книги из ГПНТБ / Аграновский, К. Ю. Основы теории радиоэлектронных систем морских объектов

ЧАСТЬ III ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ

РАБОТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

ГЛАВА 7 . ОСНОВНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВРАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

§7.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

^7.1.1. Информационная схема

процесса управления

Информационная схема процесса управления с помощью радио­ электронной системы показана на рис. 7.1. Пунктиром очерчены эле­ менты, составляющие контур управления.

Радиоэлектронная система служит как бы связующим звеном ме­ жду управляющим (Я) и управляемым (Я) объектами. Управляющий объект является источником информации, реализуемой в радиоэлек­ тронной системе. Таким образом, управляющим объектом может быть любой морской объект, создающий сигналы физического поля. Именно эти сигналы и воздействуют на вход радиоэлектронной системы. В свою очередь, управляемым объектом является морской объект, один или несколько процессов в котором управляются на основе информации, поступающей от управляющего объекта.

Работа радиоэлектронной системы сопровождается разного рода помехами. Для решения задачи оптимального управления в сложных условиях воздействия помех в современных радиоэлектронных систе­ мах используются информационно-логические устройства.

Понятие информационно-логического устройства в радиоэлектрон­ ной системе является в известной степени условным. Любое пре­ образование сигнала определяется некоторым алгоритмом, поэтому всякий элемент, преобразующий сигнал, можно считать информа­ ционно-логическим устройством.

Сейчас все большее распространение получают радиоэлектронные системы, в которых реализуются сложные алгоритмы оптимального управления. В связи с этим все большее применение получают в ка­ честве информационно-логических устройств цифровые вычислитель­ ные машины. В дальнейшем только такие системы мы и будем рассмат­ ривать.

Величины Л и Л* (см. рис. 7.1) характеризуют состояние управ­ ляемого и управляющего объектов. В дальнейшем мы их будем назы­ вать координатами управляемого и управляющего объектов. Коорди­ наты характеризуют различные стороны состояния объектов. Они мо­ гут определять положение управляемого объекта относительно управ­ ляющего объекта. Одновременно с этим они могут характеризовать текущее состояние внешней среды, окружающей объект управления и т. д.

180

" 1

Рис. 7.1. Информационная схема процесса управления

Координаты объектов определяются измерительным устройством. Последнее служит устройством получения информации.

Далее координаты объектов в виде сигналов поступают на вход информационно-логического устройства. Это устройство является блоком обработки информации. В нем производится решение задачи управления морским объектом с помощью радиоэлектронной системы.

Решения, выработанные информационно-логическим устройством, поступают на исполнительное устройство. Здесь они преобразуются в управляющие воздействия. Следовательно, в исполнительном уст­ ройстве происходит формирование управляющих воздействий.

В процессе функционирования радиоэлектронной системы на уп­ равляющий объект действуют внешние возмущения. Они нарушают заданный режим управления. Кроме того, измерение координат объек­ тов А и А* сопровождается действием помех. Эффективность радио­ электронной системы зависит от степени учета вредных воздействий при решении задачи управления.

Информация о состоянии управляемого объекта передается посред­ ством внутреннего измерительного канала. Эта связь может быть осу­ ществлена механическим или электрическим путем. Возможна также передача информации по внутреннему измерительному каналу по­ средством физического поля.

С управляющим объектом измерительное устройство связано с по­ мощью внешнего измерительного канала. В таком канале обязательно используется физическое поле в качестве переносчика информации.

Передача информации об управляющем и управляемом объектах производится в присутствии помех. Последние дополнительно иска­ жают результаты измерений.

Далее информация от измерительного устройства передается к ин­ формационно-логическому устройству. Для этой цели служит инфор­ мационный канал.

При передаче информация также искажается. Причиной этому слу­ жат погрешности измерительного устройства и внутренние помехи в информационном канале.

Решения и управляющие воздействия передаются соответственно к исполнительному устройству и управляемому объекту посредством исполнительного и управляющего каналов. Качество этих передач также зависит от воздействия помех.

