автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Система стабилизации оптического изображения повышенной точности

На правах рукописи

,« /

- 1 Си+С .

ФИЛОНОВ-Максим Петрович

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 05.11.16 — Информационно измерительные и управляющие системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2003

Работа выполнена на кафедре "Приборы управления" в Тульском государственном университете.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Родионов Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кутепов Владимир Семенович кандидат технических наук, доцент Карйбанов Райисяав Михайлович

Ведущая организация: ОАО Арзамаское научно- производственное

предприятие «ТЕМП-АВИА»

Защита диссертации состоится "СМ/" С- 2003г. в 11/ на заседании диссертационного совета Д212.271.07 в Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, д. 92.

Ваши отзывы в одном экземпляре просьба высылать по указанному адресу. . ;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "

03" се

2003г.

Ученый секретарь

диссертационного совета -¿-¿¿¡*.—--Ф.А. Данилкин

IRT

Актуальность темы. Повышение точности и быстродействия оптических систем, устанавливаемых на подвижных объектах, приводит к необходимости применения систем стабилизации оптического изображения (ССОИ) линии визирования (ЛВ), обеспечивающих сохранение разрешающей способности оптики при различных режимах работы.

Изучению динамики и синтезу подобного рода' систем посвящено значительное количество работ. Однако, в известных публикациях при рассмотрении таких систем не учитывают динамику оптического элемента

* I *

(ОЭ), что является недопустимым в современных условиях при использовании ОЭ, момент инерции которого больше моментов инерции других подвижных частей системы. Высокие требования к качеству стабилизации оптического изображения, приводят к необходимости более точного математического описания ССОИ, анализу динамики и разработке способов повышения точности стабилизации ЛВ.

Целью работы является повышение точности ССОИ на основе разработки математической модели, учитывающей особенности динамики ОЭ, исследования ошибок в режимах стабилизации и управления и синтеза регуляторов.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на базе методов теории автоматического управления, теории дифференциальных уравнений, операционного исчисления, теории матриц, методов математического моделирования, численной оптимизации на ЭВМ и физического моделирования в лабораторных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• получена математическая модель двухосной ССОИ, построенной на трехстепенном гироскопе, учитывающая особенности динамики ОЭ;

• проведен анализ возмущающих моментов с учетом движения ОЭ;

j . ^ национальная!

I БИБЛИОТЕКА I

I С.Петербург !,, i

"З1 . • ' , '. . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• исследовано влияние динамики ОЭ на точность ССОИ;

/ \ '

• предложено корректирующее устройство смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные в

. ' ' ' *v 1 ' Í •

диссертации исследования и корректирующее устройство, позволяют создавать прецизионные системы стабилизации и управления оптическим изображением

и сократить сроки проектирования систем.

i

Полученная математическая модель, учитывающая динамику ОЭ, и результаты ее исследования, позволяют более обоснованно предъявлять требования к элементам ССОИ.

Практическое использование результатов диссертационной работы осуществлялось в ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических

Л ' '

конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, 2001г., 2002 г.), на Всероссийской молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2002 г.), а так же на научно — технической конференции,

проводимой в ФГУП «ГНПП «Сплав» (Тула, 2002г.)

.,1 ■ > " ■ >

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 8 печатных работ. , ,<■ .

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложения и списка литературы из 2 f~ наименований. Работа содержит страниц машинописного текста, 2 Ь рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи диссертации, дана краткая характеристикавыполненной работы.

В первом разделе рассматривается математическое описание ССОИ в углах рассогласования ЛВ от заданного положения с учетом кинематики и динамики ОЭ.

ССОИ решает задачу ориентации ЛВ относительно заданного направления в пространстве. При создании ССОИ, работающих в режимах стабилизации и управления, необходимо иметь математическую модель, обеспечивающую единый подход к анализу и синтезу ССОИ как в режиме стабилизации, так и в режиме управления. Этим требованиям отвечает математическая модель, использующая в качестве базовых переменных углы рассогласования ЛВ от задающей линии визирования (ЗЛВ).

I

| у' ^ I х

Рис. 1. Схема системы стабилизации оптического изображения

Принципиальная кинематическая схема двухосной ССОИ (рис. 1) состоит из зеркала 1, установленного на наружной рамке 2 карданова подвеса гиростабилизатора и связанного с его внутренней рамкой 3 кинематической передачей 4. Стабилизация ОЛВ осуществляется двигателями 6 по сигналам

гироскопа 5, а управление обеспечивается датчиками моментов гироскопа 7 по сигналам иупр-

Повышение требований к точности стабилизации и скоростям управления ЛВ приводам к необходимости разработки более полных математических моделей, которые учитывают не только дополнительные составляющие возмущающих моментов, вызванные качкой основания и вращением ЗЛВ, а также и динамику ОЭ.

Математическая модель ССОИ была получена при использовании изображенных на рис. 2 систем координат: связана, с целью; ОХоУ0г0-

связана с основанием; ОХ^^- связана с наружной рамкой; ОХ2У222- связана со стабилизируемой платформой; 0Х3У323 - связана. с наружной рамкой гироскопа; ОХлУ^ - связана с гироузлом;. <Ж5У525 - связана с оптическим элементом. , .

При этом были выбраны следующие углы поворота: фА, срв- углы пеленга

цели; <Рг,<Рг- углы пеленга ЛВ; а, Р - углы рассогласования между ЛВ и ЗЛВ;

(Ру - угол поворота ОХ^^, относительно ОХфУ^о; Фг - угол прворота

ОХ2У2г2 относительно ОХ^^,; (ргз- угол поворота относительно

ОХ]У]г1; 8 - угол поворота ОХ3У323 относительно ОХ^^г, т - угол поворота ОХ4У4г4 относительно ОХзУ^з.

