Система стабилизации оптического изображения повышенной точности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Филонов, Максим Петрович

• Филонов, Максим Петрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филонов, Максим Петрович

ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО 8 ИЗОБРЖЕНИЯ

1.1. Принципиальная схема ССОИ

1.2. Кинематические зависимости карданова подвеса

1.3. Уравнения движения двухосной ССОИ 15 Выводы к главе

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКЙ МОДЕЛИ 22 СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

2.1. Исследование кинематики ССОИ

2.2. Определение областей устойчивости движения

2.3. Анализ возмущающих моментов, действующих по осям 32 карданова подвеса

Выводы к главе

3. ВАРИАНТЫ СИНТЕЗА КОРРЕКТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ 48 И ИССЛЕДОВАНИЕ ОШИБОК СТАБИЛИЗАЦИИ

3.1. Синтез последовательного корректирующего устройства

3.2. Синтез ПИД - регулятора в контуре стабилизации ССОИ

3.3. Синтез регулятора методом модального управления

3.4. Сравнение различных вариантов корректирующих звеньев

3.5. Синтез корректирующего устройства смешанного типа 83 Выводы к главе

4. ИСПЫТАНИЯ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ССОИ

4.1. Макетный образец системы стабилизации оптического 89 изображения

4.2. Результаты экспериментальных исследований

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система стабилизации оптического изображения повышенной точности»

Современные оптические приборы обладают высоким угловым разрешением. Для сохранения разрешающей способности оптических приборов в условиях подвижного или недостаточно устойчивого основания чаще всего используют механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Наиболее распространенным приемом является стабилизация изображения относительно приемника изображения, осуществляемая с помощью оптических элементов или узлов прибора, положение которых регулируется в пространстве и относительно приемника автоматически [2,9,10,23].

Повышение точности и быстродействия оптических систем, устанавливаемых на подвижных объектах, приводит к необходимости применения систем стабилизации оптического изображения (ССОИ), обеспечивающих работу оптических элементов в режимах стабилизации и управления [31,32,35,36].

В совокупности требования к точности стабилизации и диапазону скоростей управления линии визирования носят противоречивый характер и отражают принципиальное отличие ССОИ от стабилизаторов плоскости или заданного направления. Например, по сравнению с авиационными гировертикалями, имеющими точность порядка нескольких угловых минут [43,50], ССОИ, установленные на тех же летательных аппаратах, должны обеспечивать стабилизацию линии визирования (JIB) с точностью до нескольких угловых секунд и при этом обеспечивать управления линией визирования с большими скоростями [68,70].

Изучению динамики и синтезу подобного рода систем посвящено значительное количество работ [5, 13, 20, 31, 34, 50, 57, 73]. Однако, в известных публикациях при рассмотрении таких систем динамика оптического элемента отдельно не учитывается, что является недопустимым в современных условиях при использовании оптического элемента, момент инерции которого больше моментов инерции других подвижных частей системы: Высокие требования к качеству стабилизации оптического изображения, приводят к необходимости более точного математического описания ССОИ, анализу динамики и разработке способов повышения точности стабилизации JIB.

Обеспечить высокую скорость управления позволяет ССОИ индикаторного типа, построенная на трехстепенном астатическом гироскопе, поскольку в ней отсутствуют гироскопические моменты, действующие на платформу и препятствующие управлению с большими скоростями. Другим преимуществом данной схемы является отсутствие систематического дрейфа от возмущающих моментов, действующих по осям стабилизации. В то же время отсутствие стабилизации за счет гироскопического момента предъявляет высокие динамические требования к точности контуров стабилизации.

Решение указанных задач позволяет расширить области теоретических исследований и практического применения ССОИ, построенных на трехстепенных гироскопах.

Таким образом, создание математической модели, учитывающей динамику оптического элемента, её исследование и разработка на их основе ССОИ, способной обеспечить высокую точность стабилизации при высоких скоростях управления является актуальной научной задачей, которая в целом пока еще не решена.

Целью работы является повышение точности ССОИ на основе разработки математической модели, учитывающей особенности динамики оптического элемента, исследования ошибок в режимах стабилизации и управления и синтеза регуляторов.

