Управляющие силы и моменты

Понятие об управляемом движении ЛА; цели и задачи управления

Полет ЛА как управляемое движение

Подчеркнем то обстоятельство, что движение изучаемого нами ЛА является управляемым. В связи с этим приведем несколько определений.

Управляемым аппаратом называется объект, движущийся в пространстве и обладающий возможностью изменять параметры своего движения (по величине и направлению) в целях выполнения поставленной задачи (т.е. целенаправленно).

Указанная возможность реализуется наличием у ЛА так называемых средств управления. Под средствами управления понимают совокупность устройств, осуществляющих воздействие на аппарат для целенаправленного изменения направления или величины параметров его движения.

Во многих задачах речь идет, прежде всего, о траекториях ЛА (например, в задачах баллистического проектирования). В этих случаях говорят об управляемой траектории ЛА. Пространственная траектория ЛА как твердого тела вполне определяется величиной и направлением вектора скорости его центра масс в каждый момент времени. Поэтому, чтобы траектория ЛА была управляемой, необходимо, чтобы была возможность целенаправленно изменять вектор скорости центра масс аппарата как по величине, так и по направлению. Это и означает возможность целенаправленно изменять траекторию движения аппарата.

Поскольку необходимость управления вызывается выполнением поставленной перед ЛА задачей, то в этом смысле эти траектории движения ЛА, их выбор и характер определяются этой задачей. С точки зрения возможных задач все управляемые траектории ЛА можно подразделить на две основных группы.

Первая группа траекторий определяется основным требованием, чтобы ЛА попал в определенную, заранее фиксированную, неподвижную точку или область пространства. При этом время движения может быть как заданным, так и нет. Фиксирование конечного местонахождения аппарата накладывает определенные связи на все его движение. Основное требование обычно дополняется ограничениямт, например, в виде:

– ТТХ к движению ЛА;

– условий пуска;

– оптимизирующих требований, выражающихся, например, в минимальном расходе топлива, в минимальном времени движения (быстродействии) и др.

Предъявляемые требования приводят к тому, что траектория движения в этой группе может быть выбрана и определена заранее, до пуска аппарата и поэтому может быть представлена как функция времени, т.е. в виде программы движения. Такие траектории называются программными траекториями, а задачи их определения называются задачами программирования.

Итак, в задачах первой группы ЛА должен двигаться по заранее выбранной программной траектории. Такой метод организации управляемого движения ЛА (или наведения ЛА на цель) называется методом движения (наведения) по программе. Основными задачами управления при организации движения по программе являются следующие:

– задача выбора, построения программной траектории (программы движения);

– задача реализации, осуществления выбранной программной траектории.

Вторая группа траекторий определяется требованием, чтобы ЛА встретился с целью, которая определенным образом (заранее неизвестным) движется в пространстве. В этом случае основным фактормо, формирующим траекторию движения ЛА, является закон движения цели. А поскольку движение цели заранее не определено, то и траекторию движения ЛА нельзя в этом случае заранее спрограммировать, т.е. определить положение центра масс ЛА как функцию времени. Мы можем лишь задать (выбрать) закон сближения ЛА с целью, именуемый законом или методом наведения. При этом положение аппарата в любой момент времени (т.е. траектория ЛА) полностью определяется законом движения цели и принятым методом наведения. Траектории аппарата в этом случае называются траекториями наведения.

Основными задачами управления при организации движения по траектории наведения являются следующие:

– задача определения закона или метода наведения;

– задача построения и анализа возможных траекторий наведения;

– задача реализации, осуществления выбранного метода (закона) наведения.

В некоторых современных комплексах один и тот же аппарат может последовательно совершать движение по различным траекториям. Например, для некоторых типов ЛА типичным является полет по программе на начальном участке и движение в режиме самонаведения на конечном участке.

Указанные различные группы траекторий характеризуются одним общим свойством – необходимостью организации искуссвенных воздействий на аппарат для целенаправленного изменения вектора скорости по величине и направлению в соответствии с программой движения или законом наведения. Такие, искусственно создаваемые воздействия будем в дальнейшем называть управляющими.

Но, вместе с тем, конкретные задачи управления носят различных характер. Так в траекториях первой группы обычно возникает необходимость выдержать, т.е. реализовать выбранную заранее программную траекторию. Эта необходимость возникает в связи с тем, что аппарат постоянно испытывает разнообразные воздействия, например, со стороны атмосферы, которые уводят аапарат с выбранной программной траектории. Такие воздействия классифицируются как возмущающие. Основная задача управления при этом заключается в том, чтобы в условиях непрерывно действующих возмущений вернуть ЛА на программную траекторию. Такая задача называется задачей стабилизации программной траектории и заключается она в парировании возмущающих воздействий путем организации соответствующих управляющих воздействий.