7.1.2. Радиоэлектронные системы

пространственного и локального действия

Как уже отмечалось в § 1.1, при управлении морскими объектами возникает необходимость решения следующих двух задач:

—управление движением управляемого объекта в заданной об­ ласти пространства;

—включение какого-либо механизма или прибора на управляемом объекте.

Первая задача решается радиоэлектронными системами пространст­

венного действия. В системах пространственного действия в течение

182

всего времени их работы управляющее воздействие поступает на уп­ равляемый объект либо непрерывно, либо последовательно через оп­ ределенные интервалы времени. Таким образом, системы пространст­ венного действия являются системами последовательной выработки информации.

Для выполнения второй задачи предназначены радиоэлектронные системы локального действия. В интервале времени работы таких си­ стем управляющее воздействие поступает на управляемый объект лишь один раз. Момент поступления воздействия определяется информа­ ционно-логическим- устройством. Следовательно, радиоэлектронные системы локального действия являются системами разовой выработки информации.

Рассмотрим особенности работы радиоэлектронных систем про­ странственного действия. Вначале обратимся к полезной информации. Управление движением морского объекта с помощью радиоэлектрон­ ной системы совершается по определенному закону. Таким законом может быть, например, метод погони, метод преследования с постоян­ ным углом упреждения, метод параллельного сближения и др. [1]. Закон управления выбирается заранее, при разработке и проектиро­ вании морского объекта.

Полезная информация вырабатывается в зависимости от взаимного положения управляющего и управляемого объектов, а также от ско­ рости и направления движения управляемого объекта. Поэтому, на­ пример, при одной и той же траектории движения управляющего объекта, траектории управляемого объекта могут быть различными. Они будут зависеть от скорости движения как управляемого, так и управляющего объектов.

Идеальная траектория движения управляемого объекта называется кинематической траекторией. Такая траектория строится по заданному закону управления.

Контур управления системы представляет собой сложную цепочку связанных элементов. Эти элементы весьма разнородны. Сюда входит, в первую очередь, сам управляемый объект. Он взаимодействует в про­ цессе движения с морской средой. Далее необходимо учитывать элек­ тронные, механические, пневматические и другие приборы и устрой­ ства радиоэлектронной системы.

Полезная информация проходит через всю цепочку элементов кон­ тура управления. Сигналы физического поля преобразуются в элек­ трические воздействия и далее в механические команды, при этом на­ чалом такого преобразования является взаимное положение управляе­ мого и управляющего объектов.

Мы знаем, что принципы формирования сигналов в радиоэлек­ тронных системах пространственного действия достаточно разнооб­ разны. Однако основой их является общая схема, изображенная на рис. 7.2. Она представляет собой контур автоматического регулирова­ ния с обратной связью.

На вход радиоэлектронной системы поступает значение разности координат управляющего и управляемого объектов А* и А. На этой схеме А — фактические координаты управляемого объекта; А* —

183

значения этих же координат, если бы движение управляемого объекта проходило по кинематической траектории.

Координаты управляемого объекта А формируются в результате действия команд. Последние вырабатываются по разности координат фактической и кинематической траекторий. Разность этих значений вновь поступает на вход радиоэлектронной системы и т. д.

Так, например, законом управления может быть совмещение оси управляемого объекта с направлением на управляющий объект.

В действительных условиях целый ряд причин вызывает отклоне­ ние управляемого объекта от кинематической траектории. Эти откло­ нения можно разделить на две группы.

К первой группе относятся отклонения, обусловленные тем, что управляемый объект реагирует на управляющие воздействия с запаз-

Рис. 7.2. Контур автоматического регулирования

дыванием. Запаздывание управляемого объекта объясняется его инер­ цией и инерцией остальных элементов контура управления.

Отклонения такого рода носят название динамических отклонений или ошибок. Влияние динамических ошибок определяется видом ки­ нематической траектории. Чем более полога кинематическая траекто­ рия и чем меньше скорость управляемого объекта, тем меньше дина­ мические ошибки. Движение управляемого объекта с учетом динамиче­ ских ошибок происходит по динамической траектории.

