Full Text

Введение. Оптические и лазерные автоматические системы, выполняющие сначала сканирование поле пространства наблюдения для обнаружения в нем искомого объекта с последующим переходом в режим слежения за его перемещением, в наибольшей мере соответствуют автоматическим средствам контроля состояния пространства наблюдения [1-35]. Принципиальная особенность автоматических систем [1-4, 18-25]: необходимость осуществления процедуры обнаружения искомого объекта на начальном этапе работы. Это определяет их способность к переходу в режим слежения, контроля и управления объектом и процессом. Поэтому для такого типа прецизионных лазерных и светодиодных систем важно решение проблемы обеспечения наибольшей эффективности на начальном этапе работы, именуемом [1, 3-14] режимом поиска и обнаружения. Требования к режиму поиска и обнаружения характеризуются [1, 3-18, 20-25] целью достижения наилучших вероятностных показателей обнаружения при наивысших значениях чувствительности, помехозащищенности, точности, быстродействия и устойчивости. В конечном итоге эффективность лазерных систем поиска определяется качеством их реализации и степенью оптимизации их параметров для решаемой задачи. В настоящее время высокую актуальность приобрели задачи контроля канала наблюдения и управления объектами, многомерной диагностики параметров и компенсации искажений изображения или волнового фронта лазерного излучения, принимаемого системой, в условиях воздействия турбулентности и мощного электромагнитного излучения на канал наблюдения и управления объектами. Для увеличения размеров поля наблюдения объектов для осуществления процедуры их поиска лазерные системы устанавливают на управляемые динамические платформы [1-2, 4-14, 22, 25-34]. Подобная необходимость существует и в области контактной сварки ответственных элементов атомной энергетики [36]. Принципиально динамические платформы могут быть конструктивно выполнены на широком спектре номенклатуры элементов и устройств, использующих различные физические принципы, лежащие в основе их функционирования как электрических, электромеханических преобразователей энергии и электрических аппаратов [1-2, 4-14, 22, 25-34]. Платформы как силовые узлы предназначены для перемещения в пространстве технического оборудования, динамические платформы часто выполняют на элементах, в основу работы которых положены фундаментальные базовые принципы пьезоэлектричества и электромагнетизма, а также принципы электрических и электромеханических физических явлений. При этом обычно используют явления, основанные на действии электрических и магнитных полей, возникающих при протекании электрического тока управления состоянием элементов исполнения отдельных приводов многокоординатных платформ. Ниже для предварительной оценки способности программного подхода как имитатора решения такой задачи, использующей обобщенное представление структурных схем компоновки известных типов, в том числе отечественных динамических платформ, исследована возможность применения для грубого наведения лазерной системы на объект многокоординатной динамической платформы [27-32]. Цель исследования включала разработку векторного типа микропроцессорной (МП) электромеханической системы управления подвижной платформой с лазерной системой наведения на базе рекомендованных операционной средой известных средств разработки встроенного программного обеспечения серии процессоров Texas Instruments [15-17, 35]. Основа Simulink [38] использована при этом как средство для проектирования и имитации работы динамических систем. Важнейшим направлением развития имитационных средств и устройств является разработка новых принципиальных решений построения программных, алгоритмических и компьютерных средств имитации того или иного процесса в системе, позволяющих более рационально решать задачи, связанные с имитацией и представлением этого информационного или физического процесса. Задача сильно усложняется, когда в комплексе имитации приходится использовать виртуальное представление первичной информации разной физической природы. Это усложнение объясняется тем, что первичные преобразователи с различными принципами действия информационный сигнал о состоянии объекта наблюдения преобразуют в разные значения существенно отличающихся друг от друга параметров идентификации состояния объекта. По этой причине вопрос создания простых и надёжных средств и алгоритмов имитации процессов функционирования систем, обладающих при этом достаточной точностью отражения реальности при высоком быстродействии