Содержание к диссертации
Введение
1. Методы обеспечения подобия в тренажерах подвижных наземных объектов 14
1.1. Тренажер как физическая модель объекта 16
1.1.1. Структура тренажера 16
1.1.2. Пространство релевантных параметров 24
1.2. Реализация принципа подобия в тренажерах как физических моделях объектов 27
1.2.1. Общие типы подобия тренажеров и ПНО 28
1.2.2. Геометрическое (статическое) подобие 31
1.2.3. Динамическое подобие 31
1.2.4. Информационное подобие 32
1.3. Классификация тренажеров 33
1.3.1. Спассификация по моделированию механических перемещений 33
1.3.2. Классификация по объему моделируемых систем 34
1.3.3. Классификация по способу выполнения 35
1.3.4. Классификация по типу аппаратных средств 36
1.4. Поколения тренажеров и методы их проектирования 37
1.4.1. Первое поколение 37
1.4.2. Второе поколение 39
1.4.3. Третье поколение 42
1.4.4. Четвертое поколение тренажеров и проблема их проектирования 44
1.5. Выводы 49
2. Физические и математические модели подвижного наземного объекта и тренажера 50
2.1. Модель управления движением ПНО 50
2.1.1. Модель управления положением ПНО в пространстве 50
2.1.2. Моделирование манипуляции органами управления 53
2.1.3. Моделирование двигательной установки и трансмиссии 56
2.2. Моделирование воздействия дороги 58
2.2.1. Определение основных числовых характеристик случайного воздействия на ПНО 58
2.2.2, Имитация воздействия дороги в УТЗ 61
2.3. Механические движения кабины ПНО относительно движителей 65
2.3.1. Общая кинематическая схема движений РМО относительно движителя 66
2.3.2. Продольно угловые и линейные вертикальные перемещения 69
2.3.3. Поперечно угловые перемещения 74
2.3.4. Продольные угловые перемещения при продольных ускорениях ПНО 76
2.3.5. Управление углом курса 77
2.3.6. Качественный анализ движения ПНО 78
2.4. Физическая модель, воспроизводящая движение кабины ПНО 79
2.4.1. Математическая модель динамической платформы 81
2.4.2. Математическая модель привода 85
2.5. Моделирование сенсорной подсистемы . 87
2.5.1. Измерительные преобразователи 88
2.5.2. Контактные преобразователи 89
2.5.3. Потенциометрические (резистивные) преобразователи 92
2.5.4. Оптронные преобразователи 94
2.5.5. Определение величины критерия подобия датчиков 95
2.6. Выводы 96
3. Обеспечение динамического подобия движении кабины пно и платформы тренажера 98
3.1. Синтез параметров управления в информационно-измерительной и управляющей системах тренажера 99
3.1.1. Общий случай синтеза управляющей системы тренажера по линейной модели с совпадающими векторами воздействия 99
3.1.2. Синтез управляющей системы тренажера по линейной модели с несовпадающими векторами управления 102
3.2. Синтез управляющей системы динамической платформы тренажера по передаточным функциям 104
3.2.1. Обеспечение подобия при наличии доступа к функциональным блокам, описываемым структурными единицами 107
3.2.2. Обеспечение подобия при отсутствии доступа к функциональным блокам, описываемым структурными единицами 109
3.2.3. Приближенный синтез корректирующих передаточных функций 115
3.3. Обеспечение подобия за счет встречно-параллельного включения корректирующих устройств 119
3.3.1. Обеспечение подобия при наличии доступа к функциональным блокам, описываемым структурными единицами 119
3.3.2. Обеспечение подобия при ограниченном доступе к функциональным блокам, описываемым структурными единицами 121
3.3.3. Обеспечение подобия при отсутствии доступа к функциональным блокам, описываемым структурными единицами 125
3.3.4. Формирование аппроксимирующего корректирующего устройства с дифференцирующими свойствами 129
3.4. Обеспечение подобия с помощью регуляторов с переменной структурой 131
3.5. Выводы 134
4. Аппаратно-программный комплекс управления подвижной платформой тренажера 137
4.1. Обеспечение условий обработки сигналов в тренажере 139
4.1.1. Увеличение критерия подобия, вызываемое низкой частотой дискретизации 139
4.1.2. Увеличение критерия подобия, вызываемое реальным восстанавливающим фильтром 142
4.1.3. Увеличение критерия подобия от мультипликативного дискретизатора с реальной дискретизирующей функцией 143
4.1.4. Увеличение критерия подобия, вызванное квантованием сигналов сенсорной системы 145
4.2. Программная обработка данных в информационно-измерительной системе тренажера 148