Ко второй группе относятся отклонения, вызванные ошибками в выработке управляющих воздействий. Такие ошибки обусловлены помехами в определении информации о движении управляемого и управляющего объектов. Кроме того, ошибки возникают при передаче информации по соответствующим каналам. Все эти ошибки носят слу­ чайный характер. Поэтому их называют флуктуационными.

Источниками флуктуационных ошибок прежде всего являются помехи шумового характера. Они возникают в электрических цепях и измерительных устройствах радиоэлектронной системы. Кроме этого, флуктуационные помехи вызываются непостоянством сигналов, распространяющихся через морскую среду.

/В реальных условиях движение управляемого объекта происходит

сучетом динамических и флуктуационных ошибок. Поэтому в дейст­ вительных условиях управляемый объект движется по фактической траектории.

Инерционные свойства элементов контура управления влияют раз­ личным образом на величину динамических и флуктуационных оши-

184

бок. Чем меньше инерционность элементов контура, тем меньше ве­ личина динамических ошибок. Но тем сильнее реагирует управляе­ мый объект на флуктуационные возмущения.

При большой инерционности контура управления имеет место об­ ратная картина. Случайные возмущения сглаживаются достаточно хорошо. Однако управляемый объект с большим запаздыванием реа­ гирует на управляющие воздействия. Таким образом, варьировать в широких пределах инерционными свойствами контура управления не представляется возможным.

В ряде случаев на вход радиоэлектронной системы сигналы посту­ пают дискретно. Прерывистая информация о расстоянии до цели по­ лучается, например, при импульсной гидролокации. Дискретность поступления информации может быть источником дополнительных ошибок.

Пока частота поступающих сигналов достаточно высока, контур управления сглаживает отдельные импульсы. Он отфильтровывает высокие частоты и выделяет медленно изменяющуюся составляющую. Последняя изменяется в соответствии с изменениями положения уп­ равляющего объекта.

Если же информация поступает редко, то возникают дополнитель­ ные ошибки. Они обусловлены тем, что в интервалах между сигналами управление производится по инерции или по памяти радиоэлектрон­ ной системы. Такое управление не всегда учитывает все особенности действительного движения управляемого и управляющего объектов.

Обратимся теперь к радиоэлектронной системе локального дейст­ вия. Примером может служить система, обеспечивающая причалива­ ние морского объекта.

Причаливание заканчивается механической стыковкой морских объектов со сбросом относительной скорости до нуля.

Наиболее типичен такой вариант причаливания, когда корректи­ руется движение лишь управляемого объекта. Тогда управляющий объект рассматривается как неподвижный.

Процесс причаливания морского объекта начинается с этапа сбли­ жения. Результатом этого этапа является уменьшение расстояния между управляемым и управляющим объектами. На этапе сближения снижается также относительная скорость между объектами до малых величин. Этап сближения переходит в этап стыковки.

Конечная цель этапа стыковки — приближение управляемого объекта к управляющему объекту с близкой к нулю относительной скоростью и механическое сцепление объектов друг с другом.

Задача управления этапом сближения аналогична задаче управ­ ления движения морского объекта. Управление этапом стыковки ха­ рактеризуется двумя особенностями.

Во-первых, при стыковке необходимо сочетать попадание управ­ ляемого объекта в заданную точку при нулевой относительной скоро­ сти движения объектов. Поэтому на этапе стыковки радиоэлектронная система должна измерять также скорость относительного движения. Информация об этой скорости необходима для принятия решения о ее снижении.

185

Во-вторых, процесс стыковки длится до момента непосредствен­ ного контакта управляющего и управляемого объектов. Следовательно, на этапе стыковки радиоэлектронная система должна выработать ин­ формацию о взаимной ориентации управляемого и управляющего объектов. Управляемый объект должен иметь такую ориентацию, чтобы произошло совпадение соответствующих механических уст­ ройств, предназначенных для прикрепления его к управляющему объекту.