формирования имитирующего процесс или систему сигнала, до сих пор остаётся актуальным. В качестве фактора, комплексно объединяющего разнородные преобразователи информации и разные системы, используется их математическое описание, учитывающее с наибольшей полнотой действие всех физических принципов, используемых для получения объединяемых в имитируемом средстве информационных сигналов и систем. Другими словами, для качественной программно-аппаратной имитации необходимо наличие адекватных реальности математических моделей процессов и систем [1, 35-42]. Ниже на виртуальном примере действия платформы по одной из координат ([х; y; z; v; t] или по углу места, азимуту, скорости движения и т.п.) измерительной системы пространства наблюдения лазерной системой подвижного объекта проведён анализ возможности практического функционирования программного имитатора обобщённого типа динамической платформы с лазерной системой. На базе стандартных [1, 15-17, 36-42] компьютерных программных средств (например: Simulink, MatLab, протоколов обмена Ethernet, среды разработки встроенного программного обеспечения для сигнальных процессоров) в среде Windows разработаны математические и компьютерные модели отдельных типов приводов, включая модели оригинальных пьезоприводов многомерного управления [26-32], для виртуального комплекса программной имитации работы динамической платформы. С применением части некоторых оригинальных наработок выполнено имитационное моделирование функционирования платформы в разных режимах виртуального её действия. Современные имитаторы поведения динамических процессов и объектов обладают сложной структурой. Структурно для лазерных систем поиска и наведения они используют [36-42] многоуровневый программно-аппаратный комплекс. Их совершенствование ведёт к заметному ужесточению требований к качественным показателям лазерных и оптических следящих систем, таким как точность, быстродействие и т.п. Для оценки эффективности выполнения поставленных требований к лазерным системам подход имитационного моделирования с использованием программных методов часто оказывается наиболее привлекательным. Подобного рода система может быть реализована на основе привода для имитации влияния среды на деформирование волнового фронта излучения от подвижного объекта во время его движения. Другой вариант исполнения имитационного моделирования - с использованием принципа частотного управления действием электромеханического привода слежения за траекторией движения объекта на малой, с меньшей инерционностью, платформе с учетом вариаций динамических режимов движения объекта наблюдения. Во многих случаях реализация принципа разделения движений [1, 35] приводит к улучшению качества следящих систем более простым способом, а иногда и единственно возможным. При проведении исследований методом программного имитационного моделирования желательно, чтобы лазерная система обнаружения и наведения объекта как управляющее устройство могла активно изменять параметры системы и поддерживать её характеристики на требуемом качественном уровне. Этот уровень должен быть максимально приближен к теоретически предельно возможному или оптимальному. Следуя требованиям, сформулируем задачи, программно решаемые имитатором грубого наведения, в следующей исследовательской постановке: - формирование и исполнение сигналов задания скорости и ускорения по осям вращения динамической платформы должно проводиться с учетом спектра влияния меняющегося внешнего возмущения; - процедура моделирования учитывает вероятность возникновения скачков моментов инерции ввиду несовершенства механической системы; - динамическая платформа должна обеспечивать двойную перегрузку воздействия по моменту исполнительного привода, в частном случае двигателя; - работа исполнительного привода допускает кратковременное поддержание момента на заданном или требуемом уровне от его номинального значения. Характерной особенностью функционирования лазерных систем поиска, обнаружения и управления объектами здесь является при изменении управляющего или возмущающего воздействия пространственно обусловленное перекрёстными связями [1, 14] взаимовлияние автономных координатных приводов. Эта проблема особенно актуальна в реальной работе лазерной системы с большим моментом инерции и высокой динамикой движения искомого объекта управления. Проблема важна, поскольку целью управления лазерной системой наведения является слежение за перемещением и наведение объекта управления по заданной траектории при действии возмущений как со стороны объекта, так