Оптико-электронные следящие системы

Формула

компетентности

Книги – это корабли мысли, 

странствующие по волнам времени 

и бережно несущие свой драгоценный груз 

от поколения к поколению.

Ф. Бэкон

А.Г. Барский 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ 
СЛЕДЯЩИЕ СИСТЕМЫ 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по образованию в области приборостроения и оптотехники 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению «Оптотехника» 
и специальности «Оптико-электронные приборы и системы» 

Москва 

Логос 

2020

УДК 681.78 
ББК 32.965.8 
Б26 

Серия основана в 2009 году 

Р е ц е н з е н т ы 
В.И. Козинцев, доктор технических наук, профессор 
Г.М. Масягин, доктор технических наук, профессор 
В.Л. Левшин, доктор технических наук, профессор 

Б26 

Барский А.Г. 
Оптико-электронные следящие системы: учеб. пособие / А.Г. Барский. – М.: Университетская книга; Логос, 2020. – 200 с.: ил. – (Формула компетентности). 

ISBN 978-5-98704-291-7 

Изложены теория, методы расчета и проектирования оптико- 
электронных следящих линейных и нелинейных систем, широко 
используемых при решении различных задач в области управления, 
прежде всего в военной технике. Даны методы их анализа и синтеза, 
учитывающие 
специфику 
систем 
пространственного 
слежения 
с 
модуляцией. 
Особое 
внимание 
уделено 
получению 
инженерных 
зависимостей для параметров звеньев систем с точки зрения обеспечения 
оптимальности их характеристик. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению «Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные 
приборы  и
  
системы». Может быть полезна специалистам, занимающимся 
разработкой оптико-электронных следящих систем. 

УДК 681.78 
ББК 32.965.8 

ISBN 978-5-98704-291-7 
© Барский А.Г., 2020
© Университетская книга, 2020 
© Логос, 2020

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

ЧАСТЬ I
ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ

Гл ава 1. Задача управления объектом при наведении
на цель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.1. Системы управления с самонаведением . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.2. Структурная схема системы самонаведения . . . . . . . . . . . . . . .
16

Гл ава 2. Оптико-электронная следящая система как система
слежения за целью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.1. Структурная схема ОЭСС. Назначение и характеристики
звеньев системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2. Динамические параметры ОЭСС. Определение требований
к коэффициенту усиления ОЭСС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3. Влияние возмущений на динамические параметры ОЭСС . . .
31

Гл ава 3. Гироскопические устройства, используемые в ОЭСС .
35
3.1. Гироскопы. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . .
35
3.2. Закон прецессии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
3.3. Гироскопический момент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
3.4. Гиростабилизаторы. Основные понятия и определения . . . . . .
48
3.5. Устройство и принцип действия двухосного силового
гиростабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
3.6. Уравнения движения и передаточные функции двухосного
силового гиростабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58

Гл ава 4. Синтез корректирующих устройств, обеспечивающих
устойчивость системы. ОЭСС — измеритель угловой
скорости линии визирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
4.1. Аналитический метод синтеза корректирующих устройств . . .
65
4.2. Расчет корректирующего устройства ОЭСС . . . . . . . . . . . . . .
70
4.3. Графический метод синтеза корректирующих устройств . . . . .
74
4.4. ОЭСС как измеритель угловой скорости линии визирования
цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79

Гл ава 5. Двухканальные системы пространственного углового
сопровождения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
5.1. Двухканальные системы с идентичными каналами
и антисимметричными перекрестными связями . . . . . . . . . . . .
83
5.2. Двухканальные системы с модуляцией и широкополосным
электронным трактом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88

Оглавление

5.3. Двухканальные системы с модуляцией и узкополосным
электронным трактом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

ЧАСТЬ II
НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ

Гл ава 6. Приближенный метод исследования нелинейных
систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
6.1. Виды нелинейностей и нелинейных систем . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2. Метод гармонического баланса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3. Гармонические коэффициенты усиления типовых
нелинейностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4. Примеры определения параметров автоколебаний
нелинейных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.5. Нелинейная система при наличии управляющего воздействия 133