Объектом исследования является двухосная индикаторная ССОИ устанавливаемая на подвижных объектах, построенная на трехстепенном гироскопе и предназначенная для стабилизации оптического изображения и управления положением оптического луча.

Теоретические исследования проводились на базе методов теории автоматического управления, теории дифференциальных уравнений, операционного исчисления, теории матриц, методов математического моделирования, численной оптимизации на ЭВМ и физического моделирования в лабораторных условиях.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные в диссертации исследования и корректирующее устройство, позволяют создавать прецизионные системы стабилизации и управления оптическим изображением и сократить сроки проектирования систем. А

Полученная математическая модель, учитывающая динамику оптического элемента, и результаты ее исследования, позволяют более обоснованно предъявлять требования к элементам ССОИ.

Практическое использование результатов диссертационной работы осуществлялось в ОАО АНПП «ТЕМП-АВИА».

В первом разделе рассматривается математическое описание ССОИ, построенной на трехстепенном гироскопе в углах рассогласования JIB от заданного положения с учетом кинематики и динамики оптического элемента. Разработаны динамические уравнения для ошибок двухосной ССОИ на трехстепенном гироскопе с учетом динамики оптического элемента. Моменты, вызванные динамикой оптического элемента, приведены к осям карданова подвеса платформы.

Во втором разделе проведено исследование кинематики ССОИ. Получены области устойчивости ССОИ для различных параметров оптического элемента с учетом перекрестных связей в осях гироскопа и постоянной времени двигателей стабилизации. Исследованы возмущающие момента, действующие по осям ССОИ в различных режимах работы. Определены спектральные плотности возмущающих моментов.

В третьем разделе проведены исследования для собственного ч вынужденного движения ССОИ при различных вариантах синтезированной коррекции. Дана сравнительная характеристика различных корректирующих устройств в составе ССОИ при воздействии возмущающих моментов. Предложено корректирующее устройство смешанного типа, на базе нелинейного и линейного корректирующих звеньев.

В четвертом разделе описывается техническая реализация результатов теоретических исследований на макете ССОИ, состоящим из блока стабилизации оптического изображения, пульта управления и оптико-электронного координатора. Пульт управления включает в себя модальные регуляторы, реализованные на средствах аналоговой микроэлектроники.

В заключении приведены основные научные выводы, полученные в диссертации.

В приложении помещены акт внедрения результатов диссертационной работы, программа и схемы численного моделирования ССОИ на ЭВМ.

1. СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Система стабилизации оптического изображения решает задачи ориентации оптической линии визирования (ОЛВ) относительно заданного направления и слежения за наблюдаемым объектом в пространстве [11,24]. Принципиальная схема ССОИ изображена на рисунке 1.1.

Достоинство трехстепенных гироскопов состоит в сохранении неизменным направления оси собственного вращения ротора в инерциальном пространстве при отсутствии внешних возмущающих моментов. Возмущающие моменты, действующие по осям карданова подвеса ССОИ, компенсируются двигателями стабилизации [49,59].

В конструктивном исполнении ССОИ используется для стабилизации оптического изображения, с помощью оптического элемента (зеркала), установленного в подшипниках на наружной рамке карданова подвеса ССОИ и соединенного с его внутренней рамкой ленточной связью со шкивами. Двухосная ССОИ предназначена для компенсации качки основания и

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Филонов, Максим Петрович

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

1. С учетом инерционности двигателя стабилизации и динамических свойств гироскопа проведен синтез контура стабилизации, обеспечивающий эффективное подавление возмущающих моментов от качки основания и точное воспроизведение управляющего сигнала. Реализация полученных законов управления в макетном образце позволила снизить степень колебательности и увеличить коэффициенты передачи контуров стабилизации и управления.

2. Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические выводы о возможности создания системы стабилизации и управления на трехстепенном гироскопе с погрешностью стабилизации оптического изображения, оцениваемой по СКО, порядка 0.3 -10'3 рад. Р

98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрена двухосная система стабилизации оптического изображения с оптическим элементом, расположенным на наружной рамке карданова подвеса, проведен анализ возмущающих моментов, действующих по осям, с учетом движения оптического элемента, исследовано влияние динамики оптического элемента на точность системы стабилизации оптического изображения, предложено корректирующее устройство смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев.

