Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование вопросов построения системы космического радиовидения на базе радиотелескопа РТ-7.5 12
1.1. Использование радиолокационных систем для слежения за космическими летательными аппаратами 12
1.2. Цель и задачи диссертационной работы 22
1.3. Математическая модель системы управления 24
1.4. Анализ причин снижения качества регулирования на высоких скоростях 31
1.4.1. Оценка погрешностей измерительной системы 31
1.4.2. Исследование влияния динамических факторов 35
Выводы по главе 1 44
Глава 2. Разработка методов повышения точности работы приводов системы космического радиовидения 45
2.1. Снижение влияния медленно меняющихся внешних воздействий 45
2.2. Анализ способов борьбы с вибрациями 55
2.3. Применение приводов антенны в качестве активных виброгасителей 58
2.4. Оценка и прогнозирование влияния вибраций 66
2.5. Применение нейронной сети Вольтерра для прогнозирования виброперемещений 77
2.6. Метод выбора размерности нейронной сети Вольтерра 83
Выводы по главе 2 90
Глава 3. Разработка методов поиска и сопровождения космических летательных аппаратов 91
3.1. Анализ задач траекторной обработки в системе космического радиовидения
3.1.1. Расчет программной траектории слежения 91
3.1.2. Динамические ограничения программной траектории 99
3.2. Метод анализа эффективности поисковых траекторий 103
3.2.1. Формирование поисковых траекторий 103
3.2.2. Метод оценки качества поисковых траекторий 111
3.2.3. Оценка качества поисковых траекторий 115
3.3. Оптимизация расчета программной траектории по времени 121
3.3.1. Формирование оптимальной по быстродействию программной траектории 121
3.3.2. Движение антенны при достижении ограничений 128
3.3.3. Аппроксимация поверхности переключения 131
Выводы по главе 3 138
Глава 4. Экспериментальное исследование методов и алгоритмов работы системы космического радиовидения 139
4.1. Программное обеспечение управляющего комплекса 139
4.2. Интерфейс управления оператора 153
4.3. Экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов системы управления приводами 161
Выводы по главе 4 174
Выводы и заключение 175
Литература
- Математическая модель системы управления
- Анализ способов борьбы с вибрациями
- Метод оценки качества поисковых траекторий
- Экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов системы управления приводами
Введение к работе
Актуальность проблемы: Работа направлена на разработку и исследование новых методов и алгоритмов управления приводами радиотелескопа РТ-7.5 МГТУ им. Н.Э. Баумана, используемого для создания системы космического радиовидения в миллиметровом диапазоне длин волн.
Цель работы: Разработать методы и алгоритмы управления приводами антенны системы космического радиовидения, позволяющие обеспечить точность слежения не хуже 30" при максимальной скорости движения антенны 5 /с, а также позволяющие выполнить поиск и сопровождение объекта наблюдения в условиях неточного целеуказания. Методы исследования: В диссертации использованы вариационные методы построения экспериментальных зависимостей, моделей и процессов, частотные и спектральные методы анализа процессов, методы математического моделирования и др.
Научная новизна: на основе проведенного исследования причин ухудшения точности слежения при движении антенны радиотелескопа РТ-7.5 на высоких скоростях предложены методы и алгоритмы адаптивного комбинированного управления, нейросетевой компенсации вибраций, оптимальной нейросетевой коррекции программной траектории движения и оценки качества поисковых траекторий, позволившие повысить в 2.8-3.1 раза точность слежения приводов системы космического радиовидения, более чем в 2.6 раза повысить быстродействие системы, а также решить задачи поиска и сопровождения цели в условиях неточной информации о её траектории. На защиту выносятся:
Метод адаптивного комбинированного управления на основе анализа сигнала ошибки регулирования положения и сигнала заданной скорости движения антенны радиотелескопа.
Метод прогнозирования и компенсации виброперемещений антенны с помощью нейронной сети Вольтерра.
Метод частотного анализа и выбора размерности нейронной сети Вольтерра для системы прогнозирования и компенсации виброперемещений.
Метод оптимальной нейросетевой коррекции программной траектории движения антенны с учетом динамических ограничений.
