Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Испытание летательных аппаратов и их систем

Диссертационная работа:

Альхаф М. Надер. Разработка программно-алгоритмического обеспечения для оценивания движения и характеристик аппаратов баллистического типа по результатам летных испытаний : Дис. ... канд. техн. наук : 05.07.09, 05.07.07 Москва, 2005 161 с. РГБ ОД, 61:05-5/2667

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Исходные предпосылки разработки методов анализа ЛТХ по результатам измерений параметров движения аппаратов баллистического типа в летном эксперименте 13

1.1. Показатели целевого применения баллистических ЛА и общая характеристика задач

экспериментальной баллистики при проведении летных испытаний 13

1.2. Учет характеристик состояния, геофизических и аэрометеорологических условий при проведении летного эксперимента 15

1.3. Анализ проблем формализации связи оцениваемых ЛТХ с данными измерений 17

1.4. Методические особенности учета оцениваемых характеристик ЛА в единичном эксперименте при реализации опытно-теоретического метода оценивания основных ЛТХ 18

Глава 2. Разработка и анализ математических моделей движения баллистических ЛА для определения ЛТХ по результатам измерении летных испытаний 27

2.1. Структура и основные требования, предъявляемые к математическим моделям движения баллистических ЛА в атмосфере 27

2.2. Моделирование влияния факторов внешней среды. 32

2.3. Формирующие фильтры физических параметров атмосферы 34

2.4. Применение локально-сплайновых моделей...

Глава 3. Программно-алгоритмическое обеспечение задач оценивания характеристик движения ЛА по результатам измерений 49

3.1. Идентификация параметров состояния с использованием методов фильтра Калмана 49

3.2. Реализация вычислительных процедур рекуррентной фильтрации 60

3.3. Применение фильтра Калмана для идентификации параметров ЛА 64

Глава 4. Алгоритм модифицированного фильтра Калмана для оценивания параметров движения вращающихся ЛА и анализ численных результатов оценивания ЛТХ... 82

4.1. Модифицированный фильтр Калмана для оценивания движения боеприпасов в условиях прогнозируемого возникновения явления парам етрического резонанса 82

4.2. Особенность построения численных процедур интегрирования дифференциальных уравнений движения ЛА 100

4.3. Практическая реализация вычислительных алгоритмов калмановской фильтрации и методов предотвращения «расходимости» фильтров

4.4. Построение процедур идентификации 113

Выводы по работе 122

Заключение , 124

Список литературы 126

Приложение 1  

Введение к работе:

Выполнение задач летных испытаний (ЛИ) объектов ракетно -космической техники (РКТ) в значительной степени зависит от их организации, состояния экспериментально - испытательной базы (ЭИБ) полигонов, уровня методического обеспечения [1].

Выполнение достоверного анализа летно-технических характеристик (ЛТХ) по результатам ЛИ представляет важную задачу, так как завышение показателей целевого применения отрабатываемых летательных аппаратов (ЛА) приводит к невыполнению поставленных задач, а занижение - к неэффективному целевому применению.

Содержание задач анализа определяется интересами оценки адекватности расчетных математических моделей и реализуемых алгоритмов реальным условиям и предполагает всестороннее исследование характеристик состояния ЛА с учетом внешних условий полета, а также последующее оценивание ЛТХ по результатам ЛИ.

Из изложенного становятся очевидными роль и место алгоритмического обеспечения методик определения ЛТХ по данным измерений.

Существующие измерительные средства полигонов характеризуются величинами предельных погрешностей измерений порядка 2...3% при определении перегрузок и составляющих вектора угловой скорости ЛА при, соответственно, частоте измерений порядка 50 и 100 изм/с и значениями 2мбар и 0.7 град при определении текущих значений давления и температуры внешней среды при частоте измерений 1...5 изм/км [1].

В свою очередь, отклонения аэродинамических характеристик ЛА рассматриваемого типа задаются [2] на уровне предельной априори неустранимой неопределенности порядка 5-15%, кроме того, определение нестационарных характеристик не поддается точным расчетам и по измерениям в аэродинамических трубах. Данные обстоятельства диктуют необходимость осуществления предварительного скрупулезного анализа собственно точностных возможностей разрабатываемого алгоритма идентификации и обоснованного отбора его предпочтительной структуры.