4.2.1 Общие принципы разработки программного обеспечения тренажеров 148
4.2.2. Организация обработки данных в тренажерах 151
4.3. Общие методики проектирования информационно-измерительной и управляющей системы тренажера с минимизацией критерия подобия 156
4.3.1. Этапы формирования тренажера как физической модели объекта 156
4.3.2. Оптимизация критерия подобия 158
4.3.3. Структурно-параметрический метод оптимального проектирования 162
4.4. Реализация проектного решения 166
4.5. Выводы 170
Заключение 172
Литература 175
Приложение 185
- Реализация принципа подобия в тренажерах как физических моделях объектов
- Определение основных числовых характеристик случайного воздействия на ПНО
- Синтез управляющей системы динамической платформы тренажера по передаточным функциям
- Увеличение критерия подобия от мультипликативного дискретизатора с реальной дискретизирующей функцией
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие рыночных отношений предопределяет жесткую конкуренцию на рынке обычных вооружений, а, следовательно, требует постоянной модернизации материальной части эксплуатируемой техники, в связи, с чем в настоящее время остро стоит проблема подготовки и переподготовки кадров. Относительно высокая сложность и стоимость систем обычных вооружений и боеприпасов, дороговизна углеводородных источников энергии делает проблематичным обучение, основанное на применении реальной техники в полигонных условиях. Поэтому определяющим фактором технического переоснащения войск РФ необходимо признать переход на качественно новый уровень обучения личного состава с опорой на современные тренажерные комплексы. Обучение личного состава с применением тренажерной техники, обеспечивающей имитацию различных штатных и нештатных ситуаций при моделировании реальных технических средств и боевой обстановки, является общепринятой практикой для оборонно-промышленных комплексов любой из индустриально развитых стран, где разработка и производство тренажеров проходит параллельно с созданием имитируемых ими боевых систем [1, 9, 52, 99, 111,124].
Указанные обстоятельства привели к тому, что тренажер, как устройство, представляющее физическую модель реального объекта, стал важнейшим звеном в системе подготовки операторов, от степени статического, динамического и информационного подобия которого зависит эффективность их применения как технического средства обучения.
С другой стороны, любой тренажер, как объект инженерной разработки, представляют собой достаточно сложную измерительно-информационную и управляющую систему, проблемы целенаправленного проектирования которой решены далеко не полностью. В частности не решена проблема оптимизации степени динамического подобия тренажера реальному объекту при воздействии на тренажер человека-оператора через информационно-измерительную систему и имитаторы органов управления, а также окружающей среды через микроне-
ровности дороги. Все это объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.
Объектом исследования диссертационной работы являются измерительно-информационная система тренажера с подвижным макетом рабочего места обучаемого оператора, обеспечивающая его динамическое подобие реальному подвижному наземному объекту [1, 36, 51, 66, 88]. Методы достижения подобия, разработанные в диссертации для наземных объектов, могут быть применены для разработки тренажеров летательных аппаратов [2, 9, 28, 35, 112, 113, 116, 117, 118, 124], железнодорожного или морского транспорта [19, 100, 102, 111], других систем [32, 38, 70], что расширяет область применения исследований до класса объектов.
Предметом исследования диссертации работы являются технические характеристики тренажеров как физических моделей, обеспечивающие динамическое подобие реальным объектам при воспроизведении движения макета рабочего места с оператором.
Общие вопросы теории подобия развиты в работах П.М.Алабужева, В.Б.Геронимуса, В.А.Веникова, М.В.Кирпичева, Ю.Б.Подчуфарова, М.А.Мамонтова и др. Вопросы обеспечения подобия в тренажерных комплексах, как технических системах, исследовали А.С.Бабенко, В.А.Боднер, Р.А.Закиров, В.С.Шукшунов, и др. Из зарубежных специалистов подобные исследования проводили Д.А.Браун, И.Голдстейн, Ж.Кристенсен, Дж.О'Брайен, Г.Савледи, Д.Холдинг, Р.Эбертс и др.
