CC BY
113
УДК 623 .4 .05
МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ ПЕРЕРЕГУЛИРОВАНИЯ ПАНОРАМНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА
В РЕЖИМЕ ПЕРЕБРОСА
А.И. Абрамов, Е.И. Бажанов, Д.А. Антонов
Проводится классификация кинематических схем построения панорамных устройств, рассматриваются методы устранения перерегулирования линии визирования в режиме переброса.
Ключевые слова: панорамная платформа, стабилизатор, режим переброса, перерегулирование.
В настоящее время оптико-электронные устройства и системы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, науки, техники, военном деле.
Оптико-электронные устройства в области военного применения представляют собой различного рода приборы для наблюдения и сканирования пространства, обнаружения и сопровождения объектов, управления и наведения образцов вооружения. Особое место занимают бортовые оптико-электронные устройства и системы, размещённые на подвижных носителях.
Специфика применения бортовых оптико-электронных устройств заключается в необходимости стабилизации линии визирования в условиях воздействия внешних климатических и механических факторов. При этом, в большинстве случаев, диапазоны углов стабилизированного перемещения (наведения) оптического элемента, например зеркала, и, следовательно, линии визирования ограничены и составляют в < [ -10 : 10] ° - по азимуту; а < [ -15 : 45 ] ° по углу места.
Задача стабилизации в ограниченном диапазоне углов наведения имеет достаточно большое количество структурных, кинематических и схематических решений[1]. Эти решения основаны, в основном, на реализации двухконтурного управления оптическим элементом - контура стабилизации и контура наведения, с использованием силовых или сигнальных гироскопов. В общем случае управляющее воздействие Г^) на оптический элемент формируется двумя различными способами. При первом способе, Г^) пропорционально угловому рассогласованию между положением этого элемента |3 и гироскопа <9(0:
ДО^Ш-Д), *о№)-/?) = Л£(0->0, ¿т1П <¿0 <£тах, где £т1П, £тах- минимальный и максимальный коэффициенты усиления контура управления, при которых сохраняется его устойчивость.
При втором способе является функцией от угловой скорости гироскопа ю(/) (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема формирования управляющего воздействия ¥(1) при управлении по угловой скорости гироскопа
Минимальная погрешность стабилизации достигается при коэффициентах &0 усиления контура управления, близких к максимальному:
Вместе с тем, некоторые применения оптико-электронныхсистем, например, оптическая локация пространства, требует возможности перемещения стабилизированной линии визирования на неограниченный угол по азимуту. В этом случае появляется противоречие между требованием неограниченного угла перемещения линии визирования и относительно простыми решениями задачи её стабилизации в ограниченном диапазоне углов. Разрешение этого противоречия также достаточно хорошо отработано [2] и заключается в размещении стабилизированного оптико-электронного прибора на вращающуюся панорамную платформу (рис. 2).
+ г
Рис. 2. Панорамное оптико-электронное устройство
116
При этом алгоритм решения задачи стабилизации изменяется несущественно, так как вращение панорамной платформы воспринимается и отрабатывается контуром стабилизации как внешнее механическое воздействие. Контур наведения здесь также не претерпевает принципиальных изменений, и сигналы наведения, как и прежде, поступают на двигатели вертикального и горизонтального приводов оптического элемента. Однако ограниченный диапазон его перемещения по горизонту не позволяет осуществить наведение с угловыми перемещениями за пределы указанного диапазона. Более того, достижение оптическим элементом механических упоров, определяющих допустимый диапазон перемещений, неизбежно приводит к «срыву»режима стабилизации и к нежелательным последствиям накопления передаточными звеньями цифрового контура управляющих воздействий рис. 1. Решение здесь, также очевидное и реализованное, заключается во введении в систему третьего контура - контура управления вращением панорамной платформы. Причём очевидно, что направление вращения платформы должно совпадать с направлением заданного наведением линии визирования, а её угловое перемещение в любой момент времени должно компенсировать требуемое угловое перемещение оптического элемента (рис. 3), то есть
к П *(Рп-У-Р) ® 0,
где КП - пропорциональный коэффициент; у - угол поворота панорамной платформы в общей системе координат; в - угол поворота оптического элемента в системе координат панорамной платформы; вп - целевой (требуемый) угол поворота линии визирования.
Рис. 3. Системы координат панорамного устройства: [Х общий; У общий] - главная (внешняя) система координат; [Х корпус; У корпус] - система координат панорамной платформы
117
Совместное функционирование стабилизированного оптического элемента и панорамной платформы осуществляется посредством обмена по цифровому интерфейсу значениями текущих углов: горизонтальным углом в оптического элемента прибора и углом у текущего положения панорамной платформы.При этом скорость выбранного интерфейса должна обеспечивать обмен данными за время, не превышающее время решения задачи стабилизации и наведения, то есть обеспечивать режим реального времени. В противном случае, система будет терять данные, что приведёт к ухудшению динамических свойств панорамного устройства. К тому же интерфейс должен обладать довольно простой логикой без квитирования и небольшим количеством служебных данных.
