Способ управления исполнительными двигателями системы стабилизации и наведения линии визирования, обеспечивающий расширенный диапазон углов наведения

УДК 681.513

В.А. Смирнов, канд. техн. наук, доц.,

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ РАСШИРЕННЫЙ ДИАПАЗОН УГЛОВ НАВЕДЕНИЯ

Предложена кинематическая схема системы стабилизации и наведения линии визирования (ССиН JIB) на основе подвеса с тремя степенями свободы и оптического шарнира.Разработан алгоритм оптимального управления приводами всех трех степеней свободы.

Ключевые слова: система стабилизации, линия визирования, углы обзора, оптимальное управление.

Для наблюдения за подвижными и неподвижными целями с борта подвижного объекта широко применяются различные системы стабилизации и наведения линии визирования (ССиН JIB).

Обзор ССиН JIB, выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью, показал, что практически ни одна из применяемых конструкций не обеспечивает стабилизации и слежения за целью при углах вертикального наведения, близких к 90°, поскольку большинство выпускаемых ССиН ЛВ построено на основе двухосного карданова подвеса [1-4].

Обеспечение обзора в полной полусфере возможно за счет применения дополнительной степени свободы. Подобные системы известны, но при этом не всегда учитываются требования уменьшения ее массы и габаритов. Кроме того, важным вопросом является оптимизация алгоритмов управления дополнительной степенью свободы.

В работе [5] предложена кинематическая схема ССиН (рис. 1), позволяющая обеспечить обзор в полной полусфере (по азимуту и высоте).

Для вывода уравнений введем следующие системы координат (рис. 2): OXqYqZq - система координат (СК), связанная с основанием; OX-\Y\Z\ - система координат, связанная с наружной рамкой; OX2 ~ система координат, связанная с внутренней рамкой; OX^Y^Z^ - система координат, связанная с подвижным зеркалом; OX^onmY^onmZ^onm - система координат, связанная с оптической линией визирования; (p v. - угол поворота системы координат OX-\Y\Z\ относительно системы координат OXqYqZq вокруг оси OY0; cpz - угол поворота системы координат ОХ2Y2Z2 относительно системы координат ОХ\Y\Z\ вокруг оси OZ\; cpv -угол поворота системы координат OX^Y^Z^ относительно системы координат OX2Y2Z2 вокруг оси OY^; (рхопт = 2фх - угол поворота системы ко-

ординат ОХ^опт Г3опт относительно системы координат ОХ2^2^ 2 вокруг оси (973; сои, со 17, о)2( - проекции векторов абсолютных угловых скоростей на соответствующие оси; ш,(„ со ^ - проекции угловой скорости цели на оси связанной с ней системы координат.

18

Рис. 1. Конструкция ССиН:

1 - наружная рамка; 2 - основание; 3 - внутренняя рамка;

4, 5, 6- зеркала, жестко связанные с наружной рамкой; 7 - подвижное зеркало; 8,9,10- двигатели; 11,12 - датчики угла;

13,14,15 - гироскопические датчики угловой скорости;

16,17,18- блоки управления двигателями;

19 - блок вычисления погрешностей стабилизации линии визирования; 20 - фотоприемное устройство с объективом

Рис. 2. Системы координат

Рассматривая проекции угловых скоростей на соответствующие оси получим кинематические уравнения движения рамок карданова подвеса:

С08фх втфг -фг ЯПф, = Юх3 — СО х0 (СОБфх СОБф^ СОБф, -ЯПф, вШф^)-

-Йу 0 с°вф X ^ПФ 0(с™Ф х ^ПФ у С™Ф г + ^ПФ х С™Ф у );

СОБф, + фх =Ш^з -СО^о СОБф, +(шх0 СОБф^ - ш 2„ япфу)япфг;

Ф2 С08фх +ф7 ЯПфх вШфг = С02з -Шх0(8Шфх СОБф^ СОБф, +С08фх вШф^)-

-у 0 ЯПф х ^ПФ 0(с™Ф у С™Ф х “ ^ПФ х ЯПф у С™Ф г ).

Аналогичным образом запишем уравнения движения оптического

луча:

Фу C0s(2(px)sincpz — ф28Іп(2фх) = С0х3опи1 - Юх0[с08(2фх)с08ф,с08фг - sin^sinqj,] -- со V0 адз(2фх)sin фz + oz0[адз(2фх)sin фv cos фz + sin(2px)cos фv];

v0

cpvcoscpz + :

Px  уЗ опт

-K>v0 С°5ф z+ [C0 x0cO^ v ““zO ї?Шф v ]sin(P z;

Фг соз(2фх) + ф^зт(2фх)sin<pz = сог3огая - cox0[sin^x)«^«^z + cos^Jsii^] -- C0y0 sin(^ x) sin Ф г - со z o[co^ y адз(2ф x) - sin(^ x) sin ф y cos ф z ].

