НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ім. Г.Є. ПУХОВА

Задорожний Валерій Іванович

УДК 517.977; 519.6: 531.386. 535

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧНИЙ СИНТЕЗ ЕЛЕМЕНТІВ ТА ПРИСТРОЇВ

СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ОПТИЧНИХ ЕЛЕКТРОННИХ КОМПЛЕКСІВ

РУХОМИХ ОБ’ЄКТІВ

Спеціальність 05.13.05-“Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Загальнотехнічної підготовки Черкаської академії

менеджменту Асоціації навчальних закладів України недержавної форми власності.

Науковий керівник доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

САУХ Сергій Євгенович,

провідний науковий співробітник

Інституту проблем моделювання в енергетиці

ім. Г.Є. Пухова НАН України,

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Додонов Олександр Георгійович, Інститут проблем реєстрації інформації НАН України, заступник директора,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Максимович Микола Олександрович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, докторант.

Провідна установа

Національний технічний університет України „КПІ” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться „30 вересня” 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.185.02 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15

3 дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий "_27_" „серпня” 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

К 26. 185. 02, к.т.н. Семагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найбільш ефективний підхід до вирішення задач попередження і швидкої ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій (землетруси, гірські обвали, аварії енергетичного устаткування, морські і транспортні катастрофи, терористичні акти і т.ін.) полягає в створенні сучасних технічних засобів, що забезпечують швидке виявлення об'єктів на земній або водній поверхні і якомога найточніше визначення їх координат.

Оперативне вирішення указаних задач в даний час покладається на рухомі носії (гелікоптери, літаки, космічні носії), оснащені ефективними системами спостереження і пошуку об'єктів. Обсяги виробництва і використання даних технічних засобів мають стійку тенденцію до розширення. Вимоги до їх можливостей і характеристик безперервно зростають в умовах попередження техногенних і екологічних катастроф.

Ефективність пошуку залежить від характеристик приладів (оптичних, радіолокаційних, тепловізійних), які розміщують на об'єктах-носіях. Істотно впливають на ефективність пошуку стан атмосфери, освітленість або яскравість об'єкту, фон, на якому спостерігається об'єкт. На прилади, що знаходяться на об'єкті-носії, діють кутові і лінійні прискорення, які “розмивають” об'єкт, який спостерігається , що приводить до обмеження відстаней, на яких можливо знайти і розпізнати об'єкт пошуку. Для роботи на найбільш актуальних відстанях (5 км і більше) застосовуються оптичні прилади із стабілізованою лінією візування. Після виявлення і розпізнання об'єкту визначаються його координати і оперативно передаються в центр керування пошуком.

Аналіз стану сучасного рівня технічних засобів здійснення надзвичайного пошуку, як в Україні, так і за рубежем, свідчить як про недостатнє кількісне забезпечення вказаними засобами, так і про недостатній якісний їх рівень. Створення і удосконалення такого роду технічних засобів пов'язане з вирішенням ряду науково-дослідних, проектних і конструкторських задач. Системи, що розробляються, повинні задовольняти широкому спектру технічних вимог, виконання яких забезпечує високі якісні показники процесу пошуку, виявлення і розпізнавання при роботі в нормальних і екстремальних екологічних умовах.

Основою систем спостереження, які розміщуються на рухомих носіях, є оптичні електронні комплекси (ОЕК), що функціонують, як правило, в екстремальних умовах рухомого носія (вібрації, широкий діапазон температур). Функціонування ОЕК забезпечується цілою сукупністю елементів, пристроїв і систем керування, особливість яких полягає в істотній неоднорідності елементної бази, тісному взаємозв'язку керуючих сигналів, багатопараметричності системи в цілому. Традиційні методи розробки складних систем засновані на паралельному галузевому підході при проектуванні оптичних, механічних, електронних складових частин приладів, що приводить до складнощів компоновки, наладки, промислового виробництва і заміни елементної бази. Розробка бортових систем даного класу пов'язана з визначенням доцільних структур ОЕК, виділенням переліку ключових параметрів, виробленням вимог до величин цих параметрів і якості системи керування (кратність оптичної системи, точність, діапазон швидкостей наведення, параметрів кутів візування і т.д.). Розробка методів синтезу елементів і пристроїв систем керування даного класу являє складну задачу, що поєднує в собі комплексну задачу пошуку структур і оптимальних значень параметрів для забезпечення різнорідним вимогам до якості функціонування і органічної сумісності при взаємодії елементів і пристроїв між собою, різнорідних складових систем в єдиному об’єкті - оптичному електронному комплексі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, які проводилися відповідно до планів і господарських договірних і бюджетних тем в ряді науково - дослідних і дослідно – конструкторських організацій; згідно планів наукових досліджень в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України - тема „Математичні методи і комп'ютерні засоби підвищення граничної точності систем технологічного контролю і керування енергогенеруючого устаткування” (проблема 1.9.2.6., тема 1.7.4.- „Аспект”), згідно плану наукових робіт на кафедрі загальнотехнічної підготовки Черкаської академії менеджменту - „Дослідження і розробка елементів і систем стабілізації і наведення лінії візування оптичних електронних комплексів рухомих об'єктів”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є створення на основі методів структурно-параметричного синтезу високоякісних елементів і пристроїв багатопов'язаних неоднорідних систем керування оптичними електронними комплексами, що розміщені на рухомих носіях, які забезпечують виявлення і локацію об'єктів пошуку в нормальних і екстремальних умовах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі.

