автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Исследование влияния априори неустранимой неопределенности в навигационном определении параметров на точностть движения летательных аппаратов

1.Анализ основных причин возникновения методических погрешностей при решении задач автономной навигации летательных аппаратов.

1.1. Обобщенная постановка задачи автономной инерциальной навигации JIA.

1.2.0собенности алгоритмизации инерциального управления движением ЛА по «методу <5-наведения»и его отличия от классических методов решения задач инерциальной навигации.

1.3.Учет истинного значения ускорения силы тяжести в «методе Q-наведения».

1.4.Управление угловым движением JIA при реализации «метода Q-наведения».

1.5.Разработка математической модели движения

JIA при управлении по «методу Q-наведения».

1.6.Программное обеспечение математического моделирования управляемого движения JIA на активном участке траектории.

2. Анализ возмущающих факторов, действующих на атмосферном участке траектории, влияющих на методическую ошибку навигационного обеспечения полета.

2.1 .Влияние внешних возмущающих факторов на методические ошибки.

2.2.Атмосферные возмущения.

2.3. Возмущения, связанные с отклонениями величины массы ЛА.

2.4. Возмущения, обусловленные отклонением положения центра масс и поворотом главных осей инерции JIA.

2.5. Тяговые возмущения.

2.6. Аэродинамические возмущения.

2.7. Возмущения от эксцентриситета и перекоса силы тяги.

2.8. Возмущения , обусловленные угловыми отклонениями и линейными смещениями осей установочных баз газовых рулей.

3.Методические и инструментальные ошибки управления.

3.1 .Определение методической ошибки управления.

3.2. Особенности алгоритмизации методики определения методической ошибки управления при разработке программного обеспечения.

3.3 .Предварительная калибровка возмущающих факторов при расчете методических ошибок 3.4.Анализ результатов моделирования и оценка составляющих методической ошибки наведения.

3.5.Основные составляющие инструментальной погрешности СУ JIA.

З.б.Особенности определения инструментальной погрешности БИНС JIA.

3.7. Определение составляющих ошибок измерителей, обусловленных погрешностями их начальной выставки.

3.8.Влияние на рассеивание JIA «динамических» составляющих инструментальных погрешностей.

4.Применение принципа адаптации для уменьшения влияния априори неустранимой неопределенности.

4.1.Исходные предпосылки применения принципа адаптации.

4.2,Общая структура адаптивных систем управления JIA с моделью-эталоном.

4.3.Математическое описание АСМЭ JIA.

4.4.Два подхода к решению задачи синтеза

АСМЭ ЛА.

4.5.Эквивалентная расчетная схема и возможная структура MA JIA.

4.6.Новый подход к синтезу систем стабилизации летательных аппаратов с моделью-эталоном на основе теории гиперустойчивости.

4.7.Применение предложенного подхода к решению задачи синтеза системы стабилизации JIA с моделью-эталоном в контуре управления.

4.8.Инвариантность гиперустойчиыых структур адаптивных систем управления JIA.

Актуальность темы. К числу важных требований, предъявляемых к управлению движением летательных аппаратов (J1A) различного назначения, относится обеспечение требуемой точности полета. В свою очередь это связано с необходимостью получения и использования в алгоритмах и, соответственно, в управлении движением высокоточной навигационной информации, которая как известно, обычно подразделяется на первичную, начальную и исходную. Первичная и начальная навигационная информация непосредственно связанна с процессом измерения параметров движения центра масс JIA и параметров его углового движения при стабилизации и ориентации аппарата относительно векторных базовых направлений. Исходная информация непосредственно не связана с движением конкретного ЛА в конкретном полете и она не изменяется в пределах навигационного цикла. К этой информации относятся используемая априорная модель динамики движения JIA, сведения о физических полях, учитываемых в алгоритмах навигационных определений, либо в алгоритмах наведения, алгоритмы пересчета обобщенных координат JIA в его навигационные координаты и др.

