§ 1.2. Задачи, решаемые ЦВМ в системах автоматического управления

Задачи, которые приходится решать ЦВМ в системах автоматического управления, весьма разнообразны. Они могут быть связаны с обработкой поступающей информации, требующей вычислительных или логических операций, с улучшением динамических свойств системы управления за счет введения некоторых корректирующих программ, реализуемых в цифровой части системы, с операциями адаптации и оптимизации системы, с операциями контроля, подготовки к работе, поиска неисправностей и др.

Среди этих задач выделим две, наиболее часто встречающиеся в системах автоматического управления. Первая из них связана с большим объемом вычислительной работы, требуемой для определения задающего воздействия, которое должно воспроизводиться системой управления. Во многих случаях, особенно в настоящее время, необходимо резкое повышение точности работы систем управления самого различного назначения, и непрерывные вычислительные устройства уже не могут справиться с возросшими требованиями. В этих случаях приходиться переходить на использование цифровой вычислительной техники. Задачей ЦВМ оказывается иногда только определение текущей разности между задающим воздействием и управляемой величиной, т. е., по сути дела, ЦВМ работает в этом случае как сравнивающее устройство замкнутой системы управления. Однако выработка этой разности иногда требует производства такого объема вычислений, с которым может справиться не всякая управляющая ЦВМ.

В качестве примера рассмотрим задачу стабилизации оси некоторого визирующего устройства, расположенного на подвижном объекте [10], например на корабле (рис. 1.4). На этом рисунке показаны углы поворота визируемой точки небесной сферы — азимут А и угол места — относительно географической системы координат, оси которой направлены на север, восток и по местной вертикали; углы

поворота объекта относительно той же системы координат — курс К, дифферент и крен 6. Пусть требуется сохранять неизменным направление на визируемую точку при перемещениях подвижного объекта.

Возьмем единичный вектор, направленный в точку визирования, и спроектируем его на оси горизонтной системы координат

Рис. 1.4. К задаче стабилизации визирующего устройства на подвижном объекте.

Затем повернем эту систему координат последовательно на углы дифферента крена 6, углы поворота оси визирующего устройства . В результате этих поворотов система координат будет так расположена, что ось совпадает с единичным вектором, а оси будут ему перпендикулярны. При этом проекция единичного вектора на ось будет равна единице, а на две другие оси — нулю. Условия служат признаком того, что углы поворота реализованы правильно и визирующее устройство направлено в заданную точку небесной сферы.

Формулы преобразования координат в соответствии с некоторым поворотом системы координат Охуг относительно оси на угол а (рис. 1.6) имеют вид

Пересчет координат по формулам (1.1) делается так называемым преобразователем координат, в качестве которого может использоваться ЦВМ. Для реализации последовательных поворотов на углы требуется шесть преобразователей координат. Схема такого вычислительного устройства, реализуемого на ЦВМ, изображена на рис. 1.6. Углы, на которые последовательно осуществляется поворот исходного единичного вектора, должны вводиться в ЦВМ от соответствующих кодирующих датчиков углов, соединенных с осями гироскопического стабилизатора, вырабатывающего углы , и с осями приводов наведения по углам . Выходные сигналы и подаются на входы приводов наведения.

Рис. 1.5. Задача преобразования координат.

Нетрудно видеть, что с точки зрения динамики системы управления ЦВМ выполняет функции сравнивающего устройства, определяющего разности . Однако эти разности определяются в результате проведения значительного объема вычислений.

Следует заметить, что, вообще говоря, углы А и являются функциями времени. Поэтому в действительности для визирования определенной точки небесной сферы требуется задать координаты этой точки в системе координат, связанной с небесной сферой, например склонение и часовой угол, а затем преобразовать эти координаты в географическую систему координат, что требует реализации в ЦВМ еще двух дополнительных преобразований координат.

Вторая, наиболее часто возлагаемая на ЦВМ задача, заключается в обеспечении желаемых динамических характеристик системы управления посредством использования корректирующих программ в ЦВМ. В этом случае ЦВМ представляет собой по существу цифровой фильтр с заданными характеристиками.

Рис. 1.6. Структура преобразователя координат.

В качестве примера рассмотрим систему стабилизации космического корабля «Апполон» [121]. В случае совместного полета корабля вместе с лунным отсеком возможны два режима. Первый режим соответствует номинальным условиям заполнения топливных баков и носит название широкополосного режима. Частотные характеристики разомкнутой системы управления для этого режима изображены на рис. 1.7, а. Кривая 1 соответствует случаю учета контура компенсации эксцентриситета вектора тяги, а кривые 2 — контурам наведения и компенсации эксцентриситета вектора тяги. Основная частота среза равна Корректирующий фильтр вносит стабилизацию на частотах упругих тонов, меньших за счет фазового запаздывания. При этом запас устойчивости по фазе на резонансной частоте составляет 35°. В широкополосном режиме обеспечивается стабилизация на любых жидкостных тонах, присущих кораблю с лунным отсеком в случае полного или почти полного заполнения взлетных и посадочных баков лунной кабины.

