Моделирование задачи системы управляемого спуска для космического аппарата "Союз-ТМ" на цифровой интегро-арифметической системе ИНТАР-274

- ММ исполнительного органа, представленная двумя парами действующих в противоположных направлениях управляющих воздействий, служащая для формирования управляющих воздействий, парирующих возмущающие факторы, и характеризующаяся запаздыванием включения, постоянными времени нарастания и спада управляющих воздействий;

- математическая модель возмущающего фактора, описывающая импульс с постоянной амплитуды, с произвольным моментом появления и постоянной длительностью.

Основные требования, предъявляемые к математическому моделированию задачи СОУД на ЦИАС "ИНТАР-274", сводятся к следующему:

- обеспечение погрешности е < 0,3% Дтах, где Адаах - максимальное значение ]-й переменной;

- реализация запаздываний, имеющих место в блоке управления и в исполнительном органе, с погрешностью не более 5%;

- временной интервал моделирования для обеспечения достоверной картины функционирования системы управления до 128 сек.

Моделирование задачи СОУД в ЦИАС "ИНТАР-274" осуществлялось в результате решения численным методом систем дифференциальных уравнений, описывающих моделируемые подсистемы воспроизведения типичных нелинейностей, элементов задержки, апериодического звена, импульсных сигналов с фронтами. Для выбранных методов численного интегрирования по интерполяционной формуле трапеции с квадратичной и кубичной экстраполяцией приращений величина шага интегрирования определялась на основе анализа графиков погрешности амплитудно-частотных характеристик разностных формул Адамса-Мултона. Рассматривались различные методы воспроизведения элементов задержки исполнительного органа.

Результаты моделирования на ЦИАС "ИНТАР-274" сопоставлялись с эталонными решениями уравнений на ЦВМ класса ЕС-1030. Из сравнения следовало, что воспроизведение параметров моделирования на ЦИАС "ИНТАР-274" осуществляется в допуске заданных погрешностей на всем интервале моделирования.

Многолетняя успешная эксплуатация ЦИАС "ИНТАР-274" в составе исследовательского стенда на предприятии НПО "Энергия" показала эффективность логической организации и состава аппаратуры ЦИАС "ИНТАР-274" при исследовании и отработке алгоритмов СОУД для различных моделей и модификаций космических аппаратов.

О.Н.Пьявченко, И.Ф.Сурженко, Е.И.Харченко, |В.Г.Шаповал

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГО СПУСКА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "СОЮЗ-ТМ" НА ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРО-АРИФМЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ИНТАР-274

В 1981 г. в НПО "Энергия" был создан моделирующий комплекс для отработки системы управляемого спуска космического аппарата (КА) "Союз-ТМ", в состав которого вошли цифровая интегро-арифметическая система "ИНТАР-274", аналоговые вычислительные машины АВК-2 и ЭМУ-10, бортовая ЦВМ 2СН,

имитатор КА, средства приема и выдачи релейных сигналов и цифровых кодов. В этом комплексе ЦИАС "ИНТАР-274" заменила ЦВМ М-220.

Целесообразность замены определялась особенностями применения моделирующего комплекса, который предназначался для решения двух задач:

- проведение тренировок космонавтов с целью получения навыков управления СУС;

- проверка бортовой ЦВМ 2СН, управляющей спуском КА в динамических режимах, максимально приближенных к реальным условиям функционирования. При этом необходимо было обеспечить возможность моделирования и отладки алгоритмов СУС с использованием математической модели БЦВМ 2СН.

При решении выполняются заданные требования к параметрам и циклограммам режимов моделирования задач, реализующих следующие основные алгоритмы:

- воспроизведение элементов движения объекта, как материальной точки, во всех фазах моделирования;

- воспроизведение движения объекта с учетом его геометрических и аэродинамических характеристик, моментов, действующих относительно центра масс;

- моделирование внешней среды при движении объекта при соблюдении требований расчета параметров атмосферы по стандарту СА-76;

- моделирование алгоритмов работы БЦВМ 2СН (включая формирование команд управления, информационных кодов);

- моделирование измерительной подсистемы для БЦВМ 2СН;

- имитация блока приема телеметрической информации объекта;

- обработка входных релейных сигналов;

- обмен информацией между ИНТАР-274 и другими компонентами моделирующего комплекса.

К реализации перечисленных алгоритмов СУС предъявляются следующие основные требования:

- погрешность воспроизведения переменных, описывающих движение объекта как материальной точки, за один час реального времени не должна превышать 110-3 для относительных значений координат в направлении движения и перпендикулярно направлению движения;

- погрешность воспроизведения переменных, описывающих движение объекта относительно центра масс, не должна превышать 110-2 относительного значения;

- погрешность отсчета времени в системе не должна превышать величины 0,25 секунды за один час реального времени;

- время реализации основного режима проверки БЦВМ 2СН для одного варианта - не более 15 мин;

- дискретность фиксации событий - 0,25 сек;

- период обмена информацией с АРМ и БЦВМ 2СН составляет 0,05 сек;

- период расчета параметров внешней среды объекта - не более 0,5, при тренаже и моделировании должны задаваться один или несколько последовательных основных или альтернативных режимов моделирования (в допустимых сочетаниях), причем каждый режим должен характеризоваться циклограммой наступления событий;

- необходимо предусмотреть задание 31 варианта начальных данных для любого сочетания режимов, предназначенных для проверки БЦВМ, причем при задании начальных данных в каждом из вариантов должны учитываться изменения исходных параметров движения объекта, его аэродинамических характеристик, параметров внешней среды.