При исследовании получены следующие теоретические и практические результаты:

4. Разработаны динамические уравнения для ошибок двухосной системы стабилизации оптического изображения на трехстепенном гироскопе с учетом динамики оптического элемента.

5. Получены кинематические уравнения для углов пеленга двухосной системы с оптическим элементом, расположенным на наружной рамке карданова подвеса.

6. Проведен анализ кинематики двухосной системы стабилизации оптического изображения.

7. Определены области устойчивости системы стабилизации оптического изображения с учетом оптического элемента.

8. Исследованы возмущающие моменты, действующие по осям карданова подвеса с учетом движения оптического элемента.

9. Получены спектральные плотности возмущающих моментов, действующих по осям карданова подвеса системы стабилизации оптического изображения с учетом динамики оптического элемента.

10.Проведено исследование собственного и вынужденного движения системы и дана сравнительная характеристика корректирующих устройств для различных вариантов коррекции.

11. Предложено корректирующее устройство смешанного типа на базе нелинейных и линейных корректирующих звеньев, позволяющие повысить точность стабилизации до 0,00001 рад (20 угл.с).

12.С учетом инерционности двигателя стабилизации и динамических свойств гироскопа проведен синтез контура стабилизации, обеспечивающий эффективное подавление возмущающих моментов от качки основания и воспроизведение управляющего сигнала. Реализация полученных законов управления в макетном образце позволила снизить степень колебательности и увеличить коэффициенты передачи контуров стабилизации и управления.

13. Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические выводы о возможности создания системы стабилизации оптического изображения на трехстепенном гироскопе с погрешностью стабилизации оптического изображения, оцениваемой по СКО, порядка

0.3-10 'рад.

100

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филонов, Максим Петрович, 2003 год

1. Абдуллаев Н.Д., Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.-240 с.

2. Автоматическая стабилизация оптического изображения/Д.Н. Еськов, Ю.П. Ларионов, В.А. Новиков и др.-Л.: Машиностроение, 1998.240 с.

3. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем/С.М.

4. Зельдович, М.И. Малтинский, О.М. Окон и др.-Л.: Судостроение, 1976.255 с.

5. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем.-М.: Машиностроение, 1986.- 272 с.

6. Александров А.Д. Индикаторные гироскопические платформы.-М.:

7. Машиностроение, 1979.- 375 с.

8. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 295 с.

9. Астапов Ю. М. Медведев B.C. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления.- М.: Наука, 1982.-304с.

10. Ахметжанов А.А., Кочемасов А.В. Следящие системы и регуляторы.-М.:

11. Энергоатомиздат, 1986.-288с.

12. Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилизация оптическихприборов.-Л.: Машиностроение, 1984.-232 с.

13. Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов.-Л.: Машиностроение, 1975.-192 с.

14. Бабичев В.И. Области применения и особенности бортовых гироприборов управляемых ЛА ракетно-артиллерийских комплексов // Оборонная техника,- 1994.-N 5-6.- С.5.

15. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский М.Г. Управление электроприводами.-Л.: Энергоиздат, 1982.-392 с.

16. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации.-Л.: Судостроение, 1968.-351 с.

17. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики.-Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1980, 389 с.

18. Гайдук А. Р. Алгебраические методы анализа и синтеза систем автоматического управления.- Ростов: Изд-во Ростовского ун-та, 1988.208 с.

19. Гайдук А. Р. Аналитический синтез инвариантных автоматических систем при одномерном объекте управления // Автоматика и телемеханика.- 1981.- №5.- С.5.

20. Гайдук А.Р. Аналитический синтез автоматических систем с управлением по состоянию и воздействиям // Изв. ВУЗов. Электромеханика.- 1982.- № 5.-С. 555.

21. Гайдук А.Р. Синтез систем автоматического управления по передаточным функциям // Изв. ВУЗов. Автоматика и телемеханика.-1980. -N 1.-С.11.

22. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.- М.: Наука, 1967.- 576 с.

23. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. 4.2. Гироскопические стабилизаторы / Под ред. Д. С. Пельпора.М.: Высшая школа, 1977.- 223 с.

24. Горовиц А. Синтез систем с обратной связью/ Под ред. М.В.Меерова.-М.: Сов. радио, 1970.-600 с.

