Разомкнутая система программного управления

 

Системы с самонастраивающимися корректирующими  контурами

Системы управления этого типа позволяют  обходиться еще меньшим количеством начальной информации. Это связано с тем, что при некоторых условиях под влиянием внешних возмущений свойства объекта управления могут существенно изменяться и для того, чтобы система сохранила работоспособность, необходимо изменять динамические свойства регулирующего устройства.

Предположим, что ДУ может изменять тягу в широких приделах и должна ее резко увеличить. Если же при этом давление наддува в баках небольшое, а ускорение ЛА мало, то при резком увеличении тяги, а значит, и резком увеличении частоты вращения рабочих колес насосного агрегата, в магистралях подачи окислителя и горючего к насосам может произойти разрыв потока жидкости и перед насосами могут возникнуть паровые пробки. Такой эффект может особенно резко проявиться, когда применяются низкокипящие компоненты топлива. Очевидно, для предотвращения подобного явления необходимо создать такую САУ, которая сама корректировала бы свойства регулятора и при снижении давления перед насосами уменьшала бы скорость перемещения регулирующего органа (в ДУ это будет дроссель газогенератора). Функциональная схема такой САУ приведена на рис.8, где показана также необходимая связь между величинами давлений р_О и р_Г перед насосами и скоростью изменения проходной площади дросселя газогенератора . Из функциональной схемы видно, что эта система будет системой с цепью настройки корректирующего устройства (КУ), изменяющего скорость перемещения регулирующего органа соответственно значениям р_О и р_Г.

Рис. 8

В настоящее время создаются  самонастраивающиеся САУ, в которых проверяется реакция объекта управления на внешнее возмущения (ВВ) заданной формы. Если обнаруживается, что свойства объекта изменились, то КУ соответствующим образом изменяет динамические свойства регулятора. Очень перспективной в этом смысле является самонастраивающаяся САУ, в которой для определения изменений динамических характеристик объекта используется его электронная модель (ЭМ). Функциональная схема такой САУ представлена на рис.9.

Рис. 9

Принципиально такого типа самонастраивающаяся САУ может выполнять задания при самых различных изменениях условий, в которых находится объект управления, и самых широких изменениях его динамических характеристик.

 

Самонастраивающиеся САУ с автоматическим поиском оптимальных режимов  работы

Такие САУ должны автоматически обеспечивать поиск оптимальной программы работы САУ в каждый момент времени в тех случаях, когда заранее программу составить невозможно. Оценку оптимальности программы проводит также сама система по критериям, которые выработаны для всего ЛА в целом. Такая система автоматически, используя заложенные при ее создании критерии оценки протекающих в объекте процессов, может вырабатывать оптимальную программу своей работы. Примером такой системы может служить система, обеспечивающая одновременную выработку из баков обоих компонентов топлива при наименьших гарантированных остатках. Принципиальная схема такой ДУ приведена на рис.10.

 

Рис. 10

Как видно из схемы, в баках обоих  компонентов установлены датчики Д_О и Д_Г, которые отмечают момент прохождения поверхности жидкости через дискретный уровнемер. Датчики расставляются по оси бака таким образом, чтобы в случае работы установки при номинальном соотношении компонентов (k_m= k_m.ном) сигналы датчиков подаваемые из обоих баков, проходили бы одновременно. При этом соотношение компонентов будет поддерживаться по объемным секундным расходам k_V, а не по массовым секундным расходам k_m. Эти коэффициенты связаны между собой отношением плотностей компонентов:

.

Следовательно, если плотность компонентов  за время работы установки не изменяется, коэффициенты k_V и k_m при воздействии возмущений будут изменяться одинаково. При заправке баки должны быть залиты компонентами в количествах, соответствующих k_m.ном. Тогда в самом простом случае (один режим работы и малое влияние пускового периода), когда нет никаких возмущений, при работе установки должно выполняться такое условие: разность относительных высот уровней для обоих баков равна нулю, т.е. . Здесь ; , где - секундный расход, м³/с; V_н - начальный объем компонентов, заправленных в баки, м³; t - текущее время работы ДУ, с.

Если же под влиянием воздействия  различных внешних возмущений объемный расход одного из компонентов  измениться, то скорость изменения положения уровня в баке этого компонента также измениться и разность .