1. Повести аналіз і систематизацію результатів наукових досліджень і розробок в області створення бортових систем спостереження з оптичними електронними комплексами, які забезпечують вирішення задачі пошуку, виявлення і локації об'єктів, що

знаходяться в зонах надзвичайних ситуацій. Формування підходу до вирішення проблеми, що дозволяє на основі сучасних досягнень в області синтезу засобів керуючої техніки розробити структурні і принципові схемні вирішення для створення комплексу елементів і пристроїв бортових оптико-електронних систем спостереження.

2. На основі детального аналізу умов і режимів функціонування систем керування оптичних електронних комплексів визначити перелік і зміст вимог до показників якості елементів і пристроїв систем, а також визначити основні, принципові шляхи побудови елементів і пристроїв. Провести вибір методів математичного моделювання, що забезпечують вирішення задач аналізу і синтезу даного класу елементів і пристроїв з урахуванням основних особливостей їх функціонування і взаємодії.

3. Виконати якісний аналіз базової структури системи керування лінією візування ОЕК, її підсистем і елементів для вирішення задач забезпечення заданих характеристик і високих показників якості систем наведення (точність, стійкість т. ін.) і стабілізації лінії візування з урахуванням нелінійних ефектів і умов функціонування в нормальних і спеціальних умовах (граничні температури, вібрації).

4. Виконати синтез структур і схем основного набору елементів і пристроїв системи керування ОЕК, у тому числі широтно-імпульсних одноканальних і двоканальних регуляторів, пристроїв формування похідних сигналу керування, слідкуючих приводів, датчиків моментів систем наведення, а також побудову необхідних коректуючих пристроїв системи, що забезпечують задані показники якості на основі методу структурної компенсації.

5. Забезпечити реалізацію, апробацію, випробування і практичне застосування запропонованих структурних і схемних вирішень, у тому числі: електронних пристроїв системи керування ОЕК, функціональних перетворювачів, пристрою корекції оптико-механічних каналів.

Об'єктом досліджень є процеси і системи отримання і реєстрації візуальних даних за допомогою бортових технічних засобів, які працюють як в нормальних, так і в екстремальних умовах.

Предметом досліджень є структурні і схемно-параметричні вирішення задач синтезу комплексу різнорідних елементів і пристроїв систем керування ОЕК, розміщених на рухомих носіях.

Методи досліджень. В роботі використовуються методи математичного моделювання динамічних систем, методи теорії автоматичного керування, методи структурно-параметричного синтезу електронних, механічних, оптико-механічних перетворювачів інформації, а також методи оцінки точності і стійкості процесів спостереження і керування.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі методів структурно-параметричного синтезу отримано комплекс структур, схем і алгоритмів розрахунку параметрів, що забезпечують побудову високоякісних елементів і пристроїв систем керування ОЕК, призначених для виявлення і локації об'єктів пошуку в нормальних і екстремальних умовах.

В процесі вирішення задач дослідження були отримані наступні результати:

- запропонований і розроблений математичний метод і поліноміальні алгоритми розрахунку координат об'єктів пошуку в системі прямокутних координат при багаторазовому візуванні кута з курсу на вибраній базі локації (баражування) і алгоритми оцінки середньоквадратичної похибки для визначення точності локації і необхідної точності датчиків візування системи керування ОЕК; розроблений графічний метод визначення параметрів оптичних електронних комплексів, що відповідає вимогам до точності наведення і стабілізації, кратності оптичної системи, залежної від фізичних чинників зовнішнього середовища: розмірів об'єкту, яскравості об'єкту і фону, прозорості атмосфери; розроблена структура системи керування лінією візування, заснована на використанні двох двоступеневих гіроскопів із зустрічно направленими кінетичними моментами і з компенсацією помилки стабілізації по третій осі (крену), що забезпечує задану точність наведення лінії візування по трьох осях; запропонований метод структурного синтезу системи керування по відхиленню з керованою структурою, що забезпечує досягнення заданих показників якості (точність і стійкість) в спеціальних умовах роботи (при діапазоні температур від –60 0С до +75 0С); розроблена структура і схеми магнітоелектричного датчика моменту, що забезпечують побудову конструкції датчиків моменту з 9-и кратним збільшенням моменту в порівнянні з аналогами, що дозволило забезпечити виконання високих вимог до діапазону швидкостей наведення; розроблено слідкуючий привід із змінною структурою і параметрами, що забезпечує гранично високі показники точності і стійкість в спеціальних умовах роботи (діапазон зміни температури від -600С до+750С);

- запропоновано: алгоритм розрахунку параметрів системи керування, заснований на сумісному використанні математичних моделей в частотній і часовій областях представлення змінних, що забезпечує врахування істотної неоднорідності елементного складу даної системи; структури і схеми одноканальних і двоканальних широтно-імпульсних підсилювачів, які забезпечують високі показники надійності і енергетичної економічності; електронні пристрої формування функції секанса, що забезпечують точність і простоту схемних вирішень;

