научная статья по теме СИНТЕЗ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕЦИЗИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБСЕРВАТОРИИ “СПЕКТР УФ”. II Космические исследования

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕЦИЗИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБСЕРВАТОРИИ “СПЕКТР УФ”. II»

УДК 629.78

СИНТЕЗ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕЦИЗИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОБСЕРВАТОРИИ "СПЕКТР УФ". II

© 2014 г. И. В. Бычков1, В. А. Воронов1, Э. И. Дружинин1, Р. И. Козлов1, С. А. Ульянов1,

Б. Б. Беляев2, П. П. Телепнев2, А. И. Ульяшин2

Институт динамики систем и теории управления СО РАН, г. Иркутск 2НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки druzh@gmail.com Поступила в редакцию 27.09.2011 г.

В статье представлена вторая часть результатов поисковых исследований по разработке комбинированной системы высокоточной стабилизации оптического телескопа для проектируемой международной обсерватории "Спектр-УФ" [1]. Описана новая модификация строгого метода синтеза нелинейных непрерывно-дискретных систем стабилизации с неопределенностями, основанного на минимизации гарантированной оценки точности, вычисляемой с помощью векторных функций Ляпунова. С использованием этого метода проведен синтез параметров обратной связи в режиме точной инерциальной стабилизации оптической оси телескопа с учетом нежесткости конструкции, квантований сигналов по времени и уровню, ошибок измерителей ориентации, погрешностей и ограниченности управляющих моментов исполнительных двигателей-маховиков. Приводятся результаты численных экспериментов, демонстрирующих качество синтезированной системы.

Б01: 10.7868/80023420614020022

ВВЕДЕНИЕ

В описываемых в настоящей работе поисковых исследованиях изучалась возможность построения высокоточной комбинированной системы стабилизации оптической оси телескопа "Спектр-УФ" в инерциальном пространстве. Комбинированная система управления включает разомкнутый и замкнутый контуры. Разомкнутый контур реализует программное управление, обеспечивающее втягивание оптической оси из некоторого начального состояния в область притяжения основного режима стабилизации по обратной связи, реализуемого замкнутым контуром по текущим измерениям состояния объекта. Способ расчета программных управлений был изложен в первой части работы [1]. Настоящая часть публикации посвящена выбору закона управления по ошибке и синтезу коэффициентов обратной связи в режиме точной стабилизации.

В связи с высокими требованиями к точности наведения оси телескопа (среднеквадратичное отклонение не более 0.02") при этом учитываются все основные дестабилизирующие факторы: нежесткость элементов конструкции (доля упругих элементов составляет около 80% в общем тензоре инерции КА), эффекты квантования сигналов по времени и уровню, ошибки измерителей ориентации, погрешности и ограниченность управляющих моментов исполнительных двигателей-ма-

ховиков и др. С целью обоснованности и достоверности результатов применяются строгие методы робастного синтеза нелинейных систем, основанные на гарантированных оценках устойчивости и точности стабилизации, а именно — оригинальный способ отыскания параметров нелинейных управляемых систем с неопределенностями, использующий векторные функции Ляпунова (ВФЛ) [2—5]. Алгоритмы модифицируются в направлении расширения исследуемых непрерывно-дискретных систем и уточнения оценок динамики.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ СИНТЕЗА

СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ

В качестве измерителей ориентации КА используются датчик гида (ДГ), звездный прибор (ЗП) и гироскопический измеритель вектора угловой скорости (ГИВУС) с осями чувствительности, задаваемыми (4 х 3)-матрицей установки В. Датчик гида служит для измерения отклонений оптической оси телескопа от заданного направления (вокруг осей ОУи OZ), звездный прибор измеряет угол поворота вокруг продольной оси аппарата ОХ. С обоих датчиков информация снимается дискретно по времени с периодом та = 2 с, выходные сигналы квантуются по уровню и содержат независимый по времени, нормально распределенный шум. Аналогично, измерения

ГИВУС квантованы по уровню и содержат случайный шум с нормальным распределением; информация может сниматься с тактом опроса Tg =0.1 c.

