Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные средства цифровой обработки сигналов и возможности их использования в системе управления станцией спутниковой связи 14
1.1 Оценка необходимых вычислительных ресурсов 14
1.2 Основные принципы цифровой обработки сигналов 17
1.2.1 Преимущества цифровой фильтрации сигналов 17
1.2.2 Виды программируемых вычислительных структур для обработки сигналов 21
1.2.3 Применение программируемых вычислительных структур в системах управления 25
1.3 Применение ЦСП для обработки сигналов 27
1.3.1 Влияние архитектуры ядра и внутреннего представления чисел на производительность процессора в реальных приложениях 27
1.3.2 Сравнение возможностей сигнальных процессоров с точки зрения их применения в управлении телекоммуникационной системой 32
1.3.3 Системная интеграция ЦСП и взаимодействие с периферийными устройствами 37
1.4 Анализ характеристик и возможности применения процессоров
серии TMS320 в управлении телекоммуникационной системой 40
1.4.1 Области применения микроконтроллеров TMS320'24x 40
1.4.2 Технические характеристики семейства микроконтроллеров TMS320'24x 42
1.4.3 Назначение процессоров и микроконтроллеров серии TMS320l24x 48
1.5 Выводы по главе 53
Глава 2. Математическое описание объекта исследования 55
2.1 Функциональная модель корабельной станции спутниковой связи... 55
2.1.1 Подсистема наведения 55
2.1.1 Подсистема автосопровождения 55
2.1.2 Подсистема стабилизации 57
2.1.3 Подсистема ввода-вывода 59
2.2 Математическое описание объекта управления . 60
2.2.1 Кинематическая схема пространственного стабилизатора 60
2.2.2 Линеаризованные уравнения движения ПС 62
2.2.3 Выбор схемы и порядок расчета трехосного гироскопического стабилизатора 71
2.3 Оценка управляющего воздействия 74
2.3.1 Структурная схема для расчета контура управления 74
2.3.2 Расчет гироскопического стабилизатора 79
2.3.3 Расчет контура управления 84
2.4 Выбор и обоснование критерия оптимальности 85
2.5 Выводы по главе 86
Глава 3. Разработка и оптимизация алгоритмов и вычислительных процедур цифрового управления корабельной станции спутниковой связи 87
3.1 Обобщенный алгоритм работы системы управления станции спутниковой связи и пользовательский интерфейс 87
3.1.1 Обобщенный алгоритм работы системы управления станции спутниковой связи 87
3.1.2 Определение дискретной передаточной функции корректирующего звена 90
3.1.3 Структура исходных данных по наведению антенны на спутник 93
3.2 Алгоритм пространственной стабилизации антенны и
функционирования всей системы управления 97
3.2.1 Пользовательский интерфейс системы управления 97
3.2.2 Алгоритмы оперативного управления станцией спутниковой связи 101
3.2.3 Алгоритмы оперативного контроля и реакции системы управления в аварийных ситуациях 108
3.3 Оптимизация вычислительных процедур СП в среде разработки Code Composer Studio Ill
3.3.1 Интегрированная среда разработчика Code Composer Studio 111
3.3.2 Цикл разработки с использованием CCS 112
3.3.4 Встроенный язык скриптов GEL 113
3.3.5 Конфигурация объектов 115
3.3.6 Интегрированная среда разработки 117
3.3.8 Интегрированный редактор 118
3.3.9 Средства генерации кода „ 119
3.3.10 Интегрированный отладчик 122
3.3. П Точки останова и контроля 123
3.3.12 Средства визуализации данных 125
3.4 Выводы по главе 125
Глава 4. Моделирование и реализация предложенных алгоритмов управления на ЭВМ 126
4.1 Математическое моделирование в системе MATLAB Simulink 126
4.1.1 Возможности моделирования систем управления в пакете Simulink 126
4.1.2 Описание модели, созданной в пакете Simulink 128
4.2 Проверка на испытательном стенде 138
4.2.1 Описание испытательного стенда 138
4.2.2 Реакции системы на стандартные возмущающие воздействия 140
4.2.3 Реакции системы на предельные возмущающие воздействия... 143
4.3 Выводы по главе 146
Заключение 147
Литература
- Преимущества цифровой фильтрации сигналов
- Влияние архитектуры ядра и внутреннего представления чисел на производительность процессора в реальных приложениях