Примерами такого интерфейса можно рассмотреть Я8-485, ЬУБ8 и другие производительные цифровые интерфейсы с дифференциальным режимом передачи данных.
Определённая трудность управления системой с неограниченным диапазоном угла перемещения появляется в режиме целеуказания, где целевой угол впможет отстоять от текущего положения платформы на значительном угловом расстоянии, до значений Ар = рп —Ь £ ±180 градусов. Время прохождения платформой этого отстояния ограничено тактическими требованиями, поэтому скорость её вращения в данном режиме значительна и достигает нескольких десятков градусов в секунду - так называемый, режим переброса. В этом режиме линия визирования может подходить к целевому углу двумя способами: асимптотически или с «перебегом». Поскольку перерегулирование при достижении линией визирования целевого угла не допускается тактическими требованиями, необходимыми остаются различные варианты реализации асимметричного подхода.
Простым решением могло бы быть формирование управляющего воздействия по линейному закону 8нав = Кп * (Рп — у — р), однако математическое описание распределения моментов всех сил, действующих на стабилизатор и панорамную платформу несоизмеримо сложнее линейного закона управления.
В зависимости от кинематической схемы построения панорамного устройства и как следствие различного соотношения моментов инерции и трения, можно выделить два типа. Первый тип, в котором момент трения превосходит момент инерции, что приводит к перебегу угла, на котором обнулился сигнал наведения не более чем на £ градусов. Второй тип, в котором момент инерции превосходит момент трения, что приводит к перебегу угла, на котором обнулился сигнал наведения более чем на £ градусов. Значение угла С, определяется индивидуально для каждого панорамного устройства исходя из временных и скоростных требований, а так же массо-габаритных характеристик.
Таким образом, для того чтобы исключить перебег линией визирования целевого угла в режиме переброса или целеуказания панорамного устройства первого типа, можно при подходе линией визирования к целе-
I I °
вому углу (рп - р<д ) плавно или поэтапно принудительно снижать скорость наведения или переброса. При этом соотношение между моментами инерции и трения обеспечивают достижение целевого угла без перебега.
Для предотвращения перебега линией визирования целевого угла в панорамном устройстве второго типа, недостаточно просто уменьшать сигнал управления, отвечающий за скорость вращения оптического элемента, необходимо при подходе линии визирования к целевому уг-°
лу( рп -р<д ) тормозить панорамную платформу за счёт реверсивного
включения двигателя.
Однако подобное решение накладывает определённые требования на кинематические схемы построения приводов панорамной платформы, двигатель которого должен обладать:
- безлюфтовым исполнением;
- высокими динамическими и точностными характеристиками,
- широким диапазоном регулирования частоты вращения с реверсивным направлением,
- возможностью прохождения светового потока на оптический элемент через центральную ось вращения.
Сформированные требования реализуются использованием в качестве привода панорамной платформы бесконтактного моментного двигателя, который конструктивно представляет собой два соосных кольца - статор и ротор (рис. 4).
Рис. 4. Бесконтактный моментный двигатель
Однако для управления бесконтактным моментным двигателем необходимо постоянно контролировать положение ротора относительно ста-
тора и реализовать сложный алгоритм вычисления параметров коммутации фаз двигателя в зависимости от этого положения [3]. Как следствие, важным становится позиционирование статора двигателя и датчика углового положения ротора в корпусе устройства.
Соотношение моментов инерции и трения можно компенсировать при помощи момента привода. Бесконтактный моментный двигатель приводится в движение электромагнитным моментом на валу. Он образуется в результате взаимодействия магнитного поля ротора и тока, протекающего в обмотках статора, и может быть представлен как векторное произведение:
3 3 3
m=2 zp (У1 x Ю=- 2 zp x - 2)-2 zp(-2
где zp - число пар полюсов двигателя; in- вектора токов обмоток статора; - вектора потокосцепления статора и ротора.
Воспользовавшись выражениями для потокосцепления У1 = Lili + Lmi 2 =yii +yi2 и y2 = Lm-_i + l2 - 2 =y2i + представим его в виде
3 3 L 3 L
m =-ZpLm (- 2 x-1) --T Zp^m (y1 x i 2) =-Zp-m y2 x-1),
2 2 Li 2 L2
где Ln - индуктивность обмоток фаз статора.
Модуль вектора электромагнитного момента можно определить через проекции векторов сомножителей. Для произвольных векторов а и b модуль векторного произведения равен разности скалярных произведений проекций векторов на ортогональные оси координат, т. е.:
1 1 *
c - аX b - (üm + jan) х (bm + jbn ) ^ |c| = I m(a_xb) - Qmbn - a^m .
