-
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem, wie zum Beispiel das
Fluglageregelsystem eines Raumfahrzeugs, mit einer Auswahl an Verstärkungen,
die in einem Regler und einem Kompensator des Systems verwendet werden, und,
im besonderen, auf die Betriebsart des Umschaltens zwischen einer hohen und
einer niedrigen Verstärkung ohne das Auftreten eines signifikanten
Einschwingvorgangs.
-
Regelsysteme versuchen, eine Anlage, wie beispielsweise ein Raumfahrzeug, ein
Unterseeboot, eine chemische Fabrik oder Fabrikationsanlagen zu regeln, indem sie
gewünschte Größen wie Motordrehmomente und Anschaltzeitraumzuordnungen zu
Triebwerken, in Abhängigkeit von der Summe dieser Größen und von Störungen der
Anlage ausgeben. Im weiteren ist die in Rede stehende Anlage ein Raumfahrzeug
und dementsprechend ist die Beschreibung im Hinblick auf ein Raumfahrzeug
abgefaßt. Es versteht sich jedoch, daß die hier vorgestellten Möglichkeiten auch in
anderen Anlagen angewendet werden können. Beispielweise wird bei einem
Raumfahrzeug ein Erdsensor verwendet, um die Fluglage des Raumfahrzeugs zu
bestimmen, indem die Ränder der Erde angemessen werden, um eine Abschätzung
für den Lotpunkt (Nadir) zu erhalten. Dabei ist es üblich, Schubdüsen und
Gegenwirkungsräder zu verwenden, um das Raumfahrzeug neu auzurichten, um die
Fluglage beizubehalten. Typischerweise ist ein Regelsystem als Rückkoppelschleife
ausgelegt, bei der ein gewünschtes Ausgangssignal die Ausrichtung des
Raumfahrzeugs sowie deren Änderung ist. Normalerweise wird eine
Schätzeinrichtung verwendet, die Schätzwerte dieser Größen liefert, wobei diese
Größen als die Zustände des Raumfahrzeugs bezeichnet werden. Eine
Schätzeinrichtung ist nicht notwendig, wenn unmittelbare Messungen mit niedrigem
Rauschpegel verfügbar sind, bzw. in Angaben über diese Zustände transformierbar
sind. Erdsensoren und Wendekreisel sind Beispiele für Sensoren, mit denen
Fluglagezustände des Raumfahrzeugs und deren Änderungen unmittelbar
gemessen werden können. Allerdings benötigen die meisten Raumfahrzeuge höhere
Genauigkeiten als die Rauschpegel der Erdsensoren zufassen. Daher ist eine Art
Filterung oder Abschätzung für die Sollwerte notwendig. Die Differenz zwischen den
Sollwerten und den geschätzten (gemessenen) Werten wird als
Schleifenfehlersignal bezeichnet.
-
Informationen, die mit einem Erdsensor erhalten werden, ebenso wie von anderen
Arten von Sensoren wie einem Sternensensor oder einer Bildauswertevorrichtung,
die Merkmale der Erde wiedererkennt, werden oftmals einer Schätzeinrichtung zur
Filterung des Rauschens bei der Messung zugeführt, um eine höhere Präzision bei
der Messung zu erlangen. Die Schätzeinrichtung kann das Signal eines oder
mehrerer der vorgenannten Sensoren weiterverarbeiten, um Schätzwerte für
Zustandsgrößen der zu kontrollierenden Anlage zu erhalten. Diese Schätzwerte,
wenn sie mit einem Satz an Sollwerten verglichen werden, liefern dem Regelsystem
einen Satz an Rückkoppelsignalen. Die Schätzung kann beispielsweise Mittelungen,
statistische Analysen und/oder Kalman-Filterungen beinhalten. Die
Schätzeinrichtung kann mit einer relativ hohen Verstärkung ausgestattet sein, um schneller
anzusprechen, bei allerdings erhöhter Rauschleistung am Ausgangssignal, oder mit
niedrirgerer Verstärkung für langsameres Ansprechen. Die niedrigere Verstärkung
ergibt ein langsameres Ansprechen und bei den Schätzwerten eine geringere
Bandbreite für die Zustandsgrößen mit reduziertem Rauschpegel. Dementsprechend
kann ein Regler für eine Ausgangsgröße, wie die Rotationsgeschwindigkeit des
Raumfahrzeugs, mit einer größeren Verstärkung ausgestattet sein, bei erhöhter
Rauschleistung am Ausgang um schneller anzusprechen. Oder er kann mit einer
niedrigeren Verstärkung für langsameres Ansprechen und einem reduzierten
Rauschen des Ausgangssignals ausgestattet sein. Im Falle eines
Gegenwirkungsradreglers kann die höhere Verstärkung während des Brennen einer Schubdüse
verwendet werden, während die niedrigere Verstärkung in den Ruhephasen
verwendet wird.