В работе получены кинематические соотношения для определения углов пеленга ЗЛВ, ЛВ, ОЭ:

a simp*

Ч>\ =<Ра+-+ «—г^«

cos <рв cos q>a

Фг = Фв+Р< <Рп = í>z/2 + <V>

ШЛУ

Ра =-+ cos <pjgtp„ - й>ог - о>аг sm (pjg%;

costpa

Фв =<°Л1 -&oxsm<Pi-<°o¿ COS4>f 1

где >müY>maz - проекции векторов абсолютных угловых скоростей качки основания; (om,com - угловые скорости ЛВ.

Динамические уравнения рассматриваемой ССОИ с учетом динамики ОЭ имеют вид: ,

[./,., + Jri cos2 <p¿ + Jхг sin2 <рг + Jr¡ cos2 q>-a + JX5 sin2 <рю ](а + +<bm,)/cospz + 6,(0 + co^.)íoo5<pz - MJ)rí = 6,(<u0J. - ü>,sin<pz) + +MmiCOS(Pz +[Л| +Jxi + Jri eos2 <pZ3 +Jx¡sin2(pa +(J„-JX¡)> xsm<pucos<Pz3ctgq>¿)][-á>(sin^>z + (maxsin<pr + ojoz costp, --a>in ^n 'SPz /cos?)z ] - [Jxz +

+ (Л5 + Л5-Л5)/2]x

xa>(a>mcos<p7 + [Jrl~Jxl +(Jr5 - Jxí)sm2pn /sin \fo,,va>¡rl x xsinpz -[Jn - Jr{ ~JZ¡ -J75I2 + {JX5 - )eos2(p¿J/2]co( x sin^ +<¡}Q/ cos<pr)cos<pz +[Jr5-Jxs]¡oJ!y(a>úxsm<pr + +o02 cos(»r)sm2p7( !Acos(p-a + [Jxssin2 tpm + JY5 eos2<pa + +0,5(7f j - Jxí)ún2ipatg<pz JíBjÁj cos<p¡, + Afn; [У22 + Ju /4](Д + Й>ж ) + [¿,2 + ¿>„ /4](¿ + вл) - Мжг/2 = [ij + +623 /4](ш0Д. sin+ a)oz cos^>r) + [JX2 - JY1 - JYi](o}( + <om x

)®ж - •Wjwj --^(«W sin^r + fl>oz cos?),. + 2Д5 + o>t(oim --0.5a{sin2<pz -a)or cospz))/4 + [JXS - Jr}](Ü,5<огт(sm2Д5 + +cos2A3/gp¿) + Jn cos2A5 + 0,5®|(smpz cos2As --cosí?7 sin2As)) + 6j,A5/2 + A/T2,

JH(á + áln +á) + H(t + com + bsá = M!m -H[eo. + (a>m + ,+á)íg^](a + cr)-ycíU^[eJí + (®лг +

Л(? + + ¡3)-H(ó + +á) + btT = Mтг -Я[й)4 + + +á)tg<Pe ]{fi + г) - Jd(úm [o>f + (оут + á)tg<pB ] + Л/й4, Тдс\мла + Mjri =-Кдат'>

тжгМж-1+Мдc1=-Xjl~,S> (J)

где - главные центральные моменты инерции элементов

относительно осей Х,У,2 (¡=1- для наружной рамки, ¡=2- для платформы, ¡=5-для зеркала); моменты инерции гироскопа; Ь,, Ь2, Ь3, Ь4-

коэффициенты демпфирования в ' осях платформы и гироскопа; Мдс\>МДС2.МшиМтг- моменты двигателей стабилизации и датчиков момента;

К;1СЛ, кДС1 - коэффициенты передачи контуров стабилизации, включающие в себя коэффициенты передачи датчиков угла прецессии гироскопа, усилителей и двигателей стабилизации; ТДС\-Тдс2~ постоянные времени двигателей стабилизации.

Во второй главе проводится исследование углов пеленга Фу, Фг, Фгз областей устойчивости и анализ возмущающих моментов, действующих по осям ССОИ от качки основания и угловых скоростей (ЗЛВ).

Результаты численного моделирования кинематики ССОИ приведены на

рис. 3, где показана дополнительная кинематическая составляющая ^¿з ■

Ч

* 10 15 ( с 30

а) б)

Рис. 3 Графики углов пеленга в режиме стабилизации.

Для оценки параметров двухосной ССОИ проведено исследование её устойчивости с учетом особенностей движения ОЭ и перекрестных связей в осях гироскопа. В матричной форме уравнения свободного движения ССОИ имеют вид:

**л

Мт

0 0 0 1 0

0 0 0 0

0 0 0 0 кг Т*2

Мя

"л " -.

Для уравнения (2) коэффициенты характеристического полинома а, (¡=0...7) замкнутой системы можно представить как элементы вектора.

<1е1(аЁ-А) =

Л»«»2*!