Метод анализа эффективности поисковых траекторий для решения задач обнаружения космических летательных аппаратов по прогнозу их орбиты.
Внедрение результатов: Материалы диссертации были использованы при проведении специальной части НИР «Избранник - РЭТ» по теме «Доработка антенного устройства радиотелескопа РТ - 7.5 для использования в составе экспериментального макета РЛС радиовидения «Избранник-РЭТ», этапы 3 и 4 (№3.25.08, 2008 г. и №4.31.09, 2009 г.), при разработке, настройке и эксплуатации прототипа системы космического радиовидения на базе радиотелескопа РТ-7.5, а также при проведении модернизации приводов радиотелескопа в рамках национального проекта «Образование. Проект №3./
«Радиоэлектрические системы коротковолновой части длин волн». Материалы диссертационной работы используются при проведении учебного процесса на кафедре «Роботы и робототехнические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана по курсам «Управление в технических системах», «Электроприводы роботов» и «Проектирование и конструирование машин и роботов», а также разработаны методические указания «Изучение способов управления электроприводом переменного тока на базе программируемых логических контроллеров», которые используются при проведении лабораторных работ по курсу «Электроприводы роботов». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами внедрения НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана и НУК РК МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XVIII и XIX Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт - Петербург, 2007 и 2008 г.г.).
Публикации: Основное содержание работы изложено в четырех статьях из них в Перечень ВАК РФ входят две печатные работы.
Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 71 наименования и 3 приложений. Основная часть работы составляет 184 страниц машинописного текста и содержит 9 таблиц и 113 рисунков.
Математическая модель системы управления
Это достигается в основном за счет установки телескопов в высокогорных районах с прекратившимися тектоническими процессами. Таких мест на Земле не так много и доступ к ним часто затруднен. Радиолокационные системы позволяют частично обойти эти ограничения. Для определенного класса искусственных спутников Земли (ИСЗ) возможно применение методов пассивной радиолокации, поскольку на них установлены передатчики, либо их размеры таковы, что отраженного от Солнца излучения достаточно для обнаружения объекта. Однако для большинства КЛА такой подход неприменим в силу либо малых размеров, либо отсутствия испускаемых радиосигналов для определения их положения в пространстве. Одним из способов решения этой проблемы является применение активной радиолокации, однако при этом становится критичным вопрос технической реализации излучателей достаточной мощности на малых длинах радиоволн.
Исследования проблем радиовидения в мире проводятся с середины 70-х годов прошлого века. В нашей стране развитием проблем радиовидения занимались такие ученые, как А.Б. Борзов [4], Р.П. Быстрое [5], А.А. Лучин [23], А.Ю. Кучмин [21], за рубежом - J. Markkanen [63], D. Mehrholz [64]. Первые успешные результаты были получены в 1991 году во время проведения международной кампании по определению времени и места падения космической станции «Салют-7 / Космос-1686» [23,66]. В связи с этим были опубликованы первые радиолокационные изображения космических объектов на околоземной орбите [64,65]. Изображения были получены на РЛС TIRA исследовательского центра FGAN, Германия. В дальнейшем с использованием этого комплекса было получено радиоизображение станции «МИР» [65]. Аналогичные работы производились и в США, однако все разработки по теме получения радиоизображений составляют в большинстве стран государственную тайну [70]. Одним из наиболее вероятных центров космической радиолокации США, обладающих потенциальными возможностями получения радиоизображений КЛА, является лаборатория Haystack Массачусетского технологического университета. В состав комплекса входит радар Millstone Hill, задействованный в программе обнаружения и сопровождения КЛА [69]. В открытых источниках нет информации по поводу его использования для получения радиоизображений, однако его технические характеристики позволяют предполагать возможность такого применения.
Особые требования при построении радиоизображения КЛА предъявляются к системе управления приводами антенн. По характерным особенностям режимов работы приводные системы опорно-поворотных устройств радиотелескопов и радиолокаторов можно разделить на 2 большие группы: полноповоротные приводные системы высоких угловых скоростей движения и средней точности наведения и системы высокой точности наведения при малых скоростях движения.