-
Die Störfunktion kann beispielsweise in Form eines störenden Drehmoments
auftreten, das durch viskose Reibung eines Schmiermittels in einem
Gegenwirkungsrad oder durch den Druck der Sonnenstrahlung auf das
Raumfahrzeug erzeugt wird. Das störende Drehmoment kann einen kumulativen
Effekt bewirken, der ständige Drehmomentsabfragen des Regelsystems notwendig
macht, sogar wenn das Schleifenfehlersignal auf Null heruntergefahren wird. Um
Abschaltfehler, die von diesen Abfragen herrühren, zu minimieren, verwenden einige
Regelsystemstrukturen Integralregelungszustände, um ein von Null verschiedenes
Eingangssignal für den Regler zu erzeugen, um die dauernden
Drehmomentsabfragen des Regelsystems aufrecht zu erhalten.
-
Die internationale Patentanmeldung Nr. 93/02885 beschreibt ein
Geschwindigkeitsregelsystem mit variablen Verstärkungen für Fehler in der
Geschwindigkeit, bei dem die variable Verstärkung in Abhängigkeit einer linearen
Beziehung zum Geschwindigkeitsfehler bestimmt wird, und bei dem eine weitere
lineare Beziehung mit höherer Empfindlichkeit verwendet wird, um die variable
Verstärkung zu bestimmen, wenn der Geschwindigkeitsfehler eine vorgewählte
Amplitude überschreitet.
-
Das US-Patent Nr. 4,283,670 beschreibt ein System zur Durchführung der
Zielerfassung und Bahnverfolgung unter der Kontrolle eines menschlichen
Bedieners. Das System beinhaltet einen manuellen Schalter, der das Umschalten
von hoher auf niedrige Resonanz eines Sensors kontrolliert, sowie eine Vorrichtung
zur Überwachung der Bewegung des Sensors. An die hoch/niedrig-Einstellung des
Schalters ist die Verstärkereinstellung für den Regler der Sensorbewegung
gekoppelt, so daß die Erhöhung der Resonanz mit einer inversen gleich großen
Abnahme in der Verstärkung verbunden ist.
-
Regelsysteme können mit analogen oder digitalen Geräten realisiert werden. Im
Falle einer analogen Auslegung werden Schätzwerte für die Zustandsgrößen der
Anlage mit RLC-Schwingkreisen (Widerstand, Induktivität Kapazität) generiert.
Diese Schwingkreise filtern die Ausgangssignale der Sensoren, die typischerweise
Spannungspegel sind, um für das Regelsystem nutzbare Sollspannungen zu
erhalten. Diese Ausgangsspannungen werden mit Sollspannungspegeln verglichen,
um Fehlereingangssignale für das Regelsystem zu erhalten, die in weiteren RLC-
Schwingkreisen verarbeitet werden, um Ausgangssignale zu generieren, die an die
Aktuatoren weitergeleitet werden. Im Falle einer digitalen Ausführung werden die
Ausgangssignale in den Binärcode konvertiert, um für den an Bord befindlichen
Computer nutzbar zu sein. Diese Daten werden dann mit algorithmischen Verfahren
weiterverarbeitet, um Schätzwerte für die Zustandsgrößen der Anlage zu erhalten.
Diese Schätzwerte werden mit Sollzuständen verglichen, um Eingangsfehlersignale
für das Regelsystem zu erhalten, die in weiteren alogrithmischen Verfahren
verarbeitet werden, um Ausgangssignale, die an die Stellglieder weitergeleitet
werden, zu generieren. In beiden Fällen kann einer der Schätzwerte dem Zustand
der Anlage bezüglich der Ausrichtung des Raumfahrzeugs entsprechen, ein anderer
Schätzwert könnte das Integral der Abweichung zwischen dem Schätzwert und dem
Sollwert der Ausrichtung des Raumfahrzeugs sein, oder es könnte das Integral der
Differenz zwischen diesem Zustand und der Sollposition des Raumfahrzeugs sein,
oder das Rohintegral eines Sensors, der diese Differenz bestimmt, eine dritte
Zustandsgröße könnte ein Schätzwert für die Rate des Raumfahrzeugs sein. Mit den
Unterschieden zwischen diesen Schätzwerten, entweder Spannungspegeln oder
binären Daten, und den Sollzuständen wird ein zusammengesetztes Fehlersignal
erhalten, um Ausgangssignale zur Ansteuerung der Stellglieder für ein verbessertes
Ansprechen der Anlage zu generieren.