710"4 2727

9091818 5710'3 57103 МИ 5455 8

* ----- К2+-— -СФК]

,сов за

)п Тк

»»■Ие® т*?.* '»те*

ЗЛО3 1»10*

тЛч

П1 1710 3 1<Г 01

V» * )|»Л| ' '

_ 1818363 2727 19 2727

it.Tlfc.Jti' Т^к ^ 2+ )п

6 Ю-3 1 38 9 «в* 37ЦГ2 „,„.5.710' -+ — »-* — + —,—. + — + 909ltl.fr —

лп-Тлс Т4с1 т* доь Ыя Л1 ь

2 | 3/10 зло'

»' 1п ' V

19

Области устойчивости для различных моментов инерции ОЭ, были построены с использованием критерия Гурвица и приведены на рис.4. Исследования проаодились при следующих параметрах: моменты инерции: наружной рамки - =1,7-10^кгм2; Jy¡ = 1.5- 10*3/сглг; =0,5-10~3кгл<2; платформы - 3Х1 = 2,8-10"3ясг.мг; /п =4,8-1

- 3,2 ■ 10"3 кг м2; зеркала

Jxs = 3 • 10"3кгл12; J¡,}=].3■ 10 Зкг мг;

=1,5 -10~3 кг лг; гироскопа: ./„=2.210 кг-м2; Ув=2 Юкг-м2;

Я =2 10~2 кг-м2/с; Ь=Ь^З\0'3 Н-м-с; 63=64=210"4Я-л<-с; двигатель стабилизации: ^да = ^лег = ^пс = 0,001с.

а)......" б)

Рис. 4. Области устойчивости в пространстве параметров:

Ю ^ДГ , > 2 > б) , ЛГдс! , К2 .

Из рис. 4 видно, что изменение момента инерции ОЭ Зг от 0,01 кг-м1 до 0,15 кг-м1 приводит к увеличению КДС1,КДС1 в 2 раза, а увеличение Тдс от

Г I

0,0005 с до 0,005 с - к уменьшению К С1 и КДС1 от до 0,1 .

рад рад

При проектировании ССОИ требуется достоверная оценка уровня и характера возмущений. В работе с учетом динамики ОЭ получены выражения для возмущающих моментов действующих на ССОИ от качки основания и угловых скоростей ЗЛВ. Выражения для этих возмущающих моментов ССОИ по каналу азимута можно представить в виде:

Мш = й,(<% -а>; бш^) + [./п +JX2 + Jt¡СО&1 <ра + Jxi%m1q>lí +(УГ5 -Jxi)sm<|>zl х хсоыр13^<р2)][-а>($т<р2 + {соах вт^ + а>а1 соь<рг -(ол?)сот^(р-, /со5^]-[Уд1 + +Jrl ^'¿1

/51п]хю1Пхолг$\гмрг -Jn --11\ -У75/2 + (УЖ5 -УГ5)со82^3/2]ш((аох х

хзшзд, +а>ог сов^», )<ХЯф:,\

М13=[-1п~-1х$]еол*(а>о\ ятр, + а>0/ СОБ<р,.) эт / 4 «« ^;

Mn = А/°1 Sign(CQJlf / COS i>8 - (O0y + fU, sin <pB ); um\ = cos<p„.

По каналу высоты:

M2 = М2П +МП + МТП2 + МП1 ~ Мдм2 '

Мгл =[Л2 -Jti -^¡(»j+vrnK + +

+Aj/4](o0f sinp, + й)0/ cosp,.),

A/j, =-J/s(<u„A sinp, +a)0? cospr ■KUi(a>m -0.5^sin-й>огcos^iz))/4 + - ^

-Уг5 ](0,5й)д,. (sin 2Д5 + cos2As^ipz) + cos2A5 + 0,5^(5 in cos2A5 - со%(рг sin2As)), Мтпг = M^signitaj,, - coox s,m<pA -<yozcos(Bj;

Af„2 = M^2sign{mm -fflOT sin^ -cos?),);

Мди=На>Л1-

где Л/|3,Л/„,Л/1Л,Л/2/7, - возмущающие моменты вызывные динамикой зеркала и платформы, М17,М2Т - моменты сил сухого трения,-действующие по осям стабилизации.

Методами численного моделирования были получены графики возмущающих моментов, представленные на рис. 6.

а) б)

Рис. 5. Графики возмущающих моментов: а) по азимутальной оси; б) по оси высоты

На рис. 5 приведены суммарные возмущающие моменты системы (тонкая линия) и дополнительные возмущающие моменты, вызванные динамикой ОЭ (толстая линия).

Анализ графиков показывает, что по азимутальному каналу дополнительное влияние зеркала невелико, а по каналу высоты возмущающий момент, вызванный динамикой зеркала является определяющим моментом. Учет движения ОЭ в динамике системы, приводит к изменению частотного спектра возмущающего оммента. Спектральные плотности возмуЩающих моментов по каналу высоты приведены на рис. 6.

0025 ООН 002

0015 0015

001 001

0005 \ i Л, , 0005

5 W 15 20 25 ,СЭ0 5 10 15 20 25 t.c30

а) б)

Рис. 6 Графики спектральной плотности возмущающего момента по каналу высоты: а) без учета динамики ОЭ; б) с учетом динамики ОЭ

Анализ графиков показывает, что учет динамики ОЭ приводит к расширению частотного спектра возмущающего момента, что необходимо учитывать при синтезе корректирующих звеньев.

В третьем разделе проведен анализ динамических ошибок ССОИ при различных типах коррекции и предложен вариант коррекции смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев, уменьшающий динамические ошибки обусловленные сухим трением. Структурная схема ССОИ изображена на рис. 7, где р - оператор Лапласа.