25. Даффин Р.,Питерсон Э. Геометрическое программирование.- М.:Мир, 1972.- 311 с.

26. Диткин В.А.,Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению.- М.: Высшая школа, 1965.- 467 с.

27. Еськов Д.Н.,Степин Ю.А.,Горопин В.А. Методы и средства стабилизации оптического изображения // Оптико-механическая промышленность.-1982.-N 1.-С.25—30.

28. Заде Л.Дезоер Ч. Теория линейных систем.-М.:Наука, 1970.-703с.

29. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики.- Л.: Энергоатомиздат, 1984.-432 с.

30. Зотов М. Г. Аналитическое конструирование стационарных управляющих устройств.- М.: Энергоатомиздат, 1987.-136 с.

31. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация.М.: Наука, 1976.-671 с.

32. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем.-М.: Мир, 1971.-208 с.

33. Карманов В.Г. Математическое программирование.- М.: Наука,1975.

34. Карпов В. К. Принципы построения и оптимальный синтез гироскопических систем, работающих в совмещенных режимах // Изв. ВУЗов. Приборостроение.-1990.- № 1. С. 54—

35. Карпов В.К.,Родионов В.И., Болоболкин А.В., Рыбаков С.В. Проектирование гироскопических приборов и систем.-Тула, ТулПИ, 1998.-85с.

36. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров/Под ред. Арамановича.-М.: Наука, 1984.-831 с.

37. Корякин О.Г. Динамика индикаторных гиростабилизаторов телевизионных приемников излучения // Оборонная техника.- 1994.-N 5-6.С.61.

38. Корякин О.Г.,Рогов С.В. Особенности конструкций управляемых гироприводов // Оборонная техника.- 1994.- № 5-6.- С. 17.

39. Корякин О.Г., Родионов В.И. Системы стабилизации и управления информационно-поисковых приборов и комплексов // Оборонная техника.- 1995.- № 6.-С.53—.

40. Красовский А.А.,Поспелов Г.И. Основы автоматики и технической кибернетики.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.-600 с.

41. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устроЙства.М.: Машиностроение, 1977.- 184 с.

42. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов.-М:

43. Высшая школа, 1976.-304 с.

44. Ланкастер П. Теория матриц.-М.: Наука, 1982.-269 с.

45. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и реализация / Под ред.

46. И-Н. Теплюка. М.: Мир, 1982. - 591 с.

47. Лившиц Н. А., Пугачев В. Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. 4.2. Нелинейные системы, системы дискретного действия.-М.: Сов. радио, 1963.- 483 с.

48. ЛунцЯ.Л. Ошибки гироскопических приборов.-Л.: Судостроение, 1968.232 с.

49. Мееров М. В. Исследование и оптимизация многосвязных систем управления.- М.: Наука, 1986.-236 с.

50. Методы теории чувствительности в автоматическом регулировании и управлении / Под ред. Розенвассера и P.M. Юсупова.-Л.: Энергия, 1971.341 с.

51. Назаров Б.И. Хлебников Г.А. Гиростабилизаторы ракет.-М.: Воениздат, 1975.-215 с.

52. Неусыпин А. К. Гироскопические приводы. —М. : Машиностроение, 1978.- 191 с.

53. Одинцов А. А. Теория и расчет гироскопических приборов.- Киев: Высшая школа, 1985.-392 с.

54. Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации: Справ, пособие.-М.: Машиностроение, 1982.-165 с.

55. Пельпор Д. С., Колосов Ю. А., Рахтеенко Е. Р. Расчёт и проектирование гироскопических стабилизаторов.-М.: Машиностроение, 1972.-325 с.

56. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления М.: Наука, 1986.-615 с.

57. Петров Б.Н. Принцип инвариантности и условия его применения при расчете линейных и нелиейных систем // Тр./ первый международный конгресс ИФАК.-М.: Изд-во АН СССР,1961,Т.1.-С.259.

58. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления М.: Наука, 1989 - 304 с.

59. Попов Е.П. • Теория нелинейных систем автоматического управления и регулирования.- М.: Наука, 1979.- 256 с.