-
Ein Aspekt der Regelung, besonders im Falle der Ausrichtung eines
Raumfahrzeugs, ist die Notwendigkeit, die Verstärkung des Regelsystems zu
variieren. Zum Beispiel wird eine Schubdüse verwendet, um die Orientierung eines
Raumfahrzeugs zu verändern. Im Falle der Ausrichtung eines Raumfahrzeugs
können Gegenwirkungsräder verwendet werden, um das Abdriften aus einer
Sollausrichtung zu korrigieren. Die Aufrechterhaltung des Drehmoments, das von
einem Gegenwirkungsrad auf ein Raumfahrzeug zur Unterdrückung störender
Drehmomente ausgeübt wird, kann dazu führen, daß ihre Rotationsgeschwindigkeit
den Sicherheitsgrenzwert übersteigt. Eine bevorzugte Form des Ansprechens des
Impulsregelsystems wäre die Aktivierung einer Schubdüse, um den Impuls des
Raumfahrzeugs zu reduzieren. Dieser Impuls würde zeitweise die Ausrichtung des
Raumfahrzeugs ändern. Das Regelsystem für das Gegenwirkungsrad würde
daraufhin die Raddrehzahl reduzieren und dabei die Sollausrichtung des
Raumfahrzeugs wiederherstellen. Diese Beispiel sind nur in Bezug auf Drehungen
um eine Achse gegeben, müssen jedoch dahingehend verstanden werden, daß in
typischen Situationen die Ausrichtung um drei Rotationsachsen abgeglichen werden
muß, wobei eine Vielzahl an Schubdüsen und Gegenwirkungsrädern verwendet
wird.
-
Des weiteren wäre es im oben genannten Beispiel vorteilhaft, die Verstärkung des
Kompensators für die Meßsignale zu erhöhen, um ein schnelleres Ansprechen auf
die Positionssignale, die von einem oder mehreren Sensoren erhalten werden, zu
erreichen. Das langsame Ansprechen im Kompensator würde die Beobachtung sich
schnell ändernder Gegebenheiten, wie zum Beispiel die schnelle Änderung in der
Ausrichtung des Raumfahrzeugs, hemmen. Dies würde die Regelung der
Ausrichtung des Raumfahrzeugs bei einer schnellen Änderung der Ausrichtung
aufheben. Dementsprechend erhöhen typischerweise die Regelsysteme ihre
Verstärkungen, wenn sich die zu regelnde Anlage in einem Zustand erhöhter
Störung befindet, wie zum Beispiel beim Ansprechen des Regelsystem für das
Gegenreaktionsrad auf das Zünden einer Schubdüse.
-
Dabei tritt das Problem auf, daß bei der Änderung der Verstärkung in einem
Regelsystem, zum Beispiel von einer hohen zu einer niedrigen oder von einer
niedrigen zu einer hohen Verstärkung, festgestellt wurde, daß im Ansprechverhalten
der Anlage unerwünschte Einschwingvorgänge (Transienten) auftreten. Dies kann
sich zum Beispiel im unmäßigen Überschwingen der Position des Raumfahrzeugs
zeigen, oder in einer unzulänglichen Ansprechgeschwindigkeit oder unzulänglichen
Genauigkeit, die vom Rauschen am Ausgang der Schätzeinrichtung verursacht wird.
-
Die vorliegende Erfindung versucht, die Effekte der vorgenannten Probleme zu
überwinden oder im wesentlichen zu reduzieren.
-
Entsprechend eines Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
Regelsystems vorgeschlagen, welches der Verhinderung der Entstehung von
Einschwingvorgängen während eines Umschaltens der Größe eines
Verstärkungsfaktors innerhalb des Regelsystems dient, um eine Anlage in
Gegenwart einer möglichen Störfunktion zu betreiben, wobei das Regelsystem einen
Regler aufweist, wobei das Verfahren die Schritte des Anlegens eines Treibersignals
an eine Betätigungseinrichtung des Systems zum Betreiben der Anlage und des
Auswertens einer Differenz zwischen Sollzuständen der Anlage und den
Schätzungen der Anlagenzustände umfaßt, gekennzeichnet durch die Schritte des
Beobachtens der Differenz zum Zwecke der Feststellung eines Auftretens einer
Größe der Differenz, welche in einen Wertebereich fällt, der ein vorgegebenes
Kriterium erfüllt, und des Umschaltens eines Wertes des Verstärkungsfaktors
während des Auftretens.