При создании ИНТАР-274 в его аппаратно-программном обеспечении учитывались перечисленные выше требования и особенности моделирования задачи СУС. В частности, на пульте управления ИНТАР-274 возможно задание признаков перехода, которые определяют автоматическую смену начальных условий и повторение режима или решения задачи после завершения текущего варианта. В ИНТАР-274 реализуется изменение любых начальных значений параметров моделирования для реализации вариантов в различных условиях движения объекта. В различных фазах моделирования режимов возможна реализация либо решения в реальном времени, либо ускоренного выполнения решения. Применение ЦИАС "ИНТАР-274" в составе гибридного вычислительного комплекса позволило обеспечить вою совокупность функциональных, точностных и динамических характеристик моделирующего комплекса. При этом были реализованы следующие основные режимы:

- тренаж с использованием управляющих воздействий от БЦВМ 2СН и моделирования исполнительных органов на АВМ;

- тренаж с использованием управляющих воздействий, поступающих в "ИНТАР-274" через АВМ от физической модели объекта;

- проверка работоспособности БЦВМ 2СН комбинациями из 31 варианта начальных данных при расчете параметров движения по управляющим воздействиям от БЦВМ;

- проверка БЦВМ с использованием управляющих воздействий БЦВМ в "ИНТАР-274";

- проведение эталонного моделирования при постоянных значениях параметров управления движением объекта с целью получения установочных значений для заданной совокупности начальных условий.

При сравнении моделирующего комплекса на базе ЦВМ М-220 и пришедшего на смену комплекса на базе "ИНТАР-274" было установлено, что при относительно равных значениях времени выполнения операций "ИНТАР-274" позволял обеспечить значительно более высокие параметры моделирования. В частности, было достигнуто эквивалентное быстродействие - в 20 раз выше, чем на М-220, время испытаний штатных БЦВМ 2СН сократилось в два раза, максимальная погрешность по управляющему углу уменьшилась с 20о у М-220 до 7о у "ИНТАР-274", усредненная погрешность по управляющему углу уменьшилась с 5о до 1°, максимальная погрешность по времени выдачи команд управления уменьшилась с 3 секунд до 0,25, усредненная погрешность по времени уменьшилась с I секунды до 0,1 секунды, стабильность результатов для одного и того же варианта улучшилась по продольному отклонение с 10-15 км до 0,2 км, по боковому отклонению - с 5 км до 0,1 км.

Достигнутая точность решения задачи СУС в "ИНТАР-274" позволила впервые количественно проверить алгоритм управления, реализованный на штатной БЦВМ 2СН. Кроме того, впервые была произведена проверка прошивки ко-

эффициентов управления штатной БЦВМ на конечном участке спуска и выявлено суммарное запаздывание в циклограмме функционирования штатной БЦВМ.

На предприятии НПО "Энергия" в течение нескольких лет моделирующий комплекс успешно использовался для тренировок космонавтов, тестирования и предполетной поверки штатных бортовых приборов 2СН.

В.П.Богомолов, В.Г.Ли, В.Н.Сапрунов, В.Г.Шаповал

ПЛАНИРОВАНИЕ ВНЕКОРАБЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТА В КОМПЬЮТЕРНОЙ ВИРТУАЛЬНОЙ СРЕДЕ

Существует большой комплекс задач, который включает различные виды работ космонавтов, связанных с выходом в открытый космос для технического осмотра, ремонта или монтажа внешнего оборудования, а также действия экипажей космических аппаратов (КА) при стыковке с международной многомодульной космической станцией (МКС). Успешная работа космонавтов в реальных условиях во многом определяется хорошим знанием объекта действий и уверенностью, основанной на наличии достаточного опыта и навыков внекорабельной деятельности (ВКД).

Особенности подготовки космонавтов к выполнению указанных задач определяются:

- использованием робототехнических систем обслуживания, повышающих безопасность ВКД и снижающих стоимость работ, выполняемых при ВКД;

- применением технологий дистанционного управления робототехническими комплексами;

- необходимостью максимального приближения условий тренажерной подготовки к условиям выполнения реальных операций;

- необходимостью отработки нештатных ситуаций (НШС) в процессе

ВКД;

- сложностью МКС и ее внешнего облика, многомодульностью МКС и изменением ее конфигурации в процессе полета;

- отсутствием возможности подготовки космонавтов с использованием реального оборудования в полном объеме и в нужной конфигурации.

В таких условиях приходится использовать средства планирования, моделирования ВКД и тренажеры, которые включают в себя в качестве основного компонента систему компьютерной визуализации внешнего облика и деталей МКС с использованием средств виртуальной реальности на основе баз данных виртуальных изображений.

В данной работе рассматривается программный комплекс моделирования для решения задач планирования, тренажной подготовки и контроля (ПТК) ВКД операторов МКС для осуществления их наземной подготовки и поддержания приобретенных навыков на борту станции, а также при планировании операций ВКД и их сопровождении.

ПТК ВКД поддерживает геометрические, динамические и кинематические модели космонавта в скафандре и манипуляторов робототехнических комплексов. При моделировании ВКД используется методика визуального планирования движения космонавта в скафандре с использованием библиотек типовых движений оператора в скафандре. Типовые движения оператора определяются на основе