Получение достоверной информации указанных типов представляет собой достаточно сложную научно-техническую задачу. Не останавливаясь на известных методах её решения отметим, что какие бы подходы при этом не использовались, всегда остаются неконтролируемые факторы, влияющие на точность движения. Эти неконтролируемые факторы иначе можно трактовать, как априори неустранимую неопределенность в навигационном определении параметров, оказывающую влияние на конечную точность движения. Данное обстоятельство справедливо как в отношении измерительной информации, характеризуемой не поддающейся компенсации случайной составляющей измерителей, так и в отношении используемой исходной информации, не оЛАдающей абсолютной адекватности по отношению к реальным физическим процессам. 7

В зависимости от принятых допущений при анализе влияния неконтролируемых (или неопределенных) факторов обычно используется либо стохастическая постановка задачи, предполагающая возможность задания (или предварительного определения) некоторой совокупности априорных статистических сведений, либо детерминированная гарантирующая, при которой задаются лишь допустимые пределы изменения самих неконтролируемых факторов. В настоящей работе используются оба подхода.

Анализ влияния на точность движения JIA априори неустранимой неопределенности в навигационном определении параметров, может быть осуществлен только при конкретизации исследуемого класса ЛА и реализуемых методов управления.

В диссертации рассматривается достаточно широкий класс ЛА, имеющих наряду с активным управляемым участком еще и пассивный неуправляемый участок траектории. Активных и пассивных участков движения, в принципе , может быть несколько и они могут чередоваться друг с другом. Управляемое движение центра масс ЛА такого типа, в результате которого обеспечивается решение поставленной задачи, обычно трактуется, как задача наведения. К числу таких задач могут быть отнесены задачи управления движением ракет-носителей космических аппаратов (КА), задачи управления движением КА в интересах достижения встречи и др.

В качестве реализуемого на борту ЛА метода наведения, в работе рассматривается разработанный в США и впервые предложенный Р.Бэттином и Дж.Лэнингом для решения задач астродинамики «метод Q-наведения».

Анализ точностных возможностей ЛА с системами управления (СУ), реализующими «метод Q-наведения», с учетом неконтролируемых факторов навигационного обеспечения, является весьма актуальной задачей, как обеспечивающий получение экспертных оценок одной из определяющих характеристик эффективности ЛА рассматриваемого класса. 8

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является выполнение всестороннего анализа природы и характера неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета JIA, реализующих «метод Q-наведения», разработка методик анализа влияния этих факторов на точность движения и поиск путей уменьшения соответствующего влияния за счет использования принципов адаптации.

Методы исследования. В диссертации используются методы теории обыкновенных дифференциальных уравнений, линейной алгебры, теории матриц, математической статистики, а также теоретические основы динамик полета, аэродинамики и навигации JIA.

Научная новизна. В настоящей диссертации впервые осуществлен комплексный подход к решению задач анализа влияния неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета ЛА, реализующих «метод Q-наведения».Получены оригинальные методики исследования, оттестированные на примере анализа точности полета гипотетического ЛА. Рассмотрен достаточно широкий круг проблем уменьшения влияния неопределенности за счет применения принципа адаптации.

Практическая ценность. Практическое значение полученных результатов заключается в методическом и программном обеспечении экспертного анализа ожидаемых точностных характеристик ЛА, реализующих «метод Q-наведения» с учетом использования некоторых возможных путей уменьшения влияния априори неустранимой неопределенности в навигационном определении параметров их движения.

В работе автор защищает: 1) Разработанную полную математическую модель движения ЛА с применением «метода Q-наведения» и комплексную моделирующую программу для проведения численных исследований рассматриваемого процесса навигационного обеспечения полета; 9

2) Комплекс методик оценки влияния неконтролируемых факторов на точность движения JTA, реализующего «метод Q-наведения» (методики учета влияния неконтролируемых внешних факторов, в том числе ветрового воздействия);

3) Методический подход к решению краевой задачи определения требуемой скорости JIA на основе задач Эйлера-Ламберта при определении ошибок навигационного обеспечения «метода Q-наведения», гарантирующего повышение скорости сходимости итерационной процедуры;

4) Новый подход к решению задачи синтеза адаптивных систем стабилизации JIA, обеспечивающий повышение точности полета в условиях действия априори неустранимых неопределенностей в навигационном определении параметров движения;

5) Результаты численного моделирования решаемых задач.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием в работе строгих математических методов исследования и совпадением результатов численного моделирования с отдельными ранее полученными результатами других авторов.

Содержание работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, всего на 160 стр. Машинописного текста.