- Обобщенный алгоритм работы системы управления станции спутниковой связи
- Возможности моделирования систем управления в пакете Simulink
Введение к работе
Современные телекоммуникации распространяются все дальше от крупных городов и промышленных центров. Многие добывающие и транспортные компании развивают свои корпоративные инфокоммуникационные сети, охватывающие многие предприятия, разбросанные по территории нашей страны и за ее пределами. Многие из них расположены в труднодоступных районах, где государственная инфраструктура связи практически отсутствует. Специфика производств компании характеризуется широким использованием средств автоматизации, нуждающихся в надежных, высокоскоростных цифровых каналах связи. Кроме того, многие отрасли являются потенциально опасными для окружающей среды и людей и не могут функционировать без постоянного и надежного взаимодействия с соответствующими государственными службами. Но главное — то, что в современных условиях без собственной, постоянно совершенствуемой системы связи эффективно управлять всем этим огромным, разноплановым хозяйством чрезвычайно сложно. Это также справедливо и для оборонных структур, которые располагаются на больших территориях, включая корабли, авиацию и другие подвижные объекты.
На первом этапе организации сети, в условиях отсутствия стационарных передатчиков и проводных линий связи, спутниковая связь позволяет организовать передачу информации на больших расстояниях и в труднодоступных местах.
В связи с этим, многие транспортные компании, занимающиеся морскими, железнодорожными и другими видами перевозок, проявляют большой интерес к обеспечению своего транспорта современными средствами спутниковой связи.
Работа посвящена исследованию возможностей повышения надежности и быстродействия системы управления корабельной станции спутниковой связи Цептавр-НМ-1 и разработке цифрового алгоритма ее функционирования. Полученные результаты призваны повысить общую эффективность вычислительных процессов объекта исследования.
Ниже приводятся основные технические характеристики станций предыдушего поколения, построенных на основе аналоговых принципов обработки сигналов, с диаметром рефлектора антенны 2,6 м. (модель «ОРТ-2.6-С») и с диаметром 1,5 м. (модели «ОРТ- 1,5» -С, -К). Для сравнения также приведены характеристики американской станции модели 8885 с диаметром зеркала 2,24 м. фирмы SEA TEL (см. [1]).
Оборудование передачи данных, применяемое на станции, может иметь различное назначение, такое как прием спутникового телевидения и организация различных видов спутниковой связи. Оборудование корабельной станции спутниковой связи отличается от стационарного аналога: специальными ограничения габаритов, как самой станции, так и антенных постов; повышенными требованиями к надежности и отказоустойчивости элементной базы и отдельных подсистем; наличием системы стабилизации.
Б разработку таких систем большой вклад в разное время внесли такие ученые, как Салычев О.С., Пешехонов В.Г., Илынинский А, 10., Кузнецов В.Д., Слив Э.И., Ведерников А.А., Дивавин Г.В., Чарышев Ш.В., Ривкин С.С., Поплавский М.А. ... и др.
Если станция установлена на мобильном объекте, качество передачи информации по каналу спутниковой связи напрямую зависит от качества удержания антенным постом станции спутниковой связи линии визирования.
Принципиальной особенностью системы управления корабельной станции спутниковой связи (СУССС), влияющей на ее надежность и компактность является способ обработки сигнала, поступающего с датчиков позиционирования. Поэтому для повышения надежности и компактности СУССС целесообразно избрать такой способ обработки входного и формирования управляющего сигналов, который совместно с современными оптическими датчиками ориентации позволит серьезно повысить потребительские качества системы, качество обработки информации и удобство проектирования.
