CC BY
143
ры ЛАЛС к эксплутационным воздействиям, тестирование логического канала на соответствие паспортным данным и испытание канала в составе ЛВС, заносятся в журнал испытаний по каждому типу оборудования.
По результатам испытаний делается вывод о соответствии параметров каждого типа аппаратуры ЛАЛС паспортным данным.
По фактическим результатам испытаний осуществляется сравнительный анализ аппаратуры лазерных каналов связи по критериям дальности, скорости передачи данных, стоимости и эксплуатационной пригодности.
Для надежной работы атмосферных оптических линий связи необходимо предварительно спланировать трассу прохождения сигнала. При проведении анализа нужно придерживаться следующих принципов:
- на линии луча приемо-передающего модуля (ППМ) не должно быть препятствий;
- необходимо учитывать сезонные изменения (появление листьев на кроне дерева, провисание проводов в теплое время года и т.д.);
- не следует прокладывать трассу над трубами предприятий. При выбросах образуются облака пара, взвешенных частиц, которые могут ухудшить связь между ППМ.
Данные принципы должны соблюдаться на всем протяжении работы канала.
При подготовке площадки и монтаже аппаратуры ЛАЛС необходимо соблюдать следующие требования:
- основание площадки должно быть жестким (капитальная стена здания, пересечение стен, ребра жесткости конструкций);
- конструкция площади не должна искривляться под действием тепловых и ветровых факторов;
- для обеспечения техники безопасности, как при монтаже, так и при эксплуатации канала, необходимо размещать ППМ в недоступных для неквалифицированного персонала местах.
Опора ППМ должна надежно крепиться на бетонное основание или кирпичную кладку с помощью анкерных болтов. Главное, чтобы основание ППМ жестко крепилось на самих болтах, а не на гудроне, рубероиде и т.д. Крепление на мягкие материалы может привести к непредсказуемым движениям ППМ.
На основании данной методики выбор места установки аппаратуры ЛАЛС должен выполняться с учетом перечисленных выше рекомендаций и требований для обеспечения наиболее эффективной работы ЛАЛС.
Библиографический список
1. Дмитриев, В.П. Атмосферные оптические каналы связи / В.П. Дмитриев, А.К. Гребнев //Электроника и техника СВЧ и КВЧ. - Т. 5. - Вып. 3. - 1997.
2. Ррозеншер, Э. Оптоэлектроника / Э. Ррозеншер, Б. Винтер. - М.: Техносфера, 2004.
3. Клоков, А.В. Беспроводные ИК-технологии, истинное качество «последней мили» / А.В. Клоков // Технология и средства связи, 1999.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ
сложного объекта с учетом особенностей его динамических характеристик
А.В. БАБИН, асп. каф. системы автоматического управления МГУЛ, И.П. КОЗЛОВ, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук
Современный этап развития ракетно-космической техники (РКТ) характеризуется переходом от аналоговых к цифровым системам управления (СУ). Системы управления на основе бортовых цифровых вычислительных машин открывают новые возможности опти-
naoreshek@yandex.ru
мизации и повышения точности управления, автоматизации процессов наземной подготовки ракет к запуску, использования современных методов при проектировании СУ и в целом повышения экономической эффективности средств выведения космических аппаратов.
20
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
С начала появления управляемых ракет успешность их полета в значительной степени зависела от способности систем управления обеспечивать устойчивость движения. Для создания системы, обеспечивающей устойчивость программного движения ракеты-носителя (РН), необходима математическая модель возмущенного движения, которая адекватно описывает динамические процессы с целью решения следующих задач: 1) проведение структурного и параметрического синтеза алгоритмов стабилизации, обеспечивающих техническую устойчивость; 2) проведение математического моделирования возмущенного движения для оценки влияния на точность стабилизации возмущающих факторов.
В последние годы в соответствии с федеральной космической программой в России ведутся интенсивные работы по созданию нового класса ракет-носителей большой грузоподъемности. К ним, прежде всего, относится ракета космического назначения (РКН) «Ангара А5», пробный пуск которой намечен на 2013 г., РН «Русь М», а также ряд носителей тяжелого класса повышенной грузоподъемности, предназначенных для выполнения полетов на Луну и Марс.
Отличительной особенностью таких объектов, усложняющей решение проблем динамики и стабилизации, является то, что они, как правило, имеют пакетную компоновку, а это приводит к необходимости считаться с существенным влиянием ряда следующих факторов: значительная степень собственной статической неустойчивости; наличие на борту колеблющихся компонентов топлива; упругость конструкции; нежесткость подвески поворотных маршевых двигателей, используемых в качестве исполнительных органов; продольные колебания топлива в магистралях. Размерность динамической схемы, на основе которой разрабатывается СУ, может доходить до 100 и даже превышать указанное значение.