К системам первой группы относится большинство локационных антенных установок [2]. В большинстве случаев один из приводов (азимутальный) находится в непрерывном вращении, то есть в установившемся режиме работы привода, что позволяет получать приемлемые результаты регулирования с применением классических методов построения системы управления приводом. Угломестная ось в таком случае в течение одного кругового обзора остается неподвижной, либо также движется равномерно, благодаря чему образуются обзорные траектории в виде окружностей или спиралей.
К системам второй группы относятся все опорно-поворотные устройства радио- и оптических телескопов, а также антенн спутниковой связи. В таких системах при больших значениях масс-инерционных параметров объекта управления ведущую роль играет точность наведения и сопровождения траектории спутника, однако при этом скорости слежения малы. В таких системах применяются как классические системы подчиненного регулирования [2, 37, 38, 42], так и более современные методы модального управления с наблюдателем и идентификацией параметров объекта управления [44]. Различные подходы к решению актуальных проблем управления движением антенн больших радиотелескопов рассмотрены в работах Г.Г. Соколовского [44], А.А. Парщикова [31, 42], СИ. Нефедова [29], А.А. Лучина [23], A.M. Кугушева и Б.А. Розанова [40].
Характерной особенностью системы управления приводами большинства радиотелескопов является наличие двухдвигательной системы приводов. Один двигатель большой мощности устанавливается через систему редукторов с относительно малым передаточным отношением, в то время как передаточное отношение редукторов менее мощного привода на порядок выше. Мощный привод участвует в вспомогательных движениях. С его помощью осуществляется переброс антенны на начало траектории слежения, выполняются различные служебные операции, не требующие точного слежения. Менее мощный привод благодаря большому коэффициенту редукции обеспечивает точное медленное движение антенны. Типовая двухдвигательная схема приводов опорно-поворотного устройства антенны приведена на рис, 1.1.
На период создания приводов большинства антенных комплексов системы управления синхронно-следящими приводами не позволяли обеспечить требуемый диапазон регулирования, что и привело к созданию сложных двухдвигательных систем. Отойти от такой схемы реализации приводов до недавнего времени не представлялось возможным. Прогресс цифровой техники и силовой электроники позволяет внедрить в системы управления приводами математический аппарат, описывающий энергетические и силовые процессы в двигателях на принципиально более высоком уровне. Так, в частности, широко применяются методы управления по эталонной модели с динамической идентификацией параметров нагрузки, а также различные математические методы, позволяющие рассчитывать оптимальное управление в зависимости от текущих значений параметров системы.
Анализ способов борьбы с вибрациями
Помимо изменения угла места, на момент инерции антенны может влиять обледенение поверхности зеркала или установка дополнительного оборудования. В первом случае изменение возможно в случае неправильной эксплуатации антенны и несвоевременного её обслуживании. Второе событие возможно достаточно регулярно, поскольку система находится на стадии разработки и является своего рода полигоном для испытания как алгоритмов управления СРВ, так и её оборудования. Даже после окончательного монтажа всех элементов комплекса возможны изменения в системе контррефлектора или балансировки антенны. Таким образом, можно считать момент инерции условно постоянным, то есть в рамках многих итераций слежения его значение может меняться незначительно, однако в некоторых случаях может происходить его существенное изменение.
Климатические условия следует выделить как отдельный фактор влияния. Это связано с тем, что многие элементы конструкции антенны находятся под открытым небом и не защищены от воздействия влаги и низких температур. Наиболее чувствительными к изменению внешних условий являются линии связи и аналоговой передачи информации. Так, связь преобразователя частоты и программируемого логического контроллера осуществляется посредством цифро-аналогового преобразования управляющих сигналов. Изменение температуры в пилоне антенны, где установлена система управления, вызывает дрейф нуля аналоговых преобразователей, что приводит к изменению передаточной характеристики системы. Решением этой проблемы является термостабилизация внутреннего помещения пилона, однако на сегодняшний день достичь оптимальных условий работы системы не представляется возможным. Настройка элементов системы управления производится итерационной коррекцией базового, полученного на модели, значения. Поскольку условия проведения настройки в общем случае отличаются от условий эксплуатации, а, тем более, от оптимальных, погрешность настройки, как показала практика, может быть существенной (рис. 1.16).
