Моделирование и синтез трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотоаппарата

Актуальность темы

.

В настоящее время при решении широкого класса народнохозяйственных задач: проведении метеорологической, геологической съемки, мониторинге окружающей среды, топографии и аэроразведке приобретает распространение комплексный подход к проведению исследований поверхности и прилегающего слоя Земли. В рамках такого подхода разрабатываются комплексы оснащаемые различным оборудованием (радиои радиотехническая аппаратура, радиолокационная аппаратура, ИК-аппаратура, фотои лазерная аппаратура) [1]. В таких комплексах кадровые и панорамные аэрофотоаппараты играют одну из ключевых ролей.

Пленочные камеры уступают цифровым камерам по следующим параметрам: масса цифровых камер меньше, объем записываемой информации цифровых камер ограничивается, практически, только размером устройств хранения информации, цифровые камеры дают возможность передачи получаемого изображения в реальном масштабе времени, для пленочных камер требуется создание сложных пленкопротяжных механизмов. Но цифровые камеры имеют и существенные недостатки: уступают фотокамерам по плотности записи изображения, разрешающей способности [2], светочувствительности, документальности [3], стоимости, требуется сложный алгоритм согласования светочувствительных элементов по однородности поля (особенно актуально для больших матриц, так на больших темных участках кадра наблюдаются светлые пятна), для матриц с высоким разрешением требуются высокопроизводительные системы обработки информации и для записи каждого кадра требуется значительное время, поэтому темпы съемки пленочных камер выше, нежели темпы съемки цифровых камер. Для того чтобы пленочным аэрофотоаппаратам конкурировать с цифровыми, по количеству кадров, требуется их обеспечивать большим запасом пленки, что влечет за собой усложнение пленкопротяжного механизма и алгоритмов согласования работы систем экспонирования (панорамирования) и систем пленкопротяжного механизма, что особенно актуально для многодвигательных систем. От аэрофотоаппаратов требуется получение максимальной информации об объекте фотографировния, поэтому, учитывая возможности обзора, наиболее информативны панорамные аэрофотоаппараты. Ко всем электрическим и механическим системам панорамных аэрофотаппаратов предъявляются высокие требования по динамике и точности работы. В этом отношении узкими местами являются системы пленкопротяжного механизма и панорамирования, а также их синхронизация между собой.

Система панорамирования должна обеспечивать наибольший обзор подстилающей местности и выдерживать режимы экспонирования аэрофотопленки, для этого необходима очень высокая стабильность скорости движения пленки, на которую оказывает сильное влияние пленкопротяжный механизм.

Пленкопротяжные механизмы предназначены для замены в кадровом окне экспонированного участка фотопленки на неэкспонированный. В случае построения аэрофотоаппарата с пленкопротяжным механизмом без остановки фотопленки при экспонировании он должен обеспечивать стабильную скорость движения фотопленки и минимальное время выхода на рабочий режим. При большой длине фотопленки в кассете аэрофотоаппарата становится актуальной задача обеспечения требуемой динамики и скорости движения фотопленки, поэтому наиболее перспективной является трехдвигательная система, которая оптимальна по габаритно-массовым характеристикам (особенно важно для авиационной техники), что в свою очередь требует решения нелинейных нестационарных задач при разработке систем управления и синтезе параметров.

Применение трехдвигательной системы предполагает разделение процесса получения фотоснимков с помощью связанных систем управления подачей пленки, экспонирования и приема пленки, что в свою очередь позволит улучшить тактико-технические характеристики аэрофотаппарата: массу, габариты, запас пленки (число кадров), разрешающую способность, динамический диапазон панорамирования (W/H). Однако возникает задача улучшения динамических показателей, таких как: диапазон скоростей панорамирования, погрешности стабилизации скорости панорамирования и скоростей подачи и намотки пленки, время выхода на рабочий режим, качества регулирования и время переходного процесса.

