CC BY
154
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЗАХВАТА И АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ ЦЕЛИ В СИСТЕМАХ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СЛЕЖЕНИЯ М.М. Мотылькова Научный руководитель - д.т.н., профессор В.В. Григорьев
В статье исследуется система пространственного слежения в наиболее распространенных режимах ее работы - захват и автосопровождение цели для различных вариантов построения регуляторов для исполнительных механизмов. Делается вывод о достижении заданных показателей качества
Введение
Автоматический обзор пространства с целью получения информации о находящихся в нем объектах представляет существенный интерес для ряда областей промышленности. В настоящее время возник ряд задач, связанных с исследованием и просмотром больших территорий и пространств. Локационные системы пространственного слежения позволяют измерять с большой точностью координаты и скорость объекта, получать исчерпывающую информацию о его форме, определять характеристики его поверхности.
К системам пространственного слежения относятся следящие системы, предназначенные для автоматического сопровождения и выработки пространственных координат подвижных объектов, перемещающихся в пространстве по неизвестной траектории. Основная задача этих систем - воспроизведение данных о входном изображении, создаваемом излучением от объекта.
В системах автоматического сопровождения входными координатами радиолокационных следящих систем являются угловые положения объекта сопровождения и дальность. Сигналы, определяющие текущие координаты объекта, получаются с помощью пеленгационного устройства и поступают на вход следящих систем. Выходными координатами следящих систем являются текущие координаты объекта сопровождения, передаваемые приборами управления. Выходные координаты отличаются от входных ошибкой системы сопровождения. Автоматическое измерение текущих координат объекта производится путем непрерывного совмещения равносигнального направления с направлением на объект, т. е. устранением угла ошибки, возникающего при перемещении объекта сопровождения и носителя в пространстве [1].
В данной работе исследуются режимы захвата и автосопровождения в следящей локационной станции с коническим сканированием с П-регулятором и И-регулятором, а также с новым типом регулятора, построенным по ключевой схеме.
Функциональный состав системы пространственного слежения
В следящей системе радиолокационной станции антенны, с одной стороны, представляют собой объекты управления, с другой, являются элементами сравнения или измерительными элементами, где из g (текущих угловых координат объекта) производится вычитание у (угловых положений равносигнального направления в пространстве). Ошибки е действуют на пеленгационное устройство, на выходе которого возникают напряжения сигналов ошибки иош. Эти напряжения преобразуются общим трактом в управляющие напряжения, которые подводятся к исполнительным механизмам ИМ, которые развивают скорость вращения 0,дв. Исполнительные двигатели через редукторы поворачивают антенны и тем самым изменяют угловое положение равносигнально-го направления в пространстве, стремясь совместить его с направлением на объект со-
провождения. Главные обратные связи физически замыкаются через пространство и структурно имеют коэффициент передачи «-1».
Функциональная схема следящей системы представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема следящей системы радиолокационной станции
Следящие системы радиолокационных станций автоматического сопровождения и управления по направлению представляют собой замкнутые автоматические системы, принцип действия которых основан на сравнении действительного значения угловой координаты объекта в пространстве с положением равносигнального направления. С помощью выявляемого при сравнении рассогласования, или ошибки, осуществляется управление антенной таким образом, чтобы равносигнальное направление непрерывно совмещалось с направлением на объект. При этом по угловому положению антенны определяются текущие угловые координаты, а по скорости вращения антенны - угловая скорость объекта относительно станции.
Пеленгационное устройство удерживает в поле зрения подвижный объект, отрабатывая с помощью приводов углов места (УМ) и азимута (УА) рассогласование между направлением на объект и осью направленности излучения (осью визирования). Относительное рассогласование между направлением на объект и осью визирования преобразуется пеленгатором и общим трактом в электрические сигналы, которые поступают на регулятор, управляющий приводами УМ и УА. Выходные сигналы общего тракта, как правило, зависят нелинейно от ошибок по УМ и УА.
