Например, Бобцов

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СВЯЗИ ИЗОХРОННЫХ ВАРИАЦИЙ ПЕРЕМЕННЫХ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ВОЗМУЩЕНИЯМИ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

УДК 519.271

В. Н. АРСЕНЬЕВ, А. Г. КОХАНОВСКИЙ, А. С. ФАДЕЕВ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СВЯЗИ ИЗОХРОННЫХ ВАРИАЦИЙ ПЕРЕМЕННЫХ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
С ВОЗМУЩЕНИЯМИ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ

Рассматривается задача построения линейной модели связи вариаций переменных состояния системы управления с отклонениями параметров ее составных частей от номинальных значений. Предложен подход к определению параметров модели, позволяющий повысить ее точность.

Ключевые слова: система управления, переменные состояния, модель, параметры, точность.

Введение. В практике создания летательных аппаратов (ЛА) достаточно часто возникает

задача согласования характеристик разброса параметров системы управления с требования-

ми, предъявляемыми к точности ее функционирования [1]. Качество решения этой задачи за-

висит от точности модели, связывающей случайные параметры системы с переменными, ха-

рактеризующими состояние ЛА в заданные моменты времени. К модели предъявляются два

противоречивых требования: с одной стороны, она должна быть простой, а с другой — одно-

значно описывать связь характеристик разброса параметров с характеристиками точности

системы управления. Построить такую модель можно на основе исходной модели, представ-

ляющей собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих возму-

щенное движение системы. При этом показатель близости исходной и упрощенной моделей

должен иметь вероятностный характер в силу случайной природы причин, вызывающих раз-

брос переменных состояния системы в характерные моменты времени [2].

Постановка задачи. Достаточно в общем виде поведение системы управления может

быть описано векторным нелинейным дифференциальным уравнением [3]

dXˆ dt

= F(Xˆ , U, λˆ ,t ),

X(t0 ) = X0 ,

(1)

где знаком „^“ отмечены величины, являющиеся случайными; Xˆ (t) = Xн (t) + ∆Xˆ (t) ∈ Rn — век-

тор переменных состояния (в частном случае — фазовых координат) системы управления в мо-

мент времени t, здесь Xн (t) — его номинальное значение, ∆Xˆ (t) — вектор случайных отклоне-

ний (вариаций) переменных состояния системы относительно номинального значения Xн (t) ;

U ∈ Rq — вектор-функция программ управления; λˆ = λн + ∆λˆ ∈ Rm — вектор случайных пара-

метров системы, не зависящий от времени, здесь λн — его номинальное значение, ∆λˆ — вектор не-

зависимых случайных возмущений (отклонений параметров системы от номинальных значений),

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

26 В. Н. Арсеньев, А. Г. Кохановский, А. С. Фадеев

оказывающих влияние на движение ЛА; X(t0 ) = X0 — вектор переменных состояния системы в

начальный момент времени; t ∈(t0,tk ) — время функционирования системы.

Закон распределения φ∆λˆ (∆λ) вектора ∆λˆ полагается известным, причем его математическое

{ }ожидание М∆λˆ = 0 , а ковариационная матрица K∆λˆ = diag D∆λˆ1 , D∆λˆ 2 ,..., D∆λˆm , где

D∆λˆi , i ∈1, m , — дисперсии компонент вектора ∆λˆ , характеризующие разброс параметров системы управления относительно номинальных значений m ≥ n , где n — размерность вектора Xˆ (t) .

Пусть в заданный момент времени tk вектор ∆Xˆ (tk ) распределен по нормальному зако-

ну с математическим ожиданием M∆Xˆ = 0 и ковариационной матрицей K∆Xˆ . Матрица K∆Xˆ

характеризует разброс переменных состояния системы в момент tk и рассматривается как ее

точностная характеристика [4].

В качестве модели, связывающей отклонения параметров системы с вариациями ее со-

стояния, предлагается использовать линейную зависимость

∆Xˆ м = A∆λˆ ,

(2)

где A — n×m-матрица коэффициентов, подлежащая определению.

Такой выбор модели обусловлен тем, что во многих практических задачах случайные

отклонения параметров системы невелики, а зависимости вариаций переменных состояния

системы от этих отклонений являются гладкими функциями.

