Разработка алгоритмов контроля и диагностики системы управления ориентацией космического аппарата

Алгоритм тактированный, работает с тактом То=0,1 с.

3. Алгоритм расчета приращений углов

Алгоритм формирует суммарные признаки функциональной и точностной

готовности ГИВУС по признакам, приходящим из подсистемы. Осуществляет выбор

диапазона измерений ГИВУС по признаку ППД, формируемому алгоритмами режимов

[5 ,21].

Алгоритм формирует информацию о приращениях углов, измеренных каждым

ЧЭ [pic]:

[pic] (i=1(6),

где mi – цена импульса і-го ЧЭ ГИВУС;

Ni – число импульсов с і-го ЧЭ за такт;

((i – паспортизуемый уход і-го ЧЭ.

Рассчитываются приращения углов [5, 7] поворота объекта в проекциях

на приборные оси ГИВУС (gj :

[pic],

где Вjk – элементы матрицы управления;

nuprk – номера управляющих ЧЭ ГИВУС (j=1(3; k=1(3).

Затем вычисляются проекции приращений углов на оси визирной системы

координат (ВСК) (j:

[pic]

где ADj – погрешности установки ПСК ГИВУС относительно ВСК;

(yxj – вычисленный на борту угловой уход (j=1(3).

Алгоритм тактированный, работает с тактом То=0,1 с.

4. Алгоритм контроля ГИВУС

Контроль осуществляется при условии IZCON=0.

Алгоритм рассчитывает приращение угла по контрольной оси и

сравнивается с приращением, полученным с контрольного ЧЭ [21]:

(k = Cncon,1(g1 + Cncon,2(g2 + Cncon,3(g3

|(k -((ncon|[pic]=[pic]=[pic]- r –

1;[pic] .

3. Сравнивая значения g и [pic] и выносят решение о принятии (g

[pic]) рассматриваемой гипотезы о

виде функции распределения [27-29].

4.7 Алгоритм контроля отказов ДС при неполной тяге

Алгоритм неполной тяги - представляет собой алгоритм позволяющий

моделировать остаточную тягу при отказе одного из реактивных двигателей

стабилизации, для отказа типа «не отключение». Остаточная тяга может

меняться в пределах: 0%-100%. При 0% тяги, отказ типа «не отключение»

переходит в отказ типа «не включение». Пусть P – тяга, а k – коэффициент

остаточной тяги, задаваемый в процентах. Тогда в общем случае, при отказе

одного из двигателей, тяга имеет вид (4.39) [25, 26]:

[pic] (4.39)

Блок-схема алгоритма имеет вид (Рис. 4.8):

[pic]

Рис. 4.8 - Блок схема алгоритма неполной тяги

В общем случае коэффициент K носит стохастический характер. Блок

анализа информации формирует таблицу включений, для алгоритма стабилизации

[25].

При функционировании алгоритма контроля мы находим максимальные

опасной продолжительности на каждой базе, после чего варьируем начальные

условия в пределах 20%. Формируем выборку. Таким же образом мы варьируем

параметров для случаев отказа работы двигателей типа «не отключение» и типа

«не включение». Начальные варьируемые условия приведены в таблице 4.2.:

Таблица 4.2

|Нормальный режим |264 |157 |999 |

|Отказ работы |1 |1000 |1000 |999 |

| |3 |1000 |1000 |1000 |

| |6 |1000 |1000 |999 |

| |8 |999 |1000 |1000 |

|Отказ работы |1 |1000 |157 |1000 |

| |3 |999 |286 |1000 |

| |6 |265 |158 |999 |

| |8 |264 |157 |1000 |

Для наглядности построим гистограмму, и изобразим ее в виде функции –

закона распределения, [8, 9, 25-29] для облегчения нахождения критической

точки в методе статистических гипотез. Находим математические ожидания.

