Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
Том 22, № 7 (2021)
Скачать выпуск PDF ()

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ 

339-348 59
Аннотация

Обсуждается проблема синтеза оптимальной управляемой системы с квадратичным критерием качества, имеющей бесконечное число точек переключения на конечном интервале времени. В теории оптимального управления данное явление получило название "феномен Фуллера". Проблема Фуллера уже более 60 лет является весьма привлекательной, актуальной и до сих пор не решенной, особенно для нелинейных многомерных динамических систем высокого порядка и, тем более, с получением решения в явном аналитическом виде для практической реализации в системе управления.

Целью настоящей работы является демонстрация теоретических аспектов и практических особенностей метода синтеза оптимальных систем управления по критерию быстродействия на примере решения задач, связанных с феноменом Фуллера.

При решении данных задач используется принятый в классическом вариационном исчислении и принципе максимума Понтрягина прием введения в рассмотрение новой дополнительной фазовой переменной, которая сопоставляется интегральному критерию качества и расширяет исходный фазовый вектор объекта. В результате, если для объекта управления известно наилучшее оптимальное по быстродействию управление, то данный прием позволяет весьма просто получить более худшее оптимальное по точности управление путем включения в динамику объекта управления критерия точности Фуллера. Следует отметить, что важным приобретением здесь является повышение точности до оптимального значения и снижение установившейся ошибки регулирования до нулевого значения, причем все коэффициенты ошибок (по положению, скорости, ускорению, рывку и т. д.) равны нулю при наличии внешних и внутренних помех.

Приводятся постановки и решения классической и модифицированной задач Фуллера. В качестве иллюстрирующих примеров рассмотрены традиционные задачи синтеза оптимального по быстродействию управления, решенные в известных работах.

349-356 40
Аннотация

Рассмотрены некорректно поставленные одно- и двумерные обратные задачи восстановления изображений объектов с угловым разрешением, превышающим критерий Рэлея. Представлены алгебраические методы и алгоритмы обработки данных, полученных измерительными системами, в целях достижения углового сверхразрешения. Угловое сверхразрешение позволяет детализировать изображения объектов, решать задачи их распознавания и идентификации.

Показана эффективность использования алгоритмов на основе развитых алгебраических методов и их модификаций при параметризации исследуемых обратных задач и дальнейшем восстановлении приближенных изображений объектов различных типов. Адекватность и устойчивость решений проверена в ходе численных экспериментов на математической модели. Выяснено, что помехоустойчивость полученных решений превышает многие известные подходы. Результаты численных экспериментов подтверждают возможность получения изображений с разрешением, превосходящим критерий Рэлея в 2...6 раз при малых значениях отношения сигнал/шум. Описаны пути дальнейшего повышения степени сверхразрешения на основе интеллектуального анализа данных измерений. Найдено, что предложенный алгоритм симметризации позволяет повысить качество решений рассматриваемых обратных задач и их устойчивость. На примерах продемонстрировано успешное применение модифицированных алгебраических методов и алгоритмов получения изображений исследуемых объектов при наличии априорной информации о решении. Результаты численных исследований показывают, что представляемые методы цифровой обработки принимаемых сигналов позволяют достичь эффективной угловой разрешающей способности, в 3...10 раз превышающей критерий Рэлея, с хорошей точностью восстанавливать угловые координаты исследуемых объектов и их отдельных элементов. Минимально необходимое отношение сигнал/шум для получения адекватных решений со сверхразрешением составляет для описываемых методов 13...16 дБ, что существенно меньше, чем у известных методов. Относительная простота представленных методов позволяет использовать недорогие вычислительные устройства и работать в режиме реального времени.

357-364 53
Аннотация

Обсуждается разработка алгоритмов вычисления вероятности возникновения в тоннелях различного рода дефектов, развитие которых может привести к авариям. Отмечено, что тоннели являются важной и сложной частью транспортно-коммуникационной системы, по которой осуществляется интенсивное движение. Поэтому определение вероятности возникновения дефектов в скрытом периоде зарождения на отдельных участках тоннелей является важной задачей. Отмечено, что образование дефектов сопровождается появлением помех, которые искажают полезные сигналы, поступающие от датчиков и измерительных приборов, установленных для контроля устойчивости тоннеля и надежности его конструкций. Традиционно в таких случаях измерительные приборы регистрируют зашумленные сигналы, и по значениям их характеристик оценивают техническое состояние тоннелей. Однако в работе показано, что более надежными индикаторами фиксации начала опасных изменений в скрытом периоде зарождения являются характеристики помехи, которую невозможно выделить из зашумленного сигнала. При этом отмечено, что вероятности, с которой помеха принимает допустимые и критические значения, являются показателем изменения технического состояния тоннелей. Поэтому разработаны алгоритмы вычисления вероятностей попадания значений помехи в заданные интервалы. Показано, что эти вероятности хранятся как эталонные множества начала зарождения дефектов тоннелей. После проведенного обучения значениям вероятностей, с которыми помеха принимает заданные значения в различные моменты времени, ставится в соответствие вид дефекта и одно из возможных технических состояний: исправное, работоспособное, частично работоспособное, неработоспособное; предаварийное; аварийное и т. п. Кроме того, показано, что разности вероятностей, с которыми помеха принимает одни и те же значения в различные моменты, являются показателями динамики изменения возникшей неисправности в тоннели. В работе также создана база информативных признаков интенсивности развития неисправностей. Для данной базы определены такие показатели динамики развития дефекта, как незначительное, медленное, существенное, интенсивное.

ДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 

365-373 42
Аннотация

На практике широко используется система самонаведения ракет (ССР) с применением метода пропорционального наведения. В ней при уничтожении целей на разных высотах применяется система стабилизации нормального ускорения (ССНУ). Следовательно, система самонаведения ракет является сложной системой, и ее синтез является сложной задачей. При синтезе ССР необходимо синтезировать ССНУ. В целях упрощения процесса синтеза в первом приближении принимаем линейную модель ССНУ и стараемся макситмально использовать команды пакета Control System Toolbox (Matlab). В нем существуют команды описания передаточных функций, команда определения запаса устойчивости по амплитуде и команда определения значений переходной харктеристики линейных автоматических систем. Поэтому в работе представлены методики синтеза ССР c допустимым запасом устойчивости ССНУ по перерегулированию или по амплитуде. Они нетрудно осуществляются с помощью команд MATLAB. Синтез ССР осуществлен методом параметрической оптимизации, позволяющим получить высокоточную ССР. В работе также представлено сравнение результата синтеза ССР с применением этих методик с результатом ее синтеза c допустимым запасом устойчивости ССНУ по показателю колебательности, которое показывает, что предложенные методики синтеза дают одинаковые результаты.

В статье также проводится исследование влияния силы тяжести, продольного ускорения ракеты, ослепления головки самонаведения на точность синтезированной ССР. По результатам наших исследований они мало влияют на ее точность.

374-382 48
Аннотация

Описаны методики и результаты испытаний волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) — датчика угловых скоростей (ДУС), разработанного на кафедре "Приборы управления" ТулГУ и изготовленного серийным заводом АО "Мичуринский завод "Прогресс" по отработанной им технологии.

Металлический резонатор ВТГ-ДУС изготовлен из элинварного сплава и имеет разнотолщинную цилиндрическую конструкцию, нижняя часть которой с меньшей толщиной стенки выполняет роль подвеса для верхнего цилиндра, собственно резонатора, имеющего конусную форму, обеспечивающую лучшую локализацию колебаний на его торцевой кромке.

Технологические дефекты изготовления, разночастотность и разнодобротность, устранены балансировкой "по массе", основанной на удалении избыточного металла в определенных точках на торцевой кромке резонатора.

Электронный модуль обеспечивает вторую моду первичных и вторичных, возникающих при вращении, колебаний кромки резонатора и создает сигнал компенсации кориолисовой и квадратурной составляющих выходного сигнала в узлах. Поскольку максимальные амплитуды сигналов возбуждения и компенсации не превышают 10 В, то при больших механических воздействиях контур компенсации может не отработать возросший сигнал, и ВТГ-ДУС теряет работоспособность. Полное время отработки сигнала компенсации не превышает 1 мкс при максимальной потребляемой мощности электронного модуля, не превышающей 4 Вт.

При испытаниях на механические и температурные воздействия использовались нормы, характерные для аналогичных датчиков угловых скоростей, применяемых на борту летательных аппаратов. Определены стабильность нулевого сигнала и масштабного коэффициента при одновременном воздействии на ВТГ-ДУС измеряемой скорости и температуры. Получены значения случайного блуждания и нестабильности нулевого сигнала по графикам отклонений Аллана. Установлено, что ВТГ-ДУС обладает ударной прочностью и восстанавливает измерительную способ-ость после удара. Испытания на вибростойкость выявили резонансные частоты и диапазоны частот, в которых испытываемый образец ВТГ-ДУС может применяться без существенной доработки.

383-390 48
Аннотация

Рассматривается управляемое изменение габаритных размеров спускаемого в атмосфере Марса космического аппарата (КА). Целью работы является получение методики расчета массовых и массово-геометрических характеристик КА при изменении его габаритных размеров, обеспечивающей пассивное управление угловой скоростью на этапе спуска данного космического аппарата в разряженной атмосфере. В процессе решения данной задачи вычисляются геометрические и массово-геометрические характеристики спускаемого КА (объем, площадь поперечного сечения, моменты инерции). Предполагается, что задняя относительно набегающего потока внешняя форма КА представляет собой однополостный гиперболоид вращения, изменяющий свои габаритные размеры в процессе спуска

КА в разряженной атмосфере Марса. В результате решения задачи нелинейного программирования получены искомые минимальные и максимальные значения главных осевых моментов инерции, способствующих раскручиванию КА относительно продольной оси симметрии. Исходными данными при решении задачи нелинейного программирования являются минимальный внутренний объем и максимальная площадь поперечного сечения гиперболоида, рассчитываемые исходя из габаритных размеров реального КА. Сформулирована методика расчета массовых и массово-геометрических характеристик КА при изменении его габаритных размеров, позволяющая осуществлять управление значением угловой скорости симметричного КА в разряженной атмосфере Марса без применения бортовых реактивных двигателей. В частности, в работе показывается, что при увеличении высоты гиперболоида происходит уменьшение момента инерции относительно продольной оси симметрии КА, сопровождающееся увеличением моментов инерции относительно поперечных осей симметрии. Следует отметить, что в этом случае происходит увеличение угловой скорости вращения КА относительно продольной оси, которое позволяет достичь устойчивой ориентации КА при входе в атмосферу. Однако более подробное исследование динамики относительного движения КА с изменяемой формой в атмосфере выходит за рамки данной работы, но оно может быть представлено в дальнейших публикациях.



ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)