Решение задачи идентификации ЛА можно существенно упростить и сделать ее, тем самым, практически осуществимой, если использовать априорную информацию о структуре математической модели ЛА и значениях ее коэффициентов. В качестве такой априорной информации выступает расчетная математическая модель ЛА. Большое значение имеет также достоверная априорная информация о статистических характеристиках внешних возмущений (турбулентность атмосферы) и статистических свойствах ошибок измерительных устройств.

Обеспечение этого возможно в результате создания модельных алгоритмов, тестируемых на основе решения типовых задач и сопоставления получаемых по ним результатов.

При построении модели движения приходится учитывать наличие неразрешимого противоречия, связанного, с одной стороны, со стремлением использовать максимально полную модель рассматриваемого типа ЛА, учитывающую такие тонкие эффекты, как наличие геометрического, массово-энергетического и др. асимметрий, способных, в частности, привести к возникновению параметрического резонанса, с одной стороны, и объективно необходимого ее «загрубления», связанного с практической реализацией алгоритма, - с другой.

Согласно классификации и определения в основу идентификационных алгоритмов закладывается подход, предполагающий использование настраиваемой модели той или иной структуры, параметры которой могут меняться. Соответствие модели реальному объекту, характеризующее качество идентификации, оценивается критерием, представляющем собой средние потери. Режим работы идентификационного алгоритма, при котором средние потери минимизируются, в определенном смысле эквивалентен процедурам рекуррентной обработки измерений, сводящимся к методу фильтра Кал мана (ФК). Следовательно, имеется возможность построения единого алгоритма оценивания и идентификации, что наилучшим образом отвечает задачам оперативного анализа состояния динамических систем.

Вообще говоря, существует множество методов идентификации динамической модели ЛА при помощи данных летных испытаний. Обычно используют два подхода: на основе фиксированной выборки измерений и на основе последовательных во времени измерений при рекуррентном уточнении параметров траектории. Алгоритм рекуррентной оценки в ходе своей работы уменьшает воздействие различных шумов на определяемые параметры. Рекуррентные соотношения для оценки траекторных параметров, являются разновидностями формул калмановского фильтра[3]. При использовании нелинейных моделей движения может быть использован расширенный фильтр Калмана, который представляет собой субоптимальный нелинейный алгоритм. Расширенный Фильтр Калмана первого порядка основан на:

- линеаризации нелинейностей в уравнении модели процесса движения ЛА и модели измерений параметров отсчетов;

- оценивании траекторных параметров так же как в линейном фильтре, на основе критерия минимума среднего риска при квадратичной функции потерь.

Предлагаемый вариант комплексного использования фильтра Калмана, как показали исследования, представляется вполне конкурентоспособным. Он состоит из двух шагов. На первом шаге при помощи фильтра Калмана для системы обрабатываются данные модельных измерений, сопровождаемые моделируемым фазированным шумом. В результате получаем оценку параметров состояния. На втором шаге по полученным оценкам состояния параметры ЛА идентифицируются методом итераций с использованием фильтра Калмана для системы параметров, либо градиентного метода. Актуальность темы. Летные испытания являются завершающим, наиболее ответственным этапом экспериментальной отработки ЛА. В процессе ЛИ проверяется правильность функционирования отдельных систем и всего ЛА в целом, исследуется его работоспособность, раскрываются и устраняются наиболее вероятные причины возможных отказов или неисправностей.

При решении этих задач возникает ряд трудностей, связанных с тем, что статистический материал, полученный в процессе летных испытаний вследствие проведения ограниченного количества экспериментов и измерений в условиях их осуществления невелик по объему и неоднороден по составу.

Указанные обстоятельства ограничивают возможность определения вероятностных характеристик испытуемых объектов классическими статистическими методами и требуют разработки комбинированных методов, учитывающих априорную информацию, накопленную в процессе предшествующих испытаний и теоретических расчетов.