Изменение передаточных свойств элементов системы управления приводит к нарушению точности настройки параметров регуляторов. Кроме того, поскольку в контуре регулирования положения применен комбинированный метод управления, состоящий в подаче первой производной от входного воздействия на вход контура регулирования скорости, система становится очень чувствительной к изменению передаточных свойств её подсистем. Это связано с тем, что такой метод управления предполагает высокую точность настройки коэффициента скоростной компенсации в соответствии с параметрами цепи преобразования сигнала «Регулятор положения» - «Регулятор скорости». В рассматриваемом случае передача происходит при помощи цифро-аналогового (ПЛК) и аналогово-цифрового (ГГЧ) преобразования. Такая схема управления широко распространена в промышленности и наиболее сущестенным её недостатком явлется высокая чевствительность к изменению температуры окружающей среды. На рис. 1.16 приведен пример осциллограммы сигнала ошибки регулирования положения при нарушенной настройке скоростной компенсации.
Данная осциллограмма была получена при движении антенны с постоянной скоростью 0.5 /с. При проведении эксперимента интегральная составляющая в контуре регулирования положения была отключена. В приведенном примере допустимой по техническим требованиям является ошибка регулирования, не превышающая ±3 "\ Рис. 1.16. Осциллограмма сигнала ошибки регулирования положения с нарушенной скоростной компенсацией
Как отмечалось выше, окружающая среда влияет не только на точность настройки системы, но и на характер переходных процессов в ней. Так обледенение зубчатых венцов обеих осей вызывает существенные колебания при страгивании с места, а при попадании в пятно контакта обледенелых участков в процессе движения возможна потеря устойчивости системой.
Помимо внешних воздействий, на точность слежения существенное влияние оказывает состояние механических передач. За более чем 40 лет эксплуатации механические передачи антенны радиотелескопа в значительной степени износились. В основном это касается зубчатых передач. В ходе модернизации была произведена замена изношенных редукторов промежуточной ступени на обеих осях, однако замена главных зубчатых венцов является очень дорогостоящей и трудоемкой операцией, провести которую не представляется возможным.
Поскольку радиотелескоп до сегодняшнего времени использовался только для проведения астрономических наблюдений за Солнцем и планетами Солнечной системы, характерной особенностью его использования стал неодинаковый и неравномерный износ зубьев колес главной ступени редукции. На рис. 1.17 и 1.18 представлены осциллограммы ошибок регулирования положения азимутальной оси при движении со скоростью 0.5 % по одному и тому же сектору зубчатого венца главной ступени редукции. Осциллограмма на рис. 1.17 соответствует движению антенны по часовой стрелке, то есть вслед за движением Солнца. В этом направлении крайне редко осуществлялась переброска антенны на больших скоростях, а большую часть времени антенна двигалась в этом направлении с очень маленькой скоростью, на которой происходило наблюдение. Осциллограмма, приведенная на рис. 1.18, соответствует движению антенны по тому же сектору главного зубчатого венца в обратном направлении, то есть против часовой стрелки. В этом направлении наблюдения не производились, а движения в основном осуществлялись при максимально возможной скорости.
Метод оценки качества поисковых траекторий
В первом случае вибрационные возмущения в системе после их устранения не возникают вовсе или становятся пренебрежимо малыми. Если источником вибраций являются механические передачи, то основным способом их конструктивного устранения является использование безлюфтовых высокоточных зубчатых передач [9,14].
Подавление вибраций во втором случае осуществляется введением демпфирующих элементов, поглощающих энергию вибраций. Для конструкций с демпфирующими устройствами характерно наличие локализованного источника вибраций. Методы демпфирования в основном используются для снижения влияния вибраций на приборы и оборудование, установленные на основании, подверженном вибрационным возмущениям.
При активном гашении вибраций в систему вводится дополнительное устройство, порождающее противофазные вибрации в непосредственной близости от места их зарождения или на объекте управления. Такой подход является наиболее эффективным в случаях, когда другими способами устранить или скомпенсировать вибрационные возмущения не удается.
