Синтез систем управления бортовых оптико-электронных приборов

 
 
 
 
А. И. КАРПОВ, В. А. КРЕНЕВ 
 
 
 
 
 
СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.375 
ББК 32.85 
К26 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор, гл. метролог АО «НПО ГИПО» В. И. Курт; 
к. т. н., доцент, гл. технолог АО «КОМЗ» Д. А. Молин 
 
 
 
 
 
 
 
Карпов, А. И. 
К26   
Синтез систем управления бортовых оптико-электронных приборов : 
учебное пособие / А. И. Карпов, В. А. Кренев. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 144 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1822-5 
 
Изложены методы синтеза и основы исследования систем автоматического управления (САУ) бортовых оптико-электронных приборов (БОЭП). Рассматривается динамика и управление качеством изображения БОЭП. Представлена классификация систем управления. Приводятся методики разработки САУ БОЭП, включающие в себя 
интерактивные процедуры разработки математических моделей; оценки функции передачи модуляции оптико-электронного тракта формирования изображения БОЭП и допустимых динамических погрешностей САУ, обеспечивающих качество изображения  
БОЭП;  идентификации; декомпозиции; синтеза регуляторов; разработки и испытаний 
макета САУ; компьютерного моделирования и испытаний. Особое внимание уделяется 
построению математических моделей, синтезу алгоритмов управления, устойчивости и 
качеству процессов управления бортовых ОЭП. Приводятся математические модели 
САУ БОЭП с учетом нелинейных перекрестных связей (ПС) в объекте управления и 
без их учета, оценки ПС в частотной области и процедура декомпозиции, основанная 
на оценке слабости ПС частотным методом. 
Для студентов высших учебных заведений и аспирантов, обучающихся по специальности «Оптико-электронные приборы и системы», может быть полезно специалистам, занимающимся разработкой САУ БОЭП. 
 
 
УДК 621.375 
ББК 32.85 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1822-5 
© Карпов А. И., Кренев В. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 4 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ  
БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 
.......................................... 8 
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ САУ БОЭП ............................................ 11 
2.1. Обобщенная методика синтеза САУ 
............................................................ 11 
2.2. Расчет допустимых динамических погрешностей САУ БОЭП ................ 14 
2.3. Идентификация по переходным и частотным характеристикам САУ. 
.... 24 
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ВИБРОЗАЩИТЫ 
.................. 31 
3.1. Математическая модель системы виброзащиты  
с двумя степенями свободы.................................................................................. 32 
3.2. Методика синтеза и испытаний систем пассивной амортизации ............. 34 
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ КАЧЕСТВА  
ИЗОБРАЖЕНИЯ АЭРОФОТОАППАРАТОВ ....................................................... 38 
4.1. Система регулирования освещенности фотоконтрольного прибора 
........ 38 
4.2. Автомат регулировки экспозиции аэрофотоаппарата 
................................ 45 
4.3. Система линейной компенсации сдвига изображения АФА 
..................... 52 
4.4. Системы автоматической фокусировки 
....................................................... 58 
ГЛАВА 5. СИНТЕЗ ИЗОЛИРОВАННЫХ КАНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ БОЭП ..... 66 
5.1. Принцип построения 
...................................................................................... 66 
5.2. Исследование динамических свойств систем управления БОЭП,  
находящихся на подвижном основании 
.............................................................. 68 
5.2.1. Синтез изолированных каналов управления БОЭП ............................ 68 
5.2.2. Исследование многосвязных САУ  
со слабыми перекрестными связями ............................................................... 71 
5.3. Синтез систем сканирования без учета перекрестных связей 
................... 71 
5.4. Синтез систем слежения без учета перекрестных связей .......................... 79 
5.5. Синтез систем управления БОЭП с гироскопическим приводом 
............. 81 
ГЛАВА 6. СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ  
БОЭП В ПРОСТРАНСТВЕ С УЧЕТОМ ПЕРЕКРЕСТНЫХ СВЯЗЕЙ  
В ОБЪЕКТЕ УПРАВЛЕНИЯ ................................................................................... 97 
6.1. Механическая модель объекта управления ................................................. 98 
6.2. Составление уравнений динамической модели ОУ ................................. 104 
6.2.1. Вычисление кинетической энергии..................................................... 106 
6.2.2. Вычисление обобщенных сил 
.............................................................. 110 
6.2.3. Уравнения динамической модели ОУ................................................. 112 
6.3. Декомпозиция двухсвязной САУ с нелинейными перекрестными  
связями в ОУ 
........................................................................................................ 116 
6.3.1. Линеаризация уравнений объекта управления .................................. 117 
6.3.2. Оценка приемлемости декомпозиции САУ с нелинейными  
перекрестными связями в ОУ частотным методом ..................................... 120 
6.4. Синтез алгоритмов управления БОЭП 
....................................................... 128 
ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 137 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 138 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Оптико-электронные приборы (ОЭП) нашли широкое применение в промышленности, медицине, строительстве, транспорте и военной технике. При разработке и создании современных комплексированных ОЭП, применяемых для 
проведения астрофизических исследований и решения народнохозяйственных 
задач, мониторинга окружающей среды, в военной технике возникает задача разработки систем управления ОЭП. Бортовые автоматические ОЭП, синтезу алгоритмов управления и исследованию динамики управления которых посвящено 
это пособие, позволяют решать увеличивающее число неотложных задач народного хозяйства, задач обороны и безопасности  в составе приборных комплексов 
наземного, воздушного, морского, космического базирования и беспилотных аппаратов. 
В работах [1–13] приведены характеристики, тенденции и перспективы 
развития бортовых ОЭП, а также промышленного и транспортного назначения. 
Большие средства вкладывают США, Франция, Япония, Великобритания, Норвегия, Швеция в развитие современных оптико-электронных средств и в решение 
задач народного хозяйства и военной техники. Ежегодно проходят несколько 
представительных международных конференций и выставок, непосредственно 
связанных с рекламой, обменом опыта, разработкой и совершенствованием 
новых БОЭП как у нас в стране, так и за рубежом.  
Вопросы разработки, моделирования и исследования динамики систем автоматического управления бортовых ОЭП отражены в трудах Международных 
Четаевских конференций по аналитической механике, устойчивости и управлению; в трудах Международных симпозиумов по автоматическому управлению 
и Всесоюзных совещаниях по теории инвариантности, а также в журналах: 
«Оптический журнал», «Гироскопия и навигация», «Оптико-механическая 
промышленность», «Автоматика и телемеханика», «Авиационная техника», 
«Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева», «Оборонная техника», «Приборостроение». 
В настоящее время одной из основных тенденций в развитии оптикоэлектронной техники является комплексирование всепогодных бортовых ОЭП, 
работающих в широком диапазоне возмущающих воздействий, при существенном расширении требований к ним с целью их конкурентоспособности и эффективности. С целью повышения информативности используются комплексированные БОЭП, включающие в себя каналы наблюдения в видимом и инфракрасном диапазоне спектра [1–4]. 
Характерной чертой указанных бортовых ОЭП является необходимость стабилизации оси визирования прибора в пространстве с высокой точностью. Точность стабилизации изображения объекта наблюдения (ОН) зависит от тщательного учета всех факторов, влиящих на качество изображения: движений носителя БОЭП и ОН, состояния атмосферы, конструктивных особенностей, оптических характеристик и нелинейностей объекта управления (ОУ) и регуляторов систем автоматического управления (САУ). Все это приводит к построению слож4 