-розроблені: нелінійна динамічна модель системи керування ОЕК з урахуванням ефектів сухого тертя, пружності і дебалансу деталей і збірок, що входять в пристрої і систему, що дозволяє визначити вимоги до граничних параметрів особливо відповідальних збірок механічних і оптико-механічних пристроїв; електронні пристрої компенсації похибок датчиків візування. Наукові результати отримані автором особисто і є основою вирішення поставленої задачі.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані методи структурно-параметричного синтезу елементів і пристроїв систем керування ОЕК, а також розроблені структури і схеми, можуть знайти широке застосування при розробці засобів керування в технічних системах з такими особливостями як багатопов’язаність, різнорідність елементної бази, багатопараметрична залежність командних і керуючих сигналів, високі вимоги для роботи в екстремальних умовах навколишнього середовища. Значна частина результатів роботи впроваджена в дослідницьких і конструкторських розробках НВК „Авіаприлад-Арсенал”, АО „УКРПРОМПРОЕКТБУДСЕРВІС”, а також в навчальному процесі факультету загальнотехнічної підготовки Черкаської академії менеджменту, що засвідчено актами впровадження. За наслідками роботи (пристрій швидкого приведення лінії візування в початкове положення і гіростабілізатор) отримані патенти України на винахід.

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачу належать: метод структурного синтезу і розрахунку коректуючих пристроїв при проектуванні систем керування в умовах граничних температурних режимів [1]; математична модель, методика вибору елементів і розробка коректуючих пристроїв системи керування в нормальних кліматичних умовах [2]; математична модель у формі диференційних рівнянь механізму передачі руху від гіростабілізатора до головного дзеркала і алгоритм її числової реалізації для врахування впливу незбалансованості елементів конструкції гіростабілізатора системи керування [3]; математична модель гіростабілізатора і вибір граничних рівнів показників якості для дослідження впливу моменту тертя і високочастотних вібрацій [4]; нелінійна динамічна модель високоточного приводу слідкуючого кільця системи керування [6]; метод прискореного приведення лінії візування в нульове положення і структура коректую чого пристрою [7]; структура коректуючих пристроїв забезпечення точності і стійкості систем наведення і стабілізації [8], математична модель і структура датчика моменту, що забезпечує необхідний діапазон швидкостей наведення [9]; графічний метод оптимізації параметрів в багатопараметричній задачі оцінки точності стабілізації лінії візування залежно від відстані до об'єкту пошуку, розміру об'єкту, кратності оптичної системи, яскравості об'єкту і фону, прозорості атмосфери [10]; спосіб розрахунку похибок датчиків візування за наявності квантування по рівню [11]; метод урахування впливу нелінійностей при синтезі гіростабілізатора на точність системи керування ОЕК [5]; схема пристрою компенсації впливу крену, пристрій підвищення точності кутів візування, вибір основних параметрів гіростабілізованої головки системи керування, лабораторні випробування системи керування в нормальних і спеціальних умовах [12].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на 4-й українській конференції з автоматичного управлінню "Автоматика -97" (Черкаси, 1997); міжнародному симпозіумі “Наука і підприємництво” (Трускавець, 2000); міжнародні науково-технічні конференції “Приладобудування –2001” (Вінниця-Симєїз. 2000); на міжнародній науковій конференції Національного авіаційного університету України (Київ, АВІО-2003), науковому семінарі відділу моделювання динамічних систем Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (Київ, 2003); міжкафедральному семінарі Черкаської академії менеджменту (Черкаси, 2003).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 наукових роботах, з яких 9 - статті в наукових виданнях, затверджених в переліку ВАК України, 2 патенти України на винаходи, 1 науковий звіт.

Структура дисертації. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 145 сторінках тексту, включає 75 рисунків на 38 сторінках, 9 таблиць на 7 сторінках, списку літератури з 94 використаних літературних джерел на 8 сторінках і трьох додатків на 16 сторінках, і складається зі вступу, 5 розділів і висновків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, формулюються мета і задачі дослідження, наукова новизна. Подано коротку характеристику результатів дослідження, практичну цінність отриманих результатів, ступеня їх апробації та опублікування.

У першому розділі розглядається задача визначення координат об'єкту в системі прямокутних координат на основі кутів візування, зафіксованих оптико-електронним комплексом з рухомого об'єкту-носія. В загальному випадку визначення координат об'єктів може здійснюватися шляхом виміру кутів візування по курсу і по тангажу, проте, для малих висот польоту носія (50-100м) і великих відстаней до об'єктів пошуку (5-20 км) в якості основи розрахунку координат пропонується метод, заснований на вимірюванні кутів візування тільки по курсу, але з декількох точок траєкторії польоту {XB=XB(t), YB=YB(t)} на деякій вибраній базі Б=В1В2 (рис.1). Основний підхід до вирішення задачі локації об'єкту полягає в наступному: нехай В1, В2,В3 …Вn – точки візування, х1, у1; х2, у2;…xn,уn –їх координати; ?1, в2,…вn- кути візування; D1, D2,…Dn – відстань до об'єкту; тоді координати об'єкту Xo, Yo; X1,Y1;…Xn,Yn в системі прямокутних координат для будь-якої точки візування, наприклад т. В2, будуть рівні

Рис.1. Метод локації об'єкту в системі прямокутних координат.