4>в

4>в

Нелинейная кдомция

Сувое 1ремм

М1

Двигатель

—Г^-1

IV'

сг

Двигатель

М,

соаСФн) +1

г-п

СОв(фд^

Платформа

Рис. 7. Структурная схема ССОИ

Результаты моделирования динамических ошибок при ступенчатом единичном воздействии представлены в виде гистограмм, для трех вариантов линейной коррекции (рис. 8).

рад 0,0002 0,00015 0,0001 0,00005 О

-0,00005

\

1 2 3

Вариант коррекции

а)

Рис. 8. Гистограммы ошибок установившихся ошибок (а) и времени переходного процесса (б) ССОИ по каналу высоты |-без учета сил сухого трения,С- с учетом сил сухого трения

Первый вариант коррекции предполагает введение последовательной

„,„ 0.015р+1

коррекции вида: для канала азимута И', =250-——; для канала высоты

0.0029р+1

ШЫЮО 0 установившаяся ошибка при этом составляет 0,00015 рад

2 0.0034р+1 * Р

без сухого трения и 0,00018 рад с сухим трением. Время переходного процесса

составляет соответственно 0,08 с и 0,04 с."

Второй вариант коррекции предполагает использование ПИД регулятора.

Оптимальные параметра ПИД регулятора получены численными методами

оптимизации в среде МАТЪАВ - 6. Для канала азимута Кп=500, Ки=4000,

Кд=2,5; для канала высоты Кп=120, Ки=3000, Кд=0,6. Этот вариант коррекции

сводит к нулю установившуюся ошибку и обеспечивает время переходного

процесса 0,2 0,3 с.

Третий вариант коррекции основан на методе модального управления.

Принцип этой коррекции заключается в обеспечении заданного распределения

корней характеристического уравнения системы. Синтез параметров

корректирующего устройства позволяет получить оптимальное расположение

этих корней. В работе были получены передаточные функций регуляторов при

условии, что в каждом канале ССОИ имеются две измеряемые переменные и

система должна быть астатической. Для канала азимута

_2-351°7г , + для канала высоты:

' 4.4- 10А р3+6.81-105 р 1 4.4 ■ 10* р +6.81-10>р

1Г'=__, у,_1.9-10Гр'+26.1&'р+1.4-10"т Установившаяся

' 1.3-/0У+ 2.б-/0> г 1.3 /0У + 2.6-^/7

ошибка при этом составляет 0,00001 рад (без сухого трения) и 0,00002 рад (с

сухим трением). Время переходного процесса равно 0,05 ^ 0,03 с.

Динамические ошибки ССОИ при действии возмущающего момента,

определяемого оп формулам (3), приведены на рис. 9.

15

2.50Е-04 раО

2А0Е-114 1.50Е-04 1.00Е-04 5ДОЕ-05 0.00Е*00

1 2 3

Варианпкоррфкции ;

? Ч * '

Рис. 9. Гистограммы ошибок ССОИ по каналу высоты (-без учета сухого трения, □- с учетом сухого трения: При первом варианте коррекции ошибка системы составила с учетом сил сухого трения составила 0,00022 рад, при втором варианте - 0,00022 рад, при третьем варианте - 0,00003 радТ • '

Анализ результатов исследования показывает, что линейные методы коррекции не обеспечивает точности, необходимой для стабилизации оптического изображения в современных приборах наблюдения с большой кратностью увеличения, установленных на подвижном основании. Для повышения точности стабилизации предлагается использовать смешанный тип коррекции на базе нелинейного корректирующего устройства, устраняющего негативное влияние сил сухого трения, и линейную, делающую систему оптимальной по времени переходного процесса и ошибкам стабилизации.

Структурная схема нелинейной части смешанной коррекции приведена на рис. 10.

а) ' б)

Рис. 10. Структурная схема нелинейной части коррекции: а) для канала азимута; б) для канала высоты

т

Принцип работы коррекции заключается в следующем. Для компенсации влияния сил сухого трения необходимо на двигатели стабилизации подавать сигналы равные по величине Мп,МТ2 и противоположные по знаку. При этом компенсирующий момент вычисляется по следующим формулам:

мнка = мг,Фусох(рй)); Мнкр = Мто^п(ф2-т).

Особенностью данного рода коррекции является сложность реализации ее в аналоговом ввде и требует применения микропроцессорной техники.

Результаты численного моделирования > ССОИ с корректирующим

устройством смешанного типа приведены на рис. 11.

1,20В04 .......

*«иЮБ* - 1---

8.00&05--1- -Г~~1--

600&05--- -

4,00&05----— ----

200&05---- --------——--

0,00В00 II | II I II

1 2 3

Вариангтинейной коррекции

Рис.11. Гистограммы ошибок ССОИ при смешанной коррекции

Эффект, оказываемый на систему от применения нелинейной коррекции, при любой линейной коррекции приводит к уменьшению ошибки стабилизации в 2 - 2,5 раза.

В четвертом разделе описывается техническая реализация результатов теоретических исследований на макете ССОИ, состоящим из блока стабилизации оптического луча и пульта. Пульт управления включает в себя следующие-основные узлы: источники стабилизированного напряжения ±15 В;' ±27 В; статический преобразователь трехфазного напряжения 36 В, 400 Гц для питания гиромотора; генератор синусоидального напряжения 12В, 10 кГц для питания индукционных датчиков углов гироскопа; фазовые детекторы, преобразующие модулированный сигнал с датчиков углов гироскопа в сигнал

Г"!

1 2 3

постоянного тока; усилители мощности двигателей стабилизации; усилители мощности датчиков момента гироскопа.