Из всех существующих подходов к разработке тренажеров наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах математического моделирования процессов в них, что позволяет целенаправленно планировать будущие свойства разрабатываемой динамической системы. Для этого в диссертации использованы: теория подобия, теоретическая механика, теория управления, теория случайных процессов.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов обеспечения динамического подобия при проектировании измерительно-информацион-
ной и управляющей системы тренажера с подвижной платформой как физической модели реального подвижного наземного объекта (ПНО). Задачи исследований.
Введение ограничений на состав параметров физической модели, создающих эффект динамического подобия объекта с заданной структурой.
Построение моделей наиболее часто применяемых датчиков сенсорной подсистемы тренажера для учета их характеристик и погрешностей при создании эффекта подобия в процессе проектирования его информационно-измерительной и управляющей систем.
Построение аналитической математической модели управления параметрами движения ПНО, его положением в пространстве в земной системе координат, включая продольное движение и маневры по углу курса.
Проведение анализа воздействия дороги, как возмущающего фактора, вызывающего собственные колебания кабины ПНО, как подрессоренной массы, относительно движителя; получение передаточных функций для линейных вертикальных, угловых продольных и угловых поперечных движений кабины ПНО относительно движителей, а также спектров механических колебаний кабины при движении по пересеченной местности.
Разработка физической и математической моделей динамической платформы тренажера для воспроизведения колебаний кабины с обучаемым оператором при имитации воздействия дороги на движители, и позволяющей решать задачу обеспечения движения подвижной платформы тренажера по вертикали, углам тангажа и крена, подобного движению реального объекта.
Решение задач расчета идеальных корректирующих блоков информационно-измерительной системы при отсутствии ограничений на управление для различных типов структур систем управления.
Решение задачи синтеза реальных корректирующих блоков с ограниченным числом нулей и полюсов аппроксимирующей передаточной функции с минимизацией критерия подобия.
Исследование влияние на изменение критерия динамического подобия
реальных технических средств преобразования сигналов в информационно-измерительной системе.
9. Разработка методики оптимального проектирования тренажеров с це
левой функцией в виде критерия подобия.
10. Апробация предложенных методов на задачах практического проек
тирования тренажеров ПНО.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
Введено понятие пространства релевантных параметров, степень близости виртуального и реального годографов в котором определяет степень подобия реального подвижного наземного объекта и его физической модели.
Предложена физическая модель ПНО для воспроизведения движения кабины с оператором при имитации воздействия дорожного полотна на движители, позволяющая решать задачу перемещений макета кабины в тренажере по вертикали, углам тангажа и крена, подобных движениям кабины с оператором реального объекта.
Решены задачи определения параметров корректирующих блоков информационно-измерительной системы тренажера при отсутствии ограничений на релевантные переменные, что позволяет обеспечить динамическое подобие при прямом воздействии на подвижную платформу и воздействии с обратными связями, а также получены зависимости для оценки значений критериев подобия для указанных случаев.
Проведена оценка влияния на' критерий динамического подобия наиболее часто применяемых типов датчиков сенсорной подсистемы, а также таких компонентов информационно-измерительных систем, как аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и управляющая ЭВМ.
Разработан метод поэтапного оптимального проектирования тренажеров как физических моделей, показано, что указанное проектирование должно быть иерархическим структурно-параметрическим, причем целевой функцией задачи оптимизации на каждом уровне должен служить критерий подобия, или функции приращения критерия подобия.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании измерительно-информационных и управляющих систем как вновь разрабатываемых, так и модернизируемых тренажеров с подвижными платформами, что позволяет повысить уровень их динамического подобия при воспроизведении релевантных характеристик реального объекта и сократить сроки разработки.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами апробации разработанных методов при решении практических задач создания информационно-измерительных и управляющих систем ряда тренажеров подвижных наземных объектов.
Положения, выносимые на защиту.
Понятие пространства релевантных параметров с виртуальным и реальным годографами и критерий подобия реального объекта и его физической модели, как интегральное расстояние между виртуальным и реальным годографами в указанном пространстве.
Физическая и математическая модели подвижной платформы тренажера для воспроизведения движения кабины с обучаемым оператором при имитации воздействия дорожного полотна на движители, позволяющая решать задачу обеспечения движения подвижной платформы тренажера по вертикали, углам тангажа и крена, подобного движению кабины с оператором реального объекта.
Метод и зависимости для синтеза корректирующих блоков информационно-измерительной системы при отсутствии ограничений, которые позволяют обеспечить высокий уровень подобия при имитации воздействий на подвижную платформу в системах без обратной связи и системах с обратными связями.