Достоверность этой априорной информации зависит от точности принятой при исследованиях математической модели. Получить же точное математическое описание только теоретическим путем из-за большой технической сложности современных ЛА весьма сложно. Поэтому на протяжении всего процесса экспериментальной отработки отдельных элементов, систем и ЛА в целом проводятся исследования по уточнению его математической модели. Это особенно важно при отработке функционирования систем ЛА в динамически сложных режимах движения.

В частности, к числу актуальных задач динамики полета вращающихся относительно продольной оси ЛА относится предотвращение негативного влияния возникновения резонансных режимов движения, либо (значительно реже) целенаправленное использование этого явления для организации определенного вида углового движения (в частности, «лунного движения»). Круг рассматриваемого типа ЛА весьма широк и варьируется от поражающих элементов кассетных боевых частей до вращающихся «скоростных» головных частей (ГЧ) баллистических ракет.

К этому же типу ЛА относятся и многие артиллерийские управляемые и корректируемые снаряды.

Малая асимметрия формы, реально всегда присутствующая из-за технологических погрешностей изготовления аппарата, а также вызываемая обгаром теплозащитного покрытия, уносом его массы при высоких скоростях движения ГЧ в атмосфере, сопровождаемая появляющейся малой асимметрией в распределении массы, вызывают в совокупности появление малых дополнительных моментов, обуславливающих изменение положения оси динамического равновесия по сравнению с положением оси, соответствующим идеальной конструкции.

Поэтому проблема повышения достоверности оценивания характеристик ЛА и/или параметров движения по результатам летных испытаний решению которой, отчасти, посвящена настоящая работа, была и остается предметом актуальных исследований. При этом в связи с совершенствованием вычислительной техники меняющиеся возможности реализации процедур оценивания приводили к значительному усовершенствованию и их алгоритмов.

В этом плане значительным событием стало завершение в 60-е годы исследований в области создания теории рекуррентного оценивания и, в частности подхода, связываемого с именем Р. Калмана, в котором в определенной мере консолидированы многие ранее предложенные процедуры статистической обработки информации. Существенной особенностью алгоритма оценивания Калмана, чрезвычайно важной с практической точки зрения, является то, что в отличие от классических процедур в нем отсутствует необходимость запоминания всей предшествующей информации. Будущее состояние системы определяется в данном подходе только ее текущей оценкой и вновь поступившей информацией.

Указанная процедура столь проста и эффективна, что нашла достаточно широкое применение в практических задачах, связанных с оцениванием состояний объектов.

Это, однако, не исключает неоднозначности отношения к целесообразности её использования в условиях недостаточной достоверности априорной информации и многих сложностей её применения, обусловленных, в том числе, нахождением приемлемого компромисса между необходимостью загрубления модели (линеаризация, принятие гипотезы квазистационарности на мерных интервалах и т.д.), вызванной соображениями получения алгоритма, характеризуемого обозримой размерностью, и приемлемой точностью решения.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы заключается в повешении достоверности и сокращении сроков отработки алгоритмического обеспечения процедур оценивания и идентификации параметров состояния и характеристик ЛА методом калмановской фильтрации на этапе летных испытаний при движении в атмосфере с априори неопределенными параметрами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующую совокупность частных задач:

1. Осуществить разработку адекватной математической модели движения ЛА, структура уравнений которой должна исключать возможность вырождения решения за счет появления особых точек (деления на ноль или стремления к бесконечности соответствующих тригонометрических функций). 

2. Разработать методику синтеза алгоритмов и процедур моделирования влияния факторов внешней среды и формирования ошибок измерений с заданными свойствами. 3. Проанализировать возможные пути применения рекуррентных методов при разработке алгоритмов идентификации параметров и оценивании характеристик движения ЛА.

4. Разработать конкретные алгоритмы реализации вычислительных процедур рекуррентной фильтрации для оценивания движения ЛА в динамически сложных условиях, в частности в условиях прогнозируемого возникновения явления параметрического резонанса.

