Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Моделирование и синтез трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотоаппарата

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время при решении широкого класса народнохозяйственных задач: проведении метеорологической, геологической съемки, мониторинге окружающей среды, топографии и аэроразведке приобретает распространение комплексный подход к проведению исследований поверхности и прилегающего слоя Земли. В рамках такого подхода разрабатываются комплексы оснащаемые различным оборудованием (радио- и радиотехническая аппаратура, радиолокационная аппаратура, ИК-аппаратура, фото- и лазерная аппаратура). В таких комплексах кадровые и панорамные аэрофотоаппараты играют одну из ключевых ролей.

Пленочные камеры уступают цифровым камерам по некоторым параметрам, однако они позволяют получить более высокое разрешение фотоснимка. Для того чтобы пленочным аэрофотоаппаратам конкурировать с цифровыми, по количеству кадров, требуется их обеспечивать большим запасом пленки, что влечет за собой усложнение пленкопротяжного механизма и алгоритмов согласования работы систем экспонирования (панорамирования) и систем пленкопротяжного механизма, что особенно актуально для многодвигательных систем.

От аэрофотоаппаратов требуется получение максимальной информации об объекте фотографировния, поэтому, учитывая возможности обзора, наиболее информативны панорамные аэрофотоаппараты. Ко всем электрическим и механическим системам панорамных аэрофотаппаратов предъявляются высокие требования по динамике и точности работы. В этом отношении узкими местами являются системы пленкопротяжного механизма и панорамирования, а также их синхронизация между собой.

Система панорамирования должна обеспечивать наибольший обзор подстилающей местности и выдерживать режимы экспонирования аэрофотопленки, для этого необходима очень высокая стабильность скорости движения пленки, на которую оказывает сильное влияние пленкопротяжный механизм.

Пленкопротяжные механизмы предназначены для замены в кадровом окне экспонированного участка фотопленки на неэкспонированный. В случае построения аэрофотоаппарата с пленкопротяжным механизмом без остановки фотопленки при экспонировании он должен обеспечивать стабильную скорость движения фотопленки и минимальное время выхода на рабочий режим. При большой длине фотопленки в кассете аэрофотоаппарата становится актуальной задача обеспечения требуемой динамики и скорости движения фотопленки, поэтому наиболее перспективной является трехдвигательная система, которая оптимальна по габаритно-массовым характеристикам (особенно важно для авиационной техники), что в свою очередь требует решения нелинейных нестационарных задач при разработке систем управления и синтезе параметров.

Применение трехдвигательной системы предполагает разделение процесса получения фотоснимков с помощью связанных систем управления подачей пленки, экспонирования и приема пленки, что в свою очередь позволит улучшить тактико-технические характеристики аэрофотаппарата: массу, габариты, запас пленки (число кадров), разрешающую способность, динамический диапазон панорамирования (W/H). Однако возникает задача обеспечения требуемых динамических показателей, таких как: диапазон скоростей панорамирования, погрешности стабилизации скорости панорамирования и скоростей подачи и намотки пленки, время выхода на рабочий режим, качества регулирования и время переходного процесса при широком спектре возмущающих воздействий и изменении параметров пленкопротяжного механизма с течением времени.

Вопросами исследования оптико-электронных систем в том числе аэрофотаппаратами занимались: Мельканович А.Ф., Ребрин Ю.К., Турыгин И.А., Русинов М.М., Шершень А.И., Кулагин С.В., Якушенков Ю.Г., Щербаков Я.Е., Яськов Д.М., Тарасов В.В., Сокольский М.Н., Марешаль А., Франсон М., Ульянин Ю.А., Тюфлин Ю.С., Тиле Р.Ю., Дробышев Ф.В. и др. В развитие тории инвариантности значительный вклад внесли: Кулебакин В.С., Кухтенко А.И.,

Петров Б.Н., Матросов В.М., Земляков А.С. В исследование динамики и синтеза регуляторов оптико-электронных и оптико-механических приборов и систем большой вклад внесли: Матросов В.М., Стрежнев В.А., Земляков А.С., Ахметгалеев И.И., Скимель В.Н., Кренев В.А., Бородин В.А., Карпов А.И., Бейлин И.Ш., Вейц В.Л., Меркин В.М., Слуцкий И.А., Мелик-Степанян А.М., Левитин Г.В.