Зависимости для оценки влияния на критерий динамического подобия типовых этапов прохождения сигналов в информационно-измерительных системах: в датчиках сенсорной подсистемы, при аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразованиях, а также при цифровой обработке данных.
5. Метод поэтапного оптимального проектирования тренажеров как физических моделей с использованием в качестве целевой функцией критерия подобия, или функции приращения критерия подобия.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО "ЦКБА", ОАО "Муромское СКБ", ОАО "Муроммашзавод":
«Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-72Б»;
«Разработка динамических тренажеров экипажей танков Т-80Б, Т-80У»;
«Разработка динамического тренажера экипажа танка Т-90»;
«Разработка динамического тренажера экипажа БМП-2».
Результаты, внедрены в ОАО "ЦКБА", ОАО "Муромское СКБ", ОАО "Муроммашзавод" в следующих технических системах: ДТЭ-188, ДТЭ-219К, ДТЭ-219Б, ДТЭ-172, ДТЭ-675.
Ряд теоретический положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Теория автоматического управления», «Основы информационных устройств роботов», «Математические основы теории систем».
Апробация работы. Основные ' положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
8-я научно-техническая конференция «Проблемы специального машиностроения». - Тула, Тульский государственный университет, 2005,
Межрегиональная научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы». - Тула, Тульский государственньш университет, 2005.
Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2004, 2005, 2006 гг.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, включенных в список литературы, в том числе: 2 статьи, представляющие собой материалы межрегиональных научно-технических конференций [52, 54], 7 статей в межвузовских
сборниках [36, 53, 55, 88, 95, 96, 97], 6 патентов на полезную модель [76, 77, 78, 79, 80, 81].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, изложенных на 158 страницах машинописного текста и включающих 61 рисунок и 2 таблицы, заключения, приложения на трех страницах и списка использованной литературы из 125 наименований.
Краткая характеристика содержания диссертации
Во введении дана постановка задачи создания измерительно-информационных, и управляющих систем динамических тренажеров, обеспечивающих достижение требуемой степени динамического подобия.
В первом разделе дана классификация тренажеров, определены понятия пространства релевантных параметров и критерия подобия, показано, что в современных тренажерах четвертого поколения используется унификация аппаратных средств, а подобие достигается за счет программного обеспечения.
Во второй главе разработаны математические модели объекта и окружающей среды, а также физические и математические модели тренажера с подвижной платформой и его сенсорной подсистемы.
В третьей главе исследуются системы управления движением платформы, создающие эффект динамического подобия в тренажере и методы синтеза корректирующих блоков (аппаратных или программных) обеспечивающих заданную степень динамического подобия.
Четвертая глава содержит изложение методик оптимального структур
но-параметрического проектирования информационно-измерительной и управ
ляющей систем тренажеров, с использованием в качестве критерия коэффици
ента подобия, а также приводятся сведения о практическом промышленном
применении указанных методик.
В заключении содержатся выводы по работе.
Приложение содержит акты внедрения положений диссертации в производство и в учебный процесс.
Реализация принципа подобия в тренажерах как физических моделях объектов
Под подобием двух физических систем в общем случае понимается такое явление, при котором при сходственных воздействиях величины, характеризующие состояние одной системы в сходственных точках пространства в сходственные моменты времени пропорциональны соответствующим величинам другой системы [17, 18, 26, 39, 40, 41, 60, 90, 94].
Под подобием реального объекта и тренажера, как его физической модели ниже будет пониматься количественное совпадение векторов релевантных параметров объекта X и тренажера 3. Введение понятия реальных и виртуальных релевантных параметров позволяет определить некоторые обобщенные характеристики процессов в реальном объекте и тренажере при сходных действиях обучаемого оператора. Указанные характеристики ниже будут называться критериями подобия. Как правило, это - некоторая скалярная функция {3, X), характеризующая степень соответствия ПНО и тренажера, которая должна достигать экстремума при оценке реальной конструкторской разработки.
