Система стабилизации и управления линии визирования подвижных объектов, построенная на трехстепенном гироскопе

Современные оптические приборы обладают высоким угловым разрешением. Для сохранения разрешающей способности оптических приборов в условиях подвижного или недостаточно устойчивого основания чаще всего используют механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Наиболее распространенным приемом является стабилизация изображения относительно приемника изображения, осуществляемая с помощью оптических элементов или узлов прибора, положение которых регулируется в пространстве и относительно приемника автоматически [2,11,12,28].

Вопросы выбора и расчета оптических систем стабилизаторов изображения рассмотрены в работах A.A. Бабаева [11,12], Д.Н. Есько-ва и соавторов [2]. Обзор патентной информации по данному вопросу можно найти в статье Д. Н. Еськова, Ю. А. Степина, В. А. Торопина [28].

Наибольшее распространение получили системы стабилизации и управления линии визирования, построенные на базе двухосных гироскопических стабилизаторов.

Различные аспекты теории, расчета и проектирования гиростаби-лизаторов отражены в трудах А. Ю. Ишлинского, Д. С. Пельпора, Я. Л. Лунца, Я. Н. Ройтенберга, А. А. Свешникова, С. С. Ривкина, Е. А. Фабриканта, В. А. Бесекерского, А. Д. Александрова и других авторов [15, 23, 46, 53, 54, 65, 77, 85].

В работах Д. С. Пельпора [53,54], Я. Л. Лунца [46], Я. Н. Ройтенберга [76] проводится исследование двухосных гиростабилизаторов на двухстепенных гироскопах при малых углах поворота рам карданова подвеса. При этом основное внимание уделяется расчету ошибок гирос-табилизатора в режиме стабилизации под действием различных факторов качка основания, сухое трение, дисбаланс, упругость подвеа и др.) и обеспечению устойчивости путем выбора кинетического момента гироскопов и коэффициента передачи контуров стабилизации. Управление рассматривалось как медленная корреция. Практически не рассматривается работа в режимах управления или автосопровождения.

Стабилизаторы координаторов, работающие в режиме автосопровождения, в том числе и на трехстепенном гироскопе, рассматриваются Д. С. Пельпором [233 как управляемые гиростабилизаторы. Проводится оценка возмущающих моментов, вызванных качкой основания, без учета дополнительных возмущений, вызываемых угловыми скоростями управления. Приводится методика расчета контуров стабилизации и управления, однако их взаимное влияние не рассматривается.

Повышение точности и быстродействия оптических систем, устанавливаемых на подвижных объектах, приводит к необходимости применения систем стабилизации и управления (ССиУ) линии визирования (ЛВ), обеспечивающих работу оптических элементов в совмещенных режимах стабилизации и слежения. Кроме того, для ССиУ ЛВ весьма важен спектральный состав ошибки. Ошибки чувствительного элемента (гироскопа) создают возмущения с частотой, на несколько порядков меньшей, чем частоты угловых колебаний носителя, и приводят, в основном, к медленным уходам стабилизируемой ЛВ. На медленный уход ЛВ накладываются колебания с частотами внешних воздействий и собственных движений ССиУ. Эти колебания являются главной составляющей ошибки и определяются динамическими свойствами ССиУ.

Гироприводы, работающие в режимах стабилизации и управления, рассмотрены А. К. Неусыпиным [51], использовавшим для анализа таких систем уравнения в углах рассогласования линии визирования гиропри-вода от задающей линии визирования. В его работе детально исследованы непосредственные гиростабилизаторы координаторов на трехсте.

— б пенных гироскопах. Силовые и индикаторные системы, обладающие лучшими точностными характеристиками, рассмотрены недостаточно.

Дальнейшее развитие вопросы исследования и проектирования силовых и индикаторных ССиУ на двухстепенных гироскопах получили в работах В. К. Карпова, В. И. Родионова, О. Г. Корякина [35, 36, 38, 39, 40, 62, 68, 69, 70].

Общий обзор схем ССиУ и предъявляемые к ним требования можно найти в работе О. Г. Корякина и C.B. Рогова [39].

В.К. Карповым исследованы каскадные схемы ССиУ на двухстепенных гироскопах [36], работоспособные при углах пеленга, близких к 90°. В работах В. И. Родионова [68,69,70] исследована динамика совмещенных систем на датчиках угловых скоростей (ДУС), рассматривается связь качества стабилизации и управляемости. Индикаторная ССиУ на трехстепенных гироскопах рассматривается в работе О. Г. Корякина [38]. В этой работе основное внимание уделено повышению точности режима стабилизации ССиУ за счет избыточности — использованию двух трехстепенных гироскопов.