Задачи исследования динамики и обеспечения требуемого качества изображения фотоснимков, получаемых с помощью панорамных аэрофотаппаратов представляют особый интерес и несомненную практическую ценность.

Объектом исследования является система управления оптическим сканирующим узлом и пленкопротяжным механизмом панорамного аэрофотоаппарата, а предметом исследования - алгоритмы управления и динамика нелинейной нестационарной системы с неголономными связями.

Цель работы

Улучшение динамических показателей панорамных аэрофотаппаратов за счет применения трехдвигательной системы управления.

Задача научного исследования - разработка методики синтеза трехдвигательной системы управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом с пружинными накопителями аэрофотоаппаратов, которая решается по следующим направлениям:

1. Обзор и анализ существующих схем построения аэрофотоаппаратов, систем панорамирования и пленкопротяжных механизмов. Постановка задач исследования.

2. Разработка методики синтеза параметров нелинейных нестационарных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотоаппарата с неголономными связями, обеспечивающей получение необходимых динамических свойств этих систем с требуемым качеством оптического изображения панорамного аэрофотоаппарата.

3. Разработка математической модели объекта управления систем панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотоаппарата, объединяющая уравнения движения узлов пленкопротяжного механизма с пружинными накопителями и оптического сканирующего узла аэрофотоаппарата.

4. Разработка алгоритмов управления и параметрический синтез нестационарных нелинейных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотоаппарата.

5. Разработка компьютерной имитационной модели нестационарных нелинейных систем управления скоростью панорамирования и движения пленки пленкопротяжного механизма аэрофотоаппарата.

6. Анализ динамики систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотаппарата с применением компьютерных имитационных моделей и выработка рекомендаций для обеспечения требуемого качества изображения.

Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач использовались аналитические и численные методы моделирования динамических систем, методы современной теории управления, методы теоретической механики, методы расчета оптических и оптико-электронных систем, методы программирования. Исследования динамики выполнялись с применением пакета прикладных программ Simulink4.0 системы MatLAB 6.1.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель двадцать третьего порядка нестационарных нелинейных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом аэрофотаппарата с учетом особенностей элементов конструкции пленкопротяжного механизма АФА: нестационарности изменения радиуса намотки пленки подающей и наматывающей катушек, нелинейностей пружинных накопителей, конструктивных параметров, характеристик пленки.

2. Получены параметрические нестационарные условия абсолютной инвариантности, обеспечивающие синхронность скоростей движения пленки в подающей и наматывающей катушках, на мерном валике и оптическом сканирующем узле к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3. Разработаны алгоритмы управления нестационарным нелинейным объектом управления с неголономными связями систем панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотаппарата, обеспечивающие требуемое качество изображения в широком диапазоне относительных скоростей (W/H=(0,081,67) 1/с).

4. Разработана компьютерная имитационная модель нелинейных нестационарных систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом, позволяющая проводить комплексное исследование динамики названных систем в широком диапазоне изменения параметров и входных воздействий рассматриваемого класса аэрофотоаппаратов.

Достоверность результатов обеспечивается строгим и корректным использованием математического аппарата и подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных аналитически и на основе компьютерного моделирования систем управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом с результатами испытаний систем автоматического управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом штатного образца АФА М-455 (Акт о проведении испытаний 14.04.2006).

Практическая значимость диссертации

Рассмотренные в диссертации задачи сформулированы исходя из практической потребности в создании отечественных высокоэффективных самолетных панорамных средств фотографирования, разрабатываемых ФГУП ЦКБ «Фотон». Диссертация выполнена в рамках ОКР «Синтез алгоритмов управления и исследование динамики систем панорамирования и систем лентопротяжки АФА» №НЧ302011 (5411) от 04.04.2003 г., которая является составной частью НИОКР ФГУП ЦКБ «Фотон». В диссертационной работе проведены синтез трехдвигательной системы управления и исследования динамики рассматриваемой системы. Результаты диссертации использованы разработчиком ФГУП ЦКБ «Фотон» при разработке аэрофотаппарата М-455:

1. Алгоритмы управления со стационарными параметрами, позволяющие проектировать и проводить настройку и отладку трехдвигательных систем управления панорамными аэрофотоаппаратами.