-
Die Erfindung zum Betreiben eines Regelsystems, typischerweise eines
Rückkoppelregelsystems, kann in einem Vorwärtszweig des Systems den Regler
und in dem Rückkoppel- oder Rückführzweig eine Schätzeinrichtung haben, um das
Umschalten der Verstärkungseinstellungen zwischen relativ hoher und relativ
niedriger Verstärkung ohne das Auftreten eines relevanten Einschwingvorgangs zu
ermöglichen. Ein Informationssignal, das auf Daten eines oder mehrerer Sensoren
gestützt ist, kann eine Messung für eine Zustandsgröße der Anlage zur Verfügung
stellen und wird hier im weiteren als Meßsignal bezeichnet. Solch ein
Informationssignal, das in einem rückführungslosen Regelsystem erhalten werden
kann, dient als Feedback oder Rückkoppelsignal in einem geschlossenen
Regelkreis.
-
Beispielsweise kann es sich bei den Ausgangsgrößen des Regelsystems um
Drehmomentsanforderungen an die Gegenreaktionsräder sein, und die Störung
kann durch den Strahlungsdruck auf das Raumfahrzeug oder den Lagerwiderstand
in einem Gegenreaktionsrad des Raumfahrzeugs verursacht sein. In weiteren
Beispielen kann das Fehlerrückkoppelsignal drei Komponenten haben, die vom
Regler dazu verwendet werden, um Signale an die Stellglieder abzugeben, die die
Kontrolle über das Raumfahrzeug ausüben, um dadurch das gewünschte
Ansprechen zu erhalten. Eines dieser Signale könnte der Fehler zwischen dem
Sollwinkel der Ausrichtung des Raumfahrzeugs und dem geschätzten Winkel sein.
Ein anderer Fehler könnte der Fehler zwischen der Sollrate der Änderung des
Winkels der Raumfahrzeugausrichtung und der geschätzten Rate der Änderung
sein. Eine andere Option könnte der Integralregelungszustand sein, der aus dem
Integral des ersten in diesem Absatz erwähnten Fehlersignals besteht oder dem
Integral des Ausgangssignals des Sensors, der diesen Fehler direkt mißt. Des
weiteren ist hier nur die Überwachung einer Drehachse beschrieben, tatsächlich gibt
es für ein Raumfahrzeug jedoch drei zu überwachende Achsen. Dies bedeutet eine
Verdreifachung der oben genannten Signale.
-
Bei der Anwendung der Erfindung wird festgestellt, daß für die Regelsysteme, die
Integralregelungszustände verwenden, die Ausgangssignale an die Steilglieder, die
aus Integralregelungszuständen resultieren und den Störungen entgegenwirken,
während der Umschaltung der Verstärkung konstant bleiben sollten. Ansonsten
würden die Komponenten des Ausgangssignals zur Kompensation der Störung
sprungartig auf einen anderen Wert geändert werden, der sich von einem
akzeptablen Wert, der vor der Umschaltung der Verstärkung festgelegt wurde,
unterscheidet. Solch eine plötzliche Änderung in der Größenordnung des
Ausgangssignals wäre unnötig, und desweiteren würde sie einen
Einschwingvorgang für die vom Regelsystem zu beeinflussende Größe verursachen.
In dem vorangehenden Beispiel, bei dem diese Größe das Beharrungsvermögen
eines Raumfahrzeugs ist, würde der Einschwingvorgang als eine Transiente in den
Drehmomenten bemerkbar, mit daraus resultierenden Transienten in den
Änderungen der Winkel der Ausrichtung sowie der Ausrichtung selbst des
Raumfahrzeugs.
-
Desweiteren wird bei der Anwendung der Erfindung festgestellt, daß eine Änderung
der Verstärkung, während das Fehlersignal im wesentlichen Null ist, nur einen
geringen unmittelbaren Effekt auf das Ausgangssignals des Reglers hat, da die
Größenordnung Null, multipliziert mit einer von Null verschiedenen Verstärkung
wiederum die Größenordnung Null für das Ausgangssignal des Reglers ergibt.
-
Die oben genannten Gesichtspunkte der Erfindung können wie folgt realisiert
werden. Der Regelprozeß des Reglers der Anlage wird zur Bestimmung eines
angemessenen Schwellenwerts für die Amplitude des Schleifenfehlersignals
überwacht, wobei unterhalb dieses Werts der Schleifenfehler nur noch einen
vernachlässigbaren Effekt auf das Ansprechen eines Stellglieds der Anlage hat.