Матрица коэффициентов модели (2) может быть определена по-разному. При этом осо-

бое значение имеет требование о близости оценок точности системы управления, получаемых

на основе моделей (1) и (2) при одних и тех же характеристиках разброса параметров. Фор-

мально это требование имеет вид K∆Xˆ = K∆Xˆ м или, с учетом выражения (2),

K∆Xˆ = AK∆λˆ AT .

(3)

Определение матрицы коэффициентов линейной модели. В некоторых случаях в ка-

честве матрицы A может использоваться матрица чувствительности H , элементами которой

являются частные производные

Ηij

=

∂∆Xi (tk ∂∆λ j

)

∆λ =0

,

i ∈1, n,

j ∈1, m

[1], и тогда модель при-

нимает вид ∆Xˆ н = H∆λˆ .

Такой выбор матрицы коэффициентов модели (2) отражает физическую зависимость век-

тора ∆Xˆ (tk ) от вектора ∆λˆ , но при этом иногда не учитывается вероятностный характер связи

между ними и не обеспечивается выполнение условия (3). Поэтому предлагается матрицу А оп-

ределять исходя из условия ее близости к матрице Н при строгом выполнении уравнения (3).

Тогда задача определения параметров модели (2) состоит в нахождении такой матрицы

А, которая обеспечивает минимум функционала

{ }tr (A − H)K∆λˆ (A − H)T

(4)

при условии (3).

Для ее решения используется метод неопределенных множителей Лагранжа. Миними-

зируемая функция имеет вид

{ ( )}Lн = tr (A − H)K∆λˆ (A − H)T + Λ K∆Xˆ − AK∆λˆ AT ,

(5)

где п×п-матрица Λ является симметричной и состоит из подлежащих определению множи-

телей Лагранжа.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

Математическая модель связи параметров системы управления

27

Для вычисления частных производных от функции Lн по матрицам A и Λ и получе-

ния необходимых условий минимума правая часть выражения (5) представляется в виде

{ }Lн = tr AK∆λˆ AT − HK∆λˆ AT − AK∆λˆ HT + HK∆λˆ HT + ΛK∆Xˆ − ΛAK∆λˆ AT .

Тогда частные производные определяются выражениями

∂Lн ∂A

= 2AK ∆λˆ

− 2HK∆λˆ

− 2ΛAK ∆λˆ ;

∂Lн ∂Λ

= K∆Xˆ

− AK∆λˆ AT ,

а необходимые условия минимума

∂Lн ∂A

= 0;

∂Lн ∂Λ

=0

трансформируются в уравнения

AK∆λˆ − HK∆λˆ − ΛAK ∆λˆ = 0 ,

(6)

Из уравнения (6) следует

K∆Xˆ − AK∆λˆ AT = 0 .

(7)

A = (I − Λ)−1H ,

(8)

где I — единичная матрица.

Подстановка полученного выражения в уравнение (7) дает

K∆Xˆ − (I − Λ)−1 HK∆λˆ HT (I − Λ)−1 = 0 или

K∆Xˆ = (I − Λ)−1 HK ∆λˆ HT (I − Λ )−1.

(9)

Следует заметить, что матрица HK∆λˆ HT является положительно- (неотрицательно) оп-

ределенной и может быть представлена в виде

( )HK ∆λˆ HT = S∆λ D∆λ ST∆λ = S∆λ D1∆λ2ST∆λ 2 ,

(10)

где D∆λ — диагональная матрица, а S∆λ — ортогональная матрица, состоящие соответст-

венно из собственных значений и собственных векторов матрицы HK∆λˆ HT . В связи с этим формула (9) может быть представлена следующим образом:

( )K∆Xˆ = (I − Λ )−1 S∆λ D1∆λ2ST∆λ 2 (I − Λ)−1 .

Умножение обеих частей этого уравнения слева и справа на матрицу S∆λ D1∆λ2ST∆λ дает
( )S∆λ D1∆λ2ST∆λK ∆Xˆ S∆λD1∆λ2ST∆λ = S∆λD1∆λ2ST∆λ (I − Λ)−1 S∆λD1∆λ2ST∆λ 2 (I − Λ)−1 S∆λD1∆λ2ST∆λ
или

S∆λ D1∆λ2ST∆λK ∆Xˆ S∆λD1∆λ2ST∆λ = ⎣⎡S∆λD1∆λ2ST∆λ (I − Λ)−1 S∆λD1∆λ2ST∆λ ⎤⎦2 . Поскольку матрица, стоящая в левой части, является неотрицательно- (положительно)

