Например, Бобцов

АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РАДИОДАЛЬНОМЕРОВ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ

26
УДК 681.5:681.3
В. В. ГРИГОРЬЕВ, Д. В. КОЗИС, А. Н. КОРОВЬЯКОВ, Ю. В. ЛИТВИНОВ
АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ РАДИОДАЛЬНОМЕРОВ ПРИ СЛУЧАЙНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ
Предлагается численная характеристика эффективности функционирования систем радиоавтоматики в условиях влияния случайных возмущений. Практическое использование теоретических результатов иллюстрируется применительно к типовой функциональной конфигурации автоматического радиодальномера. Ключевые слова: радиодальномер, системы радиоавтоматики, случайные возмущения, следящий измеритель дальности.
Введение. Системы радиоавтоматики (РА) очень разнообразны по функциональному построению и схемотехническим решениям. Однако в представлении систем радиоавтоматики структурными схемами обнаруживается схожесть схем широкого класса систем РА различного назначения, разных физических принципов реализации и схемных решений [1]. Это позволяет использовать единые подходы к анализу динамики и синтезу устройств управления систем РА.
Следящие измерители дальности (СИД) представляют важный тип систем РА. На рис. 1 приведена обобщенная функциональная схема СИД — радиодальномера [1], состоящего из временного дискриминатора (датчика рассогласования), усилительно-преобразовательного
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

Анализ поведения автоматических радиодальномеров при случайных возмущениях

27

устройства и генератора временной задержки (исполнительного устройства). Входными сиг-

налами СИД являются отраженные от выбранной цели видеоимпульсы, поступающие с вы-

хода приемника. „Истинная“ дальность D до цели определяется интервалом времени t1 (при

постоянном значении скорости распространения электромагнитной энергии). Время задерж-

ки t2 выходных следящих импульсов относительно прямых импульсов СИД соответствует

измеряемому радиодальномером значению дальности до цели Dизм. Во временном дискриминаторе время задержки t2 следящих импульсов сравнивается с временем t1 запаздывания от-

раженных от цели импульсов. В режиме слежения сигнал управления генератором временной

задержки пропорционален временной ошибке сопровождения t = t1 – t2 .

Отраженный

Сигнал ошибки

Управляющий сигнал

сигнал

D(t)

Временной дискриминатор

Усилительпреобразователь

Генератор временной задержки

Следящие импульсы
Dизм (t)

Цепь обратной связи (следящие импульсы)
Рис. 1
Оценка влияния возмущений. Для описания динамики работы радиодальномера в режиме слежения используем модель, представленную уравнениями ее состояния [2, 3]:

x (m +1) = Fx (m) + Gw(m);⎫⎪

y (m) =Cx (m),

⎬ ⎪⎭

(1)

где х — вектор состояния модели СИД; у — вектор выходных переменных; F= А – Вk — матрица замкнутого СИД; С — матрица связи векторов у и x; w(m) — случайное возмущение, действующее на СИД; матрица G определяет входы СИД, по которым действует возмущение.
Рассмотрим влияние на СИД случайного возмущения при условии движения цели с малой скоростью, т.е. приближенно будем рассматривать задачу стабилизации системы относительно нулевого значения вектора состояния, для чего положим

M[x(0)] = х (0) = 0,

где M[ • ] — операция вычисления математического ожидания (МО) вектора х(0).
Пусть матрица ковариаций вектора начальных отклонений равна

M[x(0) x Т (0)] =X 0 .
Возмущение будем считать скалярным случайным процессом w(m) с дискретным временем и следующими статистическими характеристиками:
— математическим ожиданием М[w(m)] = w (m); — дисперсией возмущения M[(w(m) – w (m))2] = σm2 , которую будем считать стационарной величиной σm2 = σ02 , m = 0, 1, 2, … Считаем также, что состояния СИД не коррелированы с возмущением
М[x(k)w(m)] = 0, k=0, 1, 2,…, m=0, 1, 2,…,
и, кроме того, возмущение имеет нормальное распределение.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

28 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов
В соответствии с перечисленными упрощающими условиями проанализируем поведение во времени первых двух моментов от вектора состояния СИД, в случае нормального распределения возмущения полностью характеризующих вероятностные свойства процессов в радиодальномере.
Вычислив математическое ожидание от выражений (1), получим

x (m +1) = Fx (m) + Gw(m),⎫⎪

y (m) =Cx (m).