Solch ein Stellglied kann beispielsweise ein oben genanntes Gegenreaktionsrad
oder eine Schubdüse sein. Damit kann durch eine Person ein Kriterium für einen
maximalen Bereich eines Winkelfehlers und einen maximalen Bereich für die
Änderungsrate des Winkels bestimmt werden, innerhalb dessen die Umschaltung
der Verstärkung mit lediglich kleinen unmittelbaren Auswirkungen auf ein Stellglied
durchführbar ist. Während des Betrieb des Regelsystems, bevor die Umschaltung
der Verstärkung ausgeführt wird, wird das Schleifenfehlersignal überwacht, um ein
Intervall zu bestimmen, in dem das Kriterium erfüllt ist und das Umschalten der
Verstärkung ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Bedingung für eine
hohe Verstärkung vorliegen, um die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs einzuregeln,
bis das Raumfahrzeug ungefähr in die Sollausrichtung kommt. Daraufhin treten
normalerweise Oszillationen relativ kleiner Amplitude in den Zustandsgrößen der
Anlage auf, die die Amplituden der Schleifenfehlersignale in Wertebereiche der
oben genannten Kriterien bringen, so daß die Umschaltung beginnen kann.
-
Auch wenn das Regelsystem Integralregelungszustände beinhaltet, wird zum
Zeitpunkt der Umschaltung der Verstärkung jeder der relevanten Integralzustände
um einen Faktor auf- oder abskaliert, um die Abnahme bzw. Zunahme in der
Verstärkung zu kompensieren. Der Skalierungsfaktor entspricht dem Verhältnis der
Verstärkung vor dem Umschalten zu der Verstärkung nach dem Umschalten.
Dadurch ist gesichert, daß die Komponente des Ausgangssignals der
Rückkoppelschleife, die der Störung entgegenwirkt, während der Umschaltung der
Verstärkung konstant bleibt. Wenn abgewartet wird, bis das Schleifenfehlersignal
das Umschaltkriterium erreicht, werden die Transienten verkleinert, die aufgrund der
bestehenden hohen Verstärkungen in den Filtern/Schätzeinrichtungen durch
rauschbehaftete Schätzwerte für die Zustandsgrößen verursacht werden. Oder es
werden bei hoher Verstärkung in den Reglern, wenn ein Schwellenwert existiert, bei
der Einstellung der Integralregelzustände (sofern vorhanden) gleichzeitig die
Transienten reduziert, die von konstanten Störungen des zu regelnden Systems
verursacht werden.
-
Um die Erfindung und ihre vielfach möglichen bevorzugten Ausführungen besser zu
verstehen, werden einige Ausgestaltungen beispielhaft und in Bezug auf die
Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1: die schematische Darstellung eines Raumfahrzeugs das die Erde umkreist
und
-
mit einem Lageregelungssystem ausgestattet ist, das nach dem Verfahren der
Erfindung arbeitet;
-
Fig. 2: das Blockschaltbild eines Lageregelungssystems, die vom Raumfahrzeug
mitgeführt wird; und
-
Fig. 3: ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte der Erfindung darstellt.
-
Identisch gekennzeichnete Bauteile, die in verschiedenen Zeichnungen vorkommen,
beziehen sich auf das gleiche Bauteil, müssen aber nicht in der Beschreibung aller
Zeichnungen erwähnt sein.
-
In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Raumfahrzeug 20 auf einer Flugbahn 22 um die Erde
24 fliegt. Das Raumfahrzeug 20 trägt ein Erdsensor 26, das einen Punkt 28 auf der
Erdoberfläche über die Sichtlinie 30 anpeilt. Des weiteren sind an dem
Raumfahrzeug 20 Sonnensegel 32 angebracht, die Solarenergie einfangen, um die
elektronische Ausrüstung 34 zu versorgen, die Funktionen wie Kommunikation und
Steuerung der Fluglage des Raumfahrzeugs übernimmt. Eine Antenne 36 am
Raumfahrzeug 20 ermöglicht die elektromagnetische Kommunikation mit einer
Antenne 38 einer Bodenstation 40 auf der Erde 24. Die Änderung der Ausrichtung
des Raumfahrzeugs wird über Schubdüsen 42 ausgeführt, wovon zwei in Fig. 1
abgebildet sind und mit Gegenreaktionsrädern 44, wovon eines in Fig. 1 abgebildet
ist. Jedes Gegenreaktionsrad 44 ist über eine Achse 46 mit einem Antriebsmotor 48
verbunden, der das Gegenreaktionsrad 44 in Rotation versetzt. Die Schubdüsen 42
und das Gegenreaktionsrad 44 werden von einem Regelsystem 50 (in Fig. 2
dargestellt) gesteuert, welches aus elektronischen Komponenten in der Anlage 34
besteht. Eine Mittellinie oder Justierlinie 52 des Erdsensors 26 stellt die tatsächliche
Ausrichtung des Raumfahrzeugs 20 dar. In diesem Beispiel weicht die Fluglage des
Raumfahrzeugs von der Sollausrichtung ab, wie durch den Winkel A zwischen der
Visierlinie 30 und der Justierlinie 52 veranschaulicht. Im weiteren Verlauf dieses
Beispiels nimmt die Winkelabweichung A um die Rate R zu, wie durch den Pfeil in
Fig. 1 vektoriell dargestellt. Zusätzlich zu dem Erdsensor 26 können weitere
Sensoren für die Fluglage vorhanden sein, wie ein Sternverfolgungsgerät 54 und ein
Lagekreisel 56.