В режиме стабилизации проекции угловых скоростей оптического луча на оси OY3onm и OZ3onm должны быть равны нулю. Учитывая наличие

ошибок стабилизации, можно записать: <х>у3опт ~ á, (£>z3onm ~ Р, где a и Р -

ошибки стабилизации по каналам азимута и высоты. Таким образом, второе и третье уравнения системы (2) можно представить в виде:

a = ф cos фг + 2ф - [со 0 cos ф - сог0 sin ф ]sin фг + со 0 cos фг;

•

< р = Ф2 соз(2фх) + ф^ 81п(2фх)зшф2 + сох0[зш(2фх)со8ф^ cosф2 + соз(2фх)sinф^] + v 7

COyo sin(^x)sin Фz + z0[cOS Фу c°s(^x)- sin(29x)sin Фу C0S Фz]•

Система уравнений (3) в общем случае определяет алгоритмы управления ССиН при установке гироскопов на основании. При установке гиро-

скопов на зеркале они измеряют угловые скорости оох3 оо23. Тогда на основании рис. 2 можно записать:

со

хЗ опт

СО

уЗопт

СО

z 3 опт

= coX3 c°scpx -coz3 ^пФx;

= ^з +Фх;

= razз c°scp^x3 ыпФx •

Соответственно ошибки стабилизации линии визирования будут определяться следующим образом:

а= fco^ 3 úfr + cpx; ß = f (C0z3 cos фx + C0x3 sin Фx )dt

Формирование сигналов управления определим на основе формул (3) учитывая, что ошибки стабилизации компенсируются вращением относительно осей карданова подвеса. С учетом требования астатизма системы по угловой скорости преобразуем уравнения (6) к виду: ф, cos ф2 +2фх =Каа;

ф2 соз(2фх) + фу sin(29j sin ф2 = ^pß.

Для формирования управляющего воздействия по трем степеням свободы необходимо три линейно независимых уравнения, в то время как система (6) дает только два. Третье уравнение определим из условия минимизации относительных частот вращений рам карданова подвеса. Данный критерий оптимизации направлен на снижение требований к динамическим характеристикам исполнительных двигателей ССиН.

Критерий оптимальности примем в виде:

Ф^2 + Ф/ + Фг2 -> min •

На основании уравнений (6) и критерия оптимальности (7) получим систему уравнений, определяющую законы управления всеми тремя исполнительными двигателями:

Фу =

Фх =

ф2 =

2

е^Фz cos (2фx) + 4sm(^x^ШФz .

2 2 2 2 5 [cos (2Фx)(4 + cos ФzH4sin Фz sin (2Фx)]

2^aa[cos2 (^x) + sin2 Фz sin2(2фx)] - ^ß sin(^x) sin(^z).

2 2 2 2 5 [(4 + cos ф z)cos (2ф x H4sin Ф z sin (2Ф x )]

Kß ßcos

[cos2(^ x )(4 + co^ ф z ) + 4sin \ z sin 2(^ x )]

Предложенные алгоритмы управления оптимальным образом осуществляют распределение нагрузки между тремя степенями свободы.

На рис. 3-4 приведены результаты моделирования движения линии визирования и изменения углов фЛ,ф ф2 при качке основания.

0,03

Рис

линии визирования по азимуту

Моделирование показало устойчивость и высокую точность стабилизации линии визирования (порядка трех угловых секунд) в случае использования предложенных алгоритмов управления при любых значениях углов пеленга цели. Максимальные значения относительных угловых скоростей по осям стабилизации при рассматриваемых условиях моделирования не превышают 1 рад/с.

1 Бабаев A.A. Стабилизация оптических приборов. JL: Машиностроение, 1975. 190 с.

2. Вертолетные оптико-электронные системы наблюдения и разведки [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.bnti.ru

3. Уральский оптико-механический завод [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.uomz.ru.

4. ЦКБ Арсенал [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://zavodarsenal.kiev.ua.

5. Захариков B.C., Смирнов В.А. Кинематика системы стабилизации и наведения, обеспечивающей расширенный диапазон углов пеленга линии визирования // Молодежные инновации: сборник докладов. Секции технические науки. Оборонно-промышленный комплекс. Тула, 2010. С.265-266.

V.A. Smirnov, A. V. Zacharikov

WAYS OF CONTROL OF AN ACTUATING MOTORS FOR INCREASING OF A OBSERVATION ANGLES OF A STABILIZATION AND GUIDANCE SYSTEM

Kinematic scheme of a stabilization and guidance system of a line o sight based on triaxial gimbal and optical joint is proposed. Algorithm of optimal control for all actuating motors is developed.

Key words: stabilization and guidance system, a line of sight, observation angles, optimal control.

Список литературы