Исходя из имеющегося состава датчиков ориентации, для режима точной стабилизации естественно за основу брать традиционный ПД — закон регулирования (по углу и угловой скорости ошибки). С целью уменьшения постоянной составляющей установившейся ошибки, вызываемой моментами сухого трения в управляющих двигателях-маховиках (УДМ), целесообразно в закон регулирования ввести еще интегральную составляющую, что приводит к ПИД—закону обратной связи. Принимая в качестве угловой ошибки стабилизации вектор самолетных углов

[6] (крен, тангаж, рыскание) у = col (уа), связана

ный (с учетом их малости) с кватернионом X соотношениями

Y = col (Yа) ~ col (sinYа) =

а а

= 2коvect (k) = 2ко col (ка); а = x, y, z,

(1.1)

и обозначая s„ (t) =

(t) = I y „(T) dT

— интегралы от угло-

вой ошибки, s = col (sa), а через Myc =

а

T T —1

= Myc(MycMyc) — псевдообратную к установочной матрице УДМ, управляющий сигнал а в уравнениях УДМ (11, 12) [1] можно при этом представить в виде

а = col (а) = My+cZ, Z = col (Zа) e R3;

j=i,4

а = x, y, z,

Z а = Kay Ya(t) + Kaffl®a(t) + K^t)

(1.2)

(1.З)

Выходные сигналы ДГ или ЗП в моменты измерения можно представить в виде

Ya(tk) = Q(AY^ Ya(tk) + a(tk)),

(1.4)

где Q(x0, x) = x0 Ent sign x — функция "квантование по уровню", Aya — цена младшего разряда, 5у a(tk) — нормально распределенная случайная величина (значения 8уa(tk) независимы) с М = 0, СКО ста (Ay а = 0.005", ст^ = 0.01" для а = у, z).

Обозначим Ы = col®g = Вы е R4 — вектор проекций угловой скорости КА на оси чувствительности ГИВУС (j = 1,4), Ag (tg) = (s ®g (t) dt и

-T g

Ag(tg, l) = g Ajj(tg - VTg) — углы кажущихся поворотов, соответственно за один или l тактов опроса, замеряемые j-тым каналом ГИВУС в момент съема tg (при tg < Tg считается Ag(tg) = 0). С учетом шума измерений и квантования по уровню выходной сигнал ГИВУС будет

Ag (t. ) = Q(Ag0, Ag (t. ) + SAg (t. )) или Ag (t., l) = Q(Ag0, Ag (t., l) + SAg (t., l)),

(1.5) (1.1О)

где Ag0 = 0.003" - цена разряда, SAg(tg), 5Ag(tg, l) — нормально распределенные случайные величины с М = 0, СКО CTg = 0.011" (5Ag(tg), 5Ag(tg, l) независимы для разных tg и l), Ag(0) = 0, Ag(tg,0) = 0. Положим еще AY = col A a = B+ col A g — векторы

a=x,y,z j=1,4

малых поворотов, измеренных ГИВУС, в проекциях на ССК, B+ = (BTB)-1BT.

Здесь уа(0, юа(0, Таф — соответственно, текущие значения доступных оценок углов и угловых скоростей ошибок стабилизации, а также текущие оценки интегралов от угловой ошибки, получаемые по информации, снимаемой с датчиков, с учетом их погрешностей, квантования сигналов по уровню и дискретности измерений по времени; Кау, Каш, Ка5 — соответствующие коэффициенты обратной связи. Обработку измерений и формирование названных оценок зададим следующим образом.

Пусть 1к = кта, к = 0, 1, 2, ..., та = 2 с — моменты опроса и период дискретности ДГ и ЗП; 1Ы = = tk + I т — моменты опроса ГИВУС, I = 0, 1, 2, ...,

1т; 1т = (та/Тg), = к tklm = tk+1; Тк = [tk, tk+1) — промежутки времени между измерениями ДГ и ЗП;

Ты = tkl + т ё) — промежутки времени между измерениями гИвус.