Это значит, что датчики положений  уровня Д_О и Д_Г, расположенные в том баке, где уровень опускается быстрее, будут давать сигнал о прохождении уровня несколько раньше, чем соответствующие датчики другого бака. Разность во времени подачи сигналов t будет пропорциональна разности относительных высот уровней, т.е. . Сигнал (рис.10) от датчика рассогласования уровней (ДРУ) через усилительное устройство (УУ) поступает в вычислительное запоминающее устройство (ВЗУ), по команде которого осуществляется перемещение регулирующего органа (РО) с использованием магнитного усилителя (МУ).

График, иллюстрирующий работу САУ, приведен на рис.11. На этом графике точка 1 соответствует моменту запуска установки с баками, заправленными соответственно k_V.ном. Предлагаемая программа работы системы на графике изобразиться прямой линией 1-4, что соответствует случаю, когда разность относительных высот уровней равна нулю. На самом же деле воздействующие на объект управления возмущения приводят к тому, что объемные секундные расходы компонентов и не остаются постоянными и относительные уровни и расходятся.

Рис. 11

Пусть после прохождения первых датчиков уровня, который соответствует  моменту времени t₁, оказалось, что уровень в баке окислителя опускается медленнее и разность относительных высот уровней соответствует точке 2. В этом случае, если не вмешиваться в работу установки и считать, что , к концу работы при t = t_кон разность относительных уровней будет соответствовать точке 3. Это недопустимо, так как в этом случае в конечную точку активного участка траектории полета ЛА будет поднят избыточный груз, равный массе оставшегося в баке компонента, а значит, уменьшится полезная нагрузка. Поэтому программу работы САУ необходимо изменить, но так чтобы только к концу работы установки разность относительных высот уровней стала равной нулю. Поэтому новая программа работы САУ изобразиться на графике линией 2-4. Из этого следует, что в момент времени t₂ разность относительных высот уровней в баках должна соответствовать точке 6, тогда как при старой программе эта разность соответствовала бы точке 5. Для того, чтобы такое изменение в работе установки произошло, необходимо изменить положение регулирующего органа (РО), т.е. изменить на определенную величину проходную площадь дросселя магистрали подачи окислителя F_др.О. При расчете новой программы работы (линии 2-4) ВЗУ определяется и необходимое изменение величины F_др.О. В данном случае дроссель должен дополнительно приоткрыться на величину, которая в данной схеме задается в виде величины угла поворота золотника дросселя с электромотором (МУ). Правильность установки дросселя в новом положении контролируется потенциометром обратной связи (ДОС).

После проведения всех этих операций до прихода сигналов от следующих датчиков уровня в памяти ВЗУ остаются данные точки 2. В момент времени, соответствующий t₂, приходит сигнал от датчика уровня в баке горючего Д_Г и через некоторое время от датчика уровня в баке окислителя Д_О. По разности времени Dt прихода этих сигналов оказывается, что разность относительных высот уровней соответствует точке 7. Разность уровней уменьшается, но ее уменьшение не соответствует требуемому, так как новая программа (линия 2-7-8) показывает, что к концу работы установки будет большой избыток компонента в баке горючего (отрезок 4-8). Это значит, что проходная площадь F_др.О была увеличена больше, чем нужно. Новая программа работы системы, которую определит ВЗУ, должна проходить по линии 7-4. Для этого проходная площадь F_др.О должна быть соответствующим образом уменьшена. Если после выполнения САУ всех команд, поступающих из ВЗУ, объект управления будет работать в таком режиме, что к моменту t_кон разность относительных высот уровней в баках будет равна нулю, то при поступлении новых сигналов от датчиков уровня в момент времени t₃ разность во времени прихода сигналов t будет соответствовать точке 10, разность уровней в которой определяется отрезком 9-10. Эта точка лежит на рассчитанной программе (линии 7-4) и поэтому, никаких изменений в положение дросселя вносить не следует.

Следовательно, такая САУ по данным, поступающим с рабочей информацией, определяет программу, по которой работает вся система. Если эта программа  не обеспечивает заданных условий, то САУ автоматически вырабатывает новую программу, обеспечивающую оптимальный переход из данного состояния в заданное конечное, и сама проводит настройку режима работы объекта регулирования под новую программу. Такого типа САУ носят название самооптимизирующихся. Функциональная схема такой САУ приведена на рис.12. Отличительной особенностью этих систем является наличие сложного счетнорешающего устройства (ВЗУ) с блоком памяти значительного объема.