Графики зависимостей приведены на (Рис. 4.9) [27-29]:

[pic]

Рис. 4.9 – Аппроксимированная гистограмма

Здесь m0 и m1 - математические ожидания. При рассмотрении

левостороннего критерия, получили критическую точку Gкр = 736. Т.о.

[pic]=Gкр, если, следуя алгоритму контроля, ОП < [pic], то есть основания

утверждать, что отказа в работе двигателя нет, в противном случае, при

попадании значения ОП в критическую область, т.е. ОП >= [pic] , ПО

присваивается значение единицы, и есть основания утверждать, что отказ в

работе двигателя есть [25].

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Рассмотрим космический аппарат как упругое тело, описываемое

уравнениями (3.1), (3.2), (3.4), (3..5). Рассмотрим режим построения

базовой ориентации с учетом внешних возмущающих воздействий –

аэродинамического и гравитационного, а также с учетом дрейфа нуля ГИВУС.

Для наглядности функционирования алгоритма стабилизации ДС КА, где в

качестве гистерезиса используется пауза по времени, проведем моделирование

СУО, с начальными условиями, приведенными в табл. 5.1.

Таблица 5.1

|№ | | | |

|1 |Wx = 0.5 c-1 |Gx = 0 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 0 c-1 |Gz = 0 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

|2 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 0 c-1 |Gz = 0 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

|3 |Wx = 3 c-1 |Gx = 0 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 1 c-1 |Gy = 0 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 0 c-1 |Gz = 0 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

|4 |Wx = -4 c-1 |Gx = -1 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 0 c-1 |Gz = 0 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

|5 |Wx = 0 c-1 |Gx = 0 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 3 c-1 |Gy = 0 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 0 c-1 |Gz = 0 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

|6 |Wx = 0.5 c-1 |Gx = 0.001 c-2 |Ix = 500 Нмс2 |

| |Wy = 0.5 c-1 |Gy = 0.001 c-2 |Iy = 1500 Нмс2 |

| |Wz = 1 c-1 |Gz = 0.001 c-2 |Iz = 2500 Нмс2 |

Функционирование СУО с набором начальных условий варианта 2 табл.

5.1 во временной плоскости представлено на рис. 5.1, рис. 5.2, рис. 5.3.

Функционирование СУО с набором начальных условий варианта 1-6 табл.

5.1 на фазовой плоскости, представлено в приложении Б.

.[pic]

Рис. 5.1 – Зависимость угловой скорости от времени в канале X

[pic]

Рис. 5.2 – Зависимость углового ускорения от времени в канале X

Как показали результаты моделирования (рис. 5.1-5.3), разработанный

алгоритм стабилизации при наличии внешних возмущающих воздействий показал

высокую эффективность в режиме построения базовой ориентации. Как показало

моделирование, наиболее эффективным методом гашения шумов управления,

которые возникают в следствии «скольжения» управляющего воздействия по

границе области нечувствительности, при реализации логики управления,

оказалось введение паузы по времени при выходе из зоны нечувствительности

для двигателей малой тяги и зоны нечувствительности двигателей большой

тяги. Для более эффективного гашения шумов, а соответственно снижения

расхода рабочего тела, были введены в модель упругого КА двигатели малой

тяги, с дополнительной зоной нечувствительности в законе управления и

дополнительной задержкой по времени. Для сравнения был рассмотрен

гистерезис с фиксированной зоной нечувствительности для ДБТ и ДМТ.

Эффективность применения меньше по сравнению с паузой по времени, в связи с

фиксированной зоной нечувствительности для всего диапазона угловых

скоростей.

[pic]

Рис. 5.3 – Зависимость управляющего момента от времени в канале X

Проведем моделирование СУО с различными наборами коэффициентов

фильтра Льюинбергера. Начальные условия модели КА возьмем из 2-ого варианта

табл. 5.1. Варианты коэффициентов фильтра Льюинбергера, представлены в

табл. 5.2.