В настоящее время повышается роль цифровой обработки сигналов в различных приложениях теории связи и теории автоматизированных систем управления. Это связано в первую очередь с постоянным повышением производительности и удешевлением современных средств вычислительной техники, а также с более широким и повсеместным использованием этих средств для решения актуальных научно-технических и производственных задач. Переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой диктуется возросшими потребностями в применении компьютерных систем для передачи и обработки информации. Различные, порой довольно сложные, способы представления, хранения и обработки информации не могут быть реализованы с использованием аналоговой техники не только из-за представления информации в цифровой форме, но и из-за трудности обработки такой информации аналоговыми средствами. Это относится к различным областям применения цифровых систем, в том числе для управления системами стабилизации.
Особенно широко цифровая обработка информации используется в системах телекоммуникаций. Она может использоваться при кодировании и сжатии информации перед её передачей, восстановлении принятой искажённой информации. Также цифровая обработка эффективна при сокращении избыточности (сжатии) информации.
Область разработки СУССС имеет устойчивую тенденцию к миниатюризации своей продукции в соответствии с современными требованиями компактности, надежности и мобильности такой аппаратуры. Этого можно добиться за счет полного отказа от громоздких аналоговых комплектующих в пользу цифровых средств обработки сигнала, т.е. максимальным использованием возможностей надежных и миниатюрных цифровых сигнальных процессоров.
К настоящему времени многие производители развернули производство цифровых сигнальных процессоров и средств цифровой обработки сигналов с гораздо более высокой производительностью и возможностями программирования, производительность и возможности программирования которых постоянно расширяются.
Таким образом, ввиду того, что в области проектирования СУССС в нашей стране только начинается широкое использование цифровых технологий, практически отсутствуют реализованные разработки, а также, если принять во внимание растущий интерес к средствам связи в области мобильных телекоммуникаций, задачи, поставленные в этой работе, становятся очень актуальными. Круг вопросов, охватывающих анализ условий работы СУССС и использование новых методов и средств обработки сигнала в них определяет необходимость значительного повышения качества вычислительных систем, систем стабилизации и навигации и охватывает актуальные задачи, составляющие предмет специальных исследований, отраженных в материалах диссертации.
Таким образом, актуальность поставленной задачи определяется:
Необходимостью создания и совершенствования систем телекоммуникаций, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их качеству и надежности при размещении на подвижном основании;
Слабой теоретической и экспериментальной изученностью применения цифровых технологий в системах управления и стабилизации спутниковых приемопередающих устройств.
Цель работы
Проведенный анализ состояния вопроса позволяет сформулировать цели и задачи диссертации. Целью настоящей работы является разработка принципиально новой системы управления корабельной станцией спутниковой связи с использованием в качестве вычислительных средств цифровых сигнальных процессоров. За счет применения научно обоснованных моделей движения и средств цифровой обработки сигнала предполагается достичь повышения качества связи, скорости передачи данных, надежности, уменьшения габаритов и достижения большего удобства настройки и переналадки системы управления корабельной станции спутниковой связи. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Сравнительный анализ характеристик моделей современных сигнальных процессоров.
Разработка математической модели подсистемы стабилизации с тремя степенями свободы на основе волоконно-оптических гироскопов,
Разработка алгоритма функционирования системы управления корабельной станции спутниковой связи.
Проведение моделирования процессов обработки сигналов в системе с целью проверки качества разработанной системы управления.
Создание программного модуля функционирования системы управления, реализующего разработанный алгоритм.
Реализация полученных результатов в образце станции спутниковой связи.
Методы исследования
При решении поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы математического моделирования, теории систем, математической теории управления, а также экспериментальные исследования.
Научная новизна
Получены следующие основные научные результаты:
Математическая модель трехосной пространственной стабилизации спутниковой антенны, основанная на использовании средств цифровой обработки сигналов и оптических датчиков положения.
Алгоритм управления корабельной станцией спутниковой связи с возможностью корректировки параметров системы в процессе работы.
Результаты моделирования процессов в системе с непрерывным и с дискретным корректирующим устройством при различных способах квантования.
Практическая ценность работы заключается в улучшении качества связи и повышении скорости передачи данных, создании оригинальной методики оценки и коррекции ошибок углов ориентации (тангажа, крена и курса) для системы управления корабельной станцией спутниковой связи с использованием ВОГ, разработке алгоритма стабилизации положения системы с помощью методов цифровой обработки сигналов.