2. Имитационные модели систем панорамирования и пленкопротяжного механизма панорамного аэрофотоаппарата, позволяющие ускорить процесс проектирования панорамного аэрофотоаппарата.

3. Рекомендации по модернизации пружинных накопителей, которые реализованы в опытном образце АФА М-455 (вместо шести подвижных валиков в пружинных накопителях оставлено два подвижных валика), что позволит в новом образце АФА М-455 упростить конструкцию, сократить массу и потребляемую мощность систем подачи и намотки пленки.

Реализация результатов

Теоретические и практические результаты диссертационной работы были внедрены и использованы в ФГУП ЦКБ «Фотон», г. Казань. Разработанная методика синтеза систем управления внедрена в учебном процессе кафедры Оптико-электронных систем Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Защищаемые положения

1. Математическая модель нестационарного процесса движения пленки при панорамировании.

2. Параметрические условия инвариантности с точностью до , обеспечивающие минимальную погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3. Алгоритмы управления системами панорамирования и пленкопротяжного механизма аэрофотаппарата.

4. Итерационная методика синтеза параметров регуляторов получения требуемых динамических свойств системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата (в виде блок схемы).

5. Компьютерная имитационная модель нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата, разработанная в пакете прикладных программ Simulink 4.0 среды MatLAB 6.1.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на: IX Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» посвященной 105-летию Н.Г. Четаева, Иркутск 12-16 июня 2007 г.; Всероссийской конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Казань 30-31 мая 2007 г.; VII международной конференции «Прикладная оптика-2006», Санкт-Петербург

16-20 октября 2006 г.; международной конференции «Оптика и образование-2006» 19-20 октября 2006 г.; V всероссийском Ахметгалеевском семинаре «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань,

1-2 февраля 2005 г.; XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Казань, 31 мая - 2 июня 2005 г.; всероссийском семинаре, посвященном восьмидесятилетию Скимеля Виктора Николаевича «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», Казань, 27-28 сентября 2005 г.; VI международной конференции «Прикладная оптика-2004», Санкт-Петербург 18-21 октября 2004 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань 10-13 августа 2004 г.; Республиканской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Автоматика и электронное приборостроение», Казань 16-17 апреля 2004 г.; XI Всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «Туполевские чтения», Казань, 8-10 октября 2003 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них: 3 статьи в рецензируемых журналах, 10 докладов, 2 тезисов на конференциях.

Личный вклад автора

1. Разработана математическая модель нестационарного процесса движения пленки при панорамировании с учетом неголономных связей.

2. Определены параметрические условия инвариантности, обеспечивающие минимальную погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла к изменению радиусов подачи и намотки пленки.

3. Разработана Итерационная методика синтеза параметров регуляторов с целью обеспечения требуемых динамических свойств системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата.

4. Разработана компьютерная имитационная модель нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации 165 с. машинописного текста, 76 рисунков, 6 таблиц, из них 13 с. приложений, в которых 32 рисунка.

Краткое содержание работы

нелинейный управление панорамирование аэрофотоаппарат

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, определена цель, научная проблема и задачи исследования, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, практическая ценность работы, апробация результатов, определены структура и объем работы и приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен анализ современного уровня развития аэрофотоаппаратуры (рассмотрены существующие системы аэрофотоаппаратов, указаны области применения панорамных аэрофотоаппаратов), анализ систем панорамирования и пленкопротяжных механизмов с накопителями. Проведенный анализ показал, что наиболее перспективными для построения панорамного аэрофотоаппарата являются оптические схемы с вращением куб-призмы и Семенова-Гольдвелла, но система с вращающейся куб-призмой имеет недостаток в ограничении угла сканирования местности, тогда как система Семенова-Гольдвелла избавлена от этого недостатка.

