Исследование динамики систем телеуправления

Системы телеуправления являются сложными нелинейными системами с переменными параметрами и несколькими петлями обратных связей. В настоящее время не существует единого теоретического или экспериментального метода, который позволил бы учесть с достаточной полнотой и точностью все особенности такой системы. Поэтому для исследования систем наведения приходится использовать не один, а несколько методов.

На ранних стадиях разработки системы используются теоретические методы. При этом в настоящее время основными можно считать следующие методы:

1. линеаризация и замораживание коэффициентов;

2. линеаризация и учет переменности параметров системы;

3. гармоническая линеаризация;

4. статистическая линеаризация;

5. метод нелинейных статистических эквивалентов;

6. аппроксимация случайных воздействий марковскими процессами;

7. математическое моделирование нелинейной системы.

В первых четырех методах система управления сводится к линейной системе. При этом в методах 1-2 нелинейность системы не учитывается совершенно, а в методах 3-4 она учитывается приближенно - путем соответствующего изменения параметров линейной системы. В методах 5-7 используется нелинейная система. Это усложняет анализ, но позволяет исследовать целый ряд специфических нелинейных явлений, например воздействие различного рода помех и возмущений.

Применение этих методов для анализа систем наведения рассмотрено в работах [6], [16], [10] и других.

Отметим, что на начальных этапах проектирования систем телеуправления обычно используются линейные модели, при этом путем преобразования структурных схем можно исключить нестационарные звенья и перейти к медленно изменяющимся переменным. Это позволяет избежать применение сложного и громоздкого аппарата теории нестационарных линейных систем.

В качестве примера рассмотрим преобразование структурной схемы командной системы телеуправления при наведении по методу трех точек в вертикальной плоскости, приведенной на рис. 3.3.

Перейдем к упрощенной структурной схеме (рис.3.6), где  - передаточная функция блока формирования команды и командной радиолинии управления, то есть

 - передаточная функция ЛА.

Обозначим произведение  через

,

тогда структурная схема будет иметь вид, приведенный на рис. 3.7

Для устранения влияния нестационарных звеньев  и  преобразуем структурную схему на рис. 3.7 к следующему виду (рис. 3.8), или к виду, приведенному на рис. 3.9.

 

Здесь  - кинематическое значение величины  в случае движения ЛА по кинематической траектории метода трех точек, то есть когда .

В качестве выходной величины используется линейное отклонение ЛА  от требуемой кинематической траектории, так как точность системы телеуправления характеризуется величиной .

Учитывая, что

,

структурную схему (рис.3.9) преобразуем к следующему виду (рис.3.10), где - требуемое нормальное ускорение ЛА при движении по кинематической траектории.

В этом случае контур наведения можно рассматривать как стационарный и для анализа данного контура использовать методы анализа линейных стационарных систем.

Найдем, например, динамическую ошибку командной системы наведения. Для этого определим передаточную функцию замкнутой системы (рис. 3.10):

.

Так как входное воздействие  является медленно изменяющейся функцией времени, то для расчета динамических ошибок наведения используем понятие коэффициента ошибок и запишем формулу для вычисления ошибки

где .

В нашем случае  или , где  - коэффициент усиления разомкнутого контура наведения.

При постоянном входном сигнале  ошибка телеуправления , то есть прямо пропорциональна требуемому кинематическому ускорению и обратно пропорциональна коэффициенту усиления разомкнутого контура .

Отсюда следует, что желательно выбирать такие начальные условия, при которых требуется меньшее значение . Динамическую ошибку можно уменьшить путем увеличения , но при этом растет полоса пропускания системы, что приводит к возрастанию случайной составляющей ошибки.

Если в состав разомкнутого контура входит интегрирующее звено, то есть , тогда . В этом случае контур является астатическим с коэффициентом ошибки .

В результате анализа линейной системы телеуправления можно определить область допустимых значений изменяемых параметров системы, обеспечивающих устойчивость, динамическую точность и требуемое качество переходных процессов в системе наведения.

На заключительном этапе теоретических исследований осуществляется математическое моделирование нелинейной системы дифференциальных уравнений, наиболее полно учитывающей динамические особенности системы наведения.

Часть 2. СИСТЕМЫ САМОНАВЕДЕНИЯ

Глава 4. Общая характеристика систем самонаведения

Классификация

Самонаведением называется такой метод управления, при котором на борту ЛА измеряются параметры движения цели и формируются команды управления, обеспечивающие наведение ЛА на цель.

В зависимости от места расположения первичного источника электромагнитного излучения различают активные, полуактивные, пассивныеи комбинированные системы самонаведения (ССН). При активном самонаведении ЛА, облучая цель бортовым передатчиком, наводится по отраженному сигналу. При полуактивном цель облучается передатчиком, установленном на командном пункте управления, а на ЛА имеется только приемник.

Возможны ситуации,когда цель сама является источником электромагнитного излучения, например теплового от работающего двигателя. В этих случаях возможно применение пассивного самонаведения по сигналу, излучаемому самой целью.

Комбинированные системы самонаведения совмещают в себе полуактивно- или активно-пассивные системы. В зависимости от ситуации используется тот сигнал от цели, который обеспечивает лучшие характеристики наведения (точность, помехоустойчивость, дальность действия).

Преимущество активной системы самонаведения состоит в полной автономности управления. Но бортовая аппаратура активной системы получается более громоздкой. Ограничение мощности бортового передатчика приводит к ограничению дальности действия.

Полуактивные системы не обладают полной автономией управления, поскольку антенна КПУ должна облучать цель в течении всего времени наведения. Однако дальность действия таких систем больше, чем активных, а бортовая аппаратура ЛА проще, имеет меньшую массу и габариты. Дальность в таких системах увеличивается за счет того, что на КПУ может быть установлен более мощный передатчик.

Пассивные системы обладают полной автономией и имеют наилучшие массогабаритные характеристики, но их работа полностью зависит от излучения цели. В таких системах невозможно измерять дальность и скорость сближения с целью.

В зависимости от диапазона электромагнитных волн различают радиолокационные, тепловые (инфракрасные) и оптические системы самонаведения.

Радиолокационные системы работают в радиодиапазоне в окнах прозрачности атмосферы. Радиоволны, отраженные от цели, рассеиваются во всех направлениях примерно одинаково. Благодаря этому самонаведение радиолокационных систем возможно с любого направления. Метеоусловия мало влияют на работу радиолокационных систем. Но радиолокационные системы имеют более широкие диаграммы направленности антенн, что снижает их точность и разрешающую способность по сравнению с тепловыми и оптическими системами самонаведения.

Тепловые системы используются в инфракрасном диапазоне волн. Они, как правило, пассивные и более простые по сравнению с радиолокационными. Их точность и разрешающая способность выше. Однако эффективность работы тепловых систем сильно зависит от метеоусловий. Кроме того, интенсивность теплового излучения у многих целей существенно различается в зависимости от направления. Поэтому дальность действия тепловых систем сильно меняется при изменении направления наведения.

В оптических системах самонаведения используются видимые лучи (длина волны 0,76...0,4 мкм). Такие системы строятся на основе телевизионных, оптических и лазерных устройств. Их отличает очень высокая точность и разрешающая способность, особенно характерные для лазерных устройств. Однако зависимость работоспособности оптических систем от метеорологических условий еще более сильная.

Важнейшей частью бортовой аппаратуры самонаводящегося ЛА является головка самонаведения (ГСН), выполняющая обнаружение полезного сигнала, селекцию цели и измерение необходимых параметров ее относительного движения, защиту от организованных помех. В некоторых работах ГСН называют координатором цели.

Положение цели относительно системы координат , связанной с ГСН (координатором цели), можно определить тремя координатами, задав две угловые координаты и расстояние .

Управление осесимметричным ЛА происходит в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В этом случае положение цели определяется углами ,  и наклонной дальностью до цели  (рис. 4.1). Результаты измерения координат цели на выходе координатора получают в виде напряжений, пропорциональных измеряемым величинам:

 

Если ЛА имеет одну плоскость симметрии, то для формирования сигналов наведения используют угол рассогласования  и угол фазирования  (см. рис. 1.9). В этом случае на выходе ГСН получают напряжения, пропорциональные измеряемым величинам:

, , .

Способы формирования сигналов , ,  зависят от принципа действия и устройства ГСН.

Следует сказать, что не все ГСН могут измерять наклонную дальность цели . Так тепловые ГСН не имеют дальномерного канала, в то время как радиолокационные ГСН могут измерять не только , но и скорость сближения ЛА с целью . Но для многих методов самонаведения измерять наклонную дальность не требуется.

Функциональная схема системы самонаведения зависит от принятого метода наведения и от набора измерительных устройств, используемых для его реализации.