Радиоэлектронная система причаливания морского объекта выпол­ няет функции целого комплекса устройств локального действия. Та­ кие функции должны выполняться последовательно по мере развития процесса причаливания.

Радиоэлектронная система причаливания должна содержать два типа информационных устройств. Первый тип устройств вырабаты­ вает информацию о движении управляемого объекта относительно управляющего. Такая информация содержит сведения о расстоянии, скорости сближения и др.

Второй тип информационных устройств вырабатывает информацию, не связанную с относительным движением управляемого и управляю­ щего объектов. К этой информации относятся данные о линейном уско­ рении центра тяжести управляемого объекта, об угловой скорости вращения корпуса и т. д.

На основании сведений, поступающих от измерительных устройств, информационно-логическое устройство радиоэлектронной системы оп­ ределяет относительное положение управляемого объекта. Оно выра­ батывает необходимые команды для переключения двигателей сбли­ жающей установки. В соответствии с заложенным в информационно­ логическое устройство алгоритмом выполняется вся программа этапа сближения.

После окончания этапа сближения информационно-логическое устройство подает команды управления на включение двигателей устройства ориентации и другие механизмы управляемого объекта. Последние обеспечивают этап стыковки, который завершает процесс причаливания.

7.1.3. Основные вопросы информационной теории радиоэлектронных систем

Радиоэлектронные системы современных морских объектов пред­ ставляют собой сложные комплексы автоматических и радиоэлектрон­ ных устройств. Они состоят из множества источников и каналов пере­ дачи информации, систем регулирования, вычислительных устройств и т. д. Для количественного описания и исследования радиоэлектрон­ ных систем как комплексных автоматических и радиоэлектронных устройств необходимы соответствующие определения и понятия. Тра­ диционные определения и понятия, как-то: передаточные функции, законы регулирования, чувствительность и т. д., оказываются недо­ статочными для характеристики сложных радиоэлектронных систем.

186

Необходимы более общие определения и понятия. Такими являются энтропия и информация и связанные с ними характеристики радио­ электронных систем.

Обратимся к понятию энтропии. Дело в том, что всякий процесс управления, в том числе и управления морским объектом, вносит в си­ стему координат объекта порядок, организованность. Он придает вполне определенный смысл действию управляемого объекта. В связи с этим при исследовании морских объектов возникает задача количест­ венного выражения упорядоченности или неупорядоченности управ­ ляемых объектов.

Количественной мерой неупорядоченности и является энтропия. Мы будем рассматривать ее как одну из характеристик радиоэлектрон­ ных систем.

Остановимся теперь на понятии информации. Мы уже неоднократно отмечали, что в радиоэлектронных системах сигналы передаются от одного элемента системы к другому. Один из элементов системы всегда является датчиком воздействий по отношению к последующему эле­ менту. Этот последующий элемент таким образом служит приемником воздействий.

Между датчиком и приемником может находиться ряд элементов, образующих канал или линию связи. Таким образом, непременным условием работы радиоэлектронной системы является получение, передача, переработка и хранение разного рода информации. В про­ цессе управления морским объектом всегда происходит обмен инфор­ мацией между различными звеньями радиоэлектронной системы, сле­ довательно, количество информации в радиоэлектронной системе яв­ ляется важным информационным показателем.

Работа радиоэлектронных систем сопровождается помехами. По­ мимо действия внешних помех, в радиоэлектронных системах возни­ кают внутренние шумы. Кроме того, разные частотные характеристики линейных элементов радиоэлектронных систем имеют ограниченную полосу пропускания. Все это оказывает существенное влияние на пе­ редачу сигналов. Пропускная способность линейных звеньев является еще одной важной информационной характеристикой радиоэлектрон­ ных систем.