Из анализа схем панорамирования и пленкопротяжных механизмов принята наиболее перспективная схема, в которой применена оптическая система, построенная по схеме Семенова-Гольдвелла. Для улучшения динамики пленкопотяжного механизма и уменьшения полетной массы аэрофотоаппарата применена трехдвигательная система (отдельные привода для наматывающей и подающей катушек, и отдельный для оптического сканирующего блока с мерным валиком). Для уменьшения влияния переходных процессов, проходящих в приводах систем пленкопротяжного механизма, в системы подачи и намотки пленки включены пружинные накопители. Объектом управления является пленкопротяжный механизм панорамного аэрофотоаппарата, конструктивная схема которого приведена на рис. 1.

Приведен литературный обзор существующих математических моделей механизмов близких по принципу работы к пленкопротяжному механизму панорамного аэрофотоаппарата и методов их исследования.

Сформулированы задачи исследования.

Рис. 1. Конструктивная схема объекта управления

НК - наматывающая катушка; ПК - подающая катушка; ОСБ - оптический сканирующий блок;

ННК - накопитель наматывающей катушки; НПК - накопитель подающей катушки;

МВ - мерный валик; П1 - привод наматывающей катушки; П2 - привод подающей катушки;

П3 - привод ОСБ и МВ; D_R - датчик измерения радиуса намотки пленки; D_X - датчик положения валика накопителя; щ_н, щ_МВ, щ_п, щ_б - угловые скорости наматывающей катушки, мерного валика, подающей катушки, оптического сканирующего блока; V_п - скорость и направление движения пленки

Во второй главе приведена разработанная методика моделирования нелинейных нестационарных систем управления панорамных аэрофотоаппаратов с неголономными связями.

Методика синтеза нелинейных нестационарных систем регулирования скорости намотки пленки (СРСНП), скорости подачи пленки (СРСПП) и автоматического управления панорамированием (САУП), представляет собой итерационную процедуру (рис. 2), включающую в себя блоки: постановка задачи (1); построение математической модели (2, 3); декомпозиция (4); идентификация (9); экспериментальные исследования (20-21); процедуры синтеза изолированных подсистем: синтез частотным методом (ЧМ) с замороженными коэффициентами 5-6-7-8-9-9-5 (в рамках исходной модели (ИсхМ)) и 2-3-4-5-6-8-9-2 (в рамках новой модели), синтез нелинейной модели (НМ): 5-6-7-10-11-8-9-5 (в рамках ИсхМ), 27-10-11-8-9-9 (в рамках НМ), синтез нестационарной модели (НестМ): 57-10-11-12-9-9-5 (В рамках ИсхМ), 27-10-11-12-9-9-2 (в рамках НМ); процедуры синтеза трехсвязной модели: 215-16-9-9-2 (оценка перекрестных связей (ПС)), 217-9-9-2 (оценка нелинейностей), 218-2 (оценка нестационарности), 218-19-21-1518 (оценка чувствительности). Если же условия в блоке 22 (сравнение результатов синтеза с требованиями ТЗ) не выполняется, то следует идти на изменение ТЗ.



Рис. 2. Блок-схема интерактивной итерационной методики синтеза многосвязной нелинейной нестационарной системы

Изложена методика построения компьютерной имитационной модели (КИМ) в пакете моделирования Simulink 4.0 системы MatLAB 6.1 нестационарной нелинейной модели связанных систем панорамирования и пленкопротяжного механизма. Методика построения КИМ также представляет собой итерационную процедуру рис. 3, включает в себя исходный блок - математическая модель (1); блоки выбора контрольных точек (2, 11, 12); процедуры синтеза изолированных каналов методом замороженных коэффициентов: с учетом тахометрической обратной связи (34), с учетом датчиков намотки пленки (56), с учетом накопителей (78), связанных каналов (1-2-310); процедуру анализа возможности создания регуляторов со стационарными параметрами (13); процедуру построения нестационарной модели с пошаговым изменением параметров (1-212-311-13-14-15), если оценка динамических свойств в блоке 15 не удовлетворяет требованиям ТЗ, то требуется изменение исходной математической модели блок 1.