Разработано оригинальное программное обеспечение для оценки ошибок углов ориентации и их коррекции путем формирования управляющего воздействия для системы ориентации комплекса.
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, подтверждается адекватностью математических моделей, что выявлено при проведении экспериментальных исследований; сравнением полученных результатов с известными из литературных источников; результатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику.
Реализация результатов и предложения об использовании
Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы при выполнении ОКР "Цснтавр-Н" и ряда других ОКР и НИР при непосредственном участии автора.
Разработанные алгоритмы, программные модули, конкретные технические решения внедрены при разработке малогабаритной станции спутниковой связи сантиметрового диапазона для надводных кораблей и судов, а также стационарной станции спутниковой связи.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: Международная конференция "Надежность и качество", Пенза, 2003 г.; "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий", Сочи, 2003, 2004 г.; International conference on information and telecommunication technologies in intelligent systems. May 2004. Lloret De Mar, Spain.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе, 7 статей, 2 тезисов докладов.
На защиту выносятся:
Математическая модель системы стабилизации антенного поста корабельной станции спутниковой связи;
Алгоритм функционирования системы управления корабельной станции спутниковой связи;
Результаты моделирования процессов обработки сигналов в системе управления с целью проверки качества разработанной системы управления.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации и списка литературы. В приложении приведены акты внедрения.
В первой главе проведен развернутый обзор доступных на сегоднешний день средств цифровой обработки сигналов, рассмотрены различные модели основных цифровых сигнальных процессоров фирм ТІ, Analog Devices и Motorola. Исследованы возможности их использования при создании цифровой системы управления корабельной станции спутниковой связи.
Во второй главе дано описание функциональных подсистем объекта исследования, обоснование выбора технических решений, принятых для их реализации и математическое описание подсистемы стабилизации.
Рассчитаны передаточные функции контуров управления и разгрузки, построены частотные характеристики разомкнутого и замкнутого контуров стабилизации. Разработано и описано функциональное деление системы. Функциональное деление системы управления станцией предполагает наличие четырех подсистем: подсистема стабилизации; подсистема наведения; подсистема автосопровождения; подсистема визуализации.
В третьей главе получено дискретное представление передаточной функции корректирующего звена, описаны разработанные алгоритмы работы вышеперечисленных подсистем, основные возможности по оптимизации написания текста программы, которые были приняты во внимание во время работы и реализованы в программе. Приведено описание среды разработки программ для цифровых сигнальных процессоров фирмы Texas Instruments.
В четвертой главе представлены результаты моделирования непрерывной математической модели, проанализировано влияние шага дискретизации сигнала и синхронизации работы подсистем на величину результирующей ошибки всей системы. Описаны результаты, полученные при испытании антенного поста на стенде, имитирующем различные внешние возмущающие воздействия.
В заключении обобщены результаты выполненных исследований, сформулированы выводы и рекомендации по работе в целом.
Преимущества цифровой фильтрации сигналов
Цифровая фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных средств ЦОС. Кроме очевидных преимуществ устранения ошибок в фильтре, связанных с флуктуациями параметров пассивных компонентов во времени и по температуре, дрейфом ОУ (в активных фильтрах) и т.д., цифровые фильтры способны удовлетворять таким техническим требованиям по своим параметрам, которых, в лучшем случае, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно достичь в аналоговом исполнении. Кроме того, характеристики цифрового фильтра могут быть легко изменены программно. Поэтому они широко используются в телекоммуникациях, в приложениях адаптивной фильтрации, таких как подавление эха в модемах, подавление шума и распознавание речи,
Процесс проектирования цифровых фильтров состоит из тех же этапов, что и процесс проектирования аналоговых фильтров [2]. Сначала формулируются требования к желаемым характеристикам фильтра, по которым затем рассчитываются параметры фильтра. Амплитудная и фазовая характеристики формируются аналогично аналоговым фильтрам. Ключевое различие между аналоговым и цифровым фильтрами заключается в том, что, вместо вычисления величин сопротивлений, емкостей и индуктивностей для аналогового фильтра, рассчитываются значения коэффициентов для цифрового фильтра [2]. Иными словами, в цифровом фильтре числа заменяют физические сопротивления и емкости аналогового фильтра. Эти числа являются коэффициентами фильтра, они постоянно находятся в памяти и используются для обработки (фильтрации) дискретных данных, поступающих от АЦП.
Цифровой фильтр, работающий в реальном масштабе времени, оперирует с дискретными по времени данными в противоположность непрерывному сигналу, обрабатываемому аналоговым фильтром. При этом очередной отсчет, соответствующий отклику фильтра, формируется по окончании каждого периода дискретизации [3]. Вследствие дискретной природы обрабатываемого сигнала, на отсчеты данных зачастую ссылаются по их номерам, например, отсчет 1, отсчет 2, отсчет 3 и т.д. На рис. 1.3 представлен низкочастотный сигнал, содержащий высокочастотный шум, который должен быть отфильтрован. Вначале сигнал должен быть оцифрован с помощью АЦП для получения выборки х(п). Далее эта выборка поступает на цифровой фильтр, который в данном случае является НЧ-фильтром. Отсчеты выходных данных у(п) используются для восстановления аналогового сигнала с использованием ЦАП с низким уровнем ложного сигнала. Тем пе менее, цифровые фильтры не могут являться решением всех возможных задач фильтрации, возникающих при обработке сигналов. При использовании ЦСП процессора, для работы в реальном масштабе времени, он должен быть рассчитан на выполнение всех шагов в программе фильтрации в пределах промежутка времени, соответствующего одному такту дискретизации, то есть l/fs. Высокопроизводительный универсальный ЦСП-процессор с фиксированной точкой типа ADSP-2I89M, обладающий быстродействием 75MIPS, способен выполнить операцию умножения с накоплением при реализации одного каскада фильтра за 13,3 не. ЦСП-процессор ADSP-2189M затрачивает N+5 инструкций при реализации фильтра с количеством каскадов N. Для 100-каскадного фильтра полное время вычисления составляет приблизительно 1,4 мкс. Это соответствует максимально возможной частоте дискретизации 714 кГц, ограничивая, таким образом, ширину полосы частот обрабатываемого сигнала несколькими сотнями килогерц.
Можно заменить универсальный ЦСП-процессор специализированным аппаратным цифровым фильтром, способным работать на частотах дискретизации, соответствующих видеосигналу [4]. В других случаях ограничения по быстродействию могут быть преодолены сохранением выборки данных, поступающих с большой скоростью от АЦП, в буферной памяти. Затем буферная память читается со скоростью, совместимой с быстродействием цифрового фильтра, основанного на ЦСП. С использованием данного метода, может осуществляться обработка сигнала в псевдореальном масштабе времени в таких системах как радар, где обычно обрабатываются пакеты данных, накапливаемые после каждого излучаемого импульса.
Влияние архитектуры ядра и внутреннего представления чисел на производительность процессора в реальных приложениях
Современные сигнальные процессоры разделяются на следующие основные категории: процессоры с Принстонской архитектурой (предложена фон Нейманом); процессоры с Гарвардской архитектурой; оставшиеся классы, использующие различные комбинации основных типов архитектур [19].
Процессоры с Принстонской архитектурой характеризуются единой шиной адреса и шинной данных предназначенной для выборки команд процессора и данных. Типичными представителями данного класса ЦСП являются процессоры серии TMS фирмы Texas Instruments. К достоинствам данной категории можно отнести относительную простоту архитектуры и технологические наработки, позволяющие снизить себестоимость реализации процессоров.
Процессоры с Гарвардской и Супер Гарвардской архитектурой (SHARC) имеют в своей структуре несколько независимых шин для обмена информацией между ядром процессора и памятью: шина выборки адреса команд процессора; шина пересылки команд; шина выборки адреса данных; шипа пересылки данных.
Такая архитектура характерна для сигнальных процессоров производимых фирмой Analog Devices. Они отличаются следующими ключевыми возможностями: способность быстрого выполнения арифметических операций; способность быстрой выборки данных; способность к эффективной оптимизации повторяющихся операций [8].
