Содержание к диссертации
Введение
1. STRONG Информационно-измерительная система стабили
зации и управления оси визирования STRONG 11
1.1. Принципиальная схема информационно-измерительной системы стабилизации и управления оси визирования 15
1.2 Математическое описание информационно-измерительной системы стабилизации и управления оси визирования
Выводы к главе 1 26
2. Анализ выходной измерительной информации 27
2.1. Исследование кинематики информационно-измерительной системы в режиме стабилизации
2.2. Исследование кинематики информационно-измерительной системы в режиме управления
Выводы к главе 2 38
3. Анализ динамических погрешностей определения выходной измерительной информации в режиме стабилизации 39
3.1. Исследование возмущающих моментов, действующих на ИИССУ в режиме стабилизации 46
3.2. Исследование устойчивости движения скорректированной информационно-измерительной системы
3.3. Синтез корректирующих устройств 47
3.4. Анализ погрешностей стабилизации оси визирования скорректированной информационно-измерительной системы 58
Выводы к главе 3 62
4. Анализ динамических погрешностей определения выходной измерительной информации в режиме наведения
4.1. Математическое описание характеристик человека-оператора как звена информационно-измерительной системы
4.2. Исследование возмущающих моментов, действующих на ИИССУ в режиме наведения
4.3. Исследование устойчивости движения скорректированной информационно-измерительной системы
4.4. Синтез корректирующих устройств 76
4.5. Анализ погрешностей управления оси визирования скорректированной информационно-измерительной системы Выводы к главе 4 83
Заключение 84
Список литературы
- Математическое описание информационно-измерительной системы стабилизации и управления оси визирования
- Исследование кинематики информационно-измерительной системы в режиме управления
- Исследование устойчивости движения скорректированной информационно-измерительной системы
- Исследование возмущающих моментов, действующих на ИИССУ в режиме наведения
Введение к работе
В современных обзорно-прицельных системах, установленных на летательных аппаратах (ЛА), широко используется информационно-измерительная система стабилизации и управления (ИИССУ), которая измеряет углы отклонения и угловые скорости оси визирования (ОВ) и осуществляет стабилизацию оптического изображения.
Рисунок 1.1 Обзорно-прицельная система ЛА
От точности определения выходной информации в виде углов и угловых скоростей ОВ, подаваемых в систему наведения ЛА в значительной мере зависит точность всей системы.
В 2003г. на международном аэрокосмическим салоне были продемонстрированы новинки продукции оборонного комплекса России в виде перспективных самолетов, вертолетов, ракет и авионики. Основным направлением модернизации современных летательных аппаратов является совершенство систем авионики, в том числе информационно-измерительных систем. Они должны обеспечивать всеракурсное обнаружение и сопровождение подвижных объектов. Представленные модернизированные
5 вертолеты Ми-24ПН, Ми-24ПК-2 имеют обзорно-прицельную системы ОПС-24Н, которая обеспечивает управление ОВ в диапазоне углов обзора по азимуту ± 60, по высоте - плюс 30 вверх, минус 80 вниз.
Рисунок 1.2 Гиростабилизированная оптико-электронная система ГОЭС-342 на базе ОПС-24Н
Модификация истребителя МиГ-29-МиГ-29СМТ оснащена современным комплексом БРЭО, включающий в свой состав БРЛС «Жук-МЭ», оптико-электронную прицельную систему и пилотажно-навигационный комплекс. Зона обзора модернизированного МиГ-29СМТ увеличена до ±85 по азимуту и +60...-40 по высоте.
Современные прицельные системы круглосуточно выполняют поиск, распознавание, лазерное дальнометрирование объектов, наведение и обеспечивают дальность обнаружения цели ночью на расстоянии более 15км.
Рисунок 1.3 Гиростабилизированные оптико-электронные системы для вертолетов Ка-27ПСТ, Ми-28Н
Все выше приведенные системы имеют ограничение углов обзора по высоте, которое связано с тем, что в системах применен карданов подвес, ось поворота наружной рамки которого установлена перпендикулярно основанию. Такая схема обеспечивает круговой обзор по азимуту и углы наведения по высоте не превышающие ±80. Требования к увеличению углов обзора по высоте остаются актуальными и приводят к необходимости применения карданова подвеса, ось поворота наружной рамки которого параллельна основанию.