Рис. 3. Блок-схема построения компьютерной имитационной модели системы пленкопротяжки

В третьей главе изложены допущения и обозначения принятые при разработке динамических, математических и имитационных моделей. А также представлены математические модели узлов систем панорамирования и пленкопротяжного механизма панорамного аэрофотоаппарата и связанных систем.

При построении математической модели системы панорамирования и систем намотки и подачи фотопленки, называемыми в дальнейшем объектом управления (ОУ), использовались общие теоремы динамики и уравнения Лагранжа II-го рода. Математическая модель ОУ описывается системой нелинейных нестационарных обыкновенных дифференциальных уравнений, полученных путем объединения уравнений движения узлов наматывающей катушки (НК), накопителя НК, мерного валика, оптического сканирующего узла (ОСУ), подающей катушки (ПК) и накопителя ПК путем исключения внешних воздействий в виде натяжения пленки на концах этих узлов. В динамической модели учитывалось то, что скорость пленке на мерном валике сообщается только приводом ОСУ, а вращение НК и ПК обеспечивается их приводами.

Основные допущения. Пленка считается гибкой и нерастяжимой. Учитывается модуль упругости пленки при сгибании в сторону эмульсионного покрытия и в противоположную сторону. Толщина пленки h постоянна. На участке от точки схода с ПК до точки набегания на НК пленка считается безмассовой. Приводами катушек являются моментные двигатели с редукторами. Уравнения движения существенно зависят от расстояния между осями катушек и первыми валиками узлов передачи пленки - l_П, l_Н; H - расстояния между осями подвижных и неподвижных валиков накопителей в исходном положении. От расстояния между осями направляющих втулок накопителей, существенно зависит угол охвата пленкой валиков накопителей при перемещении их осей. Учитывается радиус - r₁ и масса подвижной направляющей втулки в накопителе, масса пружины. В линейном приближении сила пружины пропорциональна величине и скорости деформации. Деформации в области контакта прижимного и мерного валиков, в области контакта прижимных валиков и роликов барабана, учитываются введением моментов трения качения, величина которых находится с учетом приведенных радиусов кривизны поверхностей в точках контакта. Учитываются моменты трения, возникающие при вращении катушек, валиков и роликов.

При составлении динамических моделей отдельных узлов ОУ за обобщенные координаты выбраны углы поворота ц_П, ц_Н ПК и НК, угол поворота мерного валика ц_М радиуса R_М, x_i (i=1…6) - перемещения осей подвижных валиков в накопителях. Предполагается, что пленка не проскальзывает по валикам и получены условия, при выполнении которых это предположение выполняется. Число степеней свободы при совместной работе всех узлов ОУ равно семи, причем из семи обобщенных координат, определяющих движение ОУ, три являются циклическими. Тем не менее, из-за наличия неголономных связей динамическая модель ОУ описывается системой из 15 обыкновенных нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений 1-го порядка.

Стационарное движение. За стационарное движение принимается такое, при котором натяжение и скорость пленки при сходе с мерного валика постоянны, постоянны координаты подвижных валиков в накопителях. Стационарные значения параметров обозначены с верхним индексом *, т.е.  - скорость пленки, - натяжение пленки при сходе с мерного валика, - координаты подвижных валиков. При этих предположениях получены законы изменения угловой скорости и радиуса НК - и ПК - в стационарном режиме

, , , , (1)

, .

Исходя из законов (1), определяется программное управление приводами НК и ПК.

Уравнения возмущенного движения. Отклонения от стационарных значений обозначены ДV, ДF, Дx и т.д. После проведения линеаризации уравнений движения ОУ вблизи стационарного движения получены уравнения возмущенного движения в первом приближении, они являются нестационарными. Их можно представить в следующей векторно-матричной форме:

(2)

где ,

, , , ,

, , ,, , ,

, , , , ,

, ,

,

,

,

,

,

,

все элементы матриц являются функциями параметров стационарного движения.