Известно понятие расстояния е(Х, 3) как скалярной вещественной функции, определенной для двух точек X и 3 пространства релевантных параметров А, обладающей следующими свойствами [4, 6, 21, 58, 85]: 1) функция является неотрицательной, т.е. г(Х, 3) 0; 2) функция z(X, 3) = 0, тогда и только тогда, когда Х= 3; 3) функция является симметричной относительно разности сравниваемых аргументов, т.е. г(Х, 3) - Е(3, X); 4) для функции выполняется свойство г{Х, 3) е(Х, Z) + e(Z, 3), где Z -некоторый вектор. Примерами расстояний е(Х, 3) являются: евклидово расстояние сумма модулей
Расстояния могут являться либо критериями подобия, либо составляющими критериев подобия. Если критерием подобия является расстояние между векторами реальных и виртуальных параметров в релевантном пространстве, то задачей оптимизации является минимизация модуля указанного вектора.
Категория «подобие» может относиться к различным аспектам функционирования тренажера и подвижного наземного объекта. При этом для любого аспекта функционирования существуют некоторые универсальные типы подобия, определенные в данном подразделе [1, 2, 9, 28, 32, 35, 38, 66, 70, 99, 111, 112,113,117,118,124,125].
Геометрическое, или статическое подобие. Геометрические фигуры подобны, если у них соответственные углы равны и сходственные стороны пропорциональны. Для векторов Хя 3 релевантного пространства геометрическое подобие означает, что направляющие косинусы векторов равны, а для компонентов векторов справедливо равенство где а О - коэффициент пропорциональности.
При проектировании тренажеров геометрическое или статическое подобие встречается, если какой-либо узел тренажера представляет собой уменьшенную копию соответствующего узла объекта. Кроме того, ряд воздействий на оператора должен быть ограничен для выполнения требований безопасности (например, шумовое воздействие при имитации выстрела или взрыва), На указанные воздействия также могут быть наложены ограничения по снижению интенсивности путем умножения величин параметров на понижающие коэффициенты.
В дальнейшем под геометрическим или статическим подобием будем понимать ситуацию, при которой а = 1. Аффинное подобие является более часто встречающимся случаем в практике тренажеростроения. В этом случае т.е. допускается неравенство масштабов по отдельным координатным осям.
Коэффициентами подобия в этом случае могут быть названы масштабные коэффициенты, характеризующие пропорциональность сходственных размеров. При этом вектора X и Б имеют различные направляющие косинусы и занимают разное положение в пространстве (см. рис. 1.6). Пропорциональность параметров с известными и наперед заданными коэффициентами а является частным случаем физического подобия процессов.
Кроме перечисленных видов подобия разделение может быть осуществлено по следующим признакам: по степени соответствия параметров оригинала и модели (абсолютное подобие и неабсолютное или практическое подобие, которое может быть полным, неполным и приближенным): по адекватности физической природы подобных явлений (математическое подобие и физическое подобие, которое может быть механическим, тепловым, электрическим и т. п.).
Абсолютное подобие характеризуется тем, что в сходственные моменты времени релевантные параметры процессов в тренажере строго идентичны соответствующим параметрам объекта. При абсолютном подобии расстояние для релевантных переменных с(Х, ) = 0. При этом оригинал и модель должны быть структурно и физически идентичны. Реально при разработке тренажеров имеется возможность создания системы сходной во всех деталях с ПНО, в частности использование в качестве тренажера самого объекта, однако в силу технических, экономических и иных причин в ряде случаев более целесообразно использовать тренажер.
Для тренажеров характерным является понятие практического подобия. Различают полное, неполное и приближенное практическое подобие.
Полное практическое подобие - это подобие протекания во времени и в пространстве только релевантных процессов, тех, которые существенны для данного этапа обучения, и с достаточной полнотой характеризуют осваиваемый навык применительно к конкретной постановке учебно-тренировочной задачи. При полном практическом подобии исследуемых процессов должно быть обеспечено полное соответствие релевантных величин в тренажере и реальном ПНО. Отметим, что понятие полного практического подобия не накладывает никаких ограничений на нерелевантные переменные, а также на связи между переменными (математические модели объекта и тренажера). Сопоставляемые процессы могут описываться различными функциональными зависимостями. Необходимо только полное равенство релевантных параметров в заданные моменты времени, например, на время реализации учебно-тренировочной задачи.
Неполное практическое подобие - это подобие протекания процессов только во времени или только в пространстве, или в пространстве по ограниченному количеству координат, и т.п.
Приближенное практическое подобие характеризуется существованием упрощающих допущений, приводящих к различию процессов, принимаемых в качестве подобных, т. е. к таким искажениям одного из этих процессов, которые полагаются допустимыми на основании предварительных оценок, полученных при дополнительных исследованиях. Приближенное практическое подобие может быть как полным, так и неполным.