В системах пространственного слежения переход от режима поиска к режиму автосопровождения объекта наблюдения называют захватом цели. Под режимом захвата цели будем понимать состояние системы, начиная с момента попадания объекта наблюдения в поле зрения системы до момента, начиная с которого система пространственного слежения сопровождает цель с требуемой для обеспечения функционирования этой системы точностью. Анализ захвата состоит в определении условий захвата - области начальных отклонений, из которой все траектории стягиваются к устойчивому положению равновесия, т.е. осуществляется переход к режиму автосопровождения. Необходимо определить области захвата цели для системы пространственного слежения.
Отслеживание траектории движения цели системой называется автосопровождением. Необходимо определить максимальные скорости автосопровождения, т. е. области определения устойчивости системы в режиме слежения [1].
Моделирование системы пространственного слежения
С помощью пакета моделирования МЛТИЬЛВ «81ши1тк» была построена схема моделирования следящей радиолокационной станции с общим трактом, по физическим закономерностям своей работы наиболее приближенная к реальным. Подробное описание построения общего тракта можно найти в [2] и [3]. Затем была построена общая схема моделирования, которая приведена на рис. 2. С помощью этой схемы было про-
ведено исследование режима захвата и автосопровождения в следящей радиолокационной станции с коническим сканированием с пропорциональным, интегральным регуляторами и регулятором, построенным по ключевой схеме. При этом исследовались несколько случаев: при различных частотах сканирования, при различном количестве посылок на один оборот сканирования.
Рис. 2. Общая схема моделирования следящей радиолокационной системы
Вследствие большого количества результатов моделирования приведем лишь часть результатов в виде графиков ошибок (для частоты сканирования 50 Гц и 4 посылок на оборот сканирования). Остальные результаты моделирования сведены в таблицы (табл. 1 и табл. 2 - данные для режима захвата цели с П- и И-регуляторами, соответственно, табл. 3 и табл. 4 - данные для режима автосопровождения цели с П- и И-регуляторами, соответственно).
Частота Количество посылок на оборот сканирования Время пере- Перерегу- Амплитуда установив- Значение, при котором
сканирования, Гц ходного процесса, с лирова-ние, % шейся ошибки, град происходит срыв захвата, град
20 0.82 0 0.0164 2.46
50 4 0.77 0 0.0059 2.45
100 0.785 0 0.00255 2.46
20 16 0.77 0 0.0185 2.26
50 0.8 0 0.0068 2.32
100 12 0.8 0 0.0028 2.33
20 0.76 0 0.018 2.25
50 48 0.78 0 0.00685 2.3
100 0.83 0 0.0028 2.34
Таблица 1. Результаты моделирования для режима захвата цели с пропорциональным
регулятором
Частота сканирования, Гц Количество посылок на оборот сканирования Время переходного процесса, с Перерегулирование, % Амплитуда установившейся ошибки, град Значение, при котором происходит срыв захвата, град
20 4 0.87 19.83 0.044 2.42
50 0.79 26.36 0.0072 2.58
100 0.9 26.31 0.0017 2.68
20 16 0.82 27.11 0.046 2.25
50 0.79 25.71 0.0086 2.45
100 12 0.83 24.22 0.0022 2.56
20 48 0.86 27.68 0.0465 2.24
50 0.84 25.31 0.0086 2.45
100 0.76 24.31 0.0022 2.55
Таблица 2. Результаты моделирования для режима захвата цели с интегральным
регулятором
Частота сканирования, Гц Количество посылок на оборот сканирования Значение, при котором происходит срыв слежения, град/с
20 4 25.06
50 4.6
100 4.7
20 16 5.2
50 4.9
100 12 5
20 48 5.2
50 5.1
100 5.1
Таблица 3. Результаты моделирования для режима автосопровождения цели с пропорциональным регулятором
Частота сканирования, Гц Количество посылок на оборот сканирования Значение, при котором происходит срыв слежения, град/с
20 4 37.87
50 37.56
100 37.45
20 16 38.01
50 37.08
100 12 36.76
20 48 38.27
50 37.18
100 36.76
Таблица 4. Результаты моделирования для режима автосопровождения цели
с интегральным регулятором
На рис. 3-8 приведены результаты моделирования (графики ошибок по каждому из каналов) для режима захвата и автосопровождения цели с параметрами, указанными выше.
