Глава VI. Натурные испытания (Пупков К.А. - Моделирование и испытание систем автоматического управления)

Глава VI Натурные испытанияИспытания систем управления есть экспериментальные исследованияопытного образца системы и ее компонентов на соответствие техническомузаданию. По сути, опытный образец является физической моделью системы,адекватность которой реальному образцу достигается экспериментамиразличного вида.Подэкспериментомнаблюдение исследуемогопонимаетсянаучноявления в точнопоставленныйучитываемыхопыт,условиях,позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз приповторении этих условий.Целью эксперимента является:1.Исследование новых принципов построения систем управленияили ее отдельных элементов (новые физические принципы или новыеконструкции).2.Изучениефизическихявлений(особенностейпротекания),процессов в системе и в ее отдельных элементах. Исследование явлений,происходящих при сопряжении отдельных элементов.3.Идентификация моделей системы управления в целом или ееотдельных элементов.4.Изучение характеристик окружающей среды, как воздействий насистему.5.Исследование и оценка тактико-технических характеристиксистемы управления на соответствие техническому заданию.Общуюсхемупроведенияэкспериментаследующим образом (рис.

49).82можнопредставитьРисунок 49 – Общая схема проведения экспериментаИз рисунка видно, что эксперимент представляет собой сложную цепьисследований, начиная от цели исследования и кончая документированиеминформации о его результатах.Условием перехода от этапа моделирования к натурным испытаниямможет служить показатель– глубина моделирования, так как это показанона рис. 48.§ 1. Виды испытаний.Испытания являются одним из самых сложных и трудоемких этаповразработки систем управления. При проведении испытаний обычноформируется их цель, программа и план.

Естественно, для их проведениянеобходима инструментальная база, включающая различные стенды исоздание условий, в достаточной мере адекватных реальным.Существуют различные виды испытаний:1.Стендовые, включающие механические испытаний (вибрации,ударные нагрузки и т.п.), климатические, тепловые, испытания наэлектромагнитный импульс и т.п.Как правило, испытываются отдельные приборы, блоки системы, но иобразцы в совокупности объекта управления и системы управления. Цельтаких испытаний – оценка таких показателей как надежность, устойчивость кразличным воздействиям, живучесть.2. Испытания на летающих лабораториях.83Натакихиспытанияхоцениваютсятактико-техническиехарактеристики отдельных компонентов системы управления в условиях,приближенных к реальным и которые нельзя создать в лаборатории.Например, оценить дальность захвата и сопровождения цели радиолокаторомголовки самонаведения и др.3.

Комплексная наземная отработка.К этому виду можно отнести натурно-математическое моделирование.Однако при моделировании аппаратура системы размещается на различныхстендах, ее размещение отлично от штатного на объекте управления. Этообстоятельствонедаетвозможностиоценитьтакойфакторкакэлектромагнитная совместимость. Поэтому комплексная наземная отработкапредполагает испытания при взаимодействии аппаратуры в ее штатномразмещении на объекте.4. Летно-конструкторские испытания (ЛКИ).Этот вид испытаний осуществляет разработчик системы управления –главный конструктор. Цель таких испытаний – провести отработку системыуправления в реальных условиях и оценить ее на соответствие требованиямтехнического задания.Эти испытания проводятся на специально оборудованных базах(полигонах).

Инструментальная база, позволяющая получить измерительнуюинформацию, включает в себя аппаратуру внешнетраекторных измерений ителеметрию.Успехлетно-конструкторскихиспытанийвзначительноймереопределяется результатами различных видов моделирования и других видовиспытаний.Подготовка изделия к ЛКИ осуществляется коллективом испытателейна технической позиции.5. Государственные испытания (ГИ).Эти испытания проводит заказчик. Здесь оценивается соответствиеобразца техническому заданию в реальных условиях.84ГИ проводятсятогда, когда на ЛКИ достигнутытребованиятехнического задания.В отличие от ЛКИ здесь не осуществляется доработка системыуправления от образца к образцу.Заметим, что испытания систем – это область в разработке системуправления,включающаяконструирование,научныесозданиеисследования,инструментальнойпроектированиебазы,организациюиипроведение испытаний.В этом учебном пособии мы рассмотрим лишь способы оценкирезультатов ЛКИ и ГИ.§ 2.

