Оглавление
Введение 4
Глава I. Задача тестирования точности управления
аэрокосмическими системами 12
1.1 Введение........................................................... 12
1.2 Уравнения движении КЛЛ............................................. 17
1.3 Модель атмосферы .................................................. 23
1.4 Разделение движений КЛА на продольное и боковое.....................25
1.5 Описание тестирующего динамического стенда..........................35
1.6 Постановка задачи тестировании .....................................37
Глава ‘2. Математическое обеспечение динамического
интеллектуального тренажера для аппарата „Союз-ТМА“ 42
2.1 Уравнения движения центра масс КЛА „Союз-ТМА“ .................43
2.2 Решение задачи первого этапа методики тестирования.................. 49
2.2.1 Переход от дифференциальной к матричной игре..................49
2.2.2 Решение матричной игры в чистых стратегиях....................51
2.2.3 Решение матричной игры в смешанных стратегиях.................52
2.2.4 Реализация смешанных стратегий на втором этапе методики тестирования........................................................ 54
2.3 Второй этан методики тестирования ..................................58
2.3.1 Постановка задачи динамической имитации вектора перегрузки 60
2.3.2 Алгоритмы динамической имитации модуля вектора перегрузки 61
2.3.3 Алгоритмы динамической имитации направления вектора перегрузки...........................................................64
2.4 Реализация алгоритма динамической имитации спуска на тренажере
ТС-18.............................................................. 70
2.5 Заключение......................................................... 71
2
Глава 3. Алгоритмическое обеспечение системы тестирования для
тренажера но ручному управлению КЛА „Клипер“ 73
3.1 Поиск программной траектории спуска КЛА ........................ 7Ь
3.2 Задача тестирования для линейных систем с построением областей достижимости........................................................ 87
3.3 Второй и третий этапы тестирования качества управления спуском . . 94 Заключение 90
Литература 97
Приложение 102
3
Введение
Основными факторами, влияющими на безопасность космического полета, для космонавта являются переносимость перегрузок, возникающих па этапах выведения космического корабля на орбиту и спуска с орбиты, а также адаптация к состоянию невесомости, которое вызывает существенные изменения в работе сердечнососудистой и вестибулярной систем человека. Результаты многолетних исследований, как в реальных космических полетах так и при модельных экспериментах [51, 19, 20, 55] показали, что невесомость существенно изменяет активность гравитационно зависимых систем и нарушает их привычное, эволюциошю обусловленное взаимодействие. Так же, опыт предыдущих космических полетов [5, 44] показывает, что при полете космического корабля в атмосфере могут возникать нештатные ситуации, связанные с отказами автоматики корабля и двигательных установок. В этом случае перегрузка может достичь больших величин. В связи со всем сказанным указанная ситуация требует обязательной подготовки космонавтов на Земле к условиям реального космического полета.
Весь полет космического летательного аппарата (КЛА) можно разделить на три этапа: подъем на орбиту (запуск за пределы земной атмосферы), свободный полет по орбите, спуск с орбиты. Все они различны как но условиям, п которых происходит движение летательного аппарата, так и по воздействию этих условий на пилота.
Этап выведения на орбиту для каждого класса космических летательных аппаратов (КЛА) характеризуется своей зависимостью перегрузок от технических характеристик ракеты-носителя. Заранее просчитывается программная траектория выведения, отклонение от которой считается нарушением штатного режима.
После того, как ракета достигает первой космической скорости и выходит на орбиту, происходит резкое падение величины перегрузки до нуля, т.е. наступает невесомость, а с ней новая фаза космического полета — свободный полет по орбите.
Состояние невесомости также вносит существенные изменения в физиологию
4
человека, в частности в работу сердечно-сосудистой системы, системы анализаторов перемещения в пространстве, включая вестибулярный аппарат, которые эволюционпо формировались в условиях поля гравитации Земли. Наблюдается отчетливый прилив крови к голове космонавта, что иллюзорно выражается для пего ощущением кувырка и перевернутости вверх ногами. Происходит потеря ориентации в пространстве в смысле нарушения определения верха и низа, изменяются вестибуло-вегетатпвные, вестибуло-сенсорные и вестнбуло-двигательные реакции. С этого момента наливается острый период адаптации к невесомости, проходящий 3* каждого космонавта с различной степенью тяжести ухудшения самочувствия и здоровья в зависимости от природных физиологических возможностей и индивидуальной подготовки [2, 10, 49].
Заключительный этап аэрокосмического полета — управляемый, спуск с орбиты. При спуске КЛА и попадания в атмосферу трение о воздух гасит скорость спускаемой) аппарата с первой космической до нуля при приземлении, и поэтому величины перегрузок могут достигать 6 — 7 единиц. Также при спуске КЛА возможны различные перевороты, например, при сбросе оборудования или перед выбросом парашюта. Угловые ускорения во время таких движений достигаю!' чувствительных для пилота значений.
Встает задача воспроизведения перегрузок и угловых ускорений реального полета в земных условиях для того, чтобы изучить их влияние на человека II подготовить последнего к их воздействию. Устройства способные создавать условия, близкие к реальному полету, т.с. имитировать их, называются имитационными стендами. Задачи организации движения таких стендов во времени называют задачами динамической имитации.