Пульт управления включает в себя корректирующие устройства, реализующие передаточные функции регуляторов, построенные на средствах аналоговой микроэлектроники.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая . модель системы стабилизации

' ■ 1 » '

оптического изображения, учитывающая движение оптического элемента.

2. Исследовано влияние динамики оптического элемента на возмущающие моменты, действующие по осям стабилизации.

3. Определены области устойчивости для двухосной системы стабилизации с учетом динамики оптического элемента.

4. Исследованы динамические ошибки системы стабилизации при различных видах коррекции с учетом движения оптического элемента.

' 5. Предложен вариант смешанной коррекции, повышающей точность системы.

6. Прикладные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО Арзамаское научно - производственное предприятие «ТЕМП-АВИА».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Филонов М.П., Родионов В.И., Аджиев Д.С. Математическое описание системы стабилизации изображения оптических приборов с учетом динамики зеркала Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального -машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 5 (2) С. 69-72.

2. Филонов М.П., Родионов В.И. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования Известия ТулГУ. Серия

«Проблемы Специального - машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 4. 4.2. С. 197-200. . '

Филонов' М.П., Родионов В.И., Хвалина Е.А. Гироскопические системы стабилизации и управления линией визирования оптических приборов //Датчику и системы № 5,2001,- С.5-6. Филонов М.П. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования //XXVII Гагаринские чтении. - МАТИ: Российский государственный технологический университет им, Циолковского, 2002.- С.34-35. ■

Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А. Измерители угловых скоростей линии 'визирования оптических приборов //Датчики и системы № 8,2002-- С.11-13.

Филонов М.П., Родионов В.И. Гироприводы оптической динии визирования. Известия ТулГУ. Серия «Проблемы управления электротехническими объектами». - Тула, 2002. - Вып. 2. С. 134-135. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А., Хвалина Е.А. Динамика системы стабилизации и наведения линии визирования при учете кинематики оптического элемента. Известия ТулГУ. Серия «Машиностроение». - Тула, 2002. - Вып. 7 С. 84-90. Филонов М.П. Влияние квантования на качество переходного процесса в системах стабилизации и управления. // XXIX Гагаринские чтении. - МАТИ: Российский государственный технологический университет им. Циолковского, 2003. - С.41-42. . ,

Подписано в печать Л. е."*Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типографская №2 Офсетная печать Усл.печ.л. /, /. Усл.кр-отт. ^ / .Уч.издл. ^ Тираж -УС экз. Заказ ,.

Тульский государственный университет. 300600, г.Тула, пр. Ленина, 92. Редакционно - издательский центр Тульского государственного университета. 300600, г Тула, ул Болдина, 151

P111 4 б

ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО 8 ИЗОБРЖЕНИЯ

1.1. Принципиальная схема ССОИ

1.2. Кинематические зависимости карданова подвеса

1.3. Уравнения движения двухосной ССОИ 15 Выводы к главе

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКЙ МОДЕЛИ 22 СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

2.1. Исследование кинематики ССОИ

2.2. Определение областей устойчивости движения

2.3. Анализ возмущающих моментов, действующих по осям 32 карданова подвеса

Выводы к главе

3. ВАРИАНТЫ СИНТЕЗА КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ 48 И ИССЛЕДОВАНИЕ ОШИБОК СТАБИЛИЗАЦИИ

3.1. Синтез последовательного корректирующего устройства

3.2. Синтез ПИД - регулятора в контуре стабилизации ССОИ

3.3. Синтез регулятора методом модального управления

3.4. Сравнение различных вариантов корректирующих звеньев

3.5. Синтез корректирующего устройства смешанного типа 83 Выводы к главе

4. ИСПЫТАНИЯ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ССОИ

4.1. Макетный образец системы стабилизации оптического 89 изображения

4.2. Результаты экспериментальных исследований

Выводы к главе

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 [2,9,10,23].

Повышение точности и быстродействия оптических систем, устанавливаемых на подвижных объектах, приводит к необходимости применения систем стабилизации оптического изображения (ССОИ), обеспечивающих работу оптических элементов в режимах стабилизации и управления [31,32,35,36].

В совокупности требования к точности стабилизации и диапазону скоростей управления линии визирования носят противоречивый характер и отражают принципиальное отличие ССОИ от стабилизаторов плоскости или заданного направления. Например, по сравнению с авиационными гировертикалями, имеющими точность порядка нескольких угловых минут [43,50], ССОИ, установленные на тех же летательных аппаратах, должны обеспечивать стабилизацию линии визирования (JIB) с точностью до нескольких угловых секунд и при этом обеспечивать управления линией визирования с большими скоростями [68,70].

Изучению динамики и синтезу подобного рода систем посвящено значительное количество работ [5, 13, 20, 31, 34, 50, 57, 73]. Однако, в известных публикациях при рассмотрении таких систем динамика оптического элемента отдельно не учитывается, что является недопустимым в современных условиях при использовании оптического элемента, момент инерции которого больше моментов инерции других подвижных частей системы: Высокие требования к качеству стабилизации оптического изображения, приводят к необходимости более точного математического описания ССОИ, анализу динамики и разработке способов повышения точности стабилизации JIB.

Обеспечить высокую скорость управления позволяет ССОИ индикаторного типа, построенная на трехстепенном астатическом гироскопе, поскольку в ней отсутствуют гироскопические моменты, действующие на платформу и препятствующие 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 точности контуров стабилизации.