⎬ ⎪⎭

(2)

Если x (0) = 0 и w(m) = 0, m = 1, 2, …, то МО вектора состояния СИД x (m) равно нулю

для любого момента времени.

Уравнение, характеризующее изменение во времени матрицы дисперсий СИД, получим

[2] следующим образом. Вычтем уравнения (2) из системы уравнений (1) и умножим полу-

ченное выражение на результат его транспонирования; вычислив МО от обеих сторон равен-

ства, найдем

X m+1 = Р X m F + G σm2 GT , X0 = X(0),

(3)

где X m = M[(x(m) – x (m))(x(m)–x(m))Т] — матрица ковариаций (дисперсий) вектора состоя-
ния СИД; Р — вероятность нахождения вектора состояния системы в замкнутой области. Дисперсия выходной переменной (изменения дальности) СИД определяется выражением

M

⎡ ⎣

y

(m)



y

(m)2

⎤ ⎦

= СX mCT

.

(4)

( )Если дисперсия возмущения является стационарной величиной σm2 = σ02 и замкнутый

СИД асимптотически устойчив (т.е. все собственные числа матрицы F лежат в единичном

круге), то решение X m разностного матричного уравнения (3) сходится к стационарному зна-

чению, являющемуся решением алгебраического матричного уравнения

X = FXFT + Gσ2 GT ,

(5)

которое определяет матрицу дисперсий в установившемся режиме, т.е. значения этой матри-

цы после окончания переходных процессов.

Уравнение вычисления МO от вектора состояния СИД (2) и уравнение вычисления мат-

рицы дисперсий (3) не связаны друг с другом, поэтому последовательности x (m) и X m мож-

но вычислять раздельно.

Рассмотрим поведение СИД при возмущениях с нулевым МО w(m) = 0 , m=0, 1, 2…, и

x (0) = 0 . В этом случае МО от вектора состояния СИД равно нулю для любого момента вре-

мени и статистические свойства процессов в СИД полностью и наиболее наглядно характери-

зуются динамикой изменения матрицы дисперсий X m . Анализ поведения этой матрицы

представляет удобный практически, с вычислительной и иллюстративной точек зрения, спо-

соб оценки влияния на динамику СИД случайных возмущений.

Вероятность нахождения вектора состояния x внутри эллипсоида

( x − x )T

X

−1 m

(

x



x

)

=

χ2

(6)

подчиняется χ2 -распределению с n степенями свободы, где n — размерность вектора состоя-

ния СИД. Поверхность, описываемая уравнением (6), называется эллипсоидом правдоподо-

бия. Значение вероятности нахождения вектора состояния СИД внутри эллипсоида правдо-

подобия целесообразно вычислять как значение функции χ2 -распределения

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

Анализ поведения автоматических радиодальномеров при случайных возмущениях

P ⎡⎣( x − x )T

X

−1 m

(

x



x

)



χ2

⎤ ⎦

=

P

⎣⎡χ2

⎤ ⎦

=

F

⎡⎣χ2

,

n

⎤ ⎦

,

приведенной в таблице.

29

т1

2

п 34

5

1

0,683

0,333

0,199

0,030

0,037

4

0,994

0,265

0,739

0,534

0,451

9

0,997

0,989

0,971

0,939

0,891

Если в результате решения разностного матричного уравнения (3) вычислены матрицы дисперсий X m с начальной матрицей X0 , то для любого момента времени m можно постро-
ить эллипсоид правдоподобия с заданным значением χ2 , соответствующим некоторому зна-

чению вероятности P ⎡⎣χ2 ⎤⎦ нахождения траектории СИД в данный момент времени в этом

эллипсоиде. Совокупность таких эллипсоидов правдоподобия образует „трубку“ равноверо-

ятностного уровня P ⎡⎣χ2 ⎤⎦ , характеризующую поведение СИД при случайных воздействиях

описанного выше типа. В каждый из моментов времени m вероятность нахождения траекто-

рии движения СИД внутри „трубки“ равна P ⎣⎡χ2 ⎦⎤ . При стационарности дисперсии возмуще-

ния σ2m = σ02 эллипсоиды правдоподобия с течением времени стремятся к постоянному эллипсоиду

( x − x )T X −1 ( x − x ) = χ2 ,

(7)

где X −1 — матрица, обратная по отношению к матрице X, определяемой из решения матрич-

ного уравнения (5).