В вышеперечисленных работах по ССиУ отмечается, что в совокупности требования к точности стабилизации и диапазону скоростей наведения линии визирования носят противоречивый характер и отражают принципиальное отличие ССиУ от стабилизаторов плоскости или заданного направления. Например, по сравнению с авиационными гировертикалями, имеющими точность порядка нескольких угловых минут [53], ССиУ ЛВ, установленные на тех же летательных аппаратах, должны обеспечивать стабилизацию линии визирования с точностью до нескольких угловых секунд и при этом обеспечивать наведение линии визирования с большими скоростями [40].

Обеспечить высокие скорости управления позволяет индикаторная ССиУ, построенная на трехстепенном астатическом гироскопе, посколь.

Г-1.

— f ~ ку в ней отсутствуют гироскопические моменты, действующие на платформу и препятсвующие управлению с большими скоростями. Другим преимуществом данной схемы является отсутствие систематического дрейфа от возмущающих моментов, действующих по осям стабилизации. В то же время отсутствие стабилизации за счет гироскопического момента предъявляет высокие динамические требования к контурам стабилизации и управления, что делает актуальной задачу синтеза регуляторов контуров ССиУ.

Применение разнообразных методов анализа и синтеза САУ и следящих приводов, широко освещенных в литературе [9,16,24,61,78], не всегда эффективно, поскольку предполагает разделение спектральных областей управляющих и возмущающих воздействий по той причине, что полоса частот задающих воздействий находится заметно ниже полосы частот возмущений. Однако, для ССиУ это допущение не всегда верно, особенно при работе на морских судах [66].

В работах Д. С. Пельпора, Е. А. Фабриканта, В. А. Бесекерского, А. Д. Александрова синтез контуров стабилизации проводился методами логарифмичкских амплитудно-частотных характеристик и методами логарифмического корневого годографа. Данные методы отличаются простотой и наглядностью, но имеют ограниченные возможности, хотя в работе Горовица [24] они распространяются и на многомерные системы, описываемые матрицами передаточных функций.

A.A. Свешниковым, С. С. Ривкиным рассматривается применение теории оптимальной фильтрации Калмана [34] к синтезу гироскопической следящей системы. Однако даже в простейшем приведенном примере [77] полученная оптимальная система, как отмечается авторами, является физически нереализуемой и требует дальнейшей аппроксимации реализуемой передаточной функцией.

А.Г. Александровым [5] для решения задач синтеза используются методы аналитического конструирования оптимальных регуляторов. В качестве примера приводятся результаты синтеза датчика угловой скорости на трехстепенном гироскопе. Данный подход, несмотря на свою эффективность, требует значительных вычислительных затрат.

В работах В. Н. Петрова, Б. М. Менского, М. А. Боровикова [16,56,48] для повышения точности систем предлагается принцип инвариантности.

Перспективными являются методы модального синтеза, освещенные в работах Н. Т. Кузовкова [42,43], А. Г. Гайдука [18].

Для синтеза ССиУ В. К. Карповым и В. И. Родионовым был предложен подход, основаный на совместном применении методов модального синтеза, обеспечивающих желаемые характеристики собственного движения ССиУ, инвариантности и селективности, обеспечивающих эффективное подавление возмущающих и отработку управляющих воздействий [35,62]. Данный подход развивался авторами в применении к силовым и индика-торно-силовым ССиУ на двухстепенных гироскопах. К недостаткам метода можно отнести значительную избыточность получающегося в результате такого последовательного синтеза регулятора.

Таким образом, создание методик анализа, проектирования и синтеза индикаторных ССиУ на трехстепенном гироскопе, способных обеспечить высокую точность стабилизации ЛВ при переменных углах поворота рам карданова подвеса в условиях трехкомпонентной качки основания и в режиме управления с высокими скоростями является актуальной научной задачей, которая в целом пока еще не решена.

Решение указанных задач позволяет расширить области теоретических исследований и практического применения ССиУ, построенных на трехстепенных гироскопах.

Целью работы является разработка методик анализа и синтеза индикаторной ССиУ повышенной точности, построенной на трехстепеннном гироскопе и работающей в совмещенных режимах стабилизации и управления на подвижном основании при больших скоростях управления.