Скориставшись теоремою синусів і вводячи ряд замін отримаємо наступну залежність для визначення координат об'єкту:

.

Таким чином, значення Xo, Yo залежать від параметрів ш. ?оложення розрахункового трикутника ОВ1В2 однозначно може бути визначено параметрами Б, ?, г ? ш, ?е ?= , ш-?ив. рис.1. При баражуванні об'єкту-носія за одним і тим же маршрутом (Б=В1В2), параметр ?=const, а дотримуючись постійного D (рух перпендикулярно траєкторії об'єкту пошуку), можна прийняти ?=0, тобто кількість змінних скорочується до трьох. На основі прийнятих умов запропонований метод визначення координат об’єкту пошуку за допомогою оптичної системи, яка розміщена на рухомому носієві. Метод полягає в обчисленні координат пошуку на основі трьох параметрів: кута візування курсу, параметру , який являється різницею між послідовно вирахуваними кутами візування, і бази локації Б, а вирази для координат об'єкту мають вигляд:

Оскільки координати визначаються на основі усереднювання з багатократних вимірювань, то середньоквадратичні значення помилок знаходяться з виразів:

де ?- дисперсія кутів візування об'єкту. Експериментальне дослідження даного методу на реальних даних (база візування Б=1,2,3,4,…20 км; відстань до об'єкту D=1,2,3,4…20 км, задані кути візування ?=100,200,300,…1100, задані середньоквадратичні похибки кутів візування ? =1, 2, 3 млрад), дозволило встановити, що при ? =1 млрад середньоквадратична похибка визначення координат не перевищує задану.

Аналіз принципів побудови відомих схем ОЕК показує, що існуючі структури не забезпечують потрібні характеристики: діапазон швидкостей наведення -100 (потрібно більше 3000), точність наведення – 3 кут.хв.(потрібно не більше 1 кут.хв.), похибка стабілізації лінії візування -40 кут.сек. (потрібно не більше 20 кут.сек.), компенсація збурень носія з курсу і тангажу (потрібно компенсувати збурення з курсу, тангажу і крену). Дослідження показали, що новий якісний рівень систем керування ОЕК не може бути досягнутий в межах технологічного або конструктивного удосконалення відомих структур. У зв'язку з цим запропонована структура ОЕК (рис.2), що традиційно включає систему

наведення з курсу, систему наведення з тангажу, систему стабілізації з курсу, систему стабілізації з тангажу, доповнена системою компенсації збурення з крену, приводом слідкуючого кільця , високоточним слідкуючим приводом оптичної призми Дове, що компенсує розворот зображення в окулярі оператора при наведенні лінії візування з курсу.

Для реалізації запропонованої структури необхідно розв’язати низку задач аналізу точності і синтезу введених в структуру елементів, пристроїв, а також всієї системи в цілому.

В другому розділі на основі аналізу умов і режимів функціонування систем керування оптичних електронних комплексів розв'язуються задачі визначення переліку і змісту вимог до показників якості елементів і пристроїв систем, зокрема до точності наведення і стабілізації лінії візування, кратності оптичної системи, граничних кутів візування, допустимих розмірів об'єктів пошуку і відстані до них, яскравості об'єкту і

Рис.2. Структура системи керування ОЕК.

яскравості фону, прозорості атмосфери.

Для вирішення багатопараметричної оптимізаційної задачі узгодження показників якості системи „об’єкт пошуку- око оператора” запропоновано графічний метод багатопараметричного синтезу (рис.3) і методика визначення основних показників якості

системи керування. Метод базується на побудові номограм. Номограма A (сектор А) включає нелінійну залежність граничної можливості оператора , як функції точності стабілізації , розміру об'єкту пошуку і відстані до нього L. Номограма А розробляється для різних розмірів об”екту пошуку, для їх помічення і розпізнання, для різних похибок стабілізації =(0, 10, 20., 40, 60) кут.сек. (на рис.3 приведена номограма для =20 кут. сек.). Номограма Б (сектор Б) включає нелінійну залежність коефіцієнта прозорості атмосфери від відстані до об'єкту L і метеорологічної видимості Sm. Номограма Г (сектор Г) включає нелінійну залежність граничних можливостей очей оператора від сумарного коефіцієнта контрасту К? і кратності оптичної системи Г* (на рис.3 приведені номограми для Г*=10*, 13*, 15*, 18*). Номограма В (сектор ГВ) включає залежність між сумарним коефіцієнтом контрасту К? , коефіцієнтом пропускання атмосфери ?(L) і граничним коефіцієнтом виявлення Кобн, (на рис 3 Кобн=0,3). Методика заснована на

послідовному аналізі параметрів в секторах А, Б, В, Г (починаючи з т. А) і забезпечує визначення основних показників системи керування. Запропонований графічний метод і

Рис. 3. Номограма для оптимізації параметрів системи керування ОЕК.

методика ефективно вирішують задачу попереднього вибору основних параметрів якості системи керування ОЕК (точності стабілізації, кратності оптичної системи, дальності локації типових об'єктів пошуку) на початкових етапах проектування (узгодження тактико-технічних характеристик комплексу об’єкту пошуку, розробка технічних завдань на оптико-електронний комплекс і складові частини, аванпроект, ескізний проект) і техніко-економічних досліджень.