Вопросами исследования оптико-электронных систем в том числе аэрофотаппаратами занимались: Мельканович А. Ф., Ребрин Ю. К., Турыгин И. А., Русинов М. М., Шершень А. И., Кулагин С. В., Якушенков Ю. Г., Щербаков Я. Е., Яськов Д. М., Тарасов В. В., Сокольский М. Н., Марешаль А., Франсон М., Ульянин Ю. А., Тюфлин Ю. С., Тиле Р. Ю., Дробышев Ф. В. и др. В развитие тории инвариантности значительный вклад внесли: Кулебакин B.C., Кухтенко А. И., Петров Б. Н., Матросов В. М., Земляков А. С. В исследование динамики и синтеза регуляторов оптико-электронных и оптико-механических приборов и систем большой вклад внесли: Матросов В. М., Стрежнев В. А., Земляков А. С., Ахметгалеев И. И., Скимель В. Н., Кренев В. А., Бородин В. А., Карпов А. И., Бейлин И. Ш., Вейц В. Л., Меркин В. М., Слуцкий И. А., Мелик-Степанян A.M., Левитин Г. В.

Задачи исследования динамики и обеспечения требуемого качества изображения фотоснимков, получаемых с помощью панорамных аэрофотаппаратов представляют особый интерес и несомненную практическую ценность.

Объектом исследования является система управления оптическим сканирующим узлом и пленкопротяжным механизмом панорамного аэрофотоаппарата, а предметом исследования — алгоритмы управления и динамика нелинейной нестационарной системы с неголономными связями.

Цель работы.

Улучшение динамических показателей панорамных аэрофотаппаратов за счет применения трехдвигательной системы управления.

Задача научного исследования — разработка методики синтеза трехдвигательной системы управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом с пружинными накопителями аэрофотоаппаратов, которая решается по следующим направлениям:

1. Обзор и анализ существующих схем построения аэрофотоаппаратов, систем панорамирования и пленкопротяжных механизмов. Постановка задач исследования.

2. Разработка методики синтеза параметров нелинейных нестационарных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотоаппарата с неголономными связями, обеспечивающей получение необходимых динамических свойств этих систем с требуемым качеством оптического изображения панорамного аэрофотоаппарата.

3. Разработка математической модели объекта управления систем панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотоаппарата, объединяющая уравнения движения узлов пленкопротяжного механизма с пружинными накопителями и оптического сканирующего узла аэрофотоаппарата.

4. Разработка алгоритмов управления и параметрический синтез нестационарных нелинейных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотоаппарата.

5. Разработка компьютерной имитационной модели нестационарных нелинейных систем управления скоростью панорамирования и движения пленки пленкопротяжного механизма аэрофотоаппарата.

6. Анализ динамики систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотаппарата с применением компьютерных имитационных моделей и выработка рекомендаций для обеспечения требуемого качества изображения.

Методы исследования.

Для решения поставленных в работе задач использовались аналитические и численные методы моделирования динамических систем, методы современной теории управления, методы теоретической механики, методы расчета оптических и оптико-электронных систем, методы программирования. Исследования динамики выполнялись с применением пакета прикладных программ Simulink4.0 системы MatLAB 6.1.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель двадцать третьего порядка нестационарных нелинейных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотаппарата с учетом особенностей элементов конструкции пленкопротяжного механизма АФА: нестационарности изменения радиуса намотки пленки подающей и наматывающей катушек, нелинейностей пружинных накопителей, конструктивных параметров, характеристик пленки.

2. Получены параметрические нестационарные условия абсолютной инвариантности, обеспечивающие синхронность скоростей движения пленки в подающей и наматывающей катушках, на мерном валике и оптическом сканирующем узле к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3. Разработаны алгоритмы управления нестационарным нелинейным объектом управления с неголономными связями систем панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотаппарата, обеспечивающие требуемое качество изображения в широком диапазоне относительных скоростей (07Я=(О, О8-И, 67) Щ.

4. Разработана компьютерная имитационная модель нелинейных нестационарных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом, позволяющая проводить комплексное исследование динамики названных систем в широком диапазоне изменения параметров и входных воздействий рассматриваемого класса аэрофотоаппаратов.

Достоверность результатов обеспечивается строгим и корректным использованием математического аппарата и подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных аналитически и на основе компьютерного моделирования систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом с результатами испытаний систем автоматического управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом штатного образца АФА М-455 (Акт о проведении испытаний 14.04.2006).

Практическая значимость диссертации.