Гл ава 7. Устойчивость автоколебаний и синтез
корректирующих устройств в нелинейных системах . . . . . . .
137
7.1. Устойчивость периодического решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.2. Синтез корректирующих устройств по заданным требованиям
к параметрам периодического режима . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Гл ава 8. Нелинейные оптико-электронные следящие системы
146
8.1. Распространение метода гармонического баланса
на нелинейные ОЭСС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.2. Нелинейная ОЭСС как система слежения за целью . . . . . . . 151
8.3. Нелинейная ОЭСС как измеритель угловой скорости линии
визирования цели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.4. Нелинейная ОЭСС с узкополосным электронным трактом . . 162

ЧАСТЬ III
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЭСС

Гл ава 9. Роль и значение моделирования при проектировании
и исследовании ОЭСС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
171
9.1. Общие сведения о моделировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.2. Моделирование ОЭСС как системы слежения за целью . . . . 173

Гл ава 10. Линейные решающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.1. Общие сведения об операционных усилителях постоянного
тока. Математические операции, осуществляемые
операционными усилителями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10.2. Решение линейных дифференциальных уравнений
на вычислительных машинах непрерывного действия . . . . . . . 184

Гл ава 11. Нелинейные решающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.1. Универсальные функциональные преобразователи . . . . . . . . 189
11.2. Специализированные функциональные преобразователи . . . 194
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

Предисловие

Среди оптико-электронных приборов и систем можно выделить довольно большой класс оптико-электронных следящих систем (ОЭСС), широко используемых при решении различных задач
в области управления, особенно в военной технике.
Оптико-электронные системы автоматического сопровождения
движущихся целей позволяют получать непрерывную информацию об угловых координатах цели, а также определять угловую
скорость линии визирования. Эти системы являются наиболее
сложными, так как объединяют системы обнаружения координат
со следящим приводом, образуя замкнутую систему автоматического управления.
Этот класс оптико-электронных систем обладает определенной спецификой, выделяющей их среди систем автоматического
регулирования. Прежде всего, ОЭСС — это системы пространственного слежения, которые в отличие от обычных (одномерных)
следящих систем имеют два канала слежения за целью — в горизонтальной и вертикальной плоскостях, т. е. являются двухканальными (двумерными) системами. Как правило, эти системы являются системами с модуляцией принимаемого сигнала, причем
представляют собой сочетание одноканального участка переменного тока с двухканальной частью. При определенных условиях
данные системы могут содержать нелинейные элементы, что еще
более усложняет задачу проектирования и исследования.
К числу особенностей ОЭСС следует также отнести то, что они
устанавливаются, как правило, на подвижном основании (на корабле, самолете, ракете). Это приводит к необходимости стабилизации оптической оси системы, т. е. к «развязке» оптической оси
от колебаний основания. Эту задачу совместно с задачей обеспечения пространственного углового перемещения оптической оси
с успехом выполняют гироскопические устройства, используемые
в ОЭСС в качестве привода. Указанная специфика приводит к возникновению ряда новых, в сравнении с одномерными системами,
явлений и эффектов и обуславливает необходимость применения
специальных методов расчета и исследования.
Цель настоящей книги состоит в систематическом изложении
теории, методов расчета и проектирования ОЭСС.