В системах ЦОС используются две формы представления чисел: с фиксированной точкой; с плавающей точкой.
Из вышесказанного можно заключить, что наиболее простые в реализации и быстродействующие цифровые системы используют представление чисел в форме с фиксированной точкой. На этом принципе строится большинство сиецвычислителей и ряд цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), например, процессоры семейств ADSP2100 фирмы Analog Devices, TMS320 фирмы Texas Intruments и др.
Представление чисел в форме с плавающей точкой используется в системах ЦОС в тех случаях, когда требуется большая точность реализации алгоритма и большой динамический диапазон обрабатываемых сигналов. На этом принципе строятся системы ЦОС на базе персональных ЭВМ, а также ряд семейств ЦСП, например, ADSP2106X, TMS320C30 и др.
При выборе процессора, разработчик должен обращать внимание на основную архитектуру процессора, чтобы судить о его адаптируемости и легкости интеграции в прикладные программы, которые процессор должен выполнять. Поскольку SHARC поддерживает несколько типов данных и имеет более гибкую встроенную память, в большинстве прикладных программ, SHARC ADSP-2106x станут оптимальными процессорами, для разработки приложении [10].
Процессоры Сбх имеют два потока данных, каждый с шестнадцатью 32-разряднымп регистрами, общедоступными восьмью функциональными модулями. Два банка регистров используются для сохранения: обычных данных; адресов (указателей); счетчиков циклов.
Ограниченное число регистров, может снизить эффективность выполнения прикладной программы. Например, эффективное выполнение быстрого преобразования Фурье (FFT) по основанию 4 может потребовать более 10 различных указателей для одновременного обращения к данным. При этом к ним пе относятся регистры для математических операций на данных.
В каждом из двух потоков данных процессора С6201 присутствуют следующее четыре функциональных модуля: 16 х 16-bit множитель (М Модуль); 32/40 bit арифметика и логика (L Модуль); 32 bit модуль переходов, арифметики и логики (S Модуль); 32 bit генератор адреса (D Модуль).
М модуль используется вместе с одним из других арифметических модулей для, операции умножения и накопления (MAC). Так как С6201 имеет только 16-разрядный умножитель, это приводит к выполнению четырех 16-разрядных операций умножения и дополнения, для умножения 32-разрядных данных. S модуль используется для обработки переходов в программе, и D модуль используется для генерации адреса данных и круговой буферизации. С6201 не имеет никаких функциональных модулей, чтобы поддержать операции с плавающей запятой [20,21].
Набор модулей процессора С67х представляет собой расширенный набор модулей процессора С6201. То есть они могут делать все то же, что и модули С6201, плюс дополнительные операции представленные ниже: (М Модуль) умножение 24/32 бит с фиксированной точкой, 32/64 бит с плавающей точкой (L Модуль) арифметические операции 32/40 бит с фиксированной точкой, 32/64 бит с плавающей точкой; (S Модуль) сдвиг/переход 32/40 бит с фиксированной точкой, 32/64 бит с плавающей точкой; (D Модуль) Без изменений.
Ядро SHARC, состоит из трех главных областей: вычислительного модуля, генератора адреса данных (DAGs), и программного секвенсора. Вычислительный модуль состоит из ALU, MAC, модуля сдвига, и файла регистров с 10 портами. Файл регистров содержит 16 первичных и 16 дополнительных регистров. Все операции с данными выполняются в файле регистров, и каждый регистр имеет ширину 40 бит. Вычислительные модули SHARC поддерживают три типа данных: 40-разрядный и 32-разрядный 754/854 ИИЭРА с плавающей запятой, и 32-разрядный с фиксированной точкой (с поддержкой двумя 80 разрядными сумматорами). Все операции в процессоре выполняются за один такт.