и со стороны внешней среды. Другими словами, управление проводится с целью наиболее строгого выполнения установленного технологического процесса. При этом, по возможности, следует исключать внешние межкоординатные перекрёстные возмущения, обусловленные динамическими нагрузками, вызванные действиями подвижного объекта при выполнении процесса лазерного наведения [20-34]. Аппаратная часть виртуально моделируемой системы может быть представлена в виде обобщенной структуры динамической платформы с многокоординатным прецизионным приводом. Её обобщенная структура разработана на основе информации разработчиков ряда динамических платформ (серии DP, Муромского радиозавода и др.), принципы функционирования которых подробно изложены в широко известных библиографических источниках. В большинстве современных практически созданных в промышленности многокоординатных динамических платформ применяют как базовый автономный тип частотно-управляемого электропривода, обычно выполняемого в связке «преобразователь частоты - асинхронный двигатель». В нашем случае для обеспечения прецизионности управления мы используем в цепи контуров управления параметрами лазерного пучка системы модели пьезопреобразователей [1-9, 22, 26-34] как часть автономных приводов динамической платформы. Для грубого наведения лазерных систем целесообразно построение приводов по принципу автономности вложенных контуров оценки и управления. Принцип автономности вложенных контуров предусматривает распределение приоритета действия сигналов контуров оценки состояния измеряемых параметров, вкупе составляющих общую оценку состояния системы для формирования соответствующих сигналов управления её состоянием. Распределение приоритета действия контуров управления основано на привлечении весового или равноценного ранжирования сигналов, формируемых в контурах управления системой. В этом подходе сущность принципа распределения приоритета состоит в первоначальном весовом ранжировании контуров с дальнейшим принятием алгоритма формирования по данным индивидуальной оценки состояния каждым из контуров сигнала результирующего управления состоянием всей системы грубого наведения лазерной системы. Например, возможно применение [1, 13-14, 28-30] алгоритма «матрёшки» - аддитивного сложения ошибок состояния контуров. Согласно сущности этого алгоритма [1, 28-30] в контуре с низшим приоритетом выделяется ошибка по моменту, которая затем вводится аддитивно в управляющее воздействие привода второй координаты как дополнительная составляющая. Следуя логике алгоритма матрёшки, ошибка, выделенная в младшем по рангу приоритета i-м контуре, аддитивно подается в ближайший старший по рангу приоритета (i+1)-й автономный контур. Другими словами, каждый младший контур вложен в ближайший старший контур, а общий контур управления системой является аддитивной структурой автономных контуров, составляющих систему наведения (структура «матрёшки»). Принцип построения системы грубого наведения по алгоритму «матрёшка» многокоординатной [1, 26-33] системы приводов подобен созданию структуры комплексного N-координатного привода в виде известного в кибернетике построения системы подчиненного регулирования. В системах подчиненного регулирования требуемая для управления характеристика каждого i-го контура формируется как одиночная, автономная. Принцип подчиненного управления широко используется в моделировании систем и физических процессов. Создание многокоординатных систем управления на основе принципа «матрёшки» с вложенными в неё автономными контурами имеет свои, определяемые свойствами конкретной системы наведения, особенности. Принцип «матрёшки» и прост, и сложен. В настоящее время он активно развивается и исследуется. Одна из особенностей принципа «матрёшки» определена тем, что корректирующий i-ю координату сигнал в следующую (i+1)-ю координату подается с предшествующей координаты, причем отличающейся по физической трактовке координаты параметра управления. Принцип «матрёшка» как подход управления относит многомернокоординатную структуру приводов [1, 26-33] к классу адаптивных систем с присущими этому классу формами инвариантности. Приведём некоторые особенности моделируемой структуры: - степень приоритета и вес ранга контура определяются принципом функционирования лазерной системы наведения и условиями решаемой задачи; - ранг приоритета координат учитывает их ортогональность в принятой системе координат работы лазерного средства наведения; - низший по рангу контур управления является автономным; - согласно принципу «матрёшка» учитывается, что i-я координата является аргументом, а вторая (i+1)-я - его функцией независимо от метода разложения траектории управления на управляющие функции (независимые, параметрические и т.