Применение в радиоэлектронных системах в качестве информаци­ онно-логических устройств вычислительных машин потребовало раз­ работки соответствующих методов оценки скорости вычислений. Ре­ зультаты вычислений должны поступать в цепь управления с малой задержкой во времени. Однако реальные возможности вычислитель­

При оценке информационно-логических устройств требуется до­ статочно общий критерий. Этот критерий должен быть независим от деталей информационно-логического устройства и его алгоритма. По­ добным критерием может служить информационный показатель ра­ диоэлектронной системы. Он должен характеризовать пропускную способность информационно-логического устройства.

187

§7.2 ЭНТРОПИЯ И ИНФОРМАЦИЯ В КОНТУРЕ УПРАВЛЕНИЯ

7.2.1.Случайный разброс координат управляемого объекта

Плотность распределения случайных координат. Состояние управ­ ляемого объекта в данный момент времени характеризуется совокуп­ ностью величин А г, А 2, . . . , A k. Мы их условились называть коор­ динатами управляемого объекте. Координаты управляемого объекта всегда имеют разброс относительно желаемых значений. Они содержат случайные составляющие.

Радиоэлектронная система должна уменьшить неопределенность состояния управляемого объекта, сократить отклонение действитель­ ного состояния управляемого объекта от желаемого. Так, например, радиоэлектронная система пространственного действия должна уменьшить рассеивание траекторий движения управляемого объекта. Фактическая траектория движения должна быть максимально при­ ближена к кинематической траектории.

Исчерпывающей характеристикой координат, управляемого объекта является распределение их вероятностей. Такое распределение должно характеризовать каждый заданный момент времени.

Распределение непрерывных координат управляемого объекта ха­

а2< а ' < a 2+ da2,

ak < ak < ak + dak-

Координаты управляемого объекта являются случайными функ­ циями времени. Выражение (7.1) следует рассматривать как плотность вероятности сечения случайных функций при заданном t0 (рис. 7.3).

Информационная энтропия и энтропия управляемого объекта.

В теории вероятностей используется интегральная характеристика неопределенности — энтропия. Понятие энтропии распространяется на распределения вероятностей любых переменных. Энтропия непре­

188

Энтропия зависит только от распределения вероятностей. Она одно­ значно определяется плотностью вероятности р (alt а2, . . . , ak).

Энтропия распределения вероятностей используется также в тео­ рии информации. Она применяется для характеристик систем пере­ дачи информации. Считается, что после получения информации о ка­ кой-либо величине ее распределение изменяется. Следовательно, из­ меняется и энтропия этой случайной величины. Таким образом, в тео­ рии информации энтропия отражает относительную характеристику. Подобную энтропию часто называют информационной энтропией.

Информационная энтропия является субъективной характеристи­ кой. Для данного наблюдателя она изменяется, если последний полу­ чает информацию о рассматриваемых величинах. Следовательно, ин­

выражения. Различие же заключается в существе указанных по­ нятий.

Энтропия управляемого объекта характеризует распределение его координат. Она зависит от информации, полученной тем или иным наблюдателем. Поэтому энтропия управляемого объекта является объективной характеристикой последнего. Для изменения энтропии управляемого объекта необходимо вмешательство в процесс его управ­ ления. Именно эти функции и выполняет радиоэлектронная система.

Информационную же энтропию можно изменить. Для этого доста­ точно лишь воспользоваться другим методом измерения соответствую­ щих случайных параметров.

Таким образом, имеются два общих понятия энтропии: информа­ ционная энтропия и энтропия управляемого объекта. Оба понятия имеют одинаковое математическое выражение и разную сущность.

Отметим некоторые свойства энтропии, необходимые нам для даль­ нейшего. Эти свойства относятся к общим понятиям энтропии.

1. Энтропия системы независимых величин А 1г А 2, . . . , Ak равна сумме энтропий каждой величины:

Н (АЪ А 2, , А /г) = Н ( А 1) + Н ( А 2) + . . . + H ( A k).

2. Энтропия системы зависимых величин равна сумме энтропий одной величины и условных энтропий других величин с учетом реали­

189