Вышеопределенные типы подобия могут быть применены к категориям статики, динамики и информатики.
Определение основных числовых характеристик случайного воздействия на ПНО
Движение ПНО с установленной скоростью по трассе сопровождается воздействием на него со стороны дороги [89, 91]. Уровень дорожного полотна может быть представлен в виде случайного сигнала где т х) — математическое среднее уровня дороги на некотором ограниченном интервале; //(х) - случайный процесс с нулевым математическим средним. Параметры дороги могут быть измерены. Для этого производятся замеры уровня дорожного полотна через определенные интервалы. Результаты замеров дают значения Ht (рис. 2.7) Значения математического среднего и корреляционной функции уровня дороги определяются в виде [25, 42] где Ї, А: - дискретные аргументы. Значения K #(X) формируются путем умножения дискретного аргумента к на масштабирующий коэффициент Лх. Отметим, что к# (х) = КщС- ) Сама корреляционная функция будет иметь вид где ../) - функция Дирака. Значение х"я(0) дает дисперсию микронеровностей дороги. Среднеквадратичное отклонение микронеровностей дороги определяется по зависимости Для формирования учебно-тренировочных задач в тренажерах вводится классификация дорог по величине среднеквадратичного отклонения микронеровностей а#. Классификация приведена в табл. 2.2 Пусть дискретный аргумент корреляционной функции 0 к К - 1, при этом при к К значения корреляционной функции Кц(к) мало отличаются от нуля. Тогда по дискретной корреляционной функции может быть определен дискретный пространственного сигнала с применением дискретного преобразования Фурье При движении ПНО по дороге случайный сигнал Щх) из пространственного преобразуется во временной. Пространственный и временной аргументы связаны зависимостью где х - скорость движения ПНО по дороге. Соответственно, корреляционная функция будет иметь вид
Зависимость (2.19) также может быть аппроксимирована плавной кривой. Величина отрезка дороги от х = 0 до х = КЛХ представляет собой расстояние корреляционной связи значений случайной функции. Очевидно, что расстояние корреляционной связи для разных дорог различно. Дорога, включающая мелкие и короткие неровности (поперечные борозды), имеет меньшее расстояние корреляционной связи, чем дорога с крупными неровностями большой длины. При движении объекта можно говорить о времени корреляционной связи. Как следует из (2.17) время корреляционной связи зависит от скорости движения ПНО х: чем больше скорость, тем меньше время корреляционной связи. Из (2.19) можно сделать вывод, что если амплитудный спектр воздействий на ПНО при движении по данной дороге имеет максимум, то положение этого максимума на частотной оси зависит от скорости движения ПНО. Если рассмотреть разность воздействий на ПНО с правой и левой стороны, то можно отметить, что правые и левые колеса ПНО наезжают на впадины и выступы не одновременно. При движении в реальных условиях они могут занимать различные положения в пространстве. Таким образом, может быть построен дифференциальный случайный сигнал, который имеет вид (2.11). Для указанного сигнала также могут быть построены корреляционная функция (2.14) и спектральная плотность (2.19).
Как правило, поперечный профиль обладает малой дисперсией схн = 5 - 6 см и малым расстоянием корреляционной связи. Это свидетельствует о том, что даже при достаточно больших неровностях продольного профиля поперечный профиль имеет мелкие и короткие неровности. Имитация воздействия дороги в тренажерах осуществляется следующим образом. Профили дорог по заданным параметрам заранее рассчитываются, и создается банк профилей дорог в виде массива данных Н = {Ни Иг, .-, HN), где N- количество различных профилей в банке заданий. Массив Ht представляет собой упорядоченное множество пар отсчетов И- {{Нцг, Нш), (Наг, Д-2/), -.., {HtMn НІМІ)}, напрямую воспроизводящих соответствующий профиль правой Hjjr и левой Hyi частей дороги. 3. Массив //упорядочивается по следующим параметрам: величина Онв среднеквадратичного отклонения превышения дороги над средним уровнем в продольном направлении; величина КЛХ0 расстояния корреляционной связи в продольном направлении (нормирование воздействий по тангажу); величина сгИу; среднеквадратичного отклонения превышения дороги над средним уровнем в поперечном направлении; величина KAXV расстояния корреляционной связи в поперечном направлении (нормирование воздействий по крену). 4.