На основі аналізу вибраної структури системи керування ОЕК визначений підхід до організації елементів і пристроїв та запропонована функціональна кінематична схема системи керування ОЕК, що принципово має можливості забезпечення необхідних показників якості. Зокрема, визначена залежність між параметрами елементів і пристроїв, сформульовані вимоги на елементному рівні (гіромотори, двигуни наведення, двигуни стабілізації, датчики вимірювання кутів прецесії і візування, не перпендикулярності установки зовнішньої і внутрішньої рам гіростабілізатора, не паралельності установки гіроскопів т. ін.)

У третьому розділі розглядаються питання якісного аналізу базової структури системи керування (СК) лінією візування ОЕК. Однією з головних задач системи наведення є забезпечення діапазону швидкостей наведення (не менш 3000). Найбільш значну роль в забезпеченні цієї характеристики мають задатчик швидкості і датчик моменту. Для відомих задатчиків швидкості (потенціометрів, сінусно-косінусних обертових трансформаторів) в зоні малих сигналів характерні нелінійності типу „зони нечутливості” або залежності типу „квадратур”. Збільшення діапазону наведення досягається шляхом введення в канал керування пристрою, що формує змінну крутизну сигналу задатчика швидкості наведення. Реалізація такої пропозиції забезпечує необхідний діапазон швидкостей.

Для задоволення вимог з діапазону швидкостей датчик моменту повинен створювати момент наведення не менш 1200-2000 Гсм (в 6-8 разів вище, ніж у аналогів), що у свою чергу вимагає значного збільшення розмірів датчика. З цієї точки зору доцільно застосувати магнітоелектричні датчики моменту (МЕДМ) з магнітопроводом із сплавів “альніко”-(Fe-Al-Ni-Co), ферробарію або самаріт-кобальту-(SmCо5). Запропоновані математичні рівняння і оптимізаційні розрахунки датчиків даного типу дозволили розробити декілька схем і конструкцій на їх основі, що задовольняють вимоги системи наведення.

Модельні дослідження в поєднанні з фізичними експериментами дозволили вибрати основним режимом керування - режим напівавтоматичного наведення лінії візування за участю оператора. Експериментально встановлена істотна залежність точності системи наведення від характеристик оператора (швидкості його реакції і тремора рук, який викликає високочастотні похибки лінії візування).

Процес наведення з достатнім ступенем адекватності відображається передавальною функцією

де – коефіцієнт передачі оператора, - постійна часу оператора в процесі прийняття рішення, – постійна часу, яка визначається тремором рук оператора. Поліпшення динамічних властивостей досягається введенням форсуючої ланки, яка компенсує вплив показника і передатня функція коректуючого пристрою має вигляд

,

де ТОП=0,4 с- постійна часу форсуючої ланки, Т2 = 0,04 с – постійна часу інтегруючої ланки, яка визначає частотну смугу форсування. Для підвищення ефективності роботи оператора запропоновано проводити тренінг оператора за типовими законами наведення.

Для усунення високочастотних помилок, викликаних тремором рук, запропоновано ввести режекторний фільтр другого порядку, який налаштований на частоту несучих збурень об'єкту-носія і фільтрує похибку сигналу управління. Добротність фільтра визначається виразом де ВРФ –смуга частот, на якій коефіцієнт передачі падає на 3 дб., fрез – резонансна частота фільтра.

Для визначення граничних вимог до механічних параметрів системи керування (моментів тертя Мтр по осях прецесії і по осях стабілізації, моментах струмопідводів Мост до елементів гіроскопа, моменту дебалансу гіроплатформи Мдеб і зовнішньої рами) розроблена структурна модель СК з урахуванням вказаних нелінійностей (рис. 4). Де позначені передатні функції: WОП - оператора, WП - пульта наведення, WН - нелінійного перетворювача сигналу

Рис. 4. Структурна модель СК ОЕК з урахуванням основних не лінійностей.

наведення, W КУ – коректуючого пристрою, WУС - підсилювача, WД - моментного датчику наведення, WГП - гіроскопу, KУ –підсилювача системи стабілізації, KЗ – двигуна стабілізації; IН – момент інерції гіропалатформи, Н- кінетичний момент гіроскопу, р- перетворювач Лапласа, ?у. – координата наведення, ?Н – координата руху головного дзеркала. Результати електронного моделювання системи керування підтвердили можливість наведення лінії візування на всіх кутах візування з похибкою не більше 20 кут.сек. в необхідному діапазоні швидкостей.

Модель дозволила дослідити вплив моментів тертя в опорах внутрішньої і зовнішньої рам і вплив дебалансу елементів конструкції гіростабілізатора (рис.5) на точність стабілізації лінії візування. Похибка стабілізації головного дзеркала (ГЗ) залежить від амплітуди моменту тертя (залежність 1) і моменту дебалансу (залежність 2). В реальній конструкції необхідно мати пристрої обмеження з перевищення моментів тертя і дебалансу, щоб уникнути непоправного перевищення похибки керування.

Рис.5. Залежність амплітуди похибки ГЗ від величини моменту сухого тертя (1) і моменту дебалансу (2).