Первая глава посвящена общим вопросам анализа основных причин возникновения методических погрешностей при решении задач автономной навигации с акцентом на JIA , реализующие «метод Q- наведения». В ней приводится разработанная математическая модель движения J1A при управлении по «методу Q-наведения», а также рассматриваются вопросы создания программного обеспечения для исследования движения аппарата на активном участке траектории.

В второй главе излагаются результаты анализа возмущающих факторов, действующих на атмосферном участке полета, влияющих на методическую ошибку навигационного обеспечения систем, обеспечивающих управление J1A по «методу Q-наведения».

10

В третей главе приводится описания методики учета методических и инструментальных ошибок управления и определения их численных значений, а также характеристики рассеивания, вызываемого ими , для некоторого гипотетического типа JIA.

Четвертая глава посвящена обсуждению возможностей применения принципа адаптации для уменьшения влияния априори неустранимой неопределенности в действии внешних возмущающих факторов, а также методических и инструментальных ошибок управления на точность движения JIA.

В заключении подводятся итоги выполненного исследования и формулируются основные выводы.

В приложение приведены листинг некоторых моделирующих программ, а также исходные данные гипотетического JIA, на основе которых осуществлено тестирование разработанного программного продукта.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на XXII , XXIII и XXIV Гагаринских чтениях, на чтениях К.Э.Циолковского в 1998г. Они обсуждались на научных семинарах кафедры СМ-3 МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ [15-19]. В заключение автор считает необходимым выразить свою благодарность научному руководителю проф. Лысенко JI.H. за консультации и помощь , оказанные при выполнении и написании диссертации.

11

147 Заключение

В соответствии с поставленной целью исследования, в работе выполнен анализ характера неконтролируемых факторов навигационного обеспечения полета ЛА, реализующих «метод Q-наведения» и разработан комплекс методик анализа влияния этих факторов на точность движения, в том числе, и при использовании для уменьшения соответствующего влияния принципов адаптации.

Таким образом, работа в основном носит методический характер, подкрепленный разработанным программным продуктом, обеспечивающим проведение экспертного анализа ожидаемых точностных характеристик JIA, реализующих «метод Q-наведения».

Вместе с тем, в рамках проведенных диссертационных исследований получен ряд частных результатов, представляющих самостоятельный интерес : -разработана полная математическая модель движения JIA с применением «метод Q-наведения» при различных вариантах записи исходных уравнения относительно различных систем координат;

-проведен наиболее полный анализ комплекса действующих возмущающих и неконтролируемых факторов, испытываемых управляемым ЛА в полете, разработаны оригинальные методики их оценивания и сделаны выводы об их численных характеристиках;

-предложен новый методический подход к решению краевой задачи определения требуемой скорости ЛА на основе задачи Эйлера-Ламберта при определении ошибки навигационного обеспечения «метода Q-наведения», гарантирующий повышения скорости сходимости итерационной процедуры ; -показаны пути разделения инструментальных и методических ошибок, влияющих на точность движения ЛА с БИНС, реализующей «метод Q-наведения»;

-разработан неизвестной ранее алгоритм синтеза адаптивных систем стабилизации ЛА и оценки возможности их применения для повышения

148 точности полета в условиях априори неустранимых неопределенностей в навигационном определении параметров движения.

-результаты численного моделирования исследуемых процессов позволили оттестировать предложенные методики и доказать их работоспособность.

149

1.Александровский Н. М. , Егоров С . В. , Кузин Р . Е. Адаптивные системы автоматического управления сложными технологическими процессами. -М.: Энергия, 1973.-272с.

2. Астапов Ю. М. , Медведев В. С. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления. -М.: Наука, 1982.-304с.

3. Балабанов А. А. Исследование и методы проектирования гиперустойчивых адаптивных систем с моделью-эталоном: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Технический университет Молдовы.-Кишинев, 1995.-303с.

4. Беневольцкий С. В. Справочник по баллистике. М.: Машиностроение , 1996.-214с.

5. Борцов Ю. А. , Поляхов Н. Д. , Путов В. В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением.-М.: Энегоатомиздат., 1984.-215с.

6. Борцов Ю.А. Приложение непрерывных и дискретных стратегий теории минимальных затрат к наведению межпланетного аппарата// Ракетная Техника и Космонавтика. -1965.- № 5.- С.47-59.