В связи с этим необходимо иметь алгоритмы, методологию и соответствующее программное обеспечение, позволяющие проводить структурный и параметрический
синтез алгоритмов стабилизации и анализ «чувствительности» замкнутой системы к разбросам параметров с учетом влияния всего многообразия перечисленных факторов. Наличие разного рода особенностей и обуславливает необходимость разработки специализированного проблемноориентированного программного комплекса математического моделирования динамики объектов данного типа, поскольку существующее универсальное математическое обеспечение при всем совершенстве не отражает этих особенностей и, кроме того, в силу универсальности является неудобным и трудозатратным в использовании разработчиками при решении задач обеспечения устойчивости.
В данной статье приводится пример исследования влияния динамических факторов на возможность выбора настроек алгоритма угловой стабилизации для РКН типа «Ангара А5».
Общие положения
«Ангара» - семейство ракет-носителей модульного типа, включает в себя носители четырех классов - от легкого до тяжелого - в диапазоне грузоподъемностей от 2 (Ангара 1.1) до 24,5 (Ангара А5) тонн для вывода на низкую околоземную орбиту при старте с Плесецка. Ракета-носитель тяжелого класса «Ангара А5» - трехступенчатая РН пакетной компоновки (на первой ступени имеет пакетную связку из пяти унифицированных блоков с автономными системами питания двигательных установок), работающая на экологически чистых компонентах топлива нафтил и жидкий кислород.
Динамическая схема РКН как объекта регулирования - это математическая модель ее возмущенного движения в рабочей полосе частот автомата стабилизации (АС), представляющая собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений относительно обобщенных координат (независимые переменные, число которых равно числу учитываемых степеней свободы механической системы и которые однозначно определяют ее состояние). Под АС понимается трехканальная система управления (включающая кана-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2012
21
лы тангажа, рыскания и крена), реализованная в составе бортовой аппаратуры системы управления. АС контролирует поведение РКН в полете с помощью измерительной системы, которая состоит из датчиков ускорений (акселерометров), установленных на гиростабилизированной платформе (ГСП) в приборном отсеке центрального блока (ЦБ) и датчиков угловых скоростей (ДУС), установленных на корпусе ЦБ РКН.
Управляющие воздействия при движении РКН создаются путем отклонения качающихся частей двигателей центрального блока и 4-х боковых блоков (ББ). Двигатели каждого блока отклоняются с помощью двух электрогидравлических сервоприводов, установленных во взаимно-перпендикулярных плоскостях.
В матричном виде уравнения возмущенного движения ракеты в любом канале стабилизации записываются следующим образом
AU + Bu + Cu = Da5a + De 5F.
Матрицы A, B, C (матрицы масс, демпфирования, жесткости) и D в связи с расходом топлива и изменением параметров атмосферы изменяются по времени полета.
Ниже в развернутом виде представлен вектор состояния (36 переменных, определяющих динамику РН) для канала рыскания.
u = (Z,*¥, Sj,...,s14, ql,...,q15, rx,r2, Sj,S2,).
Первые две переменные - смещение по оси Z и поворот вокруг оси ¥;
s ...s - координаты, характеризующие перемещение жидкости (12 основных и два дополнительных тона);
q ...q15 - 15 тонов упругих колебаний корпуса;
r1, r2- два тона, характеризующих колебание жидкости в топливных магистралях;
51, 52, 53 - управляющие воздействия (соответственно поворот двигателей центрального блока, поворот двигателей боковых блоков и дополнительный поворот двигателей).
Программно-математическое обеспечение (ПМО) для анализа динамики сложных объектов. Для решения поставленных задач,
которые играют важную роль при проектировании системы стабилизации РКН, разработано соответствующее ПМО, в основу которого положен классический в теории управления метод D-разбиения [1, 2], позволяющий оценить разбросы настроек автомата угловой стабилизации, с выделением из всей области конкретного участка, обладающего устойчивостью. А также метод частотного анализа, где по выбранным из области устойчивости настройкам АС строится годограф Найквиста-Михайлова. Для информативности на экран выводятся частоты собственных колебаний системы (в радианах) и запасы устойчивости по фазе (в градусах).
Приведем пример работы данного комплекса.
Рассмотрим, каким образом с помощью разработанного ПМО можно усовершенствовать систему стабилизации, пользуясь известными методами устранения влияния различных динамических факторов на свойства исследуемого объекта [3].
На активном участке полета ракета проходит через плотные слои атмосферы, где особенно существенны аэродинамические силы, действующие на ее корпус. Решается задача обеспечения таких свойств замкнутой системы, состоящей из упругого корпуса, заполненного жидкостью, и системы стабилизации, чтобы возникшие колебания всегда затухали. Существует несколько способов решения данной проблемы. Об их достоинствах и недостатках узнаем ниже.