Существующие публикации [53,55,69], посвященные исследованию систем с таким типом карданова подвеса, не достаточно полно отражают вопросы математического описания, анализа и синтеза структуры и параметров ИИССУ с целью обеспечения высокой точности стабилизации с учетом особенностей их динамики на подвижном основании в режимах стабилизации и управления. Обычно эти режимы рассматриваются отдельно по упрощенным математическим моделям, поэтому полученные результаты нуждаются в уточнении средствами моделирования и экспериментальными исследованиями, что усложняет процесс проектирования и увеличивает его длительность.
Таким образом, разработка математической модели ИИССУ с осью поворота наружной рамки карданова подвеса, параллельной основанию,
7 способной обеспечить широкий диапазон углов обзора и требуемую точность стабилизации при высоких скоростях управления, является актуальной научной задачей, которая в целом пока еще не решена.
Объектом исследования является двухосная ИИССУ, установленная на подвижном основании, предназначенная для выдачи информации об углах пеленга и угловых скоростях оси визирования в систему управления ЛА.
Предметом исследования является математическая модель и динамические погрешности прецизионной ИИССУ с большими углами и скоростями наведения оси визирования.
Цель и задачи работы. Цель работы состоит в повышении эффективности работы информационно-измерительной системы стабилизации и управления путем увеличения точности определения углов пеленга оси визирования. Поставленная цель определила следующие основные задачи теоретических исследований и компьютерного моделирования.
Разработка математической модели погрешностей двухосной прецизионной ИИССУ с осью поворота наружной рамки карданова подвеса, параллельной основанию.
Вывод кинематических уравнений двухосной ИИССУ с осью поворота наружной рамки, параллельной основанию.
Получение аналитических выражений для переменных углов пеленга ИИССУ с осью поворота наружной рамки карданова подвеса, параллельной основанию.
Вывод аналитических выражений для возмущающих моментов, действующих по осям двухосного карданова подвеса ИИССУ с наружной осью, параллельной основанию, при переменных углах пеленга.
Исследование погрешностей ИИССУ при больших скоростях управления в широком диапазоне углов обзора.
Синтез корректирующих устройств, направленный на повышение динамической точности определения углов пеленга ОВ.
8 Решение указанных задач позволяет расширить области теоретических исследований и практического применения прецизионных
ИИССУ ОВ.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Разработана математическая модель погрешностей двухосной ИИССУ с осью наружной рамки карданова подвеса, параллельной основанию,
Получены уравнения для угловых скоростей ЗН в двухосной ИИССУ с осью поворота наружной рамки, параллельной основанию.
Представлены аналитические выражения для углов пеленга оси заданного направления (ЗН) с учетом переменных составляющих, вызванных качкой основания и движением ОВ.
Получены выражения для возмущающих моментов, действующих по осям карданова подвеса ИИССУ с осью поворота наружной рамки, параллельной основанию, при переменных углах пеленга.
5. Исследованы динамические погрешности ИИССУ при максимальных возмущающих моментах, вызванных качкой основания и движением ОВ.
Практическая ценность работы. Разработанная в диссертации модель динамических погрешностей ИИССУ позволяет исследовать двухосные прецизионные системы стабилизации и управления при больших скоростях наведения в широком диапазоне углов обзора в совмещенных режимах стабилизации и управления.
Методологической и теоретической основой работы послужили теоретическая механика, теория гироскопов и гиростабилизаторов, теория автоматического регулирования, теория оптических систем.
Практическое использование результатов диссертационной работы осуществлялось в ОКР ОАО НИИ «Стрела», г.Тула.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доказывались на следующих конференциях и
9 семинарах: 21 научная сессия, посвященная Дню радио,- Тула, Тульский государственный университет, 2003; Научно-техническая конференция «Техника 21 века глазами молодых ученых и специалистов» - Тула, Тульский государственный университет, 2004; 1-я Всероссийская конференция студентов и аспирантов «Идеи мол о дых-новой России», Тула, Тульский государственный университет, 2004, Международная научная конференция «30 гагаринские чтения», г.Москва, МАТИ-РГТУ им. Циолковского, 2004.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 3 тезиса докладов и 6 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и научных выводов и включает 115 страниц машинописного основного текста с 4% рисунками, список литературы из 83 наименований на 7 страницах, приложение на 16 страницах. Отдельные выводы и рекомендации даны в каждом разделе, основные теоретические и практические результаты - в заключении диссертации.
В первой главе рассматривается принципиальная схема двухосной ИИССУ с осью наружной рамки карданова подвеса параллельной основанию, разрабатывается математическая модель динамических погрешностей системы; выводятся аналитические выражения для возмущающих моментов, действующих по осям карданова подвеса.
Во второй главе осуществляется вывод кинематических уравнений двухосного карданова подвеса с осью наружной рамки, параллельной основанию; аналитических выражений для переменных углов пеленга ИИССУ; проводится численное исследование кинематических уравнений карданова подвеса.
В третьей главе проводится анализ возмущающих моментов с учетом переменных углов пеленга ЗН для режима стабилизации; синтез корректирующих устройств и регуляторов ИИССУ в контуре стабилизации;
10 исследование устойчивости и ошибок стабилизации скорректированной ИИССУ.
В четвертой главе проводится анализ возмущающих моментов для релшма управления при переменных углах пеленга ЗН; синтез корректирующих устройств и регуляторов ИИССУ с человеком-оператором в контуре управления; исследование устойчивости движения и ошибок наведения скорректированной ИИССУ.
В заключении приведены основные научные выводы, полученные в диссертации.
В приложении помещены акт внедрения результатов диссертационной работы, схемы численного моделирования ИИССУ на компьютере.
Математическое описание информационно-измерительной системы стабилизации и управления оси визирования
В первую очередь при исследовании ИИССУ возникают задачи геометрии и кинематики, связанные с анализом карданного подвеса, стабилизирующих устройств, преобразователями координат, нахождением кардановых ошибок и др. При решении этих задач необходимо определять положение системы координат, связанной с платформой, заключенной в карданов подвес, по отношению к некоторой заданной системе координат. Выбор систем координат, относительно которых составляются уравнения движения ИИССУ, в значительной степени упрощает вид этих уравнений, что в свою очередь существенно облегчает исследования. При этом необходимо воспользоваться методом составления уравнений прецессионного движения сложных гироскопических систем в конечных углах с полным учетом всех составляющих скорости точки подвеса и сил инерции переносного движения. Здесь рассматривается движение точки подвеса гироскопических систем относительно некоторой сферы, не принимающей участия в суточном вращении Земли [29,34]. Кроме того, кинетический момент гироскопической системы и его производную относят к некоторой поступательно перемещающейся опорной системе координат.
Для математического описания ИИССУ свяжем с подвижным основанием систему координат OX0Y0Z0, имеющую начало в центре карданного подвеса. Ось ОХ0 направим параллельно продольной оси основания, ось OZ0- в правую сторону, а ось ОТ0 - перпендикулярно первым, образуя правую систему координат (рисунок 1.6).
Движение основания считаем известным, т.е. в каждый момент времени определена ориентация системы координат OXoyoZ0 относительно инерциальной системы, а проекции coQX,coQY,a)0Z вектора абсолютной угловой скорости основания на оси системы OX0Y0Z0 являются заданными функциями времени.
Свяжем с наружной рамкой карданного подвеса систему координат OX Z а с внутренней рамкой - систему координат OX2Y2Z2i положение которой относительно системы OX0YDZ0 полностью определяется углами пеленга ОВ pY и р?, характеризующими относительные углы поворота платформы ИИССУ. Положение системы координат ОЕ.-цС, относительно OXaYaZ0 определяется углами пеленга рА и ре, характеризующими повороты ЗН.