7. Внешняя баллистика / А. А. Дмитриевский , Н. Н. Иванов, JI .Н . Лысенко и др. -М.: Машиностроение , 1991.-640 с.

8. Движение ракет / А. А. Дмитриевский , Н. Н. Иванов , Л. И. Лысенко , и др. -М.: Военное издательство, 1968.-464с.

9. Дмитриевский А. А. , Иванов Н. Н. , Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация ракет. -М.: Машиностроение , 1985.-413с.

10. Ю.Козлов В. И. Самонастраивающиеся системы с релейными элементами. -М.: Энергоиздат., 1974.-328с.

11. П.Лебедев А. А. , Грасюта Н. Ф. Баллистика Ракет . -М.: Машиностроение , 1970.-244с.150

12. Могилевский В.Д. Наведение баллистических летательных аппаратов.- М.: Машиностроение ,1976,- 208с.

13. З.Петров Б. Н., Современные методы проектирования систем автоматического управления. -М.: Машиностроение, 1967.-318с.

14. Попов В. М. Гиперустойчивость автоматических систем .-М.: Наука , 1970.-456с.

15. Рошаниян Дж. Применение метода формирующего фильтра для моделирования динамики управляемого движения в турбулентной атмосфере ракеты-носителя космического аппарата //XXIV Гагаринские чтения:Тез.докл.-М.,1998. -4.3. -С.84-85.

16. Рошаниян Дж. О моделировании влияния инструментальных ошибок навигационных систем ракеты-носителя на точность выведения космического аппарата//ХХУ Гагаринские чтения:Тез.докл. -М.,1999. -С.735-736.

17. Рошаниян Дж. Новый подход к синтезу систем стабилизации летательных аппаратов с моделью-эталоном на основе теории гиперустойчивости // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1998. - №.1. -С.88-98.

18. Рошаниян Дж. Инвариантность гиперустойчивых структур адаптивных систем управления ракет-носителей космических аппаратов с эталонной моделью в контуре управления//ХХШ Гагаринские чтения:Тез.докл. -М.,1997. -С.75-76.

19. Санковский Е. А. , Громыко В. Д. , Слукин Н. М. Вопросы построения оптимальных и самонастраивающихся систем управления. -Минск: МВЗРУ, 1971.-240 с.

20. Сихарулидзе Ю. Г. Баллистика летательных аппаратов. -М.: Наука ,1982.-352с.151

21. Соколов Н. И., Рутковский В. Ю., Судзиловский Н. Б. Адаптивные системы автоматического управления летательными аппаратами. -М.: Машиностроение, 1988.-207с.

22. Солодовников В. В. , Шрамко Л. С. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделами. -М.: Машиностроение, 1972.-267с.

23. Цыпкин Я. 3. Адаптация и обучение в автоматических системах. -М.: Наука, 1968.-320с.

24. Шалыгин А. С. , Палагин Ю. И. Прикладные методы статистического моделирования. -М.: Машиностроение , 1986.-433с.

25. Энеев Т. М. О применении градиентного метода в задачах теории оптимального управления // Космическое исследования.-1966.-T.XII, №5. -с.687-692.

26. Эскобал П . Методы определения орбит: Пер. с англ. М .: Мир , 1970.-478с.

27. Battin R. Н. Astrodynamics .- Massachusetts: Мс Graw- Hill Book Company , 1960.-775p.

28. Butchart R.T., Shackoth B. Synthesis of model reference adaptive control system by Liapunov's second methods // Proceeding of IF AC Symposium on Theory of Self-Adaptive control Systems.- London, 1965.-P.145-152.

29. Courtiol B. On a multidimentional system identification method // IEEE Trans, on automatic control .-1972.- V.AC-17, №3.-P.390-394.

30. Landau I.D.: Hyperstability criterion for model reference adaptive control systems //IEEE Trans, on Automatic control .-1969.- V. AC-14 , № 5.- P.552-555.

31. Landau I.D., Courtiol B. Adaptive model following systems for flight control and simulation.//10th AIAA Aerospace Sciences meeting.- San Diego , 1972.-P.72-95.

32. Whitaker H .P .An adaptive system for the control of the dynamic performance of aircraft and spacecraft//Report Institute of Aeronautical Sciences.- 1959.- № R-234.- P.75-86.153