Поэтому любое из этих выражений позволяет найти модуль электромагнитного момента |m|=m, выразив входящие в него векторы через их проекции на координатные оси m-n. Например, электромагнитный момент определяется через произведение потокосцепления ротора на ток ротора в виде
3 3
m =- 2 zp (У2х + j У2y ) x (-2х + j-2y ) = - 2 zp (У2х-2y - У2y-2х) =
3 2
Управляя переключением обмоток статора бесконтактного момент-ного двигателя и как следствие токами в обмотках статора, можно управлять направлением вращения, развиваемым моментом и полностью контролировать положение ротора в пространстве.
Таким образом, коммутацией фаз бесконтактного моментного двигателя привода панорамной платформы таким образом, чтобы электромаг-
- - zp (y2y-2х - y2х-2y ).
нитное поле статора двигателя начало отставать от ротора, обеспечивается взаимодействие отстающего электромагнитного поля статора с опережающим магнитным полем ротора, что, в свою очередь, создаёт момент, который компенсирует разность момента инерции и момента трения панорамного стабилизатора. Подобное взаимодействие моментов приведёт к появлению реверсивного торможения панорамной платформы, что позволит своевременно снизить скорость и не допустить «перебега» линией визирования целевого угла.
Предложенные методы позволяют не допустить «перебега» линией визирования целевого угла в режиме переброса и обеспечить требуемый временной интервал. Необходимо разработать методику, которая позволит рационально определить подходящий метод борьбы с перерегулированием панорамной платформы на основании конкретных значений физических характеристик панорамного устройства, таких как габариты, масса, моменты необходимые для трогания и останова и т. д. А также в выбранном методе позволит рассчитать рациональные параметры и характеристики формирования управляющих воздействий: в одном случае, количество участков, значения скоростей и углов на которых будет происходить переход на интервал с более низкой скоростью перемещения оптического элемента панорамного устройства; в другом случае, распределение моментов в системе, значения и знаки напряжений в фазах статора бесконтактного моментного двигателя.
Список литературы
1. Берлин И.Б. Силовые гироскопические стабилизаторы: Синтез структур. Динамические погрешности. Статистическая оптимизация. М.: ЦНИИ информации, 1978. 260 с.
2. Берлин И.Б. Танковые стабилизаторы оси визирования (основы теории). М.: Дом техники, 1964. 222 с.
3 .Бесконтак122-130
тные моментные электродвигатели серии ДБМ [Электронный ресурс] // URL :http://www.laborant.ru/eltech/01/8/4/42-98.htm, свободный (дата посещения: 7.09.2014).
Абрамов Алексей Иванович, д-р техн. наук, giros@zenit-kmz.ru, Россия, Красногорск, открытое акционерное общество ««Красногорский завод им. С.А. Зверева»,
Бажанов Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., bazhanov@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
Антонов Дмитрий Александрович, магистр, инженер-электроник 1 категории, A_Dmitry@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
ELIMINATION METHODS OVERSHOOT PANORAMIC OPTOELECTRONIC DEVICE
IN UMKLAPP MODE.
A.I. Abramov, E.I. Bazhanov, D.A. Antonov
In this papera classification of kinematic schemesfor constructing panoramic devices, consider methods to eliminate over shootthe line of sight in umklapp mode.
Key words: panoramic platform, stabilizer, umklappmode, overshoot.
Abramov Alexey Ivanovich, doctor of technical sciences, giros@zenit-kmz.ru, Russia, Krasnogorsk, JSC «Krasnogorsky Zavod», KMZ «ZENIT»,
Bazhanov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, bazhanov@olvs. miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology "MIET",
Antonov Dmitry Alexandrovich, Electronics Engineer Category, A_Dmitry@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology "MIET"
УДК 621.396.98(100):519.673
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПРЯМОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ ФАЗОВОЙ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ПОСЛЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОТЕРИ СИГНАЛОВ ПРИЕМНИКАМИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
Д.В. Калеев, А.Н. Соловьев, Ю.В. Савченко
Многоантенные навигационные системы обеспечивают определение относительных координат объектов с сантиметровой погрешностью. Кратковременное пропадание сигнала может привести к необходимости повторного разрешения фазовых неоднозначностей: появлению так называемого «холодного старта», занимающего несколько минут. Включение инерциальной системы в состав многоантенной спутниковой системы обеспечивает «поддержку решения» навигационной задачи на время потери спутниковыми приемниками сигналов. Предлагаемая оценка и выбор параметров используемой инерциальной системы обеспечивают «прямое» (т.е. без итерационных процедур и задержек) вычисление фазовых неоднозначностей.
Ключевые слова: многоантенные спутниковые системы, инерциальные навигационные системы.
Многоантенные навигационные системы [1], обеспечивающие высокую точность определения относительных координат объектов (сантиметровая и миллиметровая погрешность) при относительно невысокой стоимости (обусловленной использованием дешевых «одночастотных»