Способ оценки результатов ЛКИ.Принятые оценки вероятности успешной работы для независимыхрезультатов испытаний от одной реализации к другой, используемые вклассическом случае, неприемлемы для оценки результатов испытаний,отрабатываемых (совершенствующихся) в процессе их проведения. Поэтомуздесь мы рассмотрим, каким образом следует оценивать их результаты ипостроить желаемую оценку. В этом случае результаты последующегоиспытания в серии испытаний зависят от результатов предыдущих.Иначеговоря,впроцессеотработочныхиспытаний(ЛКИ)осуществляется процесс «обучения» системы управления в конечном итогевыполнить требования технического задания.Общую схему проведения ЛКИ можно представить так, как этопоказано на рис.

50.85Рисунок 50 – Общая схема проведения ЛКИИз рисунка мы видим, что информация о поведении объектауправленияисистемыуправленияприразличныхвозмущающихвоздействиях поступает с помощью средств внешне траекторных измеренийи телеметрии в распоряжение коллектива экспериментаторов. На основаниирезультатов каждого пуска (реализации) осуществляется анализ этихрезультатов и, в случае необходимости, вырабатываются и реализуютсянекоторые мероприятия, направленные на совершенствование системыуправления.Иначе, задача состоит в получении оценки для вероятности успешнойработы САУ на основе исходов в n опытах при отработке системы в процессеЛКИ.Введем случайную величину:{Последовательность{ }{}является одной из реализаций случайного процесса.86От простейшей статистики { } перейдем к случайной величине∑которая представляет собой текущее число успешных испытаний в iиспытаниях.Графически это можно представить следующим образомРисунок 51 – План испытанийгде: Ki – число успешных испытаний, а i- номер испытания.Если в N испытаниях в зависимости от исхода каждого предыдущегоиспытания последующий образец не дорабатывается, то мы имеемнезависимые опыты и тогда оценка вероятности успешной работы будетравнаИначе, ожидаемое число успешных испытаний к i-му испытанию будетравно:87Наилучшей аппроксимацией дляв этом случае будет прямая,производная от которой есть вероятность успешной работыТеперьпустьиспытанияявляютсязависимыми,т.е.каждыйпоследующий опыт производится с учетом результатов предыдущего.

Тогдатраекториябудет в общем случае нелинейной функцией.Исходя из физических соображений,должна удовлетворятьследующим условиям:(1.2.()())()(3.)Можно указать простой класс непрерывных функций, обладающихуказанными свойствами, а именно:,характеризующиеконкретнуютраекторию. Причем должны быть выполнены следующие предельныесоотношения:Cо всех точек зрения подходящей дляявляется функция⁄а аппроксимирующая траектория тогда будет:(⁄)Текущая оценка вероятности успешной работы системы будет(⁄)а к концу испытаний она будет равна88(Длятого⁄)чтобывычислитьоценку,надоопределитькоэффициенты a, b и с.Рисунок 52 – Аппроксимации плана испытанийЭтикоэффициентыможноопределить,еслиминимизироватьследующий квадратичный функционал:⁄∑[]Приравнивание нулю частных производныхдает возможность получить систему алгебраических уравнений, изкоторых можно определить a, b и с.Функцияf(i)отражаетпроцесссовершенствованиясистемыуправления в процессе испытаний за счет целенаправленной деятельностиколлектива экспериментаторов.§ 3.

Оценка результатов при независимых испытаниях (ГИ)Поставим задачу. Пусть имеется случайная величина X, над которойпроизведено n независимых опытов (наблюдений) и в результате чего89полученызначения,образующихсовокупностьзначенийслучайной величины X. На основании этих данных требуется приближенноопределить числовые характеристики величины X: математическое ожиданиеm и дисперсию D. Для нормального распределения эти характеристикиопределяют плотность вероятности, т.е.√Для решения этой задачи рассмотрим значениекак систему nнезависимых случайных величини определим для этой совокупности статистические характеристики:среднее арифметическое∑и статистическую дисперсию∑[]Обе эти характеристики представляют собой среднее арифметическоенаблюдаемых значений некоторых случайных величин:(– в первом случае,– во втором.По закону больших чисел эти средние статистические сходятся (повероятности) к математическим ожиданиям соответствующих величин:сходится по вероятности к математическому ожиданию X - m.[ ]дисперсия[Однако,характеристикипрималоми]числеявляются90наблюденийсущественностатистическиеслучайными.Прииспытаниях в нашем распоряжении имеются лишь значения, случайнопринятые этими величинами.Поэтому реально возникает задача: на основании этих значенийориентировочно оценить неизвестные параметры m и D, т.е.