Стационарная „трубка“ равновероятностного уровня, построенная на основе соотноше-

ния (7), характеризует установившийся режим работы СИД.

„Трубки“ равновероятностного уровня содержат информацию о статических и динами-

ческих свойствах СИД в наглядной графической форме. Однако для многомерных процессов

наглядность геометрических образов теряется, и трудоемкость построения эллипсоидов прав-

доподобия растет с увеличением размерности вектора состояния СИД x . Поэтому введем

скалярную характеристику, связанную с эллипсоидом правдоподобия и отражающую его

свойства. Вычислим объем Vm эллипсоида правдоподобия (6):

Vm

=

⎡⎣det

X

−1 m

⎤ ⎦

−1/

2

V

0

= [det

Xm

]1/ 2

V

0

,

где V — объем сферы ( x − x )T ( x − x ) = χ2 радиусом χ .

Значение Vm в момент времени m характеризует тот объем в пространстве состояний, в

котором с вероятностью P ⎡⎣χ2 ⎤⎦ может находиться траектория СИД. Характер изменения во

времени объема Vm связан с динамическими свойствами СИД, а именно со сходимостью

процессов. Значение объема эллипсоида правдоподобия в установившемся режиме (см. фор-

мулу (7)) характеризует точностные показатели СИД.

Вычисление матрицы

X

−1 m

для построения эллипсоида правдоподобия (6) можно про-

водить как на основе решения матричного уравнения (3) с последующим обращением матри-

цы X m , так и на основе рекуррентного соотношения

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

30 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов

( ) ( )Xm =

F −1

T

X

m−1F

−1

⎛ ⎝⎜

I

+

F −1

T

X m−1Gσm2 GT

⎞−1 ⎟⎠

,

X

−1 0

=

X

−1

(0)

,

которое следует из уравнения (3).

Пример. В дальномерных системах РЛС для обеспечения требуемых динамических

свойств и точности измерителей дальности широко используются следующие типовые струк-

туры СИД: дальномер с одним интегратором¸ дальномер с интегратором и фильтром, даль-

номер с двумя интеграторами. Рассмотрим влияние случайных возмущений на дальномер с

двумя интеграторами, структурная схема непрерывной модели которого приведена на рис. 2.

w G kkпn



∫x2 x1

y

k2

k1
Рис. 2
Уравнения дискретизированной модели последовательного соединения экстраполятора (запоминающего элемента) и исполнительной части (ИЧ) дальномера (см. рис. 3) имеют вид:

⎡ ⎢ ⎣

x1 x2

(m (m

+1) ⎤ +1)⎦⎥

=

⎡1 ⎣⎢0

T 1

⎤ ⎥ ⎦



⎡ ⎢ ⎣

x1 x2

(m)⎤ ( m )⎦⎥

+

⎡T ⎢ ⎣

2/ T

2⎤ ⎥ ⎦



u

(

m

)

;

y (m) =[1

0]⋅

⎡ ⎢ ⎣

x1 x2

(m) (m)

⎤ ⎥ ⎦

,

где Т — интервал дискретности (интервал следования импульсов дальномера).

ИЧ

w

u(m) Экстраполятор

∫ x2 ∫ x1

y

Рис. 3
Использование в дальномере закона управления

u (m) = −k1′ x1 (m) − k2 x2 (m) − kп x1 (m) = −k1x1 (m) − k2 x2 (m),

где k1′, k1, k2 — коэффициенты (параметры) закона управления, kп — коэффициент передачи линеаризованной модели пеленгационного устройства дальномера, приводит к следующим

уравнениям замкнутого СИД:

( ) ( )⎡
⎢ ⎣

x1 x2

(m (m

+1) ⎤ +1)⎥⎦

=

⎡1− ⎢ ⎢⎣

k1T 2 −k1T

/2

T − k2T 2 1− k1T

/

2⎤ ⎥ ⎥⎦



⎡ ⎢ ⎣

x1 x2

(m)⎤ ( m )⎦⎥

,

y (m) =[1

0]⋅

⎡ ⎢ ⎣

x1 x2

(m) (m)

⎤ ⎥ ⎦

.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

Анализ поведения автоматических радиодальномеров при случайных возмущениях
Следовательно, динамическая матрица F замкнутого СИД будет иметь вид

31

( ) ( )F = ⎡⎢1− k1T 2 / 2

T−

k2T 2

/

2⎤ ⎥

.