-
Wie in Fig. 2 dargestellt, umfaßt das Regelsystem 50 einen Regler 58; Stellglieder
oder Aktuatoren 60, wie Schubdüsen 42 und das Gegenreaktionsrad 44 (Fig. 1); das
Raumfahrzeug 20, dessen Fluglage bzw. deren Beibehaltung eine Größe bildet, die
vom Regelsystem 50 kontrolliert wird; Sensoren oder Sensoren 62, wie das
Erdsensor 26 und das Sternverfolgungsgerät 54 und den Lagekreisel 56 (Fig. 1) für
die Lageregelung des Raumfahrzeugs; eine Schätzeinrichtung 64; und einen
Kombinatior 66 für die Signale, der die Abweichungen zwischen den
Solleingangsgrößen und den rückgekoppelten oder rückgeführten Schätzwerten der
Ausrichtung des Raumfahrzeugs liefert. Das Ausgangssignal des Kombinators 66 ist
das Schleifenfehlersignal des Regelsystems 50. Der Kombinator 66 legt die
Abweichung zwischen dem Sollwert der Eingangsgröße und dem zurückgeführten
Schätzwert der Ausrichtung des Raumfahrzeugs an einen Eingang des Reglers 58,
der seinerseits über eine Ausgleichsfunktion Ausgangssignale zur
Wiederausrichtung des Raumfahrzeugs 20 liefert, um die oben genannte
Abweichung zu minimieren. Die Eingangssollwerte beinhalten die Fluglage des
Raumfahrzeugs und möglicherweise die Winkeländerungsrate der Fluglage. Die
Steuersignale werden vom Regler 58 an die Stellglieder 60 weitergegeben. Die
Stellglieder 60 werden entsprechend den Steuersignalen aktiviert, um das
Raumfahrzeug 20 wieder auszurichten. Die sich daraus ergebende Fluglage des
Raumfahrzeugs 20 wird von Sensoren 62 ausgemessen, die ihrerseits Signale an
die Schätzeinrichtung 64 ausgeben, die die Fluglage wiedergeben. Die
Beschreibung des Regelsystems 50 in Fig. 2 ist für eine einzige Koordinate
abgefaßt, es versteht sich jedoch, daß in der Realität die Regelung in mehren
Dimensionen erfolgt, wie zum Beispiel drei Richtungswinkel oder drei Größen zur
Bestimmung der Umlaufbahn.
-
Die Signale, die von den Sensoren oder Sensoren 62 ausgegeben werden, können
durch das in den Messungen der Ausrichtungswinkel des Raumfahrzeugs 20
vorhandene Rauschen oder durch Störungen, die auf das Raumfahrzeug 20
einwirken, und seine Fluglage von der durch den Regler 58 vorgegebenen
abweichen lassen, verdorben sein. Beim Betrieb des Regelsystems 50 filtert die
Schätzeinrichtung 64 die Signale des Sensors 62, um ihren Rauschanteil zu
verringern. Die Filterung hat auch den Effekt, daß das dynamische Ansprechen der
Rückkoppelschleife des Systems 50 beim Reagieren auf plötzliche Änderungen in
der Ausrichtung des Raumfahrzeugs 20 verringert wird. Die Ansprechzeit des
Filtervorgangs verhält sich umgekehrt proportional zu der Verstärkung der
Schätzeinrichtung 64, so daß eine relativ hohe Verstärkung zu einer kürzeren
Ansprechzeit und mehr Rauschen führt, während eine niedrigere Verstärkung zu
einem langsameren Ansprechen und weniger Rauschen führt. Zum Beispiel kann
eine plötzliche Lageänderung durch das Zünden einer Schubdüse 42 verursacht
werden, um die Station an Ort und Stelle zu halten. Hierbei würde das
Raumfahrzeug 20 eine Winkelverschiebung in seiner Fluglage während des
Einschwingvorgangs (der Transiente) erfahren, solange es durch die Stellglieder 60
in seine Fluglage zurückgeführt wird. Die Transientenverschiebung des Winkels ist
im Falle relativ hoher Verstärkungen in der Schätzeinrichtung 64 und im Regler 58
relativ klein, nimmt aber mit einer Verringerung der Verstärkung zu.