При постановке УТЗ со случайным воздействием со стороны дороги задаются параметрами сгнв, КДх& Ун\ КЛХ. ДЛЯ данного набора параметров из банка Н извлекается соответствующий массив, который пересылается в управляющую ЭВМ рабочего места обучаемого. 5. При реализации УТЗ пары данных (Щп Щі) считываются, при этом формируется опорный сигнал для информационно-измерительной подсистемы управления подвижной платформой. При формировании массива возможно применение следующих методик: формирование композиции гармонических сигналов со случайными амплитудами; формирование композиции гармонических сигналов со случайными фазами; формирование композиции гармонических сигналов со случайным приращением амплитуды; формирование композиции гармонических сигналов со случайным приращением фазы;
Синтез управляющей системы динамической платформы тренажера по передаточным функциям
Одним из часто применяемых инструментариев анализа и синтеза информационно-измерительной и управляющей систем является математический аппарат передаточных функций [5, 33, 62, 63, 64, 82, 83, 93]. По указанным функциям достаточно просто может быть сформирована структурная схема моделируемой системы, т.е. схема, элементы которой определяют соответствующие математические операции, что в свою очередь, позволяет осуществлять поблочное проектирование аппаратной части системы, или модульное проектирование ее программного обеспечения. Математическое описание движения кабины объекта и подвижной платформы тренажера в виде передаточных функций формируется при разрешении (3.13) и (3.14) относительно X(jco) и Щ/си), соответственно: Функции Wnm(jco) и Vnm(joJ) имеют вид отношения полиномов от (joy). В общем случае полином числителя имеет (ЛИ)-га степень, полином знаменателя - N-то степень: где conmi и donmj - коэффициенты числителя и знаменателя, соответственно, при операторе дифференцирования (jcd), имеющем ню степень, передаточной функции Wnm{jcS) объекта; csnmi и dsnmi - коэффициенты числителя и знаменателя, соответственно, при операторе дифференцирования (jco), имеющем ї-ю степень, передаточной функции V dcS) тренажера; Структурные схемы объекта и тренажера приведены на рис. 3.2 а и б, соответственно. Из приведенных схем видно, что структура математического описания включает блоки Wnm(ja)), в которых п т, и которые обозначают прямые связи и-го входа с п-и выходом, а также блоки Wnm(j(o), в которых п т, и которые обозначают перекрестные связи и-го входа с т-м выходом. Как было показано выше, задача проектирования подвижной платформы тренажера заключается в обеспечении равных значений векторов Х{] сй) и Щ] &). В том случае, если конструкция подвижной платформы тренажера допускает корректировку воздействия на отдельные функциональные блоки, представленные в математической модели отдельными структурными единицами, в частности блоками с передаточной функцией Vnm(jo)), коррекция воздействия может быть осуществлена на уровне указанных функциональных единиц.
Это приводит к структурной схеме подвижной платформы тренажера, приведенной на рис. 3.3. На рис. 3.3 G„m(]co) - фильтры, корректирующие входные воздействия. Корректирующие блоки реализуются либо в виде физических функциональных блоков подвижной платформы (например, демпфирующих устройств, акселераторов и т.п.) либо в виде структурных единиц математического обеспечения (программных модулей, обеспечивающих в алгоритме расчет управляющих воздействий на отдельные функциональные модули подвижной платформы). Для линейных систем (3.30) и (3.31) G„m(jaj) также имеют вид линейной передаточной функции гДе свпті и dCnmi - коэффициенты числителя и знаменателя, соответственно, при операторе дифференцирования (/), имеющем z -ю степень, передаточной функции GraJjoS) корректирующего блока; М(с) - порядок числителя; М{6) -порядок знаменателя. Как следует из вышеизложенного, для обеспечения подобия при наличии доступа к функциональным блокам, описываемым структурными единицами, необходимо выполнение условий В том случае, если конструкция подвижной платформы тренажера не допускает корректировки воздействия на отдельные функциональные блоки, представленные в математической модели отдельными структурными единицами, а допускает воздействие на всю платформу «в целом», корректировка должна производиться на уровне воздействия. Структурная схема корректировки воздействия «в целом» на подвижную платформу тренажера, приведена нарис. 3.4.
