загрузка...

трусы женские
загрузка...
Реферати » Реферати з авіації і космонавтики » Застосування фільтра Калмана в задачі ідентифікації відмов двигунів стабілізації космічного апарату

Застосування фільтра Калмана в задачі ідентифікації відмов двигунів стабілізації космічного апарату


УДК 629.195

Ю.А. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук, АТ "Хартрон"

Є.В. Ухань, студент НТУ "ХПІ"

ЗАСТОСУВАННЯ фільтра Калмана В ЗАДАЧІ ІДЕНТИФІКАЦІЇ відмова двигуна

СТАБІЛІЗАЦІЇ КОСМІЧНОГО АПАРАТУ

У статьи запропонованій алгоритм контролю Функціонування системи управління космічного апарата, Який побудовали на Основі субоптимального фільтра
Калмана. Алгоритм дозволяє за інформацією безплатформеної інерційної навігаційної системи ідентіфікуваті відмові двигунів стабілізації, у тому чіслі, відмові з Неповне потуг при наявності шумів вімірювання та Дії зовнішніх обурюючіх вплівів.

The monitoring algorithm of functioning of a spacecraft control system, constructed on the basis the suboptimum Kalman filter, is offered. The algorithm allows under the information of the platformless inertial navigation system to identify the stabilization engines 'failures, including failures with incomplete draft at presence of measurements noise and action of external perturbation influences.

Відмова реактивних двигунів стабілізації (ДС) системи управління космічного апарату (КА), може призводити до не виконання цільової задачі, а відмова типу «невимикання» двигуна, може призводити до великих втрат робочого тіла і розкрутці КА до неприпустимих кутових швидкостей.

Існуючі методи контролю працездатності ДС [1, 2, 4] є достатньо грубими, щоб виявляти відмова типу "невимикання" за наявності залишкової неповної тяги двигуна на тлі дії зовнішніх збурюючих моментів (гравітаційних, аеродинамічних і ін .). Тому розробка алгоритмів ідентифікації відмов двигунів стабілізації, особливо відмов з неповною тягою за наявності шумів вимірів і дії зовнішніх збурюючих впливів, є актуальним завданням.

У даний статті для побудови алгоритму ідентифікації відмов ДС пропонується використовувати фільтр Калмана.

В процесі досліджень космічний апарат розглядається, як абсолютно тверде тіло, яке не містить будь-яких рухомих мас [1]. Якщо Тріедр жорстко пов'язаних з тілом осей Oxyz (пов'язана система координат -
ССК) направити так, щоб вони співпали з головними центральними осями інерції, то відцентрові моменти інерції звернуться в нуль і система рівнянь Ейлера, що описує динаміку обертання КА навколо центру мас, прийме вигляд:

(1)

Тут (j - проекції вектора абсолютної кутовий швидкості тіла на осі ССК;
Мупрj, Мвj - керуючий і збурює моменти відповідно; Jj - головні центральні моменти інерції тіла відносно пов'язаних осей; j = x, y, z.

Поряд з динамічними рівняннями розглядаються кінематичні рівняння, котрі пов'язують кутові швидкості (j з кутами повороту Тріедр осей
Oxyz щодо Тріедр осей деякою базової системи координат (БСК), початок якої збігається з початком координат ССК, а осі певним чином орієнтовані в інерціальній просторі і рухаються поступально.
Нехай кути орієнтації (кути Ейлера-Крилова) - повністю визначають кутове положення ССК щодо ХСК. Поняття кутів орієнтації стає однозначним лише після того, як введена послідовність поворотів твердого тіла навколо осей Ox, Oy, Oz. Для послідовності поворотів:
система кінематичних рівнянь має вигляд:

(2)

Системи (1) і (2) описують кутове рух твердого тіла відносно
БСК. Будемо припускати, що кути Ейлера-Крилова (j малі. Поточні значення
(j оцінюються в системі за інформацією вимірника кутовий швидкості, що вимірює інтеграли від проекцій вектора абсолютної кутовий швидкості КА на осі чутливості приладу.

Інтегруючи кінематичні рівняння (2) в бортовий цифрової обчислювальної машині (БЦВМ) при початкових значеннях кутів, і інтегруючи рівняння руху центру мас КА при відповідних початкових умовах, реалізують бесплатформенной інерційну навігаційну систему
(БИНС). Таким чином, вважаємо, що поточні величини кутів (j безперервно обчислюються в БИНС.

Момент Мупрj формується відповідно до логікою закону управління і забезпечує заданий кутове положення КА. Джерелом зовнішнього возмущающего моменту Мвj, є взаємодія КА із зовнішнім середовищем, що приводить до появи діючих на корпус зовнішніх сил - гравітаційного, аеродинамічного, світлового, магнітного [4].