п.); - математические процедуры определения координат параметров и соответствующей оценки состояния контуров управления и системы наведения в целом для формирования сигналов для каждого отдельного контура управления лазерного средства наведения как «матрёшки» реализуются программным путём. Кратко приведём вариант аналитического описания математической модели структуры с точки зрения реализации отработки аддитивных составляющих ошибки наведения в процессе математического моделирования. Размещение лазерной системы обнаружения на динамической платформе существенно расширяет пространство поиска подвижного объекта путём осуществления процедуры грубого её наведения на траекторию движения объекта. Лазерная прецизионная система на платформе становится электромеханической следящей системой, в общем смысле, предназначенной для преобразования входного воздействия в перемещение инерционной нагрузки. Структура лазерной прецизионной системы на динамической платформе будет соответствовать обобщённой структуре системы автоматического управления. Обозначим: W(p), T(p) - передаточные функции по управляющему и возмущающему воздействиям координатных приводов; p - оператор Лапласа; индексы x,y,z - обозначения координат наблюдения в измерительной системе и системе управления; M - вектор управления, определяющий особенности траектория движения лазерной системы наведения при работе с объектом; N - вектор возмущениий, включая шумы приводов и лазерной системы наведения. Устройством формирования управляющего воздействия являются компьютер, МП-структура или специальный процессор управления. Другие обозначения, применяемые в описании и формализации математической модели, пояснены ниже. Ошибка ∆(р) оценки невязки-рассогласования состояния координат параметра каждом отдельном (сепаратном) контуре управления определяется через передаточные функции этого контура: (1) (2) (3) где и , и - соответствующие полиномы описания передаточных функций: - по управлению и - по возмущению рассматриваемого сепаратного контура «матрёшки». Учтя в (1) представление полиномами (2) и (3), выражение ошибки рассогласования состояния сепаратного контура может быть представлено в виде (4) Заменив и для упрощения соотношения (4), получим: (5) Математическая формализация, анализ и оценка многомернокоординатной системы являются весьма громоздкими. Поэтому их рассмотрение и описание в излагаемой работе в дальнейшем ввиду громоздкости опустим. Процедура адаптации управляющего воздействия низшего i-го ранга и последующей (i+1)-й координаты выполняется согласно физической и логической сущности реализации принципа «матрёшка». Напомним, выше принята функциональная независимость способа закономерности разложения траектории управления на составляющие функции (младшая i-я координата принимается как аргумент, а соседняя (i+1)-я - как старшая его функция. Это позволяет предположить возможность, в частном случае, трёх вариантов коррекции ошибок как управляющих воздействий для сепаратных координатных приводов: - формирование и введение собственных компонентов в каждом сепаратном контуре; - принятие иерархической итерационной структуры как в части понимания системы, так и в части отработки ошибок по возмущению, включая внутренние факторы. Такой подход допускает, в отличие от классических систем итерационных процедур, введение ошибки предыдущего контура «матрёшки» непосредственно в управляющее воздействие, а не в последующий контур; - чёткое выполнение принципа функционирования многокоординатной системы по алгоритму логики «матрёшки». В последнем варианте в каждом предыдущем сепаратном контуре управления (или в предыдущей совокупности контуров) процедура настройки по ошибке возмущения считается завершённой, а остаточная ошибка, не скомпенсированная в этом контуре (или совокупности контуров) от случайного временного возмущения, поступает в следующий по рангу контур. При этом каждый последующий контур охвачен обратной связью по возмущению предшествующей координаты. По этому варианту структурная схема многомерной системы управления может быть представлена системой сепаратного описания (1)-(5) передаточных функций. Структура алгоритма реализации системы также зависит от функции изменения управляющего воздействия. Заметим, что формирование управляющих сигналов - в некоторой степени также функция изменения возмущений. В общем случае управляющий сигнал в среднем является интегральной, часто нелинейной квадратичной функцией соответствующих компонентов (статической δс, инерционной δи, динамической δд, вероятностной δв и т.