Алгоритм угловой стабилизации имеет следующую структуру
1 - z-1
L (*) = ( kw+kwi • ——).
T0
L^(z) - оператор, описывающий алгоритм угловой стабилизации, основанный на отрицательной обратной связи по углу и угловой скорости. Выражение (1 - z"1) / T0 представляет собой численное дифференцирование по времени с использованием первой разности. Коэффициенты К^ и К^ в связи с изменением свойств объекта регулирования по полету являются переменными, зависящими от времени.
22
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Сформируем исходную область, с которой будет вестись дальнейшее сравнение. Для этого сигнал считываем с ГСП, расположенной на «носу» нашего объекта. Данная область обозначена на рис. 1 как «I» и является областью устойчивости.
При проектировании любых систем существует ряд противоречивых требований, которым надо удовлетворять. Необходимо выбрать такие настройки АС, которые бы обеспечивали минимум двукратный запас, желательно по обоим коэффициентам (что не всегда удается получить на практике). Выбираем из области K =0,3, K=0,7.
Здесь же следует отметить, что желательно иметь широкую область устойчивости с рабочей точкой, лежащей подальше от гра-
ниц (в разы), т.к. динамика в процессе полета меняется под действием внешних факторов, что сразу же отразится на размерах нашей области, плюс ко всему прочему математическая модель лишь приближена к реальности и могут проявиться другие, неучитываемые особенности объекта, а это другие степени свободы. Но следует отметить и тот факт, что при выборе коэффициентов АС необходимо учитывать, как они влияют на динамические свойства системы в целом. Например, для амплитудной стабилизации упругих колебаний (а ведь это только одна из особенностей такого рода объектов) уменьшают динамический коэффициент усиления, что несложно осуществить на больших частотах (на малых частотах, которые характерны для низших то-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
23
фйстД
нов колебаний больших ракет, уменьшить КАС практически невозможно, при необходимости возможна установка узкополосных фильтров). Вот только как это скажется на запасах по фазе?
Вернемся к выбранной рабочей точке. Построим годограф Найквиста-Михайлова (рис. 2). Можно видеть, что система устойчи-
ва (а это и требуется), запасы по фазе составляют ~ 15о, при этом допустимыми являются 30о, также некоторую опасность представляет фрагмент годографа, назовем его «кругом», образованный частотами ~ 35-37 радиан/сек, что соответствует 6-7-му тону упругости. Опасен он тем, что фаза его может измениться, а это означает, что возникновение неустойчи-
24
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Рис. 4. Годограф Найквиста-Михайлова (со «смешением» сигналов). K =0,8, Kv=1,1
вости на этих частотах будет иметь «разрушающий» характер для конструкции и поэтому является недопустимым, но это только в том случае, если точка (1;0у) будет охвачена.
Попробуем устранить возникшую опасность.
Как предлагалось выше, введем узкополосный фильтр (режекторный фильтр), который используют только для высоких частот, т.к. он оказывает влияние на первые тона, а именно, искажает низкие частоты. Передаточная функция его имеет вид (для подавления частот ~ 36 радиан/сек, в конкретном примере)
= р2 + 7 • р + 362 р2 + 36 • р + 362
Область устойчивости не сильно изменила вид по сравнению с предыдущим случаем (рис. 1, штриховая линия). Оставим те же настройки и посмотрим на годограф (рис. 3). Система по-прежнему устойчива, запасы не удовлетворяют минимальным требованиям, но введение фильтра оправдано его эффективностью - диаметр опасного «круга» уменьшился в пять раз. Этого мы и добивались. Но остался один момент - запасы по фазе.
Способ гашения упругих колебаний при помощи автомата угловой стабилизации
(пассивный метод, один из вариантов рассмотрен выше) не является единственным. Наиболее очевидное решение заключается в компенсации их другими колебаниями, имеющими ту же амплитуду и частоту, но противоположными по фазе. При активном методе датчики помещают в тех местах, где можно получить максимальные сигналы.
Используем «смешение» сигналов с ГСП и ДУС, расположенного в «хвосте» носителя. Тогда алгоритм стабилизации распадается на две составляющие, весовые коэффициенты к которым необходимо подобрать в соответствии с распределением сигналов, в нашем случае
L¥ (z) ~ 0, 4 • Lrcn ¥1 (z) + 0, 6 • Lpyc ¥ 2 (z) .
Построим область устойчивости. Как и следовало ожидать, произошли значительные изменения. Выберем из области «II» новые настройки. Пусть K =0,8, K=1,1, теперь мы имеем трехкратные запасы в обоих направлениях, чего не наблюдалось до этого.
На рис. 4, где изображен годограф Найквиста-Михайлова для последнего случая, отметим, что запасы по фазе увеличились вдвое, что не может не радовать, этого мы добились путем выбора новых коэффициентов усиления, которые, в свою очередь,
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2012
25