Предисловие

Книга построена в соответствии с программой курса по дисциплине «Оптико-электронные следящие системы» для направления
подготовки дипломированных специалистов 200200 «Оптотехника» по специальности 200203 «Оптико-электронные приборы и системы». Издание также представляет интерес для специалистов,
занимающихся разработкой ОЭСС.
Основной материал книги представлен в трех частях.
Первая часть, посвященная линейным ОЭСС, состоит из пяти
глав.
В гл. 1 описываются системы управления с самонаведением
и методы наведения. Наиболее предпочтительным методом является метод параллельного сближения. При этом структурная схема
системы самонаведения представляется в виде замкнутой системы
автоматического регулирования, одним из звеньев которой является ОЭСС, определяющая угловую скорость линии визирования
цели. Проектирование и исследование динамики ОЭСС является
необходимым этапом проектирования контура самонаведения объекта.
В гл. 2 рассматривается ОЭСС как система слежения за целью:
назначение и характеристики звеньев системы — координатора цели, усилительно-преобразовательного тракта, привода. Основное
внимание уделяется характеристикам, имеющим существенное значение для динамики системы. Дана инженерная методика расчета
основных динамических параметров ОЭСС, в том числе при учете
возмущений. Получены простые и наглядные формулы для таких
параметров, как угол рассогласования между оптической осью системы и линией визирования, сигнал управления приводом и др.,
позволяющие проводить расчет ОЭСС на первом этапе проектирования.
В гл. 3 изложены физические основы работы гироскопов (закон
прецессии, гироскопический момент) гироскопических устройств,
используемых в приводах ОЭСС, описано устройство и принципы
действия гироскопических стабилизаторов различных типов. Дана инженерная методика расчета основных параметров силового гиростабилизатора, выполняющего в ОЭСС одновременно две
функции: стабилизацию оптической оси и управление положением
оптической оси в пространстве.
В гл. 4 рассматриваются аналитический и графический методы
синтеза корректирующих устройств, обеспечивающих устойчивость
ОЭСС при требуемом коэффициенте усиления. Дается методика
расчета скорректированной ОЭСС как системы измерения угло

Предисловие
9

вой скорости линии визирования, в том числе с учетом требований
контура самонаведения.
Глава 5 посвящена теории и методам расчета двухканальных
ОЭСС с модуляцией принимаемого сигнала. Описывается метод
комплексных координат и комплексных передаточных функций,
весьма эффективный при исследовании двумерных автоматических систем. Дается методика преобразования ОЭСС с модуляцией, содержащей одноканальную часть на переменном токе
и двухканальный привод, в двухканальную систему с перекрестными связями между каналами. Перекрестные связи появляются
при возникновении фазового сдвига сигнала управления приводом, обусловленного фазовым сдвигом опорного напряжения при
демодуляции, а также несовпадением частоты модуляции с резонансной частотой усилительного тракта. Перекрестные связи
в ОЭСС приводят к ошибкам управления оптической осью системы, вплоть до срыва слежения за целью, а также существенно
влияют на устойчивость системы. Рассматриваются метод исследования устойчивости расфазированной системы и метод контроля
фазирования ОЭСС.
Вторая часть, посвященная нелинейным ОЭСС, состоит из трех
глав. В гл. 6 излагается метод гармонического баланса, позволяющий достаточно просто исследовать автоколебания в нелинейных
системах, применительно к различным видам нелинейностей, а также при наличии управляющего воздействия на систему. В гл. 7
излагается приближенный метод исследования устойчивости автоколебаний в нелинейных системах, основанный на частотном
критерии Найквиста, а также графический метод синтеза корректирующих устройств, обеспечивающих заданные параметры периодического режима в нелинейных системах. В гл. 8, посвященной
нелинейным ОЭСС, метод гармонического баланса распространяется на нелинейные двухканальные системы. Даются методики
расчета параметров периодического режима в нелинейной ОЭСС
с широкополосным и узкополосным электронным трактом, а также
методика расчета параметров нелинейной ОЭСС как измерителя
угловой скорости линии визирования.
Третья часть, посвященная моделированию ОЭСС, разбита
на три главы. В гл. 9 приводятся общие сведения о математическом
и физическом моделировании. Рассматриваются задачи исследования и схемы физического моделирования ОЭСС. Указывается
на целесообразность использования при определенных условиях, особенно при физическом моделировании ОЭСС, аналоговых

Предисловие

ЭВМ, обусловленную простотой сопряжения ЭВМ с реальной
аппаратурой. В последующих двух главах излагаются основы решающих устройств аналоговых ЭВМ. В гл. 10 приводятся общие
сведения об операционных усилителях постоянного тока, описываются математические операции, осуществляемые этими усилителями, и излагается методика решения линейных дифференциальных
уравнений на ЭВМ. В гл. 11 описываются нелинейные решающие
устройства — универсальные и специализированные функциональные преобразователи.
Автору хотелось бы искренне поблагодарить профессора док-
тора технических наук Ю. Г. Якушенкова за его постоянное внимание, ценные советы и замечания, сделанные в процессе подготовки
рукописи книги.