В четвертой главе определена требуемая точность стабилизации скорости движения пленки, для обеспечения требуемого качества изображения, которая должна быть не более V  5,32610^-4 м/с.

На основе методики синтеза, блок-схема которой приведена на рис. 2, используя частотный метод, получены алгоритмы управления:

§ Системой оптического сканирующего блока (ОСБ)

, (3)

где - коэффициент передачи командного прибора, - коэффициент передачи датчика скорости ОСБ совместно с усилителем напряжения,

К_у - коэффициент передачи усилителя напряжения и мощности;

Т_у - постоянная времени усилителя, W - скорость полета, H - высота полета, V - скорость движения пленки на участке мерного валика.

§ Системой намотки пленки

, (4)

где К_у - коэффициент передачи электронного усилителя привода,

K_V=K'_V/K'_r, K'_V=K_V^БK_y^V - коэффициенты передачи датчика скорости ОСБ и его усилителя, K'_r= K_rK_y^r - коэффициент передачи датчика радиуса намотки пленки с его усилителем, K'_тг=K_тгK_y^тг - коэффициент усиления тахогенератора с его усилителем, K'_x=K_xK_y^x - коэффициент передачи датчика положения ролика накопителя с его усилителем, Т_x - постоянная времени датчика положения ролика накопителя, V - изменение скорости движения пленки на участке мерного валика, - изменение угловой скорости наматывающей катушки,

R_н - изменение радиуса намотки наматывающей катушки, .

§ Системой подачи пленки

, (5)

где K_Vп=K'_Vп/K'_rп, K'_Vп=K_Vп^БK_yп^V - коэффициенты передачи датчика скорости ОСБ и его усилителя, K'_rп= K_rпK_yп^r - коэффициент передачи датчика радиуса намотки пленки с его усилителем, K'_тгп=K_тгпK_yп^тг - коэффициент усиления тахогенератора с его усилителем, K'_xп=K_xпK_yп^x - коэффициент передачи датчика положения ролика накопителя с его усилителем, - изменение угловой скорости подающей катушки, R_п - изменение радиуса намотки подающей катушки, .

На основе методики синтеза, блок-схема которой приведена на рис. 2, используя метод замороженных коэффициентов нестационарной системы, получены:

параметрическое условие, обеспечивающее необходимую скорость движения пленки при панорамировании:

; (6)

параметрическое условие абсолютной (и с точностью до ) инвариантности к изменению радиуса намотки пленки на наматывающей катушке:

, () (7)

параметрическое условие синхронизации скоростей наматывающей катушки и мерного валика:

, (8)

параметрическое условие абсолютной (и с точностью до ) инвариантности к изменению радиуса намотки пленки на подающей катушке:

, () (9)

параметрическое условие синхронизации скоростей подающей катушки и мерного валика:

. (10)

Функциональная схема трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотоаппарата приведена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотоаппарата

Разработана компьютерная имитационная модель (КИМ) [3] систем панорамирования и пленкопротяжного механизма с пружинными накопителями с учетом перекрестных связей (рис. 5). С помощью КИМ проведено исследование устойчивости, точности и качества переходного процесса, для этого получены частотные характеристики (ЧХ) разомкнутых систем и переходные процессы разомкнутых и замкнутых систем (рис. 6, приведены переходные процессы V(t) под влиянием управляющих и возмущающих воздействий, для различных режимов относительной скорости полета W/H=0,08; 0,8; 1,67 1/с для момента времени 040 с). В диссертации представлены ЧХ и переходные процессы (для обобщенных координат x₁, x₂, x₃, x₅, x₆, V_н, V, V_п) для всех режимов работы панорамного аэрофотоаппарата в контрольные точки по времени.

Рис. 5. Структурная схема КИМ.

ИМ СНП - имитационная модель системы намотки пленки; ИМ СП - имитационная модель системы панорамирования; ИМ СПП - имитационная модель системы подачи пленки; X_н=col(x₁ x₂ x₃); X_п=col(x₄ x₅ x₆); T(N) - величина функции передачи модуляции смаза изображения.