Угол рассогласования между ОВ (осью ОХ2) и ЗН (осью 0%) характеризует точность ИИССУ и определяется проекциями а и /? в двух ортогональных плоскостях. Проекции абсолютной угловой скорости ЗН на ортогональные оси обозначим co4Y,G)n7.
Необходимое представление о динамике ИИССУ дает исследование её математической модели в переходных и установившихся режимах [70,76]. При этом выражения для углов пеленга ЗН и возмущающих моментов, действующих по осям карданова подвеса, считаются известными функциями. Методика исследования динамических погрешностей ИИССУ основана на представлении колебаний основания гармоническим процессом и определении погрешностей при детерминированных законах движения основания и ЗН.
Уравнения движения ИИССУ составлялись в подвижной системе координат, связанной с основанием. Для каждого элемента ИИССУ использовались динамические уравнения Эйлера для твердого тела [34], вращающегося вокруг одной неподвижной точки.
Для платформы ИИССУ с симметрично распределенной относительно начала координат массой эти уравнения имеют вид: JХ2Х1 \У Zl Ylt Yl Zl Мхг- JY2(by2+(JX2-JZ2)a)X2a Z2 = МУ2; (1.1) Jzizi + (JY2 -Зхг)хггг = Mzi-Здесь JX2, JY2, Jn - моменты инерции платформы с расположенным на ней гироскопом; й)Х2, u)Y2, COZ2 - проекции абсолютной угловой скорости платформы; МХ2, МУ2, MZ2 - проекции результирующего момента внешних сил, действующих на платформу ИИССУ.
Исследование кинематики информационно-измерительной системы в режиме управления
Полученные во второй главе аналитические выражения для переменных углов пеленга ЗЫ Рл Фв, позволяют более точно оценивать возмущающие моменты, действующие по осям карданова ИИССУ, путем правильного выбора мощности двигателя стабилизации.
Проведем оценку возмущающих моментов для режима стабилизации При исследовании качку основания будем считать гармонической с разными амплитудами и частотами по осям: соох = lsin6,28/; o)OY =Іsin 28r; а 07 = lsin6,28?
Исследования будем проводить для переменных и постоянных углов пеленга ЗН путем компьютерного моделирования по выражениям (1.12) и (1.13). На рисунках 3.1-3.2. приведены графики возмущающего момента М\ для канала высоты.
Из графиков видно, что с увеличением начального угла пеленга фАи существенно возрастает значение момента М2 . Расчет при постоянных углах пеленга дает достаточно точную количественную и качественную картину для момента М, , а для момента М2 только при фА0 60. При фА0 60 и для момента М2С расчет при постоянных углах пеленга дает заниженную оценку для максимального значения момента. В этом случае необходимо учитывать изменение углов пеленга, вызванные качкой основания. Наибольшее рассогласование между графиками, построенными при постоянных и при переменных фА и фв, наблюдается для момента М2 и достигает 35% при фА()= 80.
Условия устойчивости рассматривались с учетом постоянной времени двигателя стабилизации (когда она превышает постоянную времени гироскопа) и ПИД - регулятором в контуре стабилизации.
При исследовании переходных режимов воспользуемся математической моделью, отражающей динамические ошибки ОВ. Исследования проводились с различными корректирующими звеньями и регуляторами. В данной главе приводятся результаты синтеза корректирующих устройств в контуре стабилизации в виде ПИД-регуляторов и корректирующих звеньев дифференцирующего характера.
Для улучшения качества стабилизации в контуры стабилизации ИИССУ были введены корректирующие звенья дифференцирующего характера с передаточными функциями вида 7 + v где s - оператор Лапласа, Для канала высоты ИИССУ структурная схема контура стабилизации представлена на рисунке 3.6.
Собственное и установившееся движения ИИССУ, характеризующиеся переходными процессами и реакцией на возмущения по ошибкам стабилизации, исследовалось при единичных возмущающих воздействиях с помощью системы компьютерной математики MATLAB -6.5.
Логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) для ошибки стабилизации /? от возмущающего момента М2 при разомкнутом контуре стабилизации приведены на рисунке 3.7.
Исследование устойчивости движения скорректированной информационно-измерительной системы
Успехи в области автоматизации управления различного рода техническими устройствами могут создать впечатление, что в близком будущем человек, действующий как одно из звеньев системы управления, будет повсюду заменен автоматами. Такая замена не всегда целесообразна, а в некоторых случаях просто невозможна.
Начиная с периода второй мировой войны исследования динамики человеко-машинных систем, показали, что в системы слежения необходимо вводить ручные операции. Это значительно упрощает и облегчает системы управления, повышает их надежность, а в отдельных случаях и точность. Часто требования высокой точности работы системы слежения усложняет ее структуру и снижает надежность, в то время как включение в контур человека просто и надежно решает ту или иную проблему управления,
Человек в системах управления (СУ) является одновременно самым сильным и самым слабым звеном. Он находит правильную совокупность управляющих воздействий в сложной непредвиденной обстановке и сравнительно просто решает задачи управления, трудно поддающиеся автоматизации. Однако эмоциональность человека, ограниченная способность выполнять различные функции, необходимость обеспечения жизнедеятельности, работоспособности и безопасности человека делают его слабым звеном в системах управления.
В связи с этим проведено большое число исследований с целью приближенного определения математической модели человека-оператора. Такая модель позволит оперировать человеком таким же образом, как и обычным техническим звеном системы. Исследования простых линейных моделей установили, что они с довольно высокой точностью описывают осредненные по времени действия человека при данном входном сигнале и данной системе слежения. Но изменения того или другого влечет за собой изменение параметров передаточной функции, ее структуры и делает ее непригодной для описания поведения оператора. В этих изменениях проявляется адаптивность человека, из-за которой его передаточной функцией можно пользоваться только при тех условиях, при которых она была найдена.
Другое обстоятельство связано со стохастичностыо управляющих движений человека. Каждое отдельное корректирующее движение оператора может существенно отклоняться от того, которое соответствует линейным операциям над входным сигналом. Реакция человека содержит случайную составляющую, которая проявляется также в том, что, в отличие от технического линейного элемента, в выходной величине которого могут быть только частоты, содерїкащиеся во входной величине, в выходной величине человека-оператора обнаруживаются частоты, отсутствующие во входном сигнале. Кроме того, динамические параметры человека изменяются в связи с непостоянством его психофизического состояния. Эти изменения нельзя предвидеть и поэтому следует отнести к случайным факторам.
К указанным фундаментальным отличиям человека-оператора от технического элемента системы управления можно добавить способность управлять как по замкнутой, так и по разомкнутой схеме, прогнозировать, экстраполировать, обучаться и приспособляться.
Приспособляемость, как единодушно отмечают все исследователи, является наиболее характерной чертой поведения оператора в системах управления. При всех исследованиях систем, включающих оператора, приходится учитывать его способность к приспособлению. Приспособляемость позволяет человеку решать широкий круг задач управления лучше, чем это делают полностью автоматические системы. Действуя в качестве звена системы управления, оператор в зависимости от входных воздействий и динамических характеристик остальных элементов системы изменяет свои характеристики таким образом, чтобы обеспечить устойчивость системы и качество регулирования. Человек способен вводить в свои ответные реакции упреждение, производить сглаживание сигналов, приобретать навыки при работе с неслучайными входными сигналами и уменьшать за счет этого ошибки управления, быстро изменять свои характеристики при изменении ситуации и т. п.
В зависимости от конкретных условий приспособление оператора может происходить различными способами, Так, одним из простейших способов коррекции оператором характеристик системы является введение упреждения, которое может создаваться при помощи различных факторов: оператор может непосредственно оценить заранее стимулы, на которые он должен впоследствии реагировать; за счет предвидения будущих значений регулируемых переменных, основанного на знании производных по времени от управляемых переменных (например, предвидение высоты, основанное на знании высоты и вертикальной скорости в текущий момент), за счет запоминания своей реакции на прошлые стимулы.
Исследование возмущающих моментов, действующих на ИИССУ в режиме наведения
Если характеристики управляемого объекта остаются неизменными, через некоторое время оператор начинает управлять на основании накопленных в процессе приспособления знаний о динамике объекта. Это позволяет ему заблаговременно приспособить свои характеристики к изменению динамики объекта.
Для определения математической модели оператора необходимо учитывать тип слежения, Все возможные разновидности операции слежения принято, прежде всего, подразделять на два типа, различающихся содержанием предъявляемой к оператору информации: сопровождающее и компенсирующее. Выполняя сопровождающее слежение, оператор видит и входной сигнал, и сигнал о текущем состоянии управляемого объекта. Задача оператора в том, чтобы удерживать разность между этими сигналами вблизи нулевого значения. При компенсирующем слежении оператор видит только разность между сигналами, т.е. ошибку, и решает ту же задачу. В исследованиях процесса слежения выделяют в качестве разновидности сопровождающего слежения так называемое слежение с предвидением, под которым понимается процесс, при котором оператор видит не только текущее положение входного сигнала, но и закон изменения этого сигнала на некоторый отрезок времени вперед.
Наиболее широко применяемым и удобным с инженерной точки рения способом описания поведения человека-оператора является метод эквивалентных передаточных (описывающих) функций.
Передаточные функции оператора применяются для анализа устойчивости систем ручного наведения, определения ограничений, наложенных динамическими характеристиками оператора на динамические характеристики объекта, системы управления и всей замкнутой системы, а также для предсказания оценок управляемости на этапе проектирования, когда нет возможности произвести физическое моделирование. Получение этих результатов чрезвычайно важно, так как оно позволяет своевременно внести коррективы в разрабатываемую си-тему. Кроме того, при аналитическом исследовании можно учесть дополнительные факторы, влияющие на оценку управляемости, которые трудно воспроизвести при физическом моделировании.
Различными авторами проводилось экспериментальное исследование характеристик оператора в разнообразных системах управления. Из полученных результатов видны основные трудности, возникающие при исследовании систем с оператором, которые состоят в том, что передаточные функции оператора, полученные в определенных конкретных условиях, справедливы для весьма ограниченного класса подобных систем.
В диссертации для исследований влияния оператора на работу ИИССиУ была выбрана передаточная функция вида: где К- коэффициент, охватывающий человека и управляемое им звено; Г,-постоянная времени, отражающая реакцию оператора на текущую величину скорости цели; Т0- время запаздывания оператора; Т2 - постоянная времени, отражающая адаптацию, предвидение, опыт оператора.
Данная передаточная функция с довольно высокой точностью описывает действия человека-оператора выполняющего функцию наведения линии визирования на цель при сопровождающем типе слежения и была получена Дж.Элкиндом с помощью следующих экспериментов.
Экспериментальная установка состоит из электронно-лучевой трубки, на экране которой имеются два подвижных индекса. Один изображает цель, а движением второго управляет оператор. Для двухкоординатного слежения цель изображается точкой, а управляемый индекс - перекрестием. Задача оператора заключается в том, чтобы удерживать центр перекрестия на цели, и таким образом свести к минимуму рассогласование между расположением отметки цели и следящим индексом. Горизонтальная и вертикальная составляющие расстояния между целью и управляемым индексом, деленные па дальность от глаз оператора до экрана, дают вертикальную и горизонтальную угловые ошибки слежения, измеренные в тысячных долях радиана.
Другой метод состоял в том, что набранная на моделирующей машине модель оператора подключалась параллельно оператору и ее параметры подбирались таким образом, чтобы обеспечить наилучшее совпадение реакций оратора и его модели.
Было замечено, что после восприятия стимула оператор, осуществляет две, по существу, линейные операции:
1. Умственную оценку информации относительно положения, скорости, ускорения, необходимую для принятия решения.
2. Непроизвольное наложение определенных физических усилий, начинающихся в результате невромышечиых (или моторных) сигналов.
Особенность рассмотренных экспериментальных данных заключается в том, что получены они в спокойных лабораторных условиях и применимы к подготовленным операторам, характеристики деятельности которых малочувствительны к стрессовой обстановке,