Как отмечалось в разделе 1.4.2, основной 7причиной возникновения вибраций при движении антенны является износ зубьев и невысокая точность изготовления зубчатых колес. В данной системе выходные зубчатые колеса выполнены прямозубыми, что при износе зубьев приводит к изменению передаточного отношения и пульсации передаваемого момента, которые и вызывают вибрацию, интенсивность которой становится значительной при движении на высоких скоростях.
Все вышеперечисленные способы борьбы с вибрациями применимы к данной системе. Так, в случае использования высокоточных косозубых или шевронных колес в качестве выходных на угломестной и азимутальной оси, удалось бы повысить плавность и жесткость передачи благодаря увеличению количества зубьев, находящихся в одновременном зацеплении.
Замена существующих зубчатых венцов азимутальной и угломестной оси возможна, однако такая операция потребует полного демонтажа зеркала антенны, что в свою очередь приведет к нарушению геометрической и поверхностной точности зеркала и, как следствие, к ухудшению качества приема сигнала.
Применение демпфирующих устройств также представляется затруднительным. Методы расчета параметров демпферов позволяют эффективно бороться с вибрациями в достаточно узкой области частот. Как показало экспериментальное исследование (см. раздел 1.4.2), частота вибрационных возмущений и их амплитуда пропорциональна скорости движения антенны. Таким образом, демпфер должен гасить колебания, возникающие в очень широком диапазоне частот. Помимо больших энергетических затрат, такой подход потребует для установки демпфера существенной доработки конструкции антенны [9,49].
Система активного гашения вибраций на основе генератора вибраций потребует существенной конструктивной доработки антенны, поскольку необходима установка дополнительных двух приводов, а также системы управления к ним [14,18]. Система управления генератора вибраций должна иметь возможность непрерывного анализа и подстройки под фазу, амплитуду и частоту вибраций. В таком случае необходима также дополнительная установка акселерометров для измерения параметров вибраций, что представляет собой технологически сложную задачу, поскольку помимо размещения датчиков, необходимо обеспечить им оптимальные условия работы по температуре и влажности, а значит, разработать дополнительную систему контроля климата в области измерений [6]. В современных системах управления часто в качестве активного элемента гашения вибраций применяется сам привод [14,18]. Такой способ гашения вибраций является наиболее перспективным, поскольку вовсе не требует конструктивной доработки антенны, однако и в этом случае должна быть решена задача идентификации параметров вибраций.
Оценку возможности применения привода в качестве активного элемента при гашении вибраций необходимо проводить, прежде всего, основываясь на быстродействии его контуров регулирования. Согласно [35] полоса пропускания контура регулирования положения составляет 1 Гц, что определенно недостаточно для подавления вибраций. Полоса пропускания контура регулирования скорости составляет около 120 Гц. Таким образом, сигнал на входе контура регулирования скорости может быть сформирован с учетом вибрационных возмущений, возникающих в зубчатых передачах.
Для построения модели вибрационных процессов был проведен анализ результатов испытаний и получены основные характеристики вибраций как случайных процессов в зависимости от скорости движения антенны. Исследовались высокочастотные составляющие сигнала ошибки регулирования положения. В таблице 4 представлены результаты исследования для некоторых скоростей движения антенны. Испытания проводились при одновременном движении обеих осей при равной скорости, математическое ожидание вибрационного процесса принимается равным нулю.
Анализ данных показал, что зависимость амплитуды и частоты вибраций от скорости движения с большой точностью описывается линейной функцией (рис. 2.10.а, 2.10.6). Очевидным следствием наблюдения является подтверждение предположения, высказанного в разделе 1.4.2 о зубчатой передаче - главном источнике вибраций в системе.
Экспериментальное исследование разработанных методов и алгоритмов системы управления приводами
Главный сервер системы управления (рис. 3.1) отвечает за планирование проведения испытаний, расчет базовых траекторий слежения за КЛА, обработку результатов измерений. Данное устройство не работает в режиме реального времени и не имеет точной системы синхронизации с системой единого мирового времени (ЕМВ). Синхронные процессы высокой точности обрабатываются на промежуточном сервере, в задачи которого входит приведение заданной траектории слежения КЛА к виду, доступному контроллеру приводов антенны, формирование управляющих сигналов для всех устройств, участвующих в процессе наблюдения, как то: контроллер приводов антенны, приемо-передающее устройство и т.д. Также промежуточный сервер осуществляет связь с главным сервером, получая от него необходимую для наведения информацию.