В траекториях второй группы основная задача управления заключается в том, чтобы быстро и точно переместить аппарат из одной точки пространства в другую в соответствии с движением цели и принятым методом наведения. Такая задача, называемая задачей управления, также решается путем организации и приложения к аппарату соответствующих управляющих воздействий.

Указанное выделение задач (или режимов) стабилизации и управления является условным. В дествительности, как в задачах программного движения, так и в задачах наведения, режимы стабилизации и управления существуют одновременно и непрерывно, ибо, во-первых, сама программа движения и характер ее изменения во времени требует приложения управляющих воздействий, а, во-вторых, любые траектории наведения также требуют реализации, т.е. выдерживания их в условиях возможных возмущающих воздействий.

Таким образом, основная общая задача управления ЛА заключается в организации управляющих воздействий для ведения ЛА по соответствующей траектории и парирования возмущающих воздействий.

Поскольку движение ЛА в пространстве определяется действующими на него силами и моментами, то создание управляющих воздействий на аппарат означает создание соответствующих сил и моментов, а именно - управляющих сил и управляющих моментов.

Непосредственно для целенаправленного изменения величины и направления вектора скорости необходимо изменять, также целенаправленно, величину и направление равнодействующей всех сил, приложенных к ЛА. Потребные для такого изменения силы будем называть управляющими.

Как правило, создание необходимых управляющих сил требует предварительного изменения ориентации ЛА относительно набегающего потока, т.е. вращения ЛА относительно его центра масс. Потребные для такого целенаправленного вращения моменты будем называть управляющими.

Таким образом, создание управляющих сил вызывает, как правило, необходимость создания управляющих моментов, а общее представление о движении ЛА как о сумме движения центра масс и вращения относительно центра масс разделяет управление движением ЛА на две составляющие:

– управление движением центра масс ЛА, что связано с созданием управляющих сил;

– управление вращательным движением ЛА относительно его центра масс, что связано с созданием управляющих моментов.

Напомним, что помимо управляющих воздействий ЛА испытывает воздействие разнообразных возмущающих сил и моментов, которые возникают независимо от управляющих воздействий и которые стремятся увести ЛА с потребной траектории. К возмущающим воздействиям относятся силы и моменты, возникающие при порывах ветра, турбулентности атмосферы, гидродинамических возмущениях, при отклонении параметров и характеристик ЛА от расчетных значений и т.д.

Следовательно, управляющие воздействия нужны не только для ведения ЛА по потребной траектории, но и для удержания ЛА на потребной траектории, т.е. для парирования возмущений. Обычно эти задачи решаются одновременно и непрерывно.

Задача определения и реализации необходимых управляющих воздействий является сложной задачей и решается она обычно с помощью замкнутых управляющих систем, последовательность действия которых может быть представлена, например, следующим образом:

1. расчет (определение) потребной траектории ;

2. определение (измерение) действительной траектории ;

3. определение (измерение) отклонения ЛА от потребной траектории, т.е. ;

4. формирование требуемых управляющих сил по ошибке наведения (часто эта операция условна);

5. определение требуемого углового положения ЛА по треьуемым управляющим силам (выработка сигнала наведения );

6. определение (измерение) действительного углового положения ЛА ;

7. формирование отклонения ЛА от требуемого углового положения, т.е. ;

8. формирование требуемых управляющих моментов (управляющего сигнала ) по ошибке управления ;

9. определение требуемого отклонения органов управления ();

10. вращение ЛА под действием отклоненных органов управления до занятия им требуемого углового положения.

Замкнутая САУ, выполняющая всю совокупность указанных действий, называется системой наведения (СН); часть системы наведения, выполняющая действия с п.6 по п.10, называется системой управления (СУ) или системой управления угловым движением ЛА (системой стабилизации, системой управления нормальными перегрузками и т.д.).

Управляющие силы удобно рассматривать в виде двух составляющих – по направлению касательной к траектории (продольные управляющие силы ) и по нормали к траектории (нормальные управляющие силы ). Обычно силу притяжения исключают из числа управляющих, полагая, что последние могут образовываться только силой тяги и силами взаимодействия ЛА со средой, тогда:

;

.

Продольные управляющие силы служат для стабилизации и управления величиной вектора скорости . Например, достижение заданной дальности полета БР требует управления величиной наактивном участке полета БР. В общем случае можно выписать условия:

;

;

.

Нормальные управляющие силы служат для поворота вектора скорости , т.е. для стабилизации или управления направлением движения ЛА (искривления его траектории).

Так как полный момент представляется в виде , то обычно СУ состоит из тех каналов:

– канал управления продольным движением ЛА (канал тангажа);

– канал управления боковым движением ЛА (канал рыскания);

– канал управления движением крена ЛА (канал крена).

Дата добавления: 2014-01-04