Рис. 12

 

1.4.  ИГРОВЫЕ  САУ

 

Игровые САУ являются наиболее сложными техническими системами. Их применение обусловлено необходимостью управления объектами, поведения которых заранее непредсказуемо. К таким объектам относятся большие технические комплексы (например, крупные промышленные предприятия или целые отрасли промышленности), содержащие в своей структуре множество входов и выходов, соединенных между собой сложными внутренними связями. Предварительное детерминированное описание таких комплексов не представляется возможным, т.е. в этом случае имеет место полное отсутствие начальной информации (или известен ее минимум). В этом случае управление осуществляется за счет увеличения роли рабочей информации, как в количественном, так и в качественном выражении.

В редких специальных случаях игровая  САУ содержит в своей структуре наборы шаблонных решений, целесообразный подбор которых решает в сложившейся ситуации успех управления, например, игровые шахматные автоматы. В общем случае автоматический поиск оптимальных режимов работы в игровых САУ осуществляется в процессе динамического программирования, происходящего в поэтапном решении задачи выбора оптимального варианта. На первом этапе управления действия управляющей машины и объекта управления могут быть чисто случайными, а затем, по мере распознавания образа объекта, могут подчиняться определенному алгоритму.

Особенностью игровой САУ является формирование команд на основе сопоставлений  множества решений и выбора оптимальной  операции. Критерием сопоставления  множеств является функция выгоды, которая задается заранее и вырабатывается на основе анализа операций или общей стратегии управления.

Из приведенного описания ясно, что  игровые САУ для успешного  управления сложными объектами требуют  значительного  времени и поэтому  не могут в настоящий момент применяться  для управления быстродействующими ракетными двигательными установками. Однако отдельные принципы построения игровых САУ, например, перебор вариантов шаблонных решений, могут быть применены в бортовых вычислительных машинах для диагностики процесса функционирования как отдельных агрегатов ДУ, так и ее контуров управления.

 

 

 

 

2.1. ВВЕДЕНИЕ

 

Для каждого конкретного ЛА может  быть предложен ряд ДУ различных  схем. Для того, чтобы выбрать  из них наиболее рациональную, необходимо провести подробный и глубокий анализ ДУ по основным параметрам. Среди этих величин в анализе жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ) одно из основных мест занимают:

1) средний за время полета  удельный импульс тяги ДУ

,

где n - количество конструктивных узлов, в которых возникает сила тяги; k - количество мест в ДУ, через которые происходит истечение как основного, так и вспомогательного рабочих тел; t - продолжительность работы каждого из узлов;

2) масса конструкции ЛА m_констр;

3) возможная точность поддержания  заданного режима по тяге  или по давлению в камере и по соотношению компонентов топлива и др.

Независимо от того, сколько вариантов  ДУ будет сравниваться, для каждой из них должны быть построены статические  характеристики, как составные части  математического описания системы. Математическое описание системы начинается с разбиения системы на звенья и описания этих звеньев: графически, таблично, словесно и т.п.

Звено - это такой элемент системы, который уже нельзя разделить на части по функциональным или каким-либо другим признакам.

Статической характеристикой (СХ) системы регулирования, объекта регулирования или отдельного звена называется зависимость, которая характеризует связь между входной и выходной величинами на определенном статическом, т.е. установившемся, стационарном режиме. Это значит, что в заданных условиях на каждом установившемся (равновесном) режиме сама выходная величина и все действующие сигналы не изменяются во времени или не выходят за пределы установленных на них допусков. СХ может быть представлена в виде алгебраического уравнения, определяющего функциональную связь между выходной величиной, воздействующими внешними возмущениями и командными воздействиями (входными сигналами), или в виде графика (ряда графиков), выявляющего эту связь.

Статической характеристикой объекта  регулирования, т.е. двигательной установки, будет являться связь выходной величины - тяги Р, давления в камере р_к или соотношения компонентов топлива k_m с входными величинами, т.е. управляющими и внешними воздействиями. Рассмотрим построение статической характеристики на примере ДУ с насосной системой подачи топлива и автономным топливом для питания турбины (рис.13).

СХ такого сложного объекта регулирования  может быть построена только при  наличии статических характеристик  отдельных узлов, составляющих этот объект, и схемы их соединения между собой. Построение статической характеристики ЖРДУ начинается с выбора режимов работы отдельных ее узлов (звеньев), обеспечивающих работу установки на расчетном режиме.