е,,е2
з
2 1
-1
£ |
1
е1>е2
3
........--:--—.....1..........
е1>е2
3
а)
---------- ---------- ----------
0.2
04 06
в)
0.8 1,С
е1'е2
3
б)
0.2 0 А 06 0.8 г,С
г)
Рис. 3. Графики ошибок для режима захвата цели для системы с пропорциональным регулятором: а) е1=0.5, е2=0; б) е1=1, е2=0; в) е1=2, е2=0; г) е1=3, е2=0
е1=е2
е1'е2
02 0.4 0.0 О.В г,С
а)
еЪе2
2
1 □
-1 -2 -3
е1'е2
в)
ая
Рис. 4. Графики ошибок для режима захвата цели для системы с интегральным регулятором: а) е1=0.5, е2=0; б) е1=1, е2=0; в) е1=2, е2=0; г) е1=2.65, е2=0
е1'£2
-1
е]'е2
2
ч01
Чг
е]'е2
2
1
02 0.4 0.6 0.8 1,С
\ е, ;
Д!
0 0.2 0.4 0.6 0.8
-1
е]'е2
2
1
О2 04 0*6 сГз Р _61
в)
Рис. 5. Графики ошибок для режима захвата цели для системы с ключом: а) е1=0.5, е2=0; б) е1=1, е2=0; в) е1=2, е2=0; г) в1=2.65, е2=0
е1>е2
0.5
-0.5
е1>е2
0.5
е,,е2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 г,С
а)
-0.5
Ы
е1'е2
0 02 0.4 06 б)
0.8 ^С
-0.5
О 0.2 04 06 0.8 ЦС
в)
! ! ! I
-05
0.2 0.4 0.6 0.8 Т|С
г)
Рис. 6. Графики ошибок для режима автосопровождения цели для системы с пропорциональным регулятором: а) е1=0.51, е2=0; б) е1=21, е2=0; в) е1=41, е2=0;
г) е^, е2=0
е1>е2 4
3 2 1
0 -1
е1>е2
4
3 2
1 О
-1
\§2
е1>е2
4
3 2 1 О -1
I
|
.........Г-......... .........
|
а!
0.2 0.4 0.В
03 ЕЕ
в)
03 ^
еЪе2
2
1
Рис. 7. Графики ошибок для режима автосопровождения цели для системы с интегральным регулятором: а) в1=51, е2=0; б) е^101, е2=0; в) е^251, е2=0;
г) е^37.571, е2=0
е1'е2
-1
е1'е2
0 0.2 0.4 0.6 0.8
а)
д
\ ^
в)
Рис. 8. Графики ошибок для режима автосопровождения цели для системы с ключом: а) е^51, е2=0; б) е1=101, е2=0; в) е^201, е2=0; г) е1= 251, е2=0
Заключение
Синтезированная в ходе работы система обеспечивает заданные показатели качества. По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что в режиме захвата целесообразнее использовать схему с пропорциональным регулятором, так как обеспечиваются высокие динамические и точностные показатели, а в режиме автосопровождения - с интегральным, так как в этом случае пропорциональный регулятор не обеспечивает высокой точности. Ключевая схема обеспечивает надежный захват, а в режиме автосопровождения - высокую точность слежения.
Литература
1. Артамонов В.М. Следящие системы радиолокационных станций автоматического сопровождения и управления. Л.: Судостроение, 1969. 488 с.
2. Motylkova M., Kozis D. Allocation systems with scanning. // Preprints of BOAC'2004. Saint-Petersburg, 2004. P.221-224.
3. Ткаченко В.Р., Демин А.В. Математическая модель пеленгационной системы с редкими посылками. / Межинститутский сборник. Л.: ЛИТМО, 1989. C.88-93.
4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.
5. Бобцов А.А., Мирошник И.В. Линейные системы автоматического управления. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2001. 245 с.