Для дослідження показників якості системи керування (СК) в спеціальних умовах роботи (температурах від – 600С до +750С) в модель вводиться нелінійний показник ??(t0C), що характеризує залежність коефіцієнта демпферу від температури рідини гіроскопу у всьому діапазоні температур (рис.6 а). З підвищенням температури амплітуда коефіцієнта

а) б)

Рис. 6. Дослідження методики структурного синтезу СК в умовах широкого діапазону температур; а) залежність параметра ??(t0C) від температури, б) амплітудно-частотні та фазово-частотні характеристики СК ОЕК.

демпферу зменшується, що приводить до зменшення стійкості системи (рис.6 б). Амплітуда логарифмічної частотної характеристики переміщається залежно від температури від положення W19 (при зміні температури від-600C до -200C) до положення W22 (при зміні температури від +300С до +750С). При температурі більше 250С СК втрачає стійкість. Для забезпечення точності і стійкості систем у всьому діапазоні температур запропонований метод структурно-параметричного синтезу оптичних електронних систем, що полягає: у встановленні ключового параметру, який визначає показники якості (наприклад, коефіцієнт демпферу); розподілі діапазону показників на певні рівні (в даному випадку – чотири рівні), що забезпечують точність, стійкість і фізичну реалізованість СК; визначенні перехідних функцій СК і параметрів СК для кожного з рівнів (коефіцієнтів підсилення, частоти зрізу, зсуву фаз); синтезі коректуючих пристроїв, що забезпечують показники якості (точність, стійкість) для кожного з рівнів; побудові алгоритму і структури управління, що забезпечують автоматичне перемикання структури СК залежно від збурюючого параметру (температури). Практична реалізація структур синтезованих коректуючих пристроїв і пристрою керування перемиканням структури СК підтвердили забезпечення показників якості в спеціальних умовах (діапазоні температур від -600С до +750С).

Система керування ОЕК конструктивно містить ряд високоточних механічних, оптико-механічних і електронних пристроїв. Високочастотні коливання, створювані силовими установками носія ОЕК (рис.7 а), впливають на елементи і пристрої СК і погіршують точність стабілізації (вібростійкість) і граничні можливості оптичного візиру

а) б)

Рис.7. Дослідження кутових квазіколивань ГЗ залежно від параметрів механічних пристроїв СК (жорсткості і , діаметрів шківів D1 і D2, частоти вібрацій).

(дальність розпізнання об'єктів). Встановлено, що причиною високочастотних складових похибки стабілізації можуть бути незбалансованість важеля натягнення стрічок (Р) механізму передачі кутового руху гіростабілізатора, некоректно вибрані жорсткість стрічок механізму передачі кута (с2) або жорсткість пружини натяжника (с1). На рис. 7 а приведена кінематична схема високоточного механічного пристрою передачі кутового руху від гіростабілізатора (ГС) до головного дзеркала (ГЗ). Вимушений рух головного дзеркала описується системою неоднорідних лінійних диференціальних рівнянь з постійними коефіцієнтами:

для ГЗ-

,

для важеля механізму передачі руху -

,

для закону качання гіроплатформи, викликаної збуренням об'єкту – носія -

,

де , , – кути повороту: ГЗ навколо осі О, гіроплатформи навколо осі О1, важеля Р навкруги осі О2; D1, D2- діаметри шківів ГС і ГЗ (для узгодження оптичних і фізичних кутів візування D2=2 D1); JГЗ, JP - моменти інерції ГЗ і важеля Р по відношенню до осі O2; –жорсткості пружини П; - жорсткість стрічок Л1 і Л2; Y1, Y2,Y3, Y4 –геометричні параметри конструкції, - максимальна амплітуда збурення, - кутова частота збурення, згідно рис.7 а.

Розв”язуючи систему рівнянь щодо параметра , двічі диференціюючи його за часом і, підставляючи вирази для , і , отримаємо рівняння руху ГЗ навколо осі стабілізації О

В результаті аналізу кінематичної схеми пристрою передачі кутового руху на ГЗ виведено умову виникнення коливань важеля натяжника металевих стрічок, яка залежить від мікропараметрів СК (маси важеля натяжника m, моменту сухого тертя M0, конструктивних параметрів Y1, Y4, жорсткості пружини важеля натяжника с1, амплітуди вібрацій , кутової частоти і частоти власних коливань , рис.7 а). Показано, що квазіколивання ГЗ можливі при виконанні умови Для розрахунку амплітуди квазіколивань ГЗ отримана формула

Результати досліджень (рис.7 б) показують, що при певних параметрах системи стабілізації можливо збільшення похибки стабілізації до 1,5 кут.хв. на частоті 280 Гц. Для зменшення амплітуди квазіколивань запропоновано замінити матеріал важеля, що має меншу питому вагу і змінити конструктивний параметр Y4, що дозволило забезпечити необхідну точність СК.