Рассматривая элементы системы, работающие в режиме реального времени и принимая во внимание параметры работы цифровых устройств управления, можно дать оценку временной неоднозначности интерпретации одновременного события. Поскольку задающим устройством, формирующим задание для контура регулирования положения, является контроллер приводов, целесообразно ограничиться рассмотрением погрешностей временной синхронизации его работы в процессе слежения.
Суммарная погрешность в рамках одного цикла синхронизации может быть оценена, как д гртах. /типах , т-ітах .. . Аі " скана"1"- / (А1) J rmax „ -,",- скала - максимальный период выполнения программы контроллера J max _. _ г"- — — / " максимальная суммарная задержка обработки сигналов периферийных модулей СУ. При расчете не учитываются динамические свойства системы, поскольку на данном этапе требуется оценить максимальное значение временной погрешности задающих процессов. Вопросы обеспечения динамических режимов работы приводов будут рассмотрены далее.
Максимальный период выполнения программы контроллера, или, как его часто называют в литературе, скан программы, напрямую зависит от сложности применяемых алгоритмов и объема обрабатываемых данных. Согласно информации из технического описания контроллера [37], при выполнении программ не поддерживается многозадачность и многопоточность, а мгновенная реакция на внешние воздействия возможна только в режиме обработки прерываний. Очевидно, что в режиме обработки прерываний могут быть произведены лишь сравнительно простые операции, такие как инициализация новых циклов управления, коррекция внутренних таймеров контроллера. В главе 4 более подробно рассмотрены вопросы практической реализации. Здесь отметим лишь, что максимальное значение составляет С»=2.5мс Суммарная задержка работы периферийных модулей может быть определена из анализа цепей передачи информации, актуальной для синхронизации: 1. Измерительная цепь датчиков. 2. Задержка модуля обработки прерываний. 3. Задержка формирования управляющих сигналов на выходе контроллера. 4. Погрешность настройки локальной системы ЕМВ. Анализ времен задержек измерительных цепей приведен в разделе 1.4.1. Максимальная задержка при измерении текущих координат согласно проведенному исследованию составляет измерения = 0-075 мс . Согласно документации, модуль обработки прерываний обеспечивает высокоскоростную
Обработку ДИСКреТНЫХ СИГНаЛОВ С ЗаДерЖКОЙ Не более Прерывания = 0.1 МС . В процессе формировании управляющих сигналов контроллером приводов принимают участие модули дискретного ввода-вывода и модуль цифро-аналогового преобразования. Наиболее затратным по времени является цифро-аналоговое преобразование, которое составляет для одного канала ЦАП = 5 мс # При управлении используется 2 канала преобразования (управление по азимуту и углу места). Погрешность настройки модуля синхронизации можно оценить по максимальной погрешности начальной установки при связи с системой радиопередач ЕМВ. Согласно [12,13] такая
Суммарная задержка работы периферийных модулей может быть определена из анализа цепей передачи информации, актуальной для синхронизации: 1. Измерительная цепь датчиков. 2. Задержка модуля обработки прерываний. 3. Задержка формирования управляющих сигналов на выходе контроллера. 4. Погрешность настройки локальной системы ЕМВ. Анализ времен задержек измерительных цепей приведен в разделе 1.4.1. Максимальная задержка при измерении текущих координат согласно проведенному исследованию составляет измерения 0.075 мс . Согласно документации, модуль обработки прерываний обеспечивает высокоскоростную процессе формировании управляющих сигналов контроллером приводов принимают участие модули дискретного ввода-вывода и модуль цифро-аналогового преобразования. Наиболее затратным по времени является цифро-аналоговое преобразование, которое составляет для одного канала 2ц\п = 5 мс. При управлении используется 2 канала преобразования (управление по азимуту и углу места).
Похожие диссертации на Повышение точности слежения приводов систем космического радиовидения методами оптимального и адаптивного управления на основе нейронных сетей
