Бортовая цифровая вычислительная машина в системе непосредственного управлення самолетом
Система управления полетом, в которой БЦВМ включена непосредственно в контур стабилизации углового или траєкторного движения самолета относится к классу дискретных систем.
Непосредственное цифровое управление включает следующие операции:
выборку данных намеряемой величины с помощью датчиков и преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму;
вычисление сигнала рассогласования;
преобразование сигнала ошибки в соответствии с алгоритмом управления в выходной сигнал;
обратное преобразование выходного сигнала из цифровой в аналоговую форму.
Таким образом, в определенной части замкнутой системы функционируют дискретные сигналы. Дискретизация или квантование сигнала состоит в замене непрерывного сигнала теми или иными дискретными значеннями и может быть осуществлена по времени, по уровню или по времени и гю уровню. В цифровой автоматической системе хотя бы одна из величин, характеризующих состояние системы, квантуется и по времени н по уровню.
Квантование по времени состоит в превращении непрерывного сигнала в периодический импульсный сигнал. Можно представить, что эта операция осуществляется импульсным элементом, основным параметром которого является период повторения импульса или интервал (шаг) квантования по времени. Интервал квантования — постоянный, но в общем случае может быть и переменным.
Выбор интервала квантования по времени ведется в соответствии с теоремой Котельникова. Сигнал дг(0 с ограниченным спектром от 0 до fо (Гц) полностью определяется последовательностью своих дискретных значений, разделенных интервалом 7’=1/2/с. где Т — интервал квантования сигнала по времени. Другими словами, величина интервала квантования по времени должна быть меньше или равна половине периода гармоники нанвысшей частоты /п, содержащейся в непрерывном сигнале, т. с.
Т< 1/2/0.
С точки зрения обеспечения нанлучшего протекания динамических процессов желательно иметь Т как можно меньше. Однако с точки зрения загрузки ЦВУ желательно сделать этот интервал как можно больше.
Если, например, за это время должны быть просчитаны m алгоритмов и время счета каждого определяется величиной т/ (/=!, 2 »«), то
7’>Ут„
i-
т. е. величина интервала должна быть больше суммарного одноразового счета всех алгоритмов.
Квантование по уровню состоит в замене непрерывно меняющейся величины ближайшими к ней разрешенными фиксированными значениями. Величина интервала квантования по уровню или квант преобразованной функции зависит от разрядности ЛЦП, ЦВУ и ЦЛП.
Дискретный алгоритм (закон) управления реализуется в цифровом вычислительном устройстве, которое преобразует дискретную функцию дискретного времени, поступающую на вход, в соответствующую дискретную функцию дискретного времени на выходе.
Форма выходного сигнала БЦВМ определяется порядком жстраполятора, который используется в цифроаналоговом преобра — ювателе. Экстраполятор нулевого порядка (фильтр с фиксатором) поддерживает выходной сигнал постоянным в течение промежутка времени, равного интервалу квантования по времени. Общая схема цифровой системы управлення полетом содержит БЦВМ, играющую роль задающего, сравнивающего и управляющего устройства. Выработанные в ЦВУ дискретные сигналы управления с помощью ЦЛП преобразуются в непрерывные управляющие воздействия, которые поступают на исполнительные устройства и изменяют положение самолета. Поддающиеся измерению переменные состояния • лмолета измеряются датчиками и с помощью ЛЦП преобразуются к дискретные переменные, которые вводятся в ЦВУ. Прсобразова — н и. играет роль импульсного элемента. Для анализа н синтеза контуров управления цифровой системы управления полетом иепб — о шмо все элементы, входящие в замкнутый контур управления, описать с помощью единого математического аппарата. С точки. рения динамики системы управления АЦП представляет собой нс — tifценное дискретное звено, состоящее из импульсного элемента (ключа), замыкающегося периодически с периодом Г на короткий промежуток времени, и нелинейного звена с многоступенчатой рс — шіпой характеристикой. Импульсный элемент отражает эффект нмнтопания по времени, а нелинейное звено — эффект квантования но уровню. При квантовании по уровню весь диапазон изменения ікон либо переменной величины х разбивается на N равных нн — іі ріі. ілов. Число. V связано с разрядностью АЦП формулой
N—2п,
і и п количество разрядов ЛЦП.
Пі imiiiiia интервала квантования по уровню определяется форму юй
_ — Х-па» — -*m! n
*——— N—— •
і і…… .. и t. Hii, — максимально и минимально возможные значения
игр» МСШІОІІ х.
1’н фчдшкть ЦВУ для обеспечения заданной точности вычислении обычно принимается равной или большей, чем разрядность
АЦП. В замкнутой системе управления число разрядов ЦЛП обычно бывает меньше, чем число разрядов АЦП, так как он установлен в канале ошибки [21, 7]. Однако известно, что если число разрядов ЦАП гораздо меньше, чем число разрядов АЦП и ЦВУ, то отбрасываемая часть разрядов выходного кода ЦВУ вносит существенную ошибку. Тем не менее обычно выходной преобразователь рассматривается как линейный.
Наличие нелинейного звена в АЦП делает систему управления с БЦВМ существенно нелинейной. Однако, если п сравнительно велико и результат после округления мало изменяется, то бывает возможным пренебречь квантованием по уровню. В этом случае цифровые автоматические системы можно свести к импульсным системам с амплитудной модуляцией.
Теория линейных и некоторых нелинейных импульсных систем разработана достаточно подробно [7] и с успехом может быть применена для расчета цифровых систем управления полетом.
Другой способ исследования процессов в цифровых системах связан с уравнениями в конечных разностях [40]. Ряд алгоритмов управления, реализуемых в ЦВУ, может быть удобно представлен в виде разностных уравнений. Объект управления — летательный аппарат вместе с датчиками и исполнительными механизмами — описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений. При заданном интервале квантования по времени представление дискретной математической модели в форме разностных уравнений связано с определенными трудностями и может быть выполнено для объекта, описываемого системой линейных стационарных дифференциальных уравнений [17].