Имитационные стенды могут сильно различаться по конструкции н признакам функционировании. Например, это может быть система визуальной имитации, реализующая на мониторах или в виртуальной реальности синтез картины, возникающей при движении объекта. Большое распространение получили в настоящее время стенды опорного типа, представляющие собой платформу, перемещающуюся в пространстве с помощью силовых элсктрогидравлических
цилиндров. Преимущество стендов опорного типа заключается в возможности совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения, что позволяет имитировать линейные ускорения кабины ЛА, возникающие из-за его колебаний вокруг центра масс [2, -15]
Другую группу стендов образуют стенды, где имитирующими силами являются сила давления и другие силы. К таким стендам, прежде всего, относится кресло с подвижной спинкой и сидением. Как спинка, так и сидение представляют собой платформы с несколькими степенями свободы.
В работе [2, 51. 49] рассмотрены различные кинематические схемы, как стендов опорного типа, так и стендов, которые использовали центрифугу и применялись ка практике для динамической имитации. Выл сделан вывод, что для имитации управляемого движения в космосе наиболее подходящим является ИДС типа центрифуги с кабиной в управляемом кардановом подвесе.
Рис. 1 Динамический стенд — центрифуга ЦФ-18
Рассмотрим кинематическую схему динамического стенда но тестированию качества ручного управления спуском ЛА в атмосфере. Как было сказано выше, для имитации перегрузок, возникающий при реальном спуске ЛА используется имитационный динамический стенд (ИДС) типа центрифуги с кабиной в
6
управляемом кардановом подвесе. В кабине находится система чувствительных масс, например механорецепторы человека (пилот Л Л). Тогда возникает задача организации такого движении кабины, при котором внешние силы, действующие на чувствительные массы, находящиеся в кабине приводили бы к таким же относительным перемещениям, что и в реальном движении.
Важным показателем работы (как для автоматических систем, так и полуавтоматических, где управление производится космонавтом оператором) является точность решения задач стабилизации. Для космических систем, в контуре управления которых присутствует человек, точность решения задач управления осложняется наличием различных вестнбуло-двигательных нарушений в условиях невесомости. Использование наземных стендов является одним из возможных путей решения этой проблемы. Наряду с динамическими стендами тестирующие компьютерные стенды значительно упрощают процесс разработки и испытания систем управления космическими объектами.
Один из возможных подходов к задаче тестирования точности стабилизации является получение гарантированных показателей тотгности работы алгоритма, ориентированных на возможное наихудшее поведение начальных и постоянно действующих на управляемую систему возмущений, мешающих стабилизации.
Формирование мешающих управлению параметров производится в рамках предложенной в работах (3, 51, 25) и расширенной в данной работе методики максими иного тестирования точности стабилизации управляемых систем. Методика максимпнного тестирования была разработана на кафедре прикладной механики и управления механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Разработке алгоритмов максимпнного тестирования качества стабилизации, а также решению задач робастной оптимизации посвящены книги и статьи В.В. Александрова [3, 2, 48] и С.С. Лемака [25, 29, 30, 31]. Процедура тестирования, описание которой будет дано ниже, как правило, состоит из трех этапов.
Тестируемый алгоритм управления не всегда является известным. Системе тестирования важны только его входы и выходы. Это позволяет применять предложенную методику тестирования для тестирования ручного управления
космическими объектами.
Важным свойством предложенной схемы тестирования является возможность объективного сравнения между собой нескольких, представленных для тестирования алгоритмов стабилизации.
Формирование на первом этапе наихудших возмущений для тестирования происходит в рамках решения некоторой игровой задачи. Управление в конфликтной ситуации представляется, как игра двух лиц с противоположными интересами. Теория дпфференциальшлх игр получила значительной развитие, начиная с фундаментальных работ Р. Айзекса [1], Л.С. Понтрягипд [42, 43], Ю.Б. Гсрмейера [14] и многих других ученых. Особенно большой вклад в развитие теории внесен Л.А. Петросяном [41], H.H. Воробьевым [13], H.H. Красовским [2] и его учениками.
Рассмотрим задачу построения динамическою 'тренажера по тестированию качества визуального управления спуском космического летательного аппарата (КЛА) в атмосфере Земли. Целью работы является разработка математического обеспечения динамического тренажера но тестированию процесса спуска КЛА, когда космонавт имеет возможность ручной стабилизации программной траектории. Сенсоры космонавта являются неотъемлемой частью системы управления, и для объективного тестирования требуется размещение сенсоров вместе с системой управления на динамическом стенде. Кинематическая схема стенда, динамические возможности и алгоритм управления стендом должны обеспечивать имитацию реальных условий полета для сенсоров космонавта, т.е. также требуется разработка алгоритмов динамической имитации вектора перегрузки.
Работа состоит из трех глав.
В первой главе приведены уравнения движения КЛА на этапе спуска в атмосфере. Проведена нормализация уравнений движения. Показана возможность использования уравнений движения центра масс отдельно от уравнений движения вокруг центра масс КЛА для имитации перегрузок и ускорений реального полета.
Вопросам управления КЛА посвящено большое число публикаций, в которых рассмотрены математические модели динамики полета, методы и алгоритмы управления. В их числе находятся работы H.H. Красовского [21], И.Е. Казакова,
- Київ+380960830922