У четвертому розділі проведено синтез структур і схем основного набору елементів і пристроїв системи керування ОЕК. Основну увагу приділено розробці структурних і принципових схем електронних пристроїв одноканальних і двоканальних широтно-імпульсних регуляторів, що забезпечують високу лінійність передаточної характеристики і економічне витрачання електроенергії в широкому діапазоні температур. Лінійність характеристик виходів істотно залежить від форми напруги модуляції (трикутній, пилкоподібній, синусоїдальній), у тому числі за наявності нелінійностей порогового пристрою. При використанні трикутної форми напруги модуляції забезпечується лінійність характеристики виходу і практично відсутній вплив гістерезису порогового пристрою. Встановлена доцільність застосування одноканальних ШІ-регуляторів - для побудови підсилювальних пристроїв систем наведення, а двоканальних ШІ-регуляторів - для використання в підсилювальних пристроях систем стабілізації і високоточних слідкуючих приводах (ВСП). Ускладнення при синтезі даних пристроїв визначаються вузькою областю їх застосування і недостатнім рівнем розробки теоретичних питань. Запропонована спеціалізована методика синтезу ВСП оптичних електронних комплексів включає вибір функціональних датчиків кута, датчиків швидкості, виконавчих електродвигунів і підсилювальних пристроїв; формування структури системи, математичне і електронне моделювання, синтез коректуючих пристроїв, настройку і експериментальне підтвердження показників якості. Методика дозволяє синтезувати ВСП ОЕК для нормальних і спеціальних умов. Система керування, побудована по типовій структурі і традиційних рекомендаціях, виявляється достатньо точною, але є умовно стійкою. Введення коректуючих пристроїв - аналізатора помилки і перемикаючого електронного пристрою упевнено забезпечує необхідні показники якості (похибка не більше 1 кут.хв., перерегулювання не більше 20%) при роботі в спеціальних умовах (температурах від -600С до +750С), що підтверджується за допомогою моделювання і експериментальних перевірок.

У п'ятому розділі викладено результати реалізації, апробації, випробувань і практичного застосування запропонованих структурних і схемних рішень при розробці оптико-електронного комплексу ОЕК і комбінованої оптичної електронної станції КОЕС, у тому числі: схем електронних підсилювачів, систем наведення і стабілізації ОЕК, секансного функціонального перетворювача, високоточних слідкуючи приводів, форсуючих електронних ланцюгів, пристрою корекції кута візування, механічних і оптико-

механічних пристроїв. Лабораторними, попередніми і міжвідомчими випробуваннями підтверджені показники якості розроблених систем наведення і стабілізації, пристроїв формування функції секансу, які забезпечують компенсацію збурень по крену; пристроїв компенсації похибок датчиків візування, що забезпечують необхідну точність малогабаритних датчиків візування низького класу; вперше введеного магнітоелектричного датчика моменту (МЕДМ-2000) (рис.8 а), гіроскопів (рис.8 б), розроблених на основі гіромотору ГМА-4, датчика кута прецесії 15Д32, датчика температури і нагрівального елементу, що в 8 разів збільшують діапазон швидкостей наведення в порівнянні з аналогами; високоточний механічний пристрій внутнішньої рами, рис. 9.а, який включає головне дзеркало і гіроплатформу, що включає два гіроскопи, встановлені так, що осі кінематичних моментів направлені паралельно і зустрічно, конструктивно зорієнтовані для наведення гіроскопів з курсу і тангажу; механізм передачі кутового руху від гіроплатформи на головне дзеркало, чашу аретира, датчик візування по тангажу, двигун стабілізації по тангажу і вузол струмопідводів; гіроскопічну головку (рис. 9 б), що включає захисне скло (1), високоточний привід слідячого кільця (2), зовнішню раму (4)

Рис.8. Елементи і пристрої систем керування ОЕК; а) – датчик моменту; б)-гіроскоп.

з головним дзеркалом (3), захисний ковпак (5), привід аретира (6), вузол нижньої опори (7), кронштейн нижньої опори (8), датчик вимірювання кутової швидкості крену, двигун стабілізації по курсу і датчик вимірювання кута візування з курсу.

На основні розроблених елементів і пристроїв створені система керування оптичного електронного комплексу, що забезпечує пошук і локацію об'єктів в прямокутній системі координат і система керування комбінованого оптичного електронного комплексу. Рівень якості елементів і пристроїв СК ОЕК підтверджений результатами широкого спектру випробувань.

а) б)

Рис.9. Складові частини системи керування оптичних електронних комплексів.

а)-внутрішня гірорама в зборі; в) –гіростабілізірована головка системи керування ОЕК

ВИСНОВКИ

1. На основі методів структурно-параметричного синтезу створено комплекс структур, схем і алгоритмів розрахунку параметрів складних фізично неоднорідних технічних об'єктів, що забезпечують побудову високоточних елементів і пристроїв систем керування оптичних електронних комплексів, призначених для виявлення і локації об'єктів пошуку в нормальних і надзвичайних (екстремальних) умовах.

2. Запропоновані метод і поліноміальні алгоритми розрахунку координат об'єктів пошуку в системі прямокутних координат при багатократному візуванні кута по курсу з рухомого об'єкту-носія на вибраній базі локації і алгоритми оцінки середньоквадратичних похибок для визначення точності локації і необхідної точності датчиків візування системи керування оптичного електронного комплексу; показано, що при середньоквадратичній

похибці вимірювання кута візування не більше 1 млрад похибка визначення координат не перевищує допустимих величин.