⎣⎢ −k1T

1− k1T ⎦⎥

Матрица G, определяющая входы, по которым действует возмущение, равна

G

=

⎡0⎤ ⎣⎢1⎦⎥

,

что видно из анализа схемы СИД, приведенной на рис. 2.

Выберем следующие значения параметров: T =1/ 500 (500 импульсов за секунду),

k1 = 400, k2 = 400 , тогда матрица F в модели замкнутого СИД и матрица G будут равны

F=

⎡1 ⎢⎣−0,

8

0, 002⎤ 0, 2 ⎦⎥

,

G=

⎡0⎤ ⎣⎢1⎥⎦

.

Корни характеристического уравнения матрицы F замкнутого СИД по модулю меньше

единицы ( z1 = 0, 20 , z2 = 0,99 ). Замкнутый СИД устойчив, и существует установившийся ре-

жим отслеживания измеряемой дальности.

Для оценки влияния шумов на работу дальномера в установившемся режиме измерения

фиксированной (не изменяющейся) дальности при дисперсии возмущения σ2 =1 решаем

уравнение (5) относительно матрицы ковариаций Х:

⎡ x11

⎢ ⎣

x21

x12 x22

⎤ ⎥ ⎦

=

⎡1 ⎢⎣−0,

8

2 ⋅10−3 0, 2

⎤ ⎥⋅ ⎦

⎡ x11

⎢ ⎣

x21

x12 x22

⎤ ⎥ ⎦



⎡ ⎣⎢2

1 ⋅10−3

−0, 8⎤

0, 2

⎥ ⎦

+

⎡0⎤ ⎢⎣1⎥⎦

⋅1[0

1] ,

тогда

Х=

⎡3⋅10−3

⎢ ⎣⎢

−10−3

−10−3

⎤ ⎥

.

1 ⎥⎦

Отсюда следует, что матрица Х положительно определена (в соответствии с критерием Силь-

вестра положительной определенности матриц). Обратная к матрице Х матрица X −1 равна

X

−1

=

⎡ 333, 44 ⎢⎣0, 33344

0,

33344⎤ 1 ⎦⎥

.

Дисперсия выходной координаты СИД (измеренной дальности) в установившемся режиме в соответствии с выражением (4) определяется как

d y = CXCT =[1

0]⋅

⎡3⋅10−3

⎢ ⎢⎣

−10−3

−10−3 1

⎤ ⎥ ⎦⎥



⎡1⎤ ⎣⎢0⎦⎥

=

3⋅10−3

.

Установившийся режим работы СИД, описываемый соотношением (7), в рассматриваемом конкретном примере оценивается соотношением

(

x



x

)T



⎡ 333, 44 ⎣⎢0, 33344

0,

33344⎤ 1 ⎥⎦



(x



x

)T

= χ2

.

Стационарная „трубка“ равновероятностного уровня, определяемая этим соотношением, оказывается очень „сплющенной“.
Заключение. Время сходимости процессов в СИД к установившемуся режиму оценивается несколькими десятками интервалов дискретности Т, но в силу малого значения Т (Т=1/500=0,002 с) это время вполне приемлемо и оценивается величиной порядка 0,04 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7

32 В. В. Григорьев, Д. В. Козис, А. Н. Коровьяков, Ю. В. Литвинов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дудник П. И., Чересов Ю. И. Авиационные радиолокационные устройства. М.: ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1986.

2. Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977.

3. Брайсон А., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972.

Сведения об авторах

Валерий Владимирович Григорьев — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, ка-

федра систем управления и информатики; E-mail: grigvv@yandex.ru

Дмитрий Владимирович Козис

— канд. техн. наук, доцент; филиал РАА „Спецтехника“, Санкт-Петер-

бург; директор; E-mail: fcd.kdv@gmail.com

Анатолий Николаевич Коровьяков — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, ка-

федра систем управления и информатики; E-mail: 06kan@mail.ru

Юрий Володарович Литвинов

— канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, ка-

федра систем управления и информатики; E-mail: yurl13@yandex.ru

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики СПбГУ ИТМО

Поступила в редакцию 11.09.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 7