Результаты моделирования представлены в приложении В. Как показали

результаты моделирования – минимальную погрешность оценивания показал 4-

ый вариант наборов коэффициентов фильтра Льюинбергера. Как видно из

результатов моделирование, наиболее длительный по времени переходной

процесс показал 1-ый набор коэффициентов табл. 5.2 (~40 сек.), последующие

наборы, показали тенденцию существенного снижения времени переходного

процесса, так 3-ий набор коэффициентов фильтра Льюинбергера, показал

(~8 сек.), вместе с тем, такая же тенденция наблюдается и с максимальной

погрешностью оценивания. Так для 1-ого набора коэффициентов она составила

(~0.01 1/с) , то для 4-ого набора коэффициентов максимальная погрешность

оценивания составила (~0.0005 1/c). Следует отметить, что все четыре набора

коэффициентов фильтра, были выбраны из области устойчивости рис. 4.2.1.

4-ый набор коэффициентов был найден методом интегральной квадратичной

оценки качества, и является наиболее оптимальным, как показали результаты

моделирования, для данных НУ взятых из табл. 5.1.

Таблица 5.2 - Коэффициенты фильтра Льюинбергера

|Вариант№ |Набор коэффициентов |

| |K1 |K2 |K3 |

|1 |0.9 |0.27 |0.027 |

|2 |3 |3 |1 |

|3 |6 |12 |8 |

|4 |20.516 |149.611 |0.042 |

5.1 Моделирование отказов ГИВУС

Рассмотрим модель гироскопического измерителя вектора угловой

скорости, описанной в разделе 3.3 с учетом углов установки и дрейфа нуля.

Рассмотрим пять типов отказов, описанных в табл. 5.3 и проведем

соответствующую диагностику отказов ГИВУС. Примем коэффициенты фильтра

Льюинбергера постоянными. K1= 6, K2=12, K3= 8. Начальные условия

моделируемой системы, представлены в табл. 5.4.

Таблица 5.3 - Описание отказов ГИВУС

|Тип отказа |Описание отказа |

|1 |Отсутствие выходной информации |

|2 |Максимальная информация постоянного знака |

|3 |Информация постоянного знака, кратная 750 импульсам |

|4 |Максимальная информация с релейным чередованием знака |

|5 |Увеличение (уменьшение) цены импульса в 4 раза |

Таблица 5.4 - НУ модели КА

|1 |Wx = 0.5 c-1|Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |700 сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

|2 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |700 сек |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

|3 |Wx = 4 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |700 сек |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

|4 |Wx = 4 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |100 сек |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

|5 |Wx = 4 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |2 |400 сек |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2 | | |

| |Wz = 0 c-1 |Gy = 0 c-2|Iz = 2500 Нмс2 | | |

| | | | | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | |

Результаты моделирования представлены в приложении Г. Как показали

результаты моделирования, для контроля отказавшего ЧЭ требуется в среднем

(~3 сек.).

5.2 Моделирование отказов ДС

Рассмотрим КА с учетом отказов двигателей стабилизации. Введем в

рассмотрение отказы типа «не включения», отказы типа «не отключения» и

отказы двигателей с остаточной тягой.

Проведем моделирование с начальными условиями, приведенными в

табл.5.5. В таблице также представлено время выявления отказа для данного

набора НУ по результата проведенного моделирования.

Таблица 5.5 - НУ модели КА и время выявления отказа

| | | | | | |ия |

|1 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|704.3 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|2 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |50% |700 сек|706.8 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|3 |Wx = 0.1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |15% |700 сек|715.2 |

| |c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |

| |Wy = 0 c-1 |Gy = 0 c-2| | | | |

| |Wz = 0 c-1 | |Iz = 2500 Нмс2| | | |

| | |Gz = 0 c-2| | | | |

|4 |Wx = 1 c-1 |Gx = 0 c-2|Ix = 500 Нмс2 |100% |700 сек|702.1 |

| |Wy = 0 c-1 | |Iy = 1500 Нмс2| | |сек |