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

Таким образом, создание математической модели, учитывающей динамику оптического элемента, её исследование и разработка на их основе ССОИ, способной обеспечить высокую точность стабилизации при высоких скоростях управления является актуальной научной задачей, которая в целом пока еще не решена.

Целью работы является повышение точности ССОИ на основе разработки математической модели, учитывающей особенности динамики оптического элемента, исследования ошибок в режимах стабилизации и управления и синтеза регуляторов.

Объектом исследования является двухосная индикаторная ССОИ устанавливаемая на подвижных объектах, построенная на трехстепенном гироскопе и предназначенная для стабилизации оптического изображения и управления положением оптического луча.

Теоретические исследования проводились на базе методов теории автоматического управления, теории дифференциальных уравнений, операционного исчисления, теории матриц, методов математического моделирования, численной оптимизации на ЭВМ и физического моделирования в лабораторных условиях.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные в диссертации исследования и корректирующее устройство, позволяют создавать прецизионные системы стабилизации и управления оптическим изображением и сократить сроки проектирования систем. А

Полученная математическая модель, учитывающая динамику оптического элемента, и результаты ее исследования, позволяют более обоснованно предъявлять требования к элементам ССОИ.

Практическое использование результатов диссертационной работы осуществлялось в ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».

В первом разделе рассматривается математическое описание ССОИ, построенной на трехстепенном гироскопе в углах рассогласования JIB от заданного положения с учетом кинематики и динамики оптического элемента. Разработаны динамические уравнения для ошибок двухосной ССОИ на трехстепенном гироскопе с учетом динамики оптического элемента. Моменты, вызванные динамикой оптического элемента, приведены к осям карданова подвеса платформы.

Во втором разделе проведено исследование кинематики ССОИ. Получены области устойчивости ССОИ для различных параметров оптического элемента с учетом перекрестных связей в осях гироскопа и постоянной времени двигателей стабилизации. Исследованы возмущающие момента, действующие по осям ССОИ в различных режимах работы. Определены спектральные плотности возмущающих моментов.

В третьем разделе проведены исследования для собственного ч вынужденного движения ССОИ при различных вариантах синтезированной коррекции. Дана сравнительная характеристика различных корректирующих устройств в составе ССОИ при воздействии возмущающих моментов. Предложено корректирующее устройство смешанного типа, на базе нелинейного и линейного корректирующих звеньев.

В четвертом разделе описывается техническая реализация результатов теоретических исследований на макете ССОИ, состоящим из блока стабилизации оптического изображения, 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 акт внедрения результатов диссертационной работы, программа и схемы численного моделирования ССОИ на ЭВМ.

1. СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Система стабилизации оптического изображения решает задачи ориентации оптической линии визирования (ОЛВ) относительно заданного направления и слежения за наблюдаемым объектом в пространстве [11,24]. Принципиальная схема ССОИ изображена на рисунке 1.1.

Достоинство трехстепенных гироскопов состоит в сохранении неизменным направления оси собственного вращения ротора в инерциальном пространстве при отсутствии внешних возмущающих моментов. Возмущающие моменты, действующие по осям карданова подвеса ССОИ, компенсируются двигателями стабилизации [49,59].

В конструктивном исполнении ССОИ используется для стабилизации оптического изображения, с помощью оптического элемента (зеркала), установленного в подшипниках на наружной рамке карданова подвеса ССОИ и соединенного с его внутренней рамкой ленточной связью со шкивами. Двухосная ССОИ предназначена для компенсации качки основания и

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

1. С учетом инерционности двигателя стабилизации и динамических свойств гироскопа проведен синтез контура стабилизации, обеспечивающий эффективное подавление возмущающих моментов от качки основания и точное воспроизведение управляющего сигнала. Реализация полученных законов управления в макетном образце позволила снизить степень колебательности и увеличить коэффициенты передачи контуров стабилизации и управления.

2. 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 0.3 -10'3 рад. Р

98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрена двухосная система стабилизации оптического изображения с оптическим элементом, расположенным на наружной рамке карданова подвеса, проведен анализ возмущающих моментов, действующих по осям, с учетом движения оптического элемента, исследовано влияние динамики оптического элемента на точность системы стабилизации оптического изображения, предложено корректирующее устройство смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев.

При исследовании получены следующие теоретические и практические результаты:

4. Разработаны динамические уравнения для ошибок двухосной системы стабилизации оптического изображения на трехстепенном гироскопе с учетом динамики оптического элемента.

5. Получены кинематические уравнения для углов пеленга двухосной системы с оптическим элементом, расположенным на наружной рамке карданова подвеса.

6. Проведен анализ кинематики двухосной системы стабилизации оптического изображения.

7. Определены области устойчивости системы стабилизации оптического изображения с учетом оптического элемента.

8. Исследованы возмущающие моменты, действующие по осям карданова подвеса с учетом движения оптического элемента.

9. Получены спектральные плотности возмущающих моментов, действующих по осям карданова подвеса системы стабилизации оптического изображения с учетом динамики оптического элемента.

10.Проведено исследование собственного и вынужденного движения системы и дана сравнительная характеристика корректирующих устройств для различных вариантов коррекции.

11. Предложено корректирующее устройство смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев, позволяющие повысить точность стабилизации до 0,00001 рад (20 угл.с).

12.С учетом инерционности двигателя стабилизации и динамических свойств гироскопа проведен синтез контура стабилизации, обеспечивающий эффективное подавление возмущающих моментов от качки основания и воспроизведение управляющего сигнала. Реализация полученных законов управления в макетном образце позволила снизить степень колебательности и увеличить коэффициенты передачи контуров стабилизации и управления.

13. Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические выводы о возможности создания системы стабилизации оптического изображения на трехстепенном гироскопе с погрешностью стабилизации оптического изображения, оцениваемой по СКО, порядка

0.3-10 'рад.

100

1. Абдуллаев Н.Д., Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.-240 с.

2. Автоматическая стабилизация оптического изображения/Д.Н. Еськов, Ю.П. Ларионов, В.А. Новиков и др.-Л.: Машиностроение, 1998.240 с.

3. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем/С.М.

4. Зельдович, М.И. Малтинский, О.М. Окон и др.-Л.: Судостроение, 1976.255 с.

5. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем.-М.: Машиностроение, 1986.- 272 с.

6. Александров А.Д. Индикаторные гироскопические платформы.-М.:

7. Машиностроение, 1979.- 375 с.

8. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 295 с.

9. Астапов Ю. М. Медведев B.C. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления.- М.: Наука, 1982.-304с.

10. Ахметжанов А.А., Кочемасов А.В. Следящие системы и регуляторы.-М.:

11. Энергоатомиздат, 1986.-288с.

12. Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилизация оптическихприборов.-Л.: Машиностроение, 1984.-232 с.

13. Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов.-Л.: Машиностроение, 1975.-192 с.

14. Бабичев В.И. Области применения и особенности бортовых гироприборов управляемых ЛА ракетно-артиллерийских комплексов // Оборонная техника,- 1994.-N 5-6.- С.5.

15. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский М.Г. Управление электроприводами.-Л.: Энергоиздат, 1982.-392 с.

16. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации.-Л.: Судостроение, 1968.-351 с.

17. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики.-Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1980, 389 с.

18. Гайдук А. Р. Алгебраические методы анализа и синтеза систем автоматического управления.- Ростов: Изд-во Ростовского ун-та, 1988.208 с.

19. Гайдук А. Р. Аналитический синтез инвариантных автоматических систем при одномерном объекте управления // Автоматика и телемеханика.- 1981.- №5.- С.5.

20. Гайдук А.Р. Аналитический синтез автоматических систем с управлением по состоянию и воздействиям // Изв. ВУЗов. Электромеханика.- 1982.- № 5.-С. 555.

21. Гайдук А.Р. Синтез систем автоматического управления по передаточным функциям // Изв. ВУЗов. Автоматика и телемеханика.-1980. -N 1.-С.11.

22. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.- М.: Наука, 1967.- 576 с.

23. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. 4.2. Гироскопические стабилизаторы / Под ред. Д. С. Пельпора.М.: Высшая школа, 1977.- 223 с.

24. Горовиц А. Синтез систем с обратной связью/ Под ред. М.В.Меерова.-М.: Сов. радио, 1970.-600 с.

25. Даффин Р.,Питерсон Э. Геометрическое программирование.- М.:Мир, 1972.- 311 с.

26. Диткин В.А.,Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению.- М.: Высшая школа, 1965.- 467 с.

27. Еськов Д.Н.,Степин Ю.А.,Горопин В.А. Методы и средства стабилизации оптического изображения // Оптико-механическая промышленность.-1982.-N 1.-С.25—30.

28. Заде Л.Дезоер Ч. Теория линейных систем.-М.:Наука, 1970.-703с.

29. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики.- Л.: Энергоатомиздат, 1984.-432 с.

30. Зотов М. Г. Аналитическое конструирование стационарных управляющих устройств.- М.: Энергоатомиздат, 1987.-136 с.

31. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация.М.: Наука, 1976.-671 с.

32. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем.-М.: Мир, 1971.-208 с.

33. Карманов В.Г. Математическое программирование.- М.: Наука,1975.

34. Карпов В. К. Принципы построения и оптимальный синтез гироскопических систем, работающих в совмещенных режимах // Изв. ВУЗов. Приборостроение.-1990.- № 1. С. 54—

35. Карпов В.К.,Родионов В.И., Болоболкин А.В., Рыбаков С.В. Проектирование гироскопических приборов и систем.-Тула, ТулПИ, 1998.-85с.

36. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров/Под ред. Арамановича.-М.: Наука, 1984.-831 с.

37. Корякин О.Г. Динамика индикаторных гиростабилизаторов телевизионных приемников излучения // Оборонная техника.- 1994.-N 5-6.С.61.

38. Корякин О.Г.,Рогов С.В. Особенности конструкций управляемых гироприводов // Оборонная техника.- 1994.- № 5-6.- С. 17.

39. Корякин О.Г., Родионов В.И. Системы стабилизации и управления информационно-поисковых приборов и комплексов // Оборонная техника.- 1995.- № 6.-С.53—.

40. Красовский А.А.,Поспелов Г.И. Основы автоматики и технической кибернетики.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.-600 с.

41. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устроЙства.М.: Машиностроение, 1977.- 184 с.

42. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов.-М:

43. Высшая школа, 1976.-304 с.

44. Ланкастер П. Теория матриц.-М.: Наука, 1982.-269 с.

45. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация / Под ред.

46. И-Н. Теплюка. М.: Мир, 1982. - 591 с.

47. Лившиц Н. А., Пугачев В. Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. 4.2. Нелинейные системы, системы дискретного действия.-М.: Сов. радио, 1963.- 483 с.

48. ЛунцЯ.Л. Ошибки гироскопических приборов.-Л.: Судостроение, 1968.232 с.

49. Мееров М. В. Исследование и оптимизация многосвязных систем управления.- М.: Наука, 1986.-236 с.

50. Методы теории чувствительности в автоматическом регулировании и управлении / Под ред. Розенвассера и P.M. Юсупова.-Л.: Энергия, 1971.341 с.

51. Назаров Б.И. Хлебников Г.А. Гиростабилизаторы ракет.-М.: Воениздат, 1975.-215 с.

52. Неусыпин А. К. Гироскопические приводы. —М. : Машиностроение, 1978.- 191 с.

53. Одинцов А. А. Теория и расчет гироскопических приборов.- Киев: Высшая школа, 1985.-392 с.

54. Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации: Справ, пособие.-М.: Машиностроение, 1982.-165 с.

55. Пельпор Д. С., Колосов Ю. А., Рахтеенко Е. Р. Расчёт и проектирование гироскопических стабилизаторов.-М.: Машиностроение, 1972.-325 с.

56. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления М.: Наука, 1986.-615 с.

57. Петров Б.Н. Принцип инвариантности и условия его применения при расчете линейных и нелиейных систем // Тр./ первый международный конгресс ИФАК.-М.: Изд-во АН СССР,1961,Т.1.-С.259.

58. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления М.: Наука, 1989 - 304 с.

59. Попов Е.П. • Теория нелинейных систем автоматического управления и регулирования.- М.: Наука, 1979.- 256 с.

60. Поцелуев А. В. Статистический анализ и синтез сложных динамических систем,- М.: Машиностроение, 1987.- 208 с.

61. Проектирование и расчет динамических систем / Под ред. В. А.Климова.-Л.: Машиностроение, 1974.- 360 с.

62. Проектирование гироскопических систем ч,2./ Под ред. Д. С.Пельпора.-М.: Высшая школа, 1977.- 222 с.

63. Ракитский Ю. В., Устинов С.М., Черноруцкий М.Г. Численные методы решения жестких систем.-М.: Наука, 1979.-208 с.

64. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А.И. Гироскопические системы.-М.: Машиностроение, 1983.- 319с.

65. Ривкин С. С. Статистический синтез гироскопических устройств.Л.: Судостроение, 1970.- 424 с.

66. Ривкин С. С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании,- М.: Наука, 1978,- 320 с.

67. Родионов В. И. Геометрия и кинематика совмещенных систем стабилизации и управления // Оборонная техника.-1993.-N 3.- С.22—.

68. Родионов В.И. Управление гиростабилизатором, инвариантным к внешним воздействиям // Гравиинерциальные приборы и измерения.-Тула: Тул. политех. ин-т.-1980.-С.22—.

69. Родионов В.И., Смирнов В.А. Динамика индикаторных гиростабилизаторов прицельных устройств // Оборонная техника,-1999.-N3-4.-C.13.

70. Родионов В.И., Смирнов В.А. Математические модели двухосных управляемых гиростабилизаторов // ТулГУ.-Тула, 1998.-44 с. Деп в ВИНИТИ 19.08.98, № 2600-В 98.

71. Ройтенберг Я. Н. Гироскопы.- М.: Наука 1975. —592с.

72. Свешников А.А., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов.-М.: Наука, 1974.-536 с.

73. Следящие приводы т.1/ Под ред. Б.К. Чемоданова.-М.: Энергия, 1976.480 с.

74. Смирнов В. А. Алгебраический синтез многомерных управляющих устройств гиростабилизаторов // Юбилейная научно-техническая конференция "Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации.-М.компьютерные системы и сети МГТУ.-1998.-С.98—.

75. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского.- М.: Наука, 1987.-712 с.

76. Табак , Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование.- М.: Наука, 1975.- 280 с.

77. Томович Р, Вукобратович М. Общая теория чувствительности/ Под ред. ЦыпкинаЯ.З.-М.: Сов.радио, 1972.-239 с.

78. Фабрикант Е.А., Журавлев П.Д. Динамика следящего привода гироскопических стабилизаторов.-М.Машиностроение, 1984.-264 с.

79. Филонов М.П., Родионов В.И., Аджиев Д.С. Математическое описание системы стабилизации изображения оптических приборов с учетом динамики зеркала Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального -машиностроения». Тула, 2001. - Вып. 5 (2) С. 69-72.

80. Филонов М.П., Родионов В.И. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 4. 4.2. С. 197-200.

81. Филонов М.П., Родионов В.И., Хвалина Е.А. Гироскопические системы стабилизации и управления линией визирования оптических приборов //Датчики и системы № 5, 2001.- С.5-6.

82. Филонов М.П. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования //XXVII Гагаринские чтении. МАТИ: Российский государственный технологический университет им. Циолковского, 2002.-С.34-35.

83. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А, Измерители угловых скоростей линии визирования оптических приборов //Датчики и системы № 8, 2002.- С. 11-13.

84. Филонов М.П., Родионов В.И. Гироприводы оптической линии визирования. Известия ТулГУ. Серия «Проблемы управления электротехническими объектами». Тула, 2002. - Вып. 2. С. 134-135.

85. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А., Хвалина Е.А. Динамика системы стабилизации и наведения линии визирования при учете кинематики оптического элемента. Известия ТулГУ. Серия «Машиностроение». Тула, 2002. - Вып. 7 С. 84-90.

86. Филонов М.П. Влияние квантования на качество переходного процесса в системах стабилизации и управления. // XXIX Гагаринские чтении. МАТИ: Российский государственный технологический университет им. Циолковского, 2003. - С.41-42.

87. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. М.: Радио и связь, 1984. - 384 с.