Объектом исследования является двухосная индикаторная ССиУ ЛВ подвижных объектов, построенная на трехстепенном гироскопе и предназначенная для стабилизации оптического изображения и управления положением оптического луча.

Предметом исследования является анализ и синтез ССиУ на трехстепенном гироскопе в режимах стабилизации, сканирования и слежения.

Общая методика исследования представляет собой комплексный метод исследования, который характеризуется совместным применением аналитических методов, численного моделирования на ЭВМ и физического моделирования в лабораторных условиях.

При анализе кинематики и динамики ССиУ и синтезе законов регулирования используются приближенные методы исследования нелинейных систем, операционное исчисление, частотные методы анализа, методы пространства состояний и модального управления, методы теории матриц, методы теории случайных процессов, инженерные методы исследования линейных и нелинейных систем автоматического регулирования.

В первом разделе рассматривается математическое описание ССиУ в углах рассогласования линии визирования от заданного положения. Проводится исследование кинематических зависимостей углов пеленга ССиУ от качки основания и угловых скоростей задающей линии визирования. Проводится исследование возмущающих моментов, действующих по осям стабилизации ССиУ при качке основания и наличии угловых скоростей линии визирования.

Во втором разделе проводится исследование динамических ошибок ССиУ. Исследуется влияние динамических характеристик свободного гироскопа, гироскопа с пружинами на осях прецессии, двигателя стабилизации на динамические ошибки ССиУ. Предлагается способ уменьше.

— 10 ния ошибок, вызываемых динамическими свойствами гироскопа и перекрестными связями между каналами азимута и высоты.

В третьем разделе предлагается методика модального синтеза контуров стабилизации и управления ССиУ при ограничениях на параметрическую грубость. Рассматривается связь инвариантности и грубости системы. Проводится синтез контуров стабилизации и управления, обеспечивающий заданное распределение корней характеристического полинома системы и инвариантность с точностью до высших производных по отношению к возмущающим воздействиям.

В четвертом разделе описывается техническая реализация результатов теоретических исследований на макете ССиУ, состоящим из блока стабилизации оптического луча, пульта управления и оптико-электронного координатора. Пульт управления включает в себя модальные регуляторы, реализованные на средствах аналоговой микроэлектроники.

В заключении приведены основные научные выводы, полученные в диссертации.

В приложении помещены акты внедрения результатов диссертационной работы, программа и результаты численного моделирования ССиУ на ЭВМ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.т.н., доц. Родионову В. И. за постоянное внимание и ценные указания при написании диссертационной работы.

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны математические модели двухосной ССиУ, построенной на трехстепенном свободном гироскопе и гироскопе с пружинами на осях прецессии, учитывающие дополнительные составляющие возмущающих моментов, вызванных качкой основания, вращением ЛВ и реакцией датчиков момента гироскопа.

2. Получены аналитические зависимости для определения динамических ошибок ССиУ на свободном трехстепенном гироскопе и на гироскопе с пружинами на осях прецессии от возмущающих моментов, действующих по осям стабилизации и прецессии при работе в режимах стабилизации и управления. Получены выражения, определяющие изменение качества подавления качки при переходе от режима стабилизации к режиму управления.

3. Предложен способ компенсации перекрестных связей между каналами азимута и высоты в двухосной ССиУ, позволяющий повысить точность в режимах стабилизации и управления (заявка на изобретение N 9 910 867 от 16.05.99).

4. Разработана методика модального синтеза ССиУ контуров стабилизации и управления в пространстве состояний, позволяющая назначать нули, и часть полюсов ПФ по возмущениям, недоступным прямому измерению. Данная методика синтеза учитывает требование параметрической грубости замкнутой системы.

5. С учетом инерционности двигателя стабилизации и динамических свойств гироскопа проведен синтез контура стабилизации, обеспечивающий астатизм первого порядка по углу от возмущающих моментов на осях стабилизации и воспроизведение управляющего сигнала с час.

— 149 тотой до 400 1/с при биномиальном распределении полюсов замкнутой системы. Реализация полученных законов управления в макетном образце позволила снизить степень колебательности и увеличить коэффициенты передачи контуров стабилизации и управления.

6. Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические выводы о возможности создания системы стабилизации и управления на трехстепенном гироскопе с погрешностью стабилизации оптического изображения, оцениваемой по СКО, порядка 0.2'10~3 рад.

Результаты диссертационной работы внедрены в федеральном государственном унитарном предприятии НИИ «Стрела» .

— 14аЗаключение.