14.7. ПРИМЕР РАСЧЕТА МИКРОЭВМ

Тактическая ракета с цифровым управлением 126]. Задача состоит в том, чтобы замкнуть аналоговый контур малой тактической ракеты цифровым оборудованием, имеющим один или несколько микроп роцессоров.

Система состоит из электроники для обработки данных и чувствительного элемента, которым может быть лазер, телекамера, инфракрасный или миллиметровый радиолокатор. Положение цели передается в виде двумерного аналогового или цифрового сигнала. Сигнал от цели обычно заключается в окно, которое препятствует нежелательному шуму.

Система слежения управляет окном и направлением движения стабилизированного чувствительного элемента. Последний стабилизируется вращающейся массой и электронной системой, которая управляет угловым ускорением, скоростью вращения и прецессией стабилизирующего гироскопа.

Система наведения и навигации (рис. 14.14) использует пропорциональный закон наведения. Система навигации учитывает изменения параметров, таких, как, например, изменения массы, изменения в навигационной постоянной и поправку на ускорение свободного падения. Начальные условия передаются в компьютер, управляющий стартом. Автопилот стабилизирует ракету по крену и увеличивает аэродинамическое демпфирование рыскания и тангажа. Аэродинамические коэффициенты постоянны, но имеется ограниченный динамический диапазон и некоторые нелинейности в сервоприводе. Входные сигналы в системе формируются гироскопами и обратной связью от сервопривода. Выходами являются команды к четырем управляющим органам. Имеется еще ряд вспомогательных функций самонаведения.

Система сопровождения имеет три подсистемы: . Причем отслеживает цель в окне, сохраняет центр окна на цели и управляет угловым направлением стабилизированного чувствительного элемента.

Величина окна обратно пропорциональна расстоянию от цели , где — скорость ракеты, t — время полета, — коэффициент пропорциональности, — начальное расстояние ракеты от цели. Скорость определяется .

Задача состоит в том, чтобы предсказать размеры окна для следующей выборки чувствительного элемента. Интерполируя, получаем

Рис. 14.14

Уравнение рассчитывается для x и у оси чувствительного элемента. Имеется два добавочных логических условия поиска . Блок-схема алгоритма для определения размера окна даиа на рис. 14.15.

Оценим вычислительную потребность для каждой подсистемы (оси) сопровождения:

число арифметических операций во время одного вычислительного цикла: 2 умножения, 4 простых операции; память: ПЗУ — 40 слов, ЗУПВ слов.

Время выборки для телекамеры, радиолокатора и лазерного сопровождения около 20 мс; разрешение чувствительного элемента — 0,5%, следовательно, удовлетворяет 8-разрядное слово () т. е. 0,4 %.

Для обеспечения отношения входного сигнала к шуму в 40 дБ необходимо . Передаточная функция подсистемы имеет вид .

Вычислительные потребности (по каждой оси) для этой реализации: 2 умножения, 7 входных операций, ПЗУ ~ 40 слов, ЗУПВ слов, разрядов.

Рис. 14.15

Управление положением стабилизированной головки самонаведения дается передаточной функцией .

На основании z-nреобразования () получим дискретную передаточную функцию

Вычислительные потребности (для каждого цикла): 4 умножения, 7 простых операций, ПЗУ ~ 70 слов, ЗУПВ ~ 20 слов,

Для обеспечения отношения входного сигнала к шуму квантования в 40 дБ необходимо

Система навигации. В малых тактических ракетах система навигации обычно включает пропорциональны” навигационный член и некоторую поправку на гравитацию на маршевом участке траектории наведения. В данной модели поправка на гравитацию: пропорциональный член навигации

где

Дискретные значения параметров: — масса, k — коэффициент пропорциональности, — коэффициент передачи, ( - угол тангажа), хранятся в памяти и используются в соответствующих точках траектории. — управляющее воздействие по тангажу, — управляющее воздействие по рысканию. Вычислительная потребность: тангаж — 5 умножений, 11 простых операций, рыскание — 2 умножения, 5 простых операций. ПЗУ слов, ЗУПВ слов.

Длину слова можно оценить, рассмотрев точность реализации требуемого навигационного полюса. В данном случае она приблизительно равна Следовательно,

т. е. разрядов.

Арифметическую длину слова можно оценить следующим подходом. Мы требуем высокого отношения сигнала к шуму квантования, так как выходной сигнал дальше обрабатывается компенсационным контуром. Поэтому выберем , т. е.

Автопилот и компенсационные контуры сервопривода. Передаточная функция по тангажу и рысканию

Передаточная функция по крену

Компенсатор сервопривода

Частота дискретизации выбрана на основе требования для экстраполятора нулевого порядка, вносящего запаздывание по фазе меньше, чем 20°. Для максимальной полосы частот замкнутой системы 10 Гц, получим ,

На основании -преобразования получим

Вычислительная потребность: 20 умножений, 52 простых операции, ПЗУ ~ 120 слов, ЗУПВ ~ 400 слов.

Длину слова можно оценить, рассмотрев наименьший полюс. В этом случае требуется точность в 30 % и, следовательно,

т. е. М = 10 разрядов.

Арифметическую длину слова можно определить таким же образом, как и в случае системы навигации, т. е. М = 10 разрядов.

Для определения длины слова АЦП необходимо заметить, что диапазон Динамики чувствительного элемента не лучше 0,001, поэтому для АЦП достаточно взять М = 10.

В случае ЦАП длина слова М = 7, так как динамический диапазон исполнительного элемента равен 0,01.

Имеется еще ряд добавочных функций, которые включаются в бортовой вычислитель, а именно: самопроверка и испытание всех других функций; процесс пуска; логика безопасности.

Вычислитель.

Подведем итоги для определения вычислительной мощности микроЭВМ, которые сведены в табл. 14.1-14.3.

Таблица 14.1

Таблица 14.2

Таблица 14.3

На практике выбирают вычислительную мощность с запасом в 30 %, учитывая это, требуется арифметическое устройство, выполняющее 4300 умн/с и 11 500 оп/с. Полагая, что умножение приблизительно в 20 раз медленнее, чем простая операция, требуется микpoЭBM со скоростью вычисления простой операции в 10 мкс.

Длина слова:

ЗУПВ ~ 8 разрядов (все функции кроме автопилота);

ПЗУ Ш разрядов;

АЦП слежения: 4 канала, 8 разрядов, частота 50 Гц; автопилот: 7 каналов, 10 разрядов, частота 100 Гц;

ЦАП слежения: 5 каналов, 8 разрядов, частота 50 Гц; автопилот: 4 канала, 7 разрядов, частота 100 Гц. Вычислительная система подразделяется на две слабо связанные подсистемы, а именно:

подсистема самонаведения, имеющая следующие характеристики:

длина слова: на входе, в арифметическом устройстве и на выходе 8 разрядов;

вычислительные потребности:

ПЗУ 80 слов, ЗУПВ 400 слов, АЦП: 4 канала, 8 разрядов, ЦАП: 5 каналов, 8 разрядов;

автопилот, система навигации и другие функции: (рис 14.16 и 14.17);

длина слова: 10 разрядов;

вычислительные потребности: слов, ЗУПВ ~ 1300 слов, АЦП: 7 каналов, 10 разрядов, ЦАП: 4 канала, 7 разрядов.

Основная трудность — 10-разрядная длина слова, так как 12-разрядные микрокомпьютеры мало распространены, поэтому лучше выбрать двойную длину слова или 16-разрядный компьютер.

(см. скан)

Рис. 14.16

(см. скан)

Рис. 14.17