Рассмотренные в диссертации задачи сформулированы исходя из практической потребности в создании отечественных высокоэффективных самолетных панорамных средств фотографирования, разрабатываемых ФГУП ЦКБ «Фотон». Диссертация выполнена в рамках ОКР «Синтез алгоритмов управления и исследование динамики систем панорамирования и систем лентопротяжки АФА» № НЧ30 2011(5411) от 04.04.2003 г., которая является составной частью НИОКР ФГУП ЦКБ «Фотон». В диссертационной работе проведены синтез трехдвигательной системы управления и исследования динамики рассматриваемой системы. Следующие результаты диссертации могут использоваться разработчиками панорамных аэрофотоаппаратов для создания трехдвигательных систем управления:

1. Алгоритмы управления со стационарными параметрами, позволяющие проектировать и проводить настройку и отладку трехдвигательных систем управления панорамными аэрофотоаппаратами.

2. Имитационные модели систем панорамирования и пленкопротяжного механизма панорамного аэрофотоаппарата, позволяющие ускорить процесс проектирования панорамного аэрофотоаппарата.

3. Рекомендации по модернизации пружинных накопителей, которые реализованы в опытном образце АФА М-455 (вместо шести подвижных валиков в пружинных накопителях оставлено два подвижных валика), что позволит в новом образце АФА М-455 упростить конструкцию, сократить массу и потребляемую мощность систем подачи и намотки пленки.

Реализация результатов.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы были внедрены и использованы в ФГУП ЦКБ «Фотон», г. Казань. Разработанная методика синтеза систем управления внедрена в учебном процессе кафедры Оптико-электронных систем Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

Защищаемые положения.

1.Математическая модель нестационарного процесса движения пленки при панорамировании.

2.Параметрические условия инвариантности с точностью до ?, обеспечивающие минимальную погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3.Алгоритмы управления системами панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотаппарата.

4.Итерационная методика синтеза параметров регуляторов получения требуемых динамических свойств системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата (в виде блок схемы).

5.Компьютерная имитационная модель нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата, разработанная в пакете прикладных программ Simulink 4.0 среды MatLAB 6.1.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на: IX Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» посвященной 105-летию Н. Г. Четаева, Иркутск 12−16 июня 2007гВсероссийской конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Казань 30−31 мая 2007 г.- VII международной конференции «Прикладная оптика-2006», Санкт-Петербург 16−20 октября 2006 г.- международной конференции «Оптика и образование-2006» 19−20 октября 2006 г.- V всероссийском Ахметгалеевском семинаре «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 1−2 февраля 2005 г.- XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Казань, 31 мая — 2 июня 2005 г.- всероссийском семинаре, посвященном восьмидесятилетию Скимеля Виктора Николаевича «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 27−28 сентября 2005 г.- VI международной конференции «Прикладная оптика-2004», Санкт-Петербург 18−21 октября 2004 г.- Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань 10−13 августа 2004 г.- Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение», Казань 16−17 апреля 2004 г.- XI Всероссийской с международным участием) молодежной научной конференции «Туполевские чтения», Казань, 8−10 октября 2003 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них: 3 статьи в рецензируемых журналах, 10 докладов, 2 тезисов на конференциях.

Личный вклад автора.

1. Разработана математическая модель нестационарного процесса движения пленки при панорамировании с учетом неголономных связей.

2. Определены параметрические условия инвариантности, обеспечивающие минимальную погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3. Разработана Итерационная методика синтеза параметров регуляторов с целью обеспечения требуемых динамических свойств системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата.

4. Разработана компьютерная имитационная модель нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации 165 с. машинописного текста, 76 рисунков, 6 таблиц, из них 13 с. приложений, в которых 32 рисунка.

4.7. Выводы.

1. По результатам количественной оценки факторов, влияющих на качество изображения, определена погрешность стабилизации скорости движения пленки на экспонируемом участке.

2. Определены алгоритмы управления СРСНП, СРСПП (4.21),(4.33) обеспечивающие погрешность регулирования скорости движения пленки при экспонировании в пределах ДК <5,326×10″ 4 м/с, время выхода на рабочие режимы tp < 0,1+2 с в диапазоне относительных скоростей полета самолета W/H=(0,08ч-1,67) 1/с.

3. Определены жесткости пружин накопителей Ci=C4=80 Н/м, С2=С$=в5 Н/м, Сз=Св=53 Н/м, обеспечивающие требуемое натяжение пленки в накопителях при отсутствии проскальзывания пленки по валикам.

4. Построена компьютерная имитационная модель нелинейных нестационарных СРСНП, САУП, СРСПП с неголономными связями, позволяющая исследовать динамику трехдвигательнеой системы управления панорамного аэрофотоаппарата.