определенной, то с помощью ортогонального преобразования она может быть приведена к

диагональной матрице:

( )S∆λ D1∆λ2ST∆λ K∆Xˆ S∆λ D1∆λ2ST∆λ = S∆X D∆XST∆X = S∆XD1∆X2 ST∆X 2 ,

(11)

где D∆X и S∆X — диагональная и ортогональная матрицы, состоящие соответственно из соб-

ственных значений и собственных векторов матрицы S∆λ D1∆λ2ST∆λ K∆Xˆ S∆λ D1∆λ2ST∆λ . Тогда имеет место уравнение

( )S∆XD1∆X2 ST∆X 2 = ⎣⎡S∆λD1∆λ2ST∆λ (I − Λ )−1 S∆λD1∆λ2ST∆λ ⎤⎦2 ,

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

28 В. Н. Арсеньев, А. Г. Кохановский, А. С. Фадеев

из которого следует

S∆XD1∆X2 ST∆X = S∆λD1∆λ2ST∆λ (I − Λ )−1 S∆λD1∆λ2ST∆λ

и

(I − Λ )−1 = S∆λ D−∆1λ 2ST∆λS∆XD1∆X2 ST∆XS∆λD−∆1λ 2ST∆λ .

Подстановка этих выражений в уравнение (8) дает формулу для вычисления матрицы

коэффициентов A :

A = S∆λ D∆−1λ 2ST∆λS∆XD1∆X2 ST∆XS∆λ D−∆1λ 2ST∆λ H .

(12)

Нетрудно проверить, что подстановка этой матрицы в уравнение (3) обращает его в то-

ждество.

Матрица коэффициентов (12) достаточно близка к матрице чувствительности H , но при

этом обеспечивает равенство ковариационных матриц векторов вариаций фазовых координат

моделей (1) и (2).

Пример. Рассмотрим свободное движение системы угловой стабилизации летательного

аппарата в одной плоскости. Решение линеаризованного дифференциального уравнения

Ψ′′ + c1Ψ′ + c2Ψ = 0, Ψ(0) = Ψ0 = 0,1; Ψ′(0) = 0; c1 = 2 c−1; c2 = 1, 25c−2 ,

описывающего угловое движение по углу рыскания Ψ(t) , имеет вид

Ψ(t) = A0eλ1t sin(λ2t + B0 ) ,

(13)

где λ1 = −1; λ2 = 0,5; A0 = − Ψ0

λ12 + λ22 λ2

= −0, 2236 ;

B0

⎛ = arcsin⎜
⎜ ⎝

−λ2

⎞ ⎟ = −0,4637.

λ12

+

λ22

⎟ ⎠

Примем, что под влиянием возмущающих факторов значения параметров λ1 и λ2 из-

меняются случайным образом относительно номинальных значений λ1н = −1 и λ2н = 0, 5 , т.е. λˆ1 = λ1н + ∆λˆ1 и λˆ 2 = λ2н + ∆λˆ 2 , причем случайные отклонения ∆λˆ1 и ∆λˆ 2 распределены
равномерно на интервалах [−a, a] и [−b, b] соответственно. Вследствие этих причин в любой

фиксированный момент времени t угол поворота летательного аппарата Ψˆ (t)=Ψн (t)+∆Ψˆ (t)
также будет изменяться по случайному закону, а номинальное движение аппарата будет описываться выражением (13). Математическое ожидание и второй начальный момент для Ψˆ (t)

определяются по формулам

∫ ∫M

⎡⎣Ψˆ (t)⎦⎤

=

M

⎡ ⎣⎢

A0eλˆ1t

sin(λˆ 2t

+

B0)⎦⎤⎥

=

A0

1 2a

a −a

e( λ1н +∆λ1 )t d ∆λ1

1 2b

b −b

sin(λ2нt

+

∆λ2t

+

B0 )d∆λ2

=

( )A0eλ1нt
=

eat − e−at

[cos(λ2нt − bt
4abt 2

+

B0

)



cos(λ2нt

+

bt

+

B0

)]

;

M

⎣⎡Ψˆ 2

(t)⎤⎦

=

M

⎡ ⎣⎢

A02e2λˆ1t

sin2

(λˆ 2t

+

B0

)⎦⎥⎤

=

( )A02e2λ1нt
=

e2at − e−2at

[4bt



sin(2λ2нt + 32abt

2bt
2

+

2

B0

)

+

sin(2λ2нt



2bt

+

2B0

)]

.