Рис. 6. Переходные процессы V(t) под влиянием управляющих и возмущающих воздействий, для различных режимов относительной скорости полета W/H=0,08; 0,8; 1,67 1/с

Разработана методика оценки результатов моделирования по функциям передачи модуляции.

В Приложениях диссертации даны: графики зависимости нестационарных параметров систем автоматического управления подачей и намоткой пленки, текст программы обработки результатов моделирования - написанной в системе MATLAB 6.1 (данная программа переводит значения отклонения скорости от программного движения в значения модуля функции передачи модуляции).

Основные результаты и выводы

1. Разработанная интерактивная итерационная методика синтеза многосвязной нелинейной нестационарной трехдвигательной системы управления панорамного аэрофотаппарата является обобщенной и подходит для разработки различного класса многосвязных систем автоматического управления с различными видами связей.

2. Разработанная методика построения компьютерной имитационной модели в пакете Simulink 4.0 системы MatLAB 6.1, учитывающая специфику системы пленкопротяжного механизма панорамного аэрофотоаппарата, нелинейности и нестационарность, применялась при разработке имитационной модели разрабатываемого аэрофотоаппарата. Приведенная методика позволяет проводить построение компьютерных имитационных моделей трехдвигательных систем управления панорамными аэрофотоаппаратами, подобного класса.

3. Разработанную математическую модель объекта управления, состоящего из подающей, наматывающей катушек и оптического сканирующего блока, учитывающую перекрестные связи между ними можно использовать при проведении функционального и параметрического синтеза, построении компьютерных имитационных моделей для систем управления аэрофотоаппаратов подобного класса.

4. Определены наиболее существенные факторы, влияющие на качество изображения панорамного аэрофотоаппарата, и проведена их количественная оценка, что позволило определить требования к погрешности стабилизации скорости движения пленки на экспонируемом участке V  5,32610^-4 м/с.

5. Разработанные алгоритмы управления системами пленкопротяжного механизма и панорамирования позволяют обеспечить погрешность регулирования скорости движения пленки при экспонировании в пределах V  5,32610^-4 м/с, время выхода на рабочие режимы t_р < 0,12 с в диапазоне относительных скоростей полета самолета W/H=(0,081,67) 1/с.

6. Полученные параметрические условия абсолютной инвариантности к изменению радиусов подачи и намотки пленки и реализованные с точностью до 1%, позволяют обеспечить погрешность стабилизации скоростей подающей и наматывающей катушек, мерного валика и оптического сканирующего узла в пределах V  5,32610^-4 м/с.

7. Разработанная компьютерная имитационная модель трехдвигательной нестационарной нелинейной системы управления скоростью движения пленки панорамного аэрофотоаппарата позволяет проводить исследования устойчивости системы, качества переходных процессов по всем обобщенным координатам, оценки погрешностей стабилизации скоростей движения пленки на различных участках пленки, времени переходного процесса и времени выхода на рабочий режим. Данная модель позволяет проводить исследования динамики, варьируя конструктивными и технологическими параметрами панорамного аэрофотаппарата и оценить адекватность математической модели по результатам экспериментальных исследований.

8. Выданы рекомендации ФГУП ЦКБ «ФОТОН» по модернизации пружинных накопителей, которые реализованы в опытном образце АФА М-455 (вместо шести подвижных валиков в пружинных накопителях оставлено два подвижных валика), что позволит в новом образце АФА М-455 упростить конструкцию, сократить массу и потребляемую мощность систем подачи и намотки пленки.

9. Результаты моделирования и синтеза трехдвигательной системы управления панорамированием и пленкопротяжным механизмом при нестационарности параметров объекта управления (радиусов намотки, углов схода и набегания пленки, моментов инерции, масс наматывающей и подающей катушек, углов охвата пленкой валиков накопителей) показывают, что поставленная цель улучшения динамических показателей (V (W/H), V, t_р, W/H) панорамных аэрофотаппаратов достигнута при широком спектре возмущающих воздействий, что позволит решать важные народнохозяйственные задачи.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Карпов А.И., Михалицын А.В. Системы управления качеством изображения орбитального телескопа./ Тезисы докладов VIII Четаевской международной конференции. - Казань, 2002, с. 189.