5. Проведено исследование устойчивости СРСНП, САУП, СРСПП и установлено, что системы устойчивы и обеспечивают заданные режимы работы и требования критериев качества при параметрах регулятора (4.42).

6. Определено, что время переходного процесса систем определяется в основном временем выхода САУП на заданный режим, определяемый входным воздействием W/H, и временем затухания пружинных накопителей.

7. СРСПП и СРСНП в динамике ведут себя по-разному: запасы устойчивости системы при подаче пленки (СРСПП) меньше, чем при намотке пленки (СРСНП), поэтому время переходного процесса СРСПП больше, чем время переходного процесса СРСНП.

8. Анализ динамических свойств СРСНП и СРСПП показал, что изменение коэффициентов Кп Km' в соответствии с параметрами (4.42) не оказывает существенного влияния на точность стабилизации AV" и AVH.

9. Точность стабилизации скорости движения пленки при панорамировании не хуже требуемой, а СРСНП, САУП и СРСПП с параметрами, определенными в диссертационной работе, обеспечивают необходимое качество изображения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработанная интерактивная итерационная методика синтеза многосвязной нелинейной нестационарной трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотаппарата является обобщенной и подходит для разработки различного класса многосвязных систем автоматического управления с различными видами связей.

2. Разработанная методика построения компьютерной имитационной модели в пакете Simulink 4.0 системы MatLAB 6.1, учитывающая специфику системы пленкопротяжного механизма панорамного аэрофотоаппарата, нелинейности и нестационарность, применялась при разработке имитационной модели разрабатываемого аэрофотоаппарата. Приведенная методика позволяет проводить построение компьютерных имитационных моделей трехдвигательных систем управления панорамными аэрофотоаппаратами, подобного класса.

3. Разработанную математическую модель объекта управления, состоящего из подающей, наматывающей катушек и оптического сканирующего блока, учитывающую перекрестные связи между ними можно использовать при проведении функционального и параметрического синтеза, построении компьютерных имитационных моделей для систем управления аэрофотоаппаратов подобного класса.

4. Определены наиболее существенные факторы, влияющие на качество изображения панорамного аэрофотоаппарата, и проведена их количественная оценка, что позволило определить требования к погрешности стабилизации, скорости движения пленки на экспонируемом участке AV <5,326×10″ 4 .м/с.

5. Разработанные алгоритмы управления системами пленкопротяжного механизма и панорамирования позволяют обеспечить погрешность регулирования скорости движения пленки при экспонировании в пределах, А V <5,326×1 О*4 м/с, время выхода на рабочие режимы tp < 0,1*2 с в диапазоне' относительных скоростей полета самолета W/H=(0,08*l, 67) 1/с.

6. Полученные параметрические условия абсолютной инвариантности к изменению радиусов подачи и намотки пленки и реализованные с точностью до е<1%, позволяют обеспечить погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла в пределах АV <5,326х№'4м/с.

7. Разработанная компьютерная имитационная модель трехдвигательной нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата позволяет проводить исследования устойчивости системы, качества переходных процессов по всем обобщенным координатам, оценки погрешностей стабилизации скоростей движения пленки на различных участках пленки, времени переходного процесса и времени выхода на рабочий режим. Данная модель позволяет проводить исследования динамики, варьируя конструктивными и технологическими параметрами панорамного аэрофотаппарата и оценить адекватность математической модели по результатам экспериментальных исследований.

8. Выданы рекомендации ФГУП ЦКБ «ФОТОН» по модернизации пружинных накопителей, которые реализованы в опытном образце АФА М-455 (вместо шести подвижных валиков в пружинных накопителях оставлено два подвижных валика), что позволит в новом образце АФА М-455 упростить конструкцию, сократить массу и потребляемую мощность систем подачи и намотки пленки.

9. Результаты моделирования и синтеза трехдвигательной системы управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом при нестационарности параметров объекта управления (радиусов намотки, углов схода и набегания пленки, моментов инерции, масс наматывающей и подающей катушек, углов охвата пленкой валиков накопителей) показывают, что поставленная цель улучшения динамических показателей (V (W/H), AF, tp, W/H) панорамных аэрофотаппаратов достигнута при широком спектре возмущающих воздействий, что позволит решать важные народнохозяйственные задачи.