60. Поцелуев А. В. Статистический анализ и синтез сложных динамических систем,- М.: Машиностроение, 1987.- 208 с.

61. Проектирование и расчет динамических систем / Под ред. В. А.Климова.-Л.: Машиностроение, 1974.- 360 с.

62. Проектирование гироскопических систем ч,2./ Под ред. Д. С.Пельпора.-М.: Высшая школа, 1977.- 222 с.

63. Ракитский Ю. В., Устинов С.М., Черноруцкий М.Г. Численные методы решения жестких систем.-М.: Наука, 1979.-208 с.

64. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А.И. Гироскопические системы.-М.: Машиностроение, 1983.- 319с.

65. Ривкин С. С. Статистический синтез гироскопических устройств.Л.: Судостроение, 1970.- 424 с.

66. Ривкин С. С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании,- М.: Наука, 1978,- 320 с.

67. Родионов В. И. Геометрия и кинематика совмещенных систем стабилизации и управления // Оборонная техника.-1993.-N 3.- С.22—.

68. Родионов В.И. Управление гиростабилизатором, инвариантным к внешним воздействиям // Гравиинерциальные приборы и измерения.-Тула: Тул. политех. ин-т.-1980.-С.22—.

69. Родионов В.И., Смирнов В.А. Динамика индикаторных гиростабилизаторов прицельных устройств // Оборонная техника,-1999.-N3-4.-C.13.

70. Родионов В.И., Смирнов В.А. Математические модели двухосных управляемых гиростабилизаторов // ТулГУ.-Тула, 1998.-44 с. Деп в ВИНИТИ 19.08.98, № 2600-В 98.

71. Ройтенберг Я. Н. Гироскопы.- М.: Наука 1975. —592с.

72. Свешников А.А., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов.-М.: Наука, 1974.-536 с.

73. Следящие приводы т.1/ Под ред. Б.К. Чемоданова.-М.: Энергия, 1976.480 с.

74. Смирнов В. А. Алгебраический синтез многомерных управляющих устройств гиростабилизаторов // Юбилейная научно-техническая конференция "Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации.-М.компьютерные системы и сети МГТУ.-1998.-С.98—.

75. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского.- М.: Наука, 1987.-712 с.

76. Табак , Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование.- М.: Наука, 1975.- 280 с.

77. Томович Р, Вукобратович М. Общая теория чувствительности/ Под ред. ЦыпкинаЯ.З.-М.: Сов.радио, 1972.-239 с.

78. Фабрикант Е.А., Журавлев П.Д. Динамика следящего привода гироскопических стабилизаторов.-М.Машиностроение, 1984.-264 с.

79. Филонов М.П., Родионов В.И., Аджиев Д.С. Математическое описание системы стабилизации изображения оптических приборов с учетом динамики зеркала Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального -машиностроения». Тула, 2001. - Вып. 5 (2) С. 69-72.

80. Филонов М.П., Родионов В.И. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 4. 4.2. С. 197-200.

81. Филонов М.П., Родионов В.И., Хвалина Е.А. Гироскопические системы стабилизации и управления линией визирования оптических приборов //Датчики и системы № 5, 2001.- С.5-6.

82. Филонов М.П. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования //XXVII Гагаринские чтении. МАТИ: Российский государственный технологический университет им. Циолковского, 2002.-С.34-35.

83. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А, Измерители угловых скоростей линии визирования оптических приборов //Датчики и системы № 8, 2002.- С. 11-13.

84. Филонов М.П., Родионов В.И. Гироприводы оптической линии визирования. Известия ТулГУ. Серия «Проблемы управления электротехническими объектами». Тула, 2002. - Вып. 2. С. 134-135.

85. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А., Хвалина Е.А. Динамика системы стабилизации и наведения линии визирования при учете кинематики оптического элемента. Известия ТулГУ. Серия «Машиностроение». Тула, 2002. - Вып. 7 С. 84-90.

86. Филонов М.П. Влияние квантования на качество переходного процесса в системах стабилизации и управления. // XXIX Гагаринские чтении. МАТИ: Российский государственный технологический университет им. Циолковского, 2003. - С.41-42.

87. Хьюлсман Л.П., Аллен Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. М.: Радио и связь, 1984. - 384 с.