Обобщенный алгоритм работы системы управления станции спутниковой связи
Движение антенны в трехосном кардане при угловых колебаниях корабля определяется сложными, связанными между собой динамическими уравнениями движения относительно трех осей, гироплатформы Ха, Ya, Za-Однако, если моменты инерции рам кардана существенно меньше моментов инерции платформы с антенной и сигналы с гироскопов, установленных на платформе, формировать определенным образом, то уравнения движения гиростабилизатора, в первом приближении, можно разделить на три независимых канала, структурная схема которых приведена на рис. 2.7. Естественно, что при этом для каждого канала величины параметров, обозначенные на схеме, имеют свои значения, соответствующие каждой из осей стабилизации антенны Ха, Ya, Za.
Условные обозначения на структурной схеме рис. 2.7. следующие: о) - проекция на оси координат антенны Хи ,Y„ ,Z„угловой скорости, линия ішзирования на спутник {GW, com}i штг), при геостационарных спутниках возникает при изменении местоположения корабля; o , v.;np - погрешность измерения гироскопом абсолютной угловой скорости платформы (антенны), т.е. "уход" (собственный дрейф) гироскопа, установленного па антенне; S— оператор; (уЛЇ - абсолютная угловая скорость платформы (антенны) вокруг СООТВеТСТВуЮЩИХ ОСЄЙ {р)т,х , (Опл.у , соПц); Д (Ад. или Ау) - угол рассогласования между линией визирования на спутник и направлением равносигналыюЙ линии (Р.Л.) антенны (ось ОУа)\ dynp - добротность соответствующего контура управления {clynp.x, dynp-) в замкнутом контуре управления равна: d = и„, /Д [1/сек]; D - коэффициент демпфирования вокруг осей стабилизации {D Dp, Ц), В основном, обусловлен демпфированием в двигателях разгрузки и определяется по формуле: D = Д$в і2, где г передаточное отношение от двигателя к оси стабилизации.
Коэффициент демпфирования двигателя определяется из соотношения: Дав = (Мдьп- Мдв.ном )/(Он, где Mfa„ пусковой (стартовый) момент двигателя; Аденом -номинальный момент двигателя; а „ - номинальная скорость двигателя (рад/сек); J - суммарный момент инерции платформы рам кардана и т.п. относительно осей платформы (т.е. Зш.х, Jn4, Лл.г); KpWp(S) - передаточная частотная характеристика контура разгрузки соответствующего канала [Кр WpfSJa, д J; Кр - крутизна разфузки, равная отношению момента разгрузки Мр к отклонению платформы co /S, вызывающему этот момент [г.см/рад]; Мр - момент разгрузки (Мраг Мр , Мрс) создаваемый двигателями разгрузки. Максимальный момент разгрузки равен: Мдв.„і, где і -передаточное число редуктора; Тг - постоянная времени корректирующего звена (постоянная времени частоты перехода разомкнутой характеристики от наклонной 40 дБ к 20 дБ на октаву); Т = \ L; = — , 1 , (2.13) / в/л v - постоянная времени и коэффициент затухания колебательного звена, определяемого величиной жесткости редуктора от двигателя к оси стабилизации. Эти параметры определяются формулами (2.2), где: Jда - момент инерции ротора двигателя разгрузки, Ср — жесткость редуктора (приведенной к оси стабилизации) [г-см/рад или N т/рад]; Анализ приведенной структуры схемы (рис.2.7.) позволяет сделать выводы, которые следует учитывать при формировании контуров стабилизации [38,39].
Особенностью формирования контура стабилизации является то, что вследствие ограниченной жесткости редуктора (Ср) в контуре появляется колебательное звено (частота со„р =I/Tnp ) с весьма малым относительным коэффициентом демпфирования (?Д подавление которого антиколебательпьш звеном практически невозможно. Поэтому, при формировании контура стабилизации, частоту среза о ср контура разгрузки приходится делать ниже (весьма существенно) частоты оз„р привода редуктора.