3. Розроблений графічний метод і методика визначення вимог до параметрів оптичних електронних комплексів, у тому числі до системи керування, систем наведення і стабілізації, кратності оптичної системи, залежної від фізичних чинників зовнішнього середовища: розмірів об'єкту, яскравості об'єкту і фону, прозорості атмосфери, з ціллю визначення показників якості елементів і пристроїв системи керування на ранніх етапах розробки (аванпроект, ескізний проект, техніко-економічні дослідження).

4. Розроблена і реалізована структура системи керування лінією візування, яка ґрунтується на використанні двох двоступеневих гіроскопів із зустрічно направленими кінетичними моментами і з компенсацією похибки стабілізації по третій осі (крену), що забезпечує точність керування лінією візування в межах 20 кут.сек при нормальних кліматичних умовах.

5. Запропонований метод структурного параметричного синтезу системи керування з аналізом відхилень і з керованою структурою, що забезпечує досягнення заданих показників якості (точність і стійкість) в спеціальних умовах роботи при діапазоні температур від –60 0С до +75 0С.

6. Розроблена нелінійна модель системи керування ОЕК з урахуванням ефектів сухого тертя, пружності і дебалансу високоточних механічних і оптико-механічних пристроїв, що дозволило визначити вимоги до граничних параметрів особливо відповідальних з'єднань і забезпечити необхідну якість системи на стадіях виготовлення елементів і їх складання.

7. Розроблена структура і схеми магнітоелектричного датчика моменту, які забезпечують побудову конструкції датчиків моменту з дев'ятикратним збільшенням моменту в порівнянні з аналогами і дозволяють забезпечити виконання високих вимог до діапазону швидкостей наведення.

8. Розроблено методику синтезу і досліджені структури високоточних слідкуючих приводів, орієнтованих на реалізацію в оптичних електронних комплексах, заснованих на керуванні зв'язками і параметрами системи і забезпечуючих граничні показники точності і стійкості в нормальних і спеціальних умовах роботи.

9. Розроблений алгоритм розрахунку параметрів системи керування ОЕК, який грунтується на сумісному використанні математичних моделей в частотній і часовій областях представлення змінних: метод логарифмічних частотних характеристик застосовується для розрахунку ланок передачі руху від гіростабілізованої платформи до головного дзеркала як лінійної моделі; математичні моделі в часовій області дозволяють відтворити вплив нелінійних ефектів в тих же ланках, що в цілому забезпечує врахування істотної неоднорідності елементного складу даної системи.

10. Запропоновані схеми одноканальних і двоканальних широтно-імпульсних підсилювальних пристроїв забезпечують лінійність характеристик підсилювачів і високий коефіцієнт корисного використання джерел енергії; одноканальні широтно-імпульсні підсилювальні пристрої використовуються в системах наведення, двоканальні - в системах стабілізації і високоточних слідкуючих приводах.

11. Розроблені: електронні пристрої компенсації помилки системи керування від збурень крену, що включають пристрій формування функції секанса і пристрій множення, які забезпечують автоматичну компенсацію збурень крену; пристрій компенсації похибок сигналів датчика візування, що дозволяє одержувати сигнали візування з високою точністю від малогабаритних датчиків кута з обмеженою точністю.

12. Результати використання запропонованих способів структурно-параметричного синтезу систем керування ОЕК дозволили розробити елементи і пристрої систем керування при створенні в Науковому виробничому комплексі „Авіаприлад-Арсенал” та Акціонерному товаристві АО „УКРПРОМПРОЕКТБУДСЕРВІС” таких оптичних електронних комплексів пошуку об'єктів як бортовий оптико-електронний комплекс і комбінованого оптичного комплексу оператора із стабілізованим полем зору; сприяти скороченню терміну розробки автоматизованої системи перевірки параметрів комбінованої оптичної пошукової станції; на розроблені елементи і пристрої систем керування ОЕК отримано два патенти України на винаходи; результати роботи використовуються в навчальному процесі загальнотехнічної кафедри Черкаської академії менеджменту (документи про впровадження додаються).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Задорожный В.И., Задорожный И.С., Голуб А.Г., Задорожный Ю.И. Структурный метод обеспечения точности гиростабилизаторов в условиях предельных температур.// Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. – К.: -2002. Випуск 3.-С. 17-21.

2. Задорожный В.И., Задорожный И.С. Стабилизация поля зрения в оптико-электронных системах.// Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. –К.: -2002. Випуск 4.-С. 37-41.

3. Задорожний В.І., Задорожний І.С., Задорожний Ю.І. Дослідження впливу незбалансованості елементів конструкції гіростабілізатора оптичного приладу на його вібростійкість.// Науковий збірник Житомирського державного технічного університету.-Житомир: - 2003. N 1- 24. –С.35-39.

4. Задорожный В.И., Задорожный И.С., Задорожный Ю.И. Математическое моделирование систем стабилизации и наведения оптических электронных комплексов. //Вісник Черкаського державного технологічного університету.-Черкаси: - 2002. N 4. -С. 32-36.

5. Задорожный В.И. Учет нелинейностей при синтезе гиростабилизатора оптической электронной системы. //Вісник Черкаського державного технологічного університету.-Черкаси: - 2003. N1. –С. 41-44.

6. Задорожный В.И., Задорожный И.С., Задорожный Ю.И. Исследование