Закон управління формується шляхом складання позиційного сигналу (j і швидкісного сигналу (j, помноженого на коефіцієнт посилення kj (j = x, y, z):

. (3)

Вважаємо, що двигуни стабілізації встановлені попарно в кожному каналі управління і на ділянці підтримки орієнтації працюють в імпульсному режимі
[1]. Включення двигунів відбувається при виконанні умови, де
- зона нечутливості.

Алгоритм обробки даних в бесплатформенной інерціальної навігаційної системі будується з використанням субоптимального дискретного фільтра
Калмана [3].

Для малих кутових відхилень осей ССК від БСК і за умови Ix (Iy (Iz рівняння (1) і (2) запишемо у вигляді:

Тоді для побудови системи оцінки вектора стану ((j, (j, mвj) приймемо наступну модель об'єкта спостереження:

(4) де mj = МДСj / Jj - ефективність керуючого моменту;

МДСj - керуючий момент ДС; mвj = Мвj / Jj - ефективність возмущающего моменту; uj - сигнал управління ДС; j = x, y, z.

Запишемо систему рівнянь (4) у стандартній векторно-матричної формі, доповнивши її рівнянням вимірювань:

де xj = (x1j, x2j, x3j) T = ((j, (j, mвj) T - вектор стану; zj - вектор вимірів;

(j - шум вимірювань;

, j = x, y, z.

Використовуючи критерій Калмана, нескладно показати, що така система є повністю наблюдаема:

rank [HT ATHT (AT) 2HT] = n = 3, де n - порядок системи.

Реалізація в бортовому обчислювачі дискретного фільтра Калмана зводиться до оцінці вектора стану по наступних співвідношеннях:

(5)

де: - оцінка вектора стану;

- Перехідна матриця для вектора стану;

- Матриця вимірювань;

- Ковариационная матриця помилок фільтрації;

- Ковариационная матриця помилок прогнозу;

- Матричний коефіцієнт підсилення;

- Ковариационная матриця шумів виміру; j = x, y, z.

Робота алгоритму заснована на аналізі величини оцінюваного в фільтрі
Калмана возмущающего моменту. Якщо математичне сподівання оцінки возмущающего моменту, обчисленого на деякій тимчасовій базі, де управління одно нулю, перевершує допустимий поріг, то приймається рішення про відмову ДС і переході на резерв (рис. 1).

Рис. 1 Узагальнена структурна схема алгоритму

Для перевірки працездатності алгоритму проведено математичне моделювання процесів стабілізації КА при виникненні відмови (типу
"невимикання") ДС на 700 с від початку процесу. Моделювання проводилося для декількох типів відмов: чи не відключення з неповною тягою (залишкова тяга 50% і 15%). Моменти інерції КА приймалися рівними 1500 Нмс2 в трьох каналах; величина керуючого моменту, створюваного парою ДС в каналі, приймалася рівною 50 Нм, а величина возмущающего моменту - 0,2 Нм в кожному каналі управління. Проекції початкової кутової швидкості КА задавалися рівними 3 град / с в каналі x і 0 град / с в інших каналах.

Графіки процесів наведено на рис. 2 і 3

Рис. 2 Виявлення НЕ відключення ДС із залишковою тягою 15%

Рис. 3 Виявлення НЕ відключення ДС із залишковою тягою 50%

На малюнках вертикальної пунктирною лінією виділено момент відмови ДС.

Як показали результати моделювання, пониження неповної тяги при відмові ДС призводить до збільшення часу ідентифікації відмов. Так при повному не відключенні ДС (тяга 100%) цей час одно 701.3 с, а при неповному НЕ відключенні час ідентифікації відмови склало 704.3 с і 707.1 с для залишкової тяги в 50% і 15% відповідно. Моделювання показало також, що істотне підвищення рівня шумів вимірів не призводить до значного зниження чутливості системи до виявлення відмов типу
"невимикання" з малою залишковою тягою.

Таким чином, запропонований на основі фільтра Калмана алгоритм дозволяє ідентифікувати відмови двигунів стабілізації КА, в тому числі, відмови з малою залишковою тягою (близько 15%) при наявності шумів вимірів і дії збурюючих моментів.

Список літератури: 1 Алексєєв К.Б., Бебенін Г.Г. Управління космічними літальними апаратами. - М .: Машинобудування, 1974. - 340 с. 2. А.С. №
269708 СРСР, МКІ2 B64G 1/20. Спецсистема / О.Н.Каліберда, В.Д.Кожухов,
Н.А.Коршунов, Г.В.Беляев. Заявка № 3167800 від 08.04.87 р 3. Браммер Л.,
Зіфлінг Г. Фільтр Калмана-Бьюси. - М .: Наука, 1982.

4. Раушенбах Б.В., Токар Е.Н. Управління орієнтацією космічних апаратів. - М .: Наука, 1974. - 600 с.

Надійшла до редколегії 26.04.04

загрузка...
ur.co.ua

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар