью датчика угловой скорости), сравнивают эту угловую скорость с заданным значением (например, за счет подачи в датчик угловой скорости сигнала смещения нуля), релейно включают моментный исполнительный орган, которым может быть и ЭМД и реактивные мометные двигатели в том направлении, чтобы формируемый моментным исполнительным органом управляющий момент приводил к отслеживанию измеряемой угловой скорости за заданным значением. В прототипе заданное значение скорости постоянное, т.е. космический аппарат при таком управлении будет вращаться с постоянной угловой скоростью, что означает, что все возмущающие моменты в сумме компенсируются средним значением управляющего момента, развиваемым моментным исполнительным органом. Преимуществом прототипа над аналогом является то, что он применим к любому типу моментных исполнительных органов (не только к ЭМД постоянного тока, как у аналога). Недостатком прототипа является необходимость измерения угловой скорости космического аппарата, что требует использования сложных устройств типа датчиков угловой скорости (например, двухстепенных гироскопов), а также то, что он только позволяет формировать управляющий момент, средняя величина которого равна и противоположно направлена суммарному возмущающему моменту, действующему на космический аппарат. В основу изобретения поставлена задача создания способа формирования заданного управляющего момента при управлении ориентацией космического аппарата, в котором путем формирования управляющего момента с помощью электромаховичного двигателя (ЭМД), измерение скорости вращения его маховика, сравнения ее с формируемой изменяющейся во времени по заданному закону величиной и релейным включением и выключением ЭМД в зависимости от результатов упомянутого сравнения обеспечивается формирование изменяющего во времени по заданному закону управляющего момента, и за счет этого создается возможность организовать прецизионные и оптимальные режимы управления ориентацией космических аппаратов более простым методом (без измерения угловой скорости космического аппарата, а с измерением скорости вращения маховика ЭМД) и при использовании любого типа ЭМД (постоянного тока, асинхронного или гистерезисного). Поставленная задача решается тем, что в способе формирования заданного управляющего момента при управлении ориентацией космического аппарата, содержащем операции сравнения измеряемой величины с заданной и релейным включением электромаховичного двигателя (ЭМД в зависимости от результатов упомянутого сравнения) согласно изобретению в качестве измеряемой величины используют скорость вращения маховика ЭМД, а в качестве заданной величины - изменяемую во времени по заданному закону, зависящему от задаваемого закона изменения во времени управляющего момента, скорость вращения маховика ЭМД, причем начальное значение заданной величины и ее знак формируют равным величине и знаку измеряемой скорости вращения маховика в момент начала формирования заданного управляющего момента. Кроме того, для исключения двусторонних включений ЭМД заданную величину формируют с двумя уровнями и при нахождении измеряемой скорости маховика между упомянутыми уровнями ЭМД выключают. Сущность изобретения поясняется следующим математическим обоснованием. Управляющий момент, прикладываемый со стороны ЭМД и корпусу космического аппарата, равен где My - управляющий момент; і - момент инерции маховика; Ω- скорость вращения маховика; Уравнение (1) отражает третий закон Ньютона (действие равно противодействию) для взаимодействия маховика и корпуса космического аппарата (момент, прикладываемый к корпусу, равен по величине и противоположно направлен моменту, прикладываемому к маховику). Если требуется, чтобы управляющий момент My изменялся во времени по некоторому заданному закону My3(t), то первая производная от скорости Ω согласно (1) должна изменяться во времени по заданному закону Если в момент t = 0 начала формирования управляющего момента он был равен нулю (его не формировали), а угловая скорость уже имела некоторое значение Ωο, то скорость вращения маховика для обеспечения Mys(t) должна изменяться по закону (интегрируем обе части соотношения (2) на интервале времени (0, t) где Ω3(t)-заданная величина скорости вращения маховика ЭМД или окончательно Таким образом, при t = 0Ωз(О) должна равняться Ω0, т.е. скорости вращения маховика в момент начала формирования управляющего момента. В дальнейшем формирование заданной величины угловой скорости маховика Ω3 (t) нужно производить в соответствии с выражением (4) в зависимости от заданного закона изменения во времени управляющего момента My3(t). Рассмотрим несколько частных случаев. Если управляющий момент My3(t) должен быть равен нулю, то формировать Ω3(t) нужно как это следует из (4), по закону Если управляющий момент Муз (t) должен быть равен некоторому постоянному значению Муз(t) = Мз. то согласно (4) формировать Ω3(t) нужно по закону Если управляющий момент My3(t) должен изменяться линейно My3(t) = Мз + at, то согласно (4) формировать Ω3(t) нужно по закону Таким образом, по заданному закону изменения во времени управляющего момента My3(t) можно, используя (4), формировать заданную величину скорости вращения маховика Ω3(t). Для того, чтобы формировать управляющий момент Му, равный My3(t) необходимо, чтобы скорость вращения маховика (действительная измеряемая скорость вращения маховика Ω) была равна заданной величине Ω = Ω3 (t). Для этого сравнивают Ω и Ω3(t) и, если они не равны Ω¹Ω3(t), включают релейно ЭМД в таком направлении, чтобы Ω, величина которой изменяется в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от направления включения ЭМД, приближалась к величине Ω3(t). Таким образом, предлагаемый способ состоит из выполнения следующих операций в такой последовательности: - измеряют скорость вращения маховика Ω, например, с помощью тахометра; - если поступила команда, чтобы формировался заданный управляющий момент, то измеряют и запоминают скорость вращения маховика ЭМД Ωο в момент поступления упомянутой команды: - формируют заданное значение скорости вращения маховика Ω3 (t) в зависимости от заданного значения управляющего момента My3(t) (используя, например, соотношение (4)); - сравнивают заданное Ω3 (τ) значение с измеряемым Ω значением скорости вращения маховика ЭМД; - если Ω3 (t)¹Ω, то включают релейно ЭМД в направлении уменьшения абсолютной величины (Ω3(t)= Ω), в результате чего будет выполняться условие Ω = Ω3 (t), a следовательно, и My = Муз(t). Разумеется, что условия Ω = Ω3(t) и Му - Муз (t) будут выполняться в среднем, т.к. Ω будет то больше Ω3 (t), то меньше, что обычно имеет место при релейном управлении какой-либо величиной относительно заданной. В нашем случае происходит релейное управление Ωoтнocитeльнo Ω3(ΐ) при помощи релейных включений ЭМД в том или ином направлении. Таким образом, задаваемый способ может обеспечивать любой закон изменения средней величины управляющего момента. Если задаваемое значение Ω3(ΐ) формировать с одним уровнем, то в результате запаздывания в выключении ЭМД при Ω= - Ω3 (t) будет иметь место его двустороннее включение: в момент времени, когда Ω стало равным Ω3 (t) ЭМД не успевает выключиться и вновь возникает неравенство Ω и Ω3 (t), в результате чего ЭМД необходимо включать в противоположную сторону и т.д. Для устранения этого явления, которое приводит к повышению энергопотребления, предлагается формировать не один уровень заданной скорости Ω3 (t) согласно выражения (4), а два уровня, например, где Δ Ω - некоторое достаточно малое значение. Если измеряемая скорость вращения маховика ЭМД Ω при сравнении с двумя уровнями Ω31(t) и Ω32(t) удовлетворяет условию или что соответствует нахождению Ω между двумя задаваемыми уровнями, то ЭМД включают, при этом скорость вращения маховика ЭМД отличается по абсолютной величине от заданной Ω3 (t) согласно (4) на величину При таком управлении будут иметь место моменты времени, когда ЭМД будет выключен, а, следовательно, не будет потреблять электроэнергию. Средством реализации операции сравнения измеряемой и заданной величины может быть, например, устройство определения разности сигналов, пропорциональных соответственно измеряемой и заданной величине (сумматор) и пороговое устройство, подключенное к его выходу. Средством реализации релейного включения ЭМД может быть, например, коммутатор, который подключает обмотки ЭМД к напряжению питания, так что ЭМД создает положительный (отрицательный) момент при появлении на входе коммутатора входного сигнала положительной (отрицательной) полярности, и отключает обмотки ЭМД от напряжения питания при отсутствии входного сигнала.