5. Выполнить тестирование созданного программно-алгоритмического обеспечения на гипотетических примерах, близких по характеру реальным условиям летного эксперимента.

Методы исследования. В диссертационной работе основу исследования составляют теория случайных процессов, методы теории линейных систем, дифференциальных уравнения, теории вероятностей, теории статистического оценивания и идентификации, а также баллистика летательных аппаратов.

Научная новизна. Диссертации усматривается в следующем:

1. Предложены способ и алгоритм решения частных задач оценивания траекторных параметров при использовании исходных нелинейных моделей движения на основе рекуррентных квазилинейных методов оценивания.

2. Получены алгоритмы и процедуры идентификация отдельных аэродинамических характеристик ЛА по измерениям движения на баллистических участках траектории при использовании уравнений фильтра Калмана.

3. Синтезированы алгоритмы идентификации на основе фильтра Калмана, предполагающие использование процедуры последовательной обработки измерительной информации, исключающей необходимость вычисления обратной матрицы при использовании Cholesky факторизации. 4. Предложены способ, критерии выявления и алгоритм модифицированного фильтра Калмана для оценивания параметров движения вращающихся ЛА, обладающих малой асимметрией их форм, при возникновении динамически сложных режимов движения (возникновении параметрического резонанса).

Практическая значимость работы. Предложенные в диссертационной работе модели, методы, процедуры и алгоритмы иллюстрируют возможные пути решения задачи идентификации параметров состояния и характеристик ЛА, особенно при возможном возникновение динамически сложных режимов движения.

Отдельные результаты работы могут быть использованы в процесс проектирования и разработки ЛА баллистического типа.

Ориентированные на методическую направленность, полученные результаты позволяют сократить время и повысить достоверность обработки результатов измерений на стадии послеполетного анализа.

Разработанный математический аппарат и программное обеспечение позволяют решать недоступные для исследований задачи выявления возможности возникновения параметрического резонанса баллистических ЛА непосредственно в процессе ЛИ.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту

1. Методика синтеза алгоритмов и процедур моделирования влияния факторов внешней среды и формирования ошибок измерений параметров движения ЛА баллистического типа в процессе проведения летных испытаний.

2. Математической модель движения ЛА на нисходящем атмосферном участке траектории, исключающая возможность вырождения решения и удовлетворяющая требованиям по адекватности.

3. Алгоритмы реализации рекуррентных методов обработки информации на этапе послеполетного анализа предназначенные для идентификации и оценивания параметров движения и основных характеристик ЛА баллистического типа.

4. Результаты численного тестирования разработанного программно-алгоритмического обеспечения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на трех научно-технических конференциях [4,5,6], а также они неоднократно рассматривались также на научных семинарах кафедры Баллистики и аэродинамики МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. Основное содержание работы отражено в трех опубликованных статьях [7,8,9].  

Подобные работы
Мьо Тан
Разработка методического и алгоритмического обеспечения тепловых испытаний материалов и элементов конструкции в стендах с газоразрядными источниками излучения
Ву Нгок Хое
Методика и итерационные алгоритмы идентификации аэродинамических коэффициентов по результатам моделирования летных испытаний
Быстров Николай Дмитриевич
Формирование динамических характеристик пневмогидравлических цепей передачи информации систем контроля и управления двигателей летательных аппаратов
Альхаф М. Надер
Разработка программно-алгоритмического обеспечения для оценивания движения и характеристик аппаратов баллистического типа по результатам летных испытаний
Кузьмичев Виктор Анатольевич
Разработка методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода
Кузьмичёв Виктор Анатольевич
Разработка методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода
Клименков Александр Геннадьевич
Разработка математического и программного обеспечения систем управления движением судов на подводных крыльях
Олещенко Елена Михайловна
Разработка методики оценки эффективности систем обеспечения безопасности дорожного движения
Каретников Владимир Владимирович
Разработка математического обеспечения для создания непрерывного дифференциального поля в автоматизированных системах управления движением судов на внутренних водных путях
Филиппов Владимир Николаевич
Совершенствование квалиметрической оценки показателей качества трикотажных машин по результатам испытаний

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net