2. Карпов А.И., Михалицын А.В., Фазылзянов Р.Ф., Душин А.В. Исследование систем автоматического управления качеством изображения оптико-электронного прибора на подвижном основании./ Тезисы докладов Всероссийской (с международным участием) молодёжной научной конференции XI Туполевские чтения. Казань, 2003, с. 139.

3. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Оценка влияния динамики системы панорамирования и систем подачи и намотки пленки с пружинными нако-пителями на качество изображения АФА с помощью компьютерных имитационных моделей./ Оптическое общество им. Д.С. Рождественского. Сб. трудов 6-ой Межд. конференции Прикладная оптика», Том 3, Компьютерные технологии в оптике - С - Пб., 2004, с. 125-129.

4. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В., Молин Д.А., Непогодин А.А., Фазылзянов Р.Ф. Исследование динамики систем панорамирования АФА и стабилизации скорости движения фотопленки с пружинными накопителями./ Труды Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование». - Казань, 2004, с. 547-553.

5. Ю.М. Беляков, Ю.А. Пряхин, Р.В. Назаров, А.В. Михалицын. Двухлучевой ввод излучения в оптические волноводы. /Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, №3 (35), 2004, с. 28-30.

6. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Моделирование автоматизированных систем панорамирования и лентопротяжки АФА./ КГТУ(КХТИ) сб. трудов XVIII межд. научной конференции ММТТ-18, том10 - Казань, 2005, с. 168-170.

7. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Исследование динамики систем панорамирования, систем подачи и намотки пленки с пружинным накопителем АФА./ КГТУ им. А.Н. Туполева Сб. трудов Ахметгалеевского семинара. «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» - Казань, 2005, с. 17-18.

8. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Исследование динамики совместной работы системы панорамирования и лентопротяжки АФА с одиночными пружинными накопителями./ КГТУ им. А.Н. Туполева Сб.трудов семинара «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», посвященной 80 летию В.Н. Скимеля. - Казань, 2005, с. 37-38.

9. Михалицын А.В. Выработка требований к точности стабилизации скорости движения пленки панорамного аэрофотоаппарата. /Социально-экономические и технические системы, №7, 2006 - http://kampi.ru/sets

10. Михалицын А.В. Методика разработки компьютерных имитационных моделей пленкопротяжных механизмов аэрофотоаппаратов. /Сб. трудов Всеросийской конференции «Оптика и образование-2006» под общ. ред. проф. А.А. Шехонина. - С-Пб, 2006, с. 13-14.

11. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Оценка влияния совместной работы системы панорамирования и систем подачи и намотки пленки с пружинными накопителями на качество изображения АФА с помощью компьютерных имитационных моделей /Сб. трудов VII Межд. конференции «Прикладная оптика», Том 2, Оптические материалы и технологии - С-Пб., 2006, с. 92-96.

12. Михалицын А.В. Оценка точности стабилизации скорости движения пленки панорамного аэрофотоаппарата. /Оптический журнал, Том 74, №3, 2007, с. 42-46.

13. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Динамика пленкопротяжного механизма и параметрическое управление системами панорамирования, намотки и подачи пленки аэрофотоаппарата. /Материалы всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке образовании и производстве» - Казань, 2007, с. 195-198.

14. Карпов А.И., Михалицын А.В. Опыт применения интерактивной методики разработки компьютерных имитационных моделей в учебном процессе. /Материалы всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке образовании и производстве» - Казань, 2007, с. 731-732.

15. Карпов А.И., Кренев В.А., Михалицын А.В. Параметрический синтез систем панорамирования, подачи и намотки пленки аэрофотоаппарата. /Труды IX международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» посвященной 105-летию Н.Г. Четаева - Иркутск, 2007, с. 96-104.

Размещено на Allbest.ru

...