Релейные системы.

Система автоматического регулирования, содержащая хотя бы один релейный элемент, называется релейной системой.

Пример 1.16. На рис. 1.44, а изображена схема релейной следящей системы воспроизведения угла. В ней используется потенциометрический датчик угла рассогласования, выходное напряжение и которого поступает на обмотку трехпозиционного поляризованного реле Р. Это реле своим контактом управляет подачей напряжения на обмотки силовых реле через контакты которых питается якорная обмотка исполнительного двигателя Д.

Рис. 1.44. Релейная следящая система воспроизведения угла: а — схема; б — идеализированная зависимость скорости вращения исполнительной оси от угла рассогласования

В изображенном на рисунке состоянии системы все реле обесточены и двигатель неподвижен. При появлении угла рассогласования большем по модулю некоторой величины которой соответствует напряжение и, равное напряжению срабатывания реле Р, поляризованное реле срабатывает и перебрасывает свой контакт вверх или вниз (в зависимости от знака угла рассогласования), подавая напряжение на обмотку одного из силовых реле. Срабатывание силового реле приводит к подаче на якорь двигателя напряжения такой полярности, при которой двигатель через редуктор поворачивает исполнительную ось в сторону уменьшения угла рассогласования

Релейным элементом здесь является поляризованное реле Р в сочетании с силовыми реле Наличие этого элемента приводит к тому, что идеализированная зависимость скорости вращения исполнительной оси от угла рассогласования в установившемся режиме приобретает вид кривой 1, показанной на рис. 1.44, б. По этой причине в релейной системе все углы рассогласования отрабатываются с одной и той же скоростью в отличие от следящей системы без релейного элемента (см. рис. 1.17, а), в которой скорость отработки пропорциональна величине угла рассогласования (кривая 2 на рис. 1.44, б). Объясняется это тем, что в релейной системе после срабатывания любого из силовых реле к якорю двигателя прикладывается все напряжение сети, вызывая его вращение с максимально возможной скоростью.

Пример 1.17. Рассмотрим систему угловой стабилизации космического аппарата относительно одной оси [23, 40, 54].

Среди многочисленных проблем, возникших в связи с освоением космоса, важное место занимает проблема управления движением космического аппарата, решение которой необходимо для успешного выполнения возлагаемых на кссуический аппарат задач и возвращения его на Землю. Управление движением космического аппарата (искусственного спутника Земли, автоматической межпланетной станции, обитаемого космического корабля и др.) включает в себя управление движением его центра масс и движением вокруг центра масс.

Для постановки и проведения научных экспериментов в космосе требуется вполне определенная ориентация одной или двух осей, жестко связанных с космическим аппаратом, в инерциальном пространстве. Например, антенна

связного приемопередатчика космического аппарата должна быть направлена на командную радиостанцию; оптическая ось фотоаппарата — на фотографируемый объект; солнечные батареи — на Солнце и т. д. Для удовлетворения этим требованиям необходимо, чтобы движение космического аппарата вокруг его центра масс было управляемым. Система, автоматически решающая задачу управления угловыми движениями космического аппарата, называется системой угловой ориентации и стабилизации.

Свяжем с космическим аппаратом систему координат начало которой поместим в центре масс о космического аппарата, ось направим по продольной оси (для аппаратов несферической формы), а оси разместим в диаметральной плоскости (рис. 1.45). Тогда угловое положение космического аппарата относительно некоторой базовой прямоугольной системы координат может быть охарактеризовано тремя углами Эйлера которые образуют оси связанной системы координат с осями базовой системы. Как и ранее (см. пример 1.15), эти углы будем называть углами тангажа, рыскания и вращения.

Задача системы управления угловыми движениями космического аппарата заключается в изменении углов по требуемому закону.

Рис. 1.45. Система координат, связанная с космическим аппаратом

Возмущающими воздействиями для космического аппарата являются моменты, создаваемые гравитационным, электрическим и магнитным полями, ударами метеоритных частиц, световым давлением солнечных лучей, а также моменты, возникающие при перемещении подвижных частей аппаратуры и членов экипажа внутри космического аппарата.

Для решения задач угловой ориентации и стабилизации космические аппараты снабжаются управляющими органами, создающими управляющие моменты относительно соответствующих осей аппарата. К ним относятся газовые реактивные сопла, двигатели-маховики, моментные магнитоприводы и пр. Для космических аппаратов с небольшим сроком жизни (несколько суток) чаще всего используются управляющие органы в виде реактивных сопел, питаемых сжатым газом из сферического резервуара, размещенного на борту космического аппарата.

Обычно для создания управляющего момента относительно какой-либо связанной оси (например предусматривают два газовых реактивных сопла жестко связанных с корпусом космического аппарата и размещенных на его периферии (рис. 1.46). Сжатый газ подводится к соплам из баллона 1 через редукционный клапан 2 и электропневмоклапаны При подаче напряжения на обмотку 3 электропневмоклапана шток клапана перемещается влево, преодолевая действие пружины, и открывает доступ газа в сопло. Знак возникающего управляющего момента зависит от того, на какой из электропневмоклапанов подано напряжение.

Функциональная схема

Рис. 1.46. Газовые реактивные сопла для создания момента относительно связанной оси космического аппарата

системы угловой стабилизации космического аппарата относительно одной из связанных осей содержит чувствительный элемент (измеритель угла), усилитель-преобразователь УП, два электропневмоклапана и космический аппарат в качестве объекта регулирования (рис. 1.47, а). В том случае, когда угол не равен заданному значению на выходе чувствительного элемента появляется напряжение знак которого зависит от знака отклонения При решении задачи ориентации одной из осей космического агшарата на Солнце или другое светило в качестве чувствительных элементов систем угловой стабилизации часто используются оптические датчики угла, для которых зависимость выходного напряжения от угла имеет вид, показанный на рис. 1.47, б.

Рис. 1.47. Система угловой стабилизации космического аппарата относительно одной оси: а — функциональная схема; б — зависимость выходного напряжения от угла рассогласования для оптического измерителя угла; в — идеализированная зависимость управляющего момента от угла рассогласования

Напряжение усиливается и преобразуется в усилителе-преобразователе УП, который в зависимости от знака требуемого управляющего момента подает напряжение на один из электропневмоклапанов. Электропневмоклапан включает соответствующее сопло, что приводит к возникновению управляющего момента, стремящегося уменьшить отклонение .

Рассмотренная система относится к числу релейных систем регулирования. Релейными элементами здесь являются оптический датчик угла и электропневмоклапаны совместно с газовыми реактивными соплами. Для уменьшения веса и габаритов усилитель-преобразователь в этой системе также выполняется на базе релейных элементов.

Преимуществами релейных систем по сравнению с системами непрерывного действия являются высокое быстродействие, компактность, малый вес и габариты. Благодаря этим преимуществам релейные системы получили широкое распространение в бортовой аппаратуре искусственных спутников Земли и космических кораблей, для которых вопросы уменьшения веса и габаритов имеют жизненно важное значение.