Ограничение частоты шср приводит к ограничению крутизны разгрузки (Кр), что эквивалентно ограничению качества стабилизации контура стабилизации. Поэтому желательно повышать: (2.14)
Жесткость редуктора зависит, в основном, от жесткости редуктора между последней шестерней редуктора и, шестерней на оси стабилизации платформы. Поэтому шестерню на оси стабилизации делают, по возможности с большим передаточным отношением в последней паре. Существенно влияет на жесткость редуктора наличие люфта в последней паре. Поэтому привод делают из 2-х двигателей и 2-х "ручьев" редуктора, работающие на одну шестерню оси стабилизации. При этом на двигатели подаются встречные сигналы, противоположной полярности, что приводит к повышению жесткости привода. Эти специальные меры дают возможность получить угловую жесткость величиной Ср = (5...10)-10 г-см/рад. Таким образом, путь повышения жесткости редуктора за счет увеличения Ср ограничен. Более перспективен путь повышения частоты привода со„р за счет снижения передаточного отношения і редуктора и подбора двигателя с малым моментом инерции ротора J e. Однако этот путь связан с повышением мощности двигателя разгрузки.
Возможности моделирования систем управления в пакете Simulink
Цифровые системы, осуществляющие управление в реальном масштабе времени и использующие ЭВМ для формирования закона управления, являются весьма сложными для анализа объектами. В нашем случае система построена на базе нескольких цифровых сигнальных процессоров. Различные части системы имеют разную природу (непрерывный объект и дискретная управляющая часть), а система в целом описывается сложной комбинацией уравнений, неравенств и логических условий. Поскольку для преобразований аналог-код и код-аналог и других вычислений, а также для передачи информации по сети требуется определенное время, при реализации цифрового управления возникает временная задержка. Это приводит к снижению качества управления, иногда до недопустимо низкого уровня. Чтобы избежать негативного влияния такого запаздывания и оптимально использовать доступные системе управления вычислительные ресурсы, проектирование алгоритмов управления и программного обеспечения должно вестись с учетом данного фактора.
В теории цифрового управления интервалы осуществления выборки обычно принимаются одинаковыми, а задержка управления считается несущественной или постоянной. Однако на практике это имеет место лишь в редких случаях. В контроллере задачи накладываются друг на друга и блокируются в ожидании общих ресурсов. Время выполнения самих задач может изменяться. Передача данных по сети происходит с задержками, величина и стабильность которых зависит как от протокола связи, так и от загруженности каналов. В этих условиях аналитический анализ поведения цифровых систем управления затруднен, наиболее естественным представляется путь имитационного моделирования.
Разработка имитационной модели системы, характеризующейся переменным значением шага квантования, может вестись различными способами. Среди готовых инструментов моделирования можно выделить построенный на базе пакета MATLAB симулятор TrueTime. При необходимости оставаться в рамках стандартного набора MATLAB можно построить Simulink-модель, используя в качестве примера модель дискретной системы с переменным тактом квантования.
Еще один вариант заключается в применении наряду с Simulink программы Stateflow. Специально разработанный для моделирования дискретных управляющих устройств и систем, Stateflow дополняет и расширяет возможности Simulink. В Simulink достаточно просто моделируются непрерывные объекты. Используя язык диаграмм состояний и переходов, можно получить в Stateflow описание управляющей части моделируемой системы. При этом алгоритм управления может иметь сколь угодно высокую сложность, временные задержки могут быть как детерминированными, так и носить случайный характер. Дополнительная возможность следить в режиме реального времени за процессом выполнения Stateflow-диаграммы путем включения режима анимации делает процесс моделирования наглядным. Для моделирования нашей системы мы использовали пакет Simulink.
Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования.
Для сопоставленного анализа влияния на процесс управления эффектов квантования по времени и по уровню сначала выполним моделирование управления в непрерывном случае. В результате синтеза управления системы стабилизации найдены передаточные функции последовательного и параллельного корректирующих устройств, (4.1) „ , . 0,0588 + 1 w . 0,0588л-1 0,0055 + 1 " 5(0,0055 + 1)2 а также значения \i = 200 с"1, г = 20,6 с (т.е. коэффициент передачи элемента в цепи корректирующей обратной связи к = г/ц= 20,6/250 = 0,0842), v = 0. Структурная схема ПС с непрерывным управлением приведена на рисунке 4.1, а структурная схема субмодели неизменяемой части — на рисунке 4.2. Результаты моделирования показаны на рисунке 4.3. Время переходного процесса в системе 0,2 с, перерегулирование — 21 %.