п.) ошибки, определяющей качество управления. При моделировании в качестве объекта управления принята подвижная динамическая платформа с k степенями свободы. Управление динамической платформой построено на базе протоколов Ethernet и осуществляется встроенным компьютером по локальной сети. Таким образом решалась задача разработки программной реализации МП-средства управления лазерной системой наведения на базе широко известных аппаратно-программных средств [36-42]. Для иллюстрации особенностей функционирования программной виртуальной реализации имитатора электромеханического средства грубого наведения лазерной следящей системы ниже представлены результаты моделирования с двухкратной (по номинальному уровню) инерционной нагрузкой элементарного старт-стопного тактового пуска в движение платформы и единичного скачка нагрузки в случайный момент времени на траектории установившегося движения платформы (тест единичного скачка, отработка возмущения типа действия функции Хевисайда) (рис. 1, 2). Рис. 1. Типичное поведение динамической платформы при старт-стопном пуске с двойной инерционной нагрузкой Рис. 2. Типичный переходный процесс по возмущению при движении платформы в случайный момент приложения двойной нагрузки Обобщим результаты проведённого исследования и оценки эффективности решения задачи увеличения размера поля наблюдения объектов путём комплексирования лазерной системы с многомерной электромеханической динамической структурой как средства поиска и обнаружения подвижных объектов. Программная имитация работы грубого наведения комплексированного средства с осуществлением процедуры поиска объектов лазерной системой, установленной на управляемую динамическую платформу, показала результаты, подтверждающие положительность решения задачи. Существенное преимущество программной имитации решения изложенной задачи заключается в неограниченной возможности процедуры имитационного моделирования практически с полным учетом оригинальности подхода, высокой сложности аналитического описания многомерной и многофакторной структуры средства с высокой степенью коррекции составляющих ошибок наведения системы по принципу «матрёшка», подобному алгоритму дихотомного разложения [1]. При моделировании комплексированной лазерной системы с электромеханической динамической платформой с учётом оценки влияния дополнительного возмущения выявлено повышение на единицу степени астатизма сепаратного контура для платформы с исполнительным электроприводом, передаточная функция которого по управлению имеет астатизм первого порядка, а по возмущению - нулевого. При этом статическая ошибка, обусловленная выявленным фактором дополнительного возмущения, стремится к нулевому значению. Усреднение невязок, обусловленное наличием интегрирующего звена в перекрестной обратной связи, также на единицу повышает порядок астатизма для этой компоненты сигнала управления. Анализ результатов показал, что выявленные при моделировании особенности существенно не изменяют свойств внутренних сепаратных контуров моделируемого электромеханического привода динамической платформы. Таким образом, в работе показана возможность программной реализации векторной системы управления комплексированным лазерно-электромеханическим средством на примере имитации грубого наведения по одной из координат движения динамической платформы с лазерной системой наведения в режиме поиска и обнаружения объекта. Алгоритм управления по принципу «матрёшка» учитывает: влияние моментов инерции при выдаче задания скорости и ускорения; исполнение задания скорости и ускорения по осям вращения динамической платформы, с учетом разнопланово меняющихся условий, обеспечивает двукратную перегрузочную способность по моменту исполнительного привода. Кроме того, алгоритм управления обеспечивает разгон, замедление, торможение вариацией параметров возбуждения привода и контроль границ поля поиска пространства наблюдения при изменении углового положения динамической платформы.

About the authors

V. S Deeva

Omsk State Technic University

Email: veradee@mail.ru

S. M Slobodyan

Omsk State Technic University

Email: sms_46@ngs.ru

M. S Slobodyan

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: mss@tpu.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 58

PDF (Russian) - 21

Refbacks

• There are currently no refbacks.