Теперь на каждом промежутке Тш, I = 0, lm -1 искомые оценки y(t) = c°l Ya(t), ®(0 = c°l ®a(t),

a a

S(t) = col Sa(t), a = x, y, z определим как кусочно-

a

постоянные функции

œ(t) = mtkl) = (тg)-1ÂY(tki) = (tg)-1B + coi Âj(tki); (1.6)

j=1,4

Y(t) = Y (tkl ) = Y(tk ) + A (tkl, l ) = = Y(tk) + B+ col Ag (tkl, l);

j=i,4

(1.7)

s (t) = s (tkl), где s (tkl) находится по рекуррентной формуле

s (tkl) = s (tkl-i) + тg Y(tk,l-i),

(1.8)

/ = 1, lm - 1, s (tko) = S (tk) = S (tkч,m_!> + Tgy(tk,m_!> пРи

к > 1, S(too) = S (0) = 0.

Соотношения (1.1)—(1.8) полностью определяют рассматриваемый закон стабилизации и

а

вместе с уравнениями (7)—(12) из [1] образуют замкнутую систему, описывающую динамику режима точной стабилизации. Имея в виду цель режима, при синтезе коэффициентов Кау, Кат, Ка, обеспечивая с достаточным уровнем устойчивость желаемого состояния, естественно стремиться к тому, чтобы с учетом неидеальности исполнительных органов, ограниченности управляющих моментов маховиков, погрешностей измерителей, квантования сигналов, возмущений, других вышеописанных факторов, сопровождающих реальные процессы, а также неопределенности и возможной нестабильности параметров конструкции, ошибки стабилизации были по возможности минимальными. Это и составляет нашу задачу синтеза.

k = k + k0 k = k — k0 0 < k0 < k

0 < < £ <<

2. СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВФЛ

Здесь дается краткое описание подхода к решению задач робастной стабилизации и подавления внешних возмущений [7] для нелинейных непрерывно-дискретных систем управления, основанного на методе векторных функций Ляпунова (ВФЛ) [2-5].

Постановка задачи. Рассматриваются системы цифрового управления нелинейными объектами (непрерывными), возмущенное движение которых (вместе с наблюдателями состояния и возмущений, динамикой элементов системы) описывается дифференциальными уравнениями вида

(/ + х))х = (А + МЬ, х))х +

(2.1)

+ (В + ДВ(^ х))и + ОГЦ, х, и) + НЩ, х, и), х е Я".

Управление и кусочно-постоянно на промежутках Тк = [?ь tk+1 = 1к + И) (к > 0 — шаг управления), к = 0, 1, 2, ...,

и = Ик = ф(-,а к) е Ят, а к = С1к е Я™ (2.2) при I е Тк

и формируется по выходу zk е Я"а дискретного регулятора (динамического), описываемого рекуррентным уравнением

1к+1 = Аа1к + Са у(-,Пк) + Нф а (•), у(-,Пк) 6 Я1, Пк = X ^) 6 Я. (2.3)

Здесь ц > 1 — количество дискретных измерений, используемых на такте управления (глубина памяти), tk = tk + т(- (тI < И) — моменты этих измерений (с учетом возможных запаздываний в обработке измерений); А/(•), АА() АВ() Г(), ф(-) ф/) — функции, задающие неопределенности и нелинейности объекта, внешние и другие возмуще-

Рис. 1. Графическое представление нелинейностей

класса SN.

ния, для которых предполагаются известными лишь ограничения J_1А/(-)| < J°, |АА(-)| < A°, |АВ(-)| < B°, |F(-)| < U (w|) е Rp, w = Wx е Rq, |ф(-)| <

< Ф0 е Rr, |Фd()| < Ф° е Rrd (неравенства между матрицами (векторами), модули понимаются как поэлементные); J, A, B, G, H, C, Ad, Cd, D„ Hd, J0, A0,

BP, W, ф0, ф0 — постоянные матрицы и векторы соответствующих размерностей; U — неубывающая, полунепрерывн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком