ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

«МАИ»

Кафедра № 604 тексты лекций

по дисциплине СТАТИСТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА (часть 2)

Специальность 160703 Динамика полета и управление движением ЛА

230301 Моделирование и исследование операций в ОТС

Специализация Аэрокосмические системы

Управление сложными системами

Составлено __Бобронников В.Т., д.т.н., профессор __ _________________

(ф.и.о.) (подпись)

Одобрено на заседании кафедры __ __________

(дата)

Зав. кафедрой Малышев В.В., д.т.н., профессор _________________

(ф.и.о.) (подпись)

Москва, 2012 г.

Содержание аздел 3. Методы апостериорного статистического анализа систем

В данном разделе рассматриваются задачи и методы апостериорного статистического анализа систем, имеющие целью получение оценок состояния динамических систем с учетом результатов измерений, получаемых или полученных при функционировании реально существующей системы.

Тема 3.1. Состав су ла. Задачи навигации и наведения. Принцип разделения

Движение ЛА по заданной траектории (орбите) или попадание в цель обеспечивается системой управления (СУ) движением ЛА.

СУ ЛА является замкнутой автоматической системой, состоящей из трех основных подсистем (рис. 3.1):

- системы наведения.

- системы стабилизации;

- системы навигации;

Рис. 3.1. Функциональная схема системы управления движением ЛА

Система наведения служит для формирования команд наведения, т.е команд управления ускорениями ЛА, обеспечивающих движение ЛА по заданной траектории с заданной скоростью или для попадания в цель.

Входами системы наведения является информация о той траектории, вдоль которой должно происходить движение ЛА, или о движении цели, в которую должен попасть ЛА, а также данные о собственном состоянии (положении и скорости) самого ЛА в текущий момент управляемого движения ЛА.

Результатом работы системы наведения являются команды на создание требуемых ускорений ЛА по нормали к траектории (например, для самонаводящихся ЛА) и вдоль траектории (например, для ракет-носителей или баллистических ракет).

Команды наведения, формируемые в системе наведения, исполняются системой управления угловым движением (системой стабилизации) ЛА. Поперечные ускорения атмосферных ЛА создаются путем разворотов ЛА на необходимые углы атаки в двух продольных каналах наведения (для крестокрылых ЛА), или на угол атаки в единственном продольном канале и угол крена для ЛА самолетной компоновочной схемы (с одной парой крыльев) в канале крена. Меняющиеся во времени продольные ускорения ЛА создаются двигательной установкой с управляемой (регулируемой) тягой.

Система навигации служит для определения в полете переменных состояния, описывающих движение самого ЛА. Эти параметры используются как в системе наведения (переменные состояния, описывающие движение центра масс ЛА), так и в системе стабилизации (переменные, описывающие угловое движение и ускорения ЛА).

При наведении ЛА на цель в систему наведения должна поступать информация о параметрах движения (положении, скорости, направлении движения) цели. В системах самонаведения такая информация обеспечивается координатором цели (головкой самонаведения), установленным на ЛА. В системах теленаведения эта информация обеспечивается внешними (например, наземными) координаторами цели. В автономных системах наведения координаты неподвижной цели считаются известными и заносятся в память БЦВМ СУ перед пуском ЛА.

Таким образом, СУ атмосферного автоматического ЛА представляет собой замкнутую систему, основным входом которой являются данные о параметрах движения (маневре) цели, а основным выходом – промах ЛА относительно цели, т.е. минимальное расстояние, на котором пролетит ЛА в окрестности цели, наводясь на цель.

Основными возмущениями, действующими на ЛА и его СУ во время наведения на цель, являются:

- отклонения параметров движения ЛА от требуемых значений в момент пуска ЛА (т.е. ошибки в начальных условиях);

- атмосферные возмущения, действующие на ЛА в полете (ветер, турбулентность, вариации плотности атмосферы);

- ошибки измерительных приборов (например, гироскопов и акселерометров, применяемых в инерциальной системе навигации, ошибки измерения параметров относительного движения ЛА и цели головкой самонаведения в составе системы самонаведения), используемых в системах навигации и наведения ЛА;

- погрешности в работе исполнительных устройств (рулевых приводов) и другие.

При проектировании (синтезе) СУ ЛА необходимо выбрать структуру и параметры системы управления, обеспечивающие минимальный промах ЛА (для СУ, обеспечивающих попадание ЛА в цель), или движение ЛА вдоль заданной траектории или орбиты при заданных характеристиках начальных условий и входных воздействий (управляющих и возмущающих).

Решая задачу синтеза СУ ЛА строго (т.е. максимально точно), необходимо все три системы, входящие в состав СУ (стабилизации, навигации и наведения), рассматривать как единое целое, поскольку все они влияют на результат их общей работы (точность наведения ЛА на цель).

Однако технически указанные три подсистемы в составе СУ удобнее проектировать и реализовывать (создавать) раздельно, т.е. использовать принцип декомпозиции (разделения) СУ. Кроме того, можно доказать, что если системы навигации и наведения являются линейными системами, то для таких систем принцип разделения выполняется строго. Это означает, что линейные систему навигации и систему наведения можно проектировать раздельно, а результат их общей работы (точность наведения) будет таким же, как и при их совместном проектировании. На практике этот принцип используют и в случаях, когда в системах навигации и наведения присутствуют нелинейности, но приближенно, т.к. это существенно упрощает процесс проектирования и создания этих систем.

Одной из основных проблем, затрудняющих решение задач разработки алгоритмов навигации и наведения, являются случайные ошибки (шумы) измерительных устройств. Для системы навигации – это шумы гироскопов и акселерометров в инерциальных навигационных системах (ИНС), ошибки измерений в спутниковых навигационных системах (СНС), а в системах наведения - шум координатора цели. Для снижения влияния этих шумов необходимо фильтровать измерения, т.е. сглаживать измерения, по возможности очищая их от составляющих, обусловленных шумом.

Кроме того, при формировании команд наведения и стабилизации углового движения ЛА необходимо использовать информацию об определенных переменных состояния, которые используются для реализации определенных законов наведения и стабилизации ЛА. Но эти переменные состояния не всегда могут быть непосредственно измерены приборами, входящими в состав соответствующих систем. Однако эти переменные можно вычислить, обрабатывая измерения тех величин, которые доступны измерениям.

Таким образом, при синтезе современных систем управления движением ЛА необходимо решать задачу сглаживания случайных ошибок измерений и оценки переменных состояния ЛА по измерениям, получаемым в реальном полете ЛА. Такую задачу называют апостериорным статистическим анализом систем, т.е. анализом с использованием результатов измерений в реальном полете ЛА.

Решение задачи апостериорного анализа также называют задачей оценивания состояния динамической системы по измерениям, содержащим случайные ошибки измерений. Математические соотношения, используемые для решения задачи оценивания, называют алгоритмами оценивания состояния, или алгоритмами фильтрации измерений.

Алгоритмы оценивания, как и алгоритмы формирования команд наведения и стабилизации, на современных ЛА реализуются в бортовом компьютере ЛА. Такой компьютер может быть единым для всех подсистем СУ ЛА (интегрированным), или создаваться раздельно для каждой подсистемы.