-
Die Störung in der Fluglage des Raumfahrzeugs kann durch viskose Reibung in den
Lagern des Gegenreaktionsrads 44 oder durch den Strahlungsdruck des
Sonnenlichts auf die Sonnensegel 32 verursacht werden. Beide dieser
Störungsquellen üben ein Drehmoment aus, das das Raumfahrzeug aus einer
Sollposition ablenkt. Diese Abweichung wird über einen Integrator 67 über die
Integration des Winkelfehlers der Ausgangssignale der Sensoren gemessen. Sie
zeigt sich als üblicherweise konstante Komponente im Signal der Sensoren bezogen
auf einen Integralzustand des Regelsystems 50. Alternativ dazu kann der
Winkelfehler direkt von einem Sensor 62 erhalten werden, wie beispielsweise einem
Erdsensor, und kann über eine Schnittstelle A an den Integrator 67 angelegt
werden. Als Reaktion auf den Wert des Integralzustands gibt der Regler 58 ein
zusätzliches Steuersignal an das Stellglied 60 ab, um ein Drehmoment zu erzeugen,
das dem Drehmoment der Störung entgegenwirkt.
-
Die Schätzeinrichtung 64 überprüft auch die Meßsignale um Änderungsraten in der
Winkellage des Raumfahrzeugs zu bestimmen. Alternativ kann der Sensor auch
(hier nicht dargestellt) eine Winkeländerungsrate ausgeben. In diesem Falle muß
diese Funktion nicht vom Schätzglied 64 übernommen werden. Um den Betrieb der
Schätzeinrichtung 64 zu erleichtern und ein schnelleres Ansprechen zu erhalten, ist
es nützlich, über eine Leitung 68 das Auftreten eines Drehmoments, wie das
Drehmoment bei der anstehenden Zündung einer Schubdüse, vorher vom Regler 58
an die Schätzeinrichtung 64 weiterzuleiten, so daß die Schätzeinrichtung 64 diesen
Faktor in ihre Berechnungen einbeziehen kann. Die Auswahl der
Verstärkungsfaktoren, um hohe oder niedrige Verstärkungen im Regler 58 und in der
Schätzeinrichtung 64 zu erhalten, wird von einer Verstärkungsregelungseinheit 70
unter Kontrolle einer Logikeinheit 72 getroffen.
-
In Fig. 3 beginnt das erfindungsgemäße Verfahren bei Block 74, wobei die
Logikeinheit 72 (Fig. 2) festlegt, ob die Verstärkung erhöht wird. Diese Entscheidung
basiert auf Winkel- und Fehlersignalen der Winkeländerung, die von dem
Kombinator 66 generiert werden. Wenn die Erhöhung der Verstärkung notwendig ist,
wird das Verfahren bei Block 76 fortgesetzt, wobei dieser Verfahrensschritt auf alle
Schleifenfehlersignale und nicht auf die Integralregelungszustände des
Regelsystems 50 angewendet wird. Der Verfahrensschritt bei Block 76 wird bei der
anfänglichen Einrichtung des Regelsystems 50 ausgeführt, wobei ein Kriterium für
die Umschaltung von niedriger auf hohe Verstärkung ohne nennenswerte Störung
des Ansprechens der Stellglieder 62 festgelegt wird. Das Verfahren wird bei Block
78 fortgesetzt, wobei alle Schleifenfehlersignale, nicht jedoch die Integralzustände,
überprüft werden, um zu bestimmen, ob ihre Werte innerhalb der Grenzen des
Kriteriums von Block 76 liegen. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, geht das
Verfahren zum Verzweigungspunkt 80 weiter, ansonsten wird eine Warteschleife 82
durchlaufen, um die Schleifenfehlersignale bei Block 78 weiter zu überprüfen.
-
An den Verzweigungspunkten 80 und 94 wird, wie vom Planer des Regelsystems,
der die Erfindung verwendet vorgesehen, entschieden, ob die Blöcke 86 und 98 mit
ihren logischen Schritten im Verfahren angewendet werden. Die Blöcke 86 und 98
sind optional und werden nur angewandt, wenn das Regelsystem Integralzustände
verwendet. Bei Nicht-Anwendung von Block 86, geht das Verfahren von Block 78
unmittelbar zu Block 84. Wenn der Block 86 jedoch angewendet wird, geht das
Verfahren von Block 78 über Block 86 nach Block 84. Wenn Block 86 vorhanden ist,
wird für jeden Integralregelungszustand eine Auswahl des Stellglieds getroffen, das
bezüglich des Produkts seiner hohen Verstärkung und des
Integralregelungszustands am empfindlichsten ist. Das empfindlichste Stellglied kann beim Entwurf
des Regelsystems festgelegt und in einem (nicht abgebildeten) Speicher der
Logikeinheit 72 gespeichert werden. Daraufhin wird jeder Integralregelungszustand
mit einer Skalierung seiner Amplitude verändert. Die Skalierung kann außerhalb des
Kombinators 66 erfolgen, um an den Regler 58 ein verkleinertes Signal des
Integralzustands abzugeben. Die Verkleinerung des Werts des
Integralregelungszustands entspricht in ihrer Größenordnung dem Verhältnis zwischen niedriger und
hoher Verstärkung. Dadurch entspricht, nach der Ausführung der
Verstärkungsumschaltung, das Produkt aus Integralregelungszustand und
Verstärkung dem gleichen Wert vor und nach der Verstärkungsumschaltung.
Weiterhin wird das Verfahren bei Block 84 fortgesetzt, um die
Verstärkungsumschaltung auszuführen. Nachdem bei Block 84 die Verstärkung
umgeschaltet wurde, kehrt das Verfahren zu Block 74 zurück.
-
Wenn bei Block 74 festgelegt wird, daß keine Umschaltung zu höherer Verstärkung
erfolgt, wird das Verfahren zu Block 88 weitergeleitet, bei dem festgelegt wird, ob
das Umschalten von hoher auf niedrige Verstärkung erfolgt. Wenn bei Block 88
bestimmt wird, daß das Umschalten auf niedrige Verstärkung nicht notwendig ist,
wird der Vorgang in einer Warteschleife zu Block 74 zurückgeleitet, wobei der
Vorgang zwischen den Blöcken 74 und 88 zirkuliert, bis in der Lageregelung des
Raumfahrzeugs durch das System 50 eine Situation auftritt, bei der das Umschalten
der Verstärkung vorteilhaft wäre.
-
Wenn bei Block 88 bestimmt wird, daß das Umschalten auf niedrigere Verstärkung
zu erfolgen hat, wird das Verfahren bei Block 90 fortgesetzt, wobei hier ein Kriterium
zur Umschaltung von hoher auf niedrige Verstärkung ohne wesentliche Störung des
Ansprechens der Stellglieder bestimmt wird. Daraufhin wird das Verfahren bei Block
92 fortgesetzt, wobei alle Schleifenfehlersignale, jedoch nicht die Integralzustände,
geprüft werden, um festzustellen, ob ihre Werte innerhalb den Grenzwerten des
Kriteriums von Block 90 liegen. Wenn die Bedingung erfüllt ist, wird der Vorgang
zum Verzweigungspunkt 94 weitergeleitet, ansonsten wird er über eine
Warteschleife 96 zurückgeleitet, um bei Block 92 weitere Überprüfungen der
gemessenen Zustände durchzuführen.
-
An den Verzweigungspunkten 80 und 94 wird, wie oben ausgeführt und vom Planer
des Regelsystems, der die Erfindung verwendet, vorgesehen, entschieden, ob die
Blöcke 86 und 98 mit ihren logischen Schritten im Verfahren angewendet werden.
Die Blöcke 86 und 98 sind optional und werden nur angewandt, wenn das
Regelsystem Integralzustände verwendet. Bei Nicht-Anwendung von Block 98, geht
das Verfahren von Block 92 unmittelbar zu Block 84. Wenn der Block 86 jedoch
angewendet wird, geht das Verfahren von Block 92 über Block 98 nach Block 84.
Wenn Block 98 vorhanden ist, wird für jeden Integralregelungszustand eine Auswahl
des Stellglieds getroffen, das bezüglich des Produkts seiner hohen Verstärkung und
des Integralregelungszustands am empfindlichsten ist. Das empfindlichste Stellglied
kann beim Entwurf des Regelsystems festgelegt und in einem (nicht abgebildeten)
Speicher der Logikeinheit 72 gespeichert werden. Daraufhin wird jeder
Integralregelungszustand mit einer Skalierung seiner Amplitude verändert. Die
Skalierung kann außerhalb des Kombinators 66 erfolgen, um an den Regler 58 ein
verkleinertes Signal des Integralzustands abzugeben. Die Verkleinerung des Werts
des Integralregelungszustands entspricht in ihrer Größenordnung dem Verhältnis
zwischen niedriger und hoher Verstärkung. Dadurch entspricht, nach der Ausführung
der Verstärkungsumschaltung, das Produkt aus Integralregelungszustand und
Verstärkung dem gleichen Wert vor und nach der Verstärkungsumschaltung.
Weiterhin wird das Verfahren bei Block 84 fortgesetzt, um die
Verstärkungsumschaltung auszuführen. Nachdem bei Block 84 die Verstärkung umgeschaltet wurde,
kehrt das Verfahren zu Block 74 zurück.
-
Angesichts des oben beschriebenen Verfahrens der Erfindung kann das
Regelsystem 50 die Umschaltung der Verstärkung bei verbesserter Leistung ohne
die Nachteile eines Einschwingvorgangs bzw. Transiente ausführen.