Дисперсия угла Ψˆ (t) (отклонения ∆Ψˆ (t) ) определяется в соответствии с выражением

D ⎡⎣Ψˆ (t)⎦⎤ = D ⎣⎡∆Ψˆ (t)⎦⎤ = M ⎣⎡Ψˆ 2 (t)⎦⎤ − M2 ⎣⎡Ψˆ (t)⎦⎤ .

(14)

Пусть tk = 10 c , a = 0,1⋅ λ1н = 0,1, b = 0,1⋅ λ2н = 0,05, тогда D(∆Ψˆ ) = 4,0405⋅10−11 рад2.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3

Математическая модель связи параметров системы управления

29

Модель, описывающая зависимость отклонения ∆Ψˆ от возмущений ∆λˆ1 и ∆λˆ 2 и по-
строенная на основе коэффициентов чувствительности, имеет вид ∆Ψˆ н = 9,9948⋅10−5 ∆λˆ1 +
( )+1, 7779 ⋅10−5 ∆λˆ 2 . Дисперсия D ∆Ψˆ н = 3,3562⋅10−11 рад2, а ее относительная погрешность со-
ставляет 17 %. Линеаризованная предложенным выше способом зависимость ∆Ψˆ от ∆λˆ1 и ∆λˆ 2 опре-
деляется следующим образом: ∆Ψˆ м = 1,0966 ⋅10−4∆λˆ1 + 1,9507 ⋅10−5∆λˆ 2 . При этом дисперсия
D(∆Ψˆ м ) совпадает с точным значением D (∆Ψˆ ) , что свидетельствует о существенно более
высокой точности разработанной модели по сравнению с моделью, построенной на основе коэффициентов чувствительности. Более того, она позволяет прогнозировать значения дис-
персии D (∆Ψˆ ) при изменении характеристик возмущений ∆λˆ1 и ∆λˆ 2 без проведения мно-
гократных испытаний модели (1). Пусть диапазоны изменения возмущений увеличились на 10 % по сравнению с приня-
тыми при построении моделей, т.е. a = 0,11⋅ λ1н = 0,11, b = 0,11⋅ λ2н = 0,055. В этом случае
точное значение дисперсии, найденное по формуле (14), D(∆Ψˆ ) = 5,0769⋅10−11 рад2. Получен-
( )ная выше линеаризованная модель дает оценку дисперсии D ∆Ψˆ м = 4,889⋅10−11 рад2, относи-
тельная погрешность которой менее 4 %. Для сравнения следует заметить, что относительная погрешность оценки дисперсии, полученной по модели, построенной на основе коэффициентов чувствительности, превышает 20 %.
Заключение. Предложенная модель связи вариаций фазовых координат системы управления ЛА с вектором отклонений ее параметров от расчетных значений однозначно отражает вероятностный характер этой зависимости. Разработанную модель целесообразно использовать при решении прямых задач, связанных с исследованием влияния характеристик разброса параметров системы управления на точность системы. Она оказывается весьма полезной и при решении обратных задач, когда по заданным требованиям к точности функционирования системы необходимо найти допустимые диапазоны изменений ее параметров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Юсупов Р.М., Розенвассер Е. Н. Чувствительность систем управления М.: Наука, 1981. 464 с.

2. Арсеньев В. Н. Определение требований к характеристикам разброса параметров системы управления летательного аппарата // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39, № 8—9.

3. Росин М. Ф., Булыгин В. С. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления М.: Машиностроение, 1981. 312 с.

4. Миронов В. И. Задача приведения вариаций фазовых координат динамических систем к заданным условиям испытаний // Изв. АН СССР. Сер. Техн. кибернетика. 1970. № 3.

Сведения об авторах

Владимир Николаевич Арсеньев — д-р техн. наук, профессор; Военно-космическая академия им. А. Ф. Мо-

жайского, кафедра автоматики и электроники, Санкт-Петербург;

E-mail: vladar56@mail.ru

Андрей Геннадьевич Кохановский — канд. техн. наук; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайско-

го, Санкт-Петербург; нач. отдела; E-mail: koxa.and.68@mail.ru

Александр Сергеевич Фадеев

— канд. техн. наук; Центр эксплуатации объектов наземной космической

инфраструктуры, Москва; генеральный директор

Рекомендована кафедрой автоматики и электроники

Поступила в редакцию 10.07.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 3