Однако при частичном заполнении топливных баков лунной кабины и почти полном опорожнении топливных

баков основного блока в системе управления появляются медленно расходящиеся колебания. В этом случае используется второй, так называемый узкополосный режим. Частотная характеристика разомкнутой системы для этого режима показана на рис. 1.7, б.

Рис. 1.7. (см. скан) Амплитудно-фазовые частотные характеристики системы стабилизации.

Кривая 1 соответствует наличию контура компенсации эксцентриситета вектора тяги, а кривые 2 — дополнительному учету контура наведения.

Стабилизация системы достигается узкополосным фильтром за счет амплитудного подавления. Жидкостные тона, частоты которых ниже стабилизируются за счет фазового запаздывания. Запас устойчивости по амплитуде составляет 6 дБ на частоте среза, равной Ослабление на частотах упругих тонов превышает 100 дБ.

Наконец, при отсутствии лунной кабины корректирующий фильтр создает частотную характеристику, которая изображена на рис. 1.7, в. Кривая 1 соответствует наличию контура компенсации эксцентриситета вектора тяги, а кривые 2 — дополнительному наличию контура наведения.

Запас устойчивости составляет по фазе 50°, а по амплитуде 10 дБ. На частотах упругих тонов, которые превышают 5,3 Гц, коэффициент усиления контура близок к 0 дБ.

Структура и параметры трех цифровых фильтров, реализуемых в бортовой ЦВМ, показаны на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Цифровые фильтры системы стабилизации космического корабля.

Случаю широкополосного фильтра соответствует рис. 1.8, а, узкополосному фильтру — рис. 1.8, б и фильтру системы при отсутствии лунной кабины — рис. 1.8, в. Переход от одного фильтра к другому осуществляется подключением той или иной программы, хранящейся в памяти бортовой ЦВМ.

Обнаружение и коррекция неисправностей. Обычно часть программного обеспечения в управляющей ЦВМ предназначается для обнаружения неисправностей в самой ЦВМ и последующего включения дублирующего устройства, если оно необходимо для данной системы управления.

Наиболее частым видом неисправностей являются кратковременные отказы. Этот тип неисправности определяется тем, что в одном или нескольких разрядах информации, находящейся в процессоре либо в оперативном запоминающем устройстве, может произойти сбой. Последствиями этого могут быть ошибки в вычислениях, неверная запись в оперативное запоминающее устройство, ошибка в пересылке программ и др.

Одна из возможных логических схем обнаружения ошибок передачи управляющих сигналов одного из каналов управления изображена на рис. 1.9. До окончания каждого цикла вычислений алгоритма управления индикатор неисправностей показывает «сбой». Если все вычисления данного цикла произведены в заданной последовательности, то индикатор будет находиться в положении «правильно». Затем вычисления прерываются для проверки состояния индикатора.

Рис. 1.9. Логический контур поиска неисправностей.

Если результат проверки дает ответ «правильно», то подпрограмма прерывания заканчивается, а программа вычисления алгоритма управления данного канала возвращается к соответствующему моменту реального времени и вычисления продолжаются.

Если же вычисления в алгоритме управления канала не закончены, а программа перешла к вычислениям по другим алгоритмам, например, для управления следующим каналом, то подпрограмма прерывания вернет программу вычислений в необходимое положение. Если при этом индикатор неисправности будет находиться в положении «сбой», то программа вычислений будет возвращена к некоторой «надежной точке» (последней точке промежуточного расчета, начальной точке вычислений, опирающихся на константы, записанные в долговременном запоминающем устройстве, и др.). При введении «надежной точки» предполагается, что

сбой может исказить информацию, которая хранится в оперативной памяти. Поэтому при реализации «надежной точки» необходимо повторно вводить максимум требующихся исходных данных из долговременного устройства.

Ошибки вычислений и записи чисел в оперативное запоминающее устройство могут определяться и корректироваться по схеме, изображенной на рис. 1.10. Сначала проверяется конечная точка вычислений — команда, подаваемая на исполнительное устройство.

Рис. 1.10. Логический контур проверки сообразности вычислений.

Сообразность этой команды может определяться сравнением разности двух последовательных команд с порогом, полученным при моделировании и соответствующим максимальным возмущениям, действующим на объект управления. Если указанная разность удовлетворяет критерию сообразности, то входные данные канала управления (управляемая величина или ее производные) сравниваются с некоторыми константами, также полученными при моделировании. Эта проверка предназначена для обнаружения уходов от устойчивого состояния, вызванных, например, неисправностями канала управления.

Если в результате проверки окажется, что команда на управление объектом не соответствует его движению, то текущая команда на управление игнорируется и до вычисления новой команды в следующем цикле сохраняется

команда предыдущего цикла. Новые команды проверяются таким же способом. Такая проверка позволяет сохранить работоспособность системы при однократных сбоях. В том случае, когда несколько раз подряд не удовлетворяется критерий сообразности, программа может перейти к процедуре задания «надежной точки» или к выдаче сигнала аварийной ситуации.