Увеличение критерия подобия от мультипликативного дискретизатора с реальной дискретизирующей функцией
В реальных условиях не существует дискретизаторов, имеющих характеристику (4.4), т.е. производящих измерение сигнала за бесконечно малое время. Как правило, дискретизирующая функция реализуется на реальных аналого-цифровых преобразователях, имеющих конечное время преобразования, что вызывает прирост критерия динамического подобия вследствие того, что в этом случае увеличивается ошибка дискретизации. Реальная (приближенная) мультипликативная дискретизация возникает при использовании дискретизирующеи функции, которая с достаточной степенью точности может быть описана прямоугольной, треугольной, трапецеидальной и т.п. формами. Вид реальных дис-кретизирующих функций приведен на рис. 4.3. При дискретизации сигналы одной из форм, приведенных на рис. 4.3, периодически повторяются: где Tj - период дискретизации /-го сигнала. Для каждой из приведенных дискретизирующих функций может быть найдена спектральная плотность путем выполнения преобразования Фурье (1.11) где -F[...] - прямое преобразование Фурье, рассчитываемое по зависимости (1.11); air(t) - реальная дискретизирующая функция /-го дискретизатора; Дг0 со) -спектральная характеристика /-й реальной дискретизирующей функции. Аналогично зависимости (4.2) может быть найдена форма /-го сигнала на выходе реального дискретизатора. В соответствии с теоремой о свертке в спектральной области
Таким образом, спектр сигнала на выходе реального дискретизатора определяется сверткой спектра выхода идеального дискретизатора с частотной характеристикой реальной дискретизирующей функции. Реальная дискретизирующая функция увеличивает приращение критерия подобия. Увеличение указанного критерия определяется для реального восстанавливающего фильтра зависимостью Большую роль при создании динамического подобия играет операция квантования сигнала по уровню. Под квантованием сигнала st{t) по уровню подразумевается операция при которой производится измерение сигнала в точках дискретизации и выражение результатов измерения некоторым вектором d = (d\, ..., dt,..., d„) /-я компонента которого выбирается из множества dt є {dn, ..., d&, ..., d ,-)}, где K(i) -число уровней квантования сигнала st). В реальных технических сенсорных подсистемах квантование информации по уровню сочетается с дискретизацией. При равномерном распределении уровней квантования статическая переходная характеристика аналого-цифрового преобразователя имеет вид где 4т - начальный уровень квантования /-го сигнала; Д - шаг квантования /-го сигнала. Для оценки критерия подобия целесообразно рассмотреть величину, называемую шумом квантования и связанную с плотностью распределения вероятностей обрабатываемого сигнала УХ-5,). Шум квантования можно охарактеризовать как среднеквадратичное отклонение сигнала от его истинного значения. Рассмотрим процесс квантования в предположении, что уровни квантования распределены равномерно и что внутри каждого отдельного интервала квантования при достаточно большом числе уровней квантования плотность распределения вероятностей обрабатываемого сигнала/ ) является постоянной, хотя в общем случае она может изменяться при переходе от одного интервала квантования к другому. Принцип равномерного квантования иллюстрирует рис. 4.4. Если квантуемый аналоговый сигнал s({f) имеет плотность распределения вероятностейу /), а квантование производится по зависимости (4.16), то значение уровня сигнала, минимизирующее среднеквадратичную ошибку квантования, представляет среднее арифметическое значение между порогами квантования:
В предположении, что внутри интервалов уровень сигнала распределен равномерно, среднеквадратичная ошибка для к-то интервала определяется как дисперсия равновероятного распределения в виде Общая мощность шума квантования равна взвешенной сумме мощностей отдельных интервалов квантования: где pik - вероятность попадания сигнала s,{t) в к-й интервал, определяемая по зависимости При равномерном квантовании где 5,-щщ и 5,-тах - соответственно минимальное и максимальное значения сигнала St т.е. увеличение критерия подобия от каждого сигнала обратно пропорционально квадрату количества уровней квантования. Естественно, что в процессе квантования сигналов сенсорной системы одним из основных требований является уменьшение мощности шума квантования, что может быть выполнено простым увеличением количества интервалов квантования. Общее увеличение критерия подобия при квантовании сигналов по уровню определяется зависимостью Таким образом, на этапе преобразования вектора сигнала s(t) в цифровую форму общее увеличение критерия принимает вид где Agtr - приращение критерия подобия в системе с реальным дискретизатором и реальным восстанавливающим фильтром, определяемое по зависимости (4.15).