ных нелинейных математических моделей, исследование которых приводит к известным трудностям [18–20], которые возрастают с увеличением диаметра входного зрачка объектива БОЭП. 
Ниже рассматриваются управляемые бортовые комплексированные ОЭП 
третьего поколения, в составе каждого оптико-электронного тракта которого 
учтены следующие подсистемы БОЭП и факторы, влияющие на качество изображения: атмосфера, движение носителя, оптическая система, матричный фотоприемник, усилительно-преобразовательное устройство, системы обеспечения 
качества изображения (СКИ), устройство визуализации. К наиболее характерным и распространенным подсистемам СКИ отнесем систему виброзащиты, систему терморегулирования, систему автоматической фокусировки, систему сканирования, систему слежения, прецизионную систему стабилизации. Критерием 
оценки качества изображения БОЭП является функция передачи модуляции 
(ФПМ) рассматриваемых подсистем и факторов оптико-электронного тракта, 
формируемого изображение БОЭП. 
Несмотря на большое число публикаций, посвященным динамике и управлению техническими объектами, из них следует выделить публикации [1–5, 8, 
13–16, 33–50], где излагаются вопросы разработки и исследования динамики 
САУ бортовых ОЭП (БОЭП), и их амортизации и демпфирования, а также 
оценки качества изображения.  
Предлагаемое учебное пособие представляет собой попытку систематизации и комплексного рассмотрения методов построения математических моделей  
ОУ с учетом их конструктивных особенностей (принципа работы, эллипсоида 
инерции, дисбаланса, моментов управления и нагрузки) и синтеза регуляторов с 
позиций обеспечения минимизации качества изображения БОЭП. Авторы ставили себе целью изложить методы синтеза САУ БОЭП, имеющих большое прикладное значение, с получением простых и удобных формул и методик исследования, объединяя решение задач теории оптического изображения, теории автоматического управления, математического и компьютерного моделирования в 
единое целое. 
В учебном пособии в логической последовательности излагаются принципы 
работы систем, математические модели  и синтез параметров. Особое внимание 
уделяется динамике и физике процессов управления БОЭП и их оптическими 
элементами, уравнениям движения, принципам и алгоритмам управления, методикам расчета с учетом динамических особенностей и нелинейностей автоматических БОЭП и систем виброзащиты, существенно влияющих на качество изображения.  
В главе 1 приводятся основные сведения о САУ БОЭП. Дается классификация систем управления БОЭП. Рассматриваются особенности стабилизации 
БОЭП и возмущения, действующие на них. Даются сведения о действующих на 
них возмущениях. 
В главе 2 рассматривается методика разработки САУ БОЭП. Излагается 
обобщенная методика синтеза САУ, включащая в себя интерактивные процедуры разработки математических моделей, оценки ФПМ оптико-электронного 
5 

тракта формирования изображения БОЭП, идентификации, декомпозиции, синтеза регуляторов, компьютерного моделирования, разработки динамических моделей, доопределения параметров в процессе исследований и испытаний на стендах и на борту носителя. Приводится способ расчета допустимой динамической 
погрешности регулирования, основанный на использовании ФПМ оптико-электронного тракта наблюдения БОЭП с учетом характера движения изображения 
и вероятности выполнения задачи наблюдения. Приводится пример. 
Глава 3 посвящена системам виброзащиты БОЭП. Рассматриваются вопросы 
динамики систем виброзащиты моделей с двумя степенями свободы. Излагается 
методика расчета и испытаний систем виброзащиты. Приводится пример. 
В главе 4 рассматривается построение математических моделей и синтез автоматических фотографических систем на примере четырех автоматических 
приборов: фотоконтрольного прибора, автомата регулировки экспозиции, системы компенсации сдвига изображения и системы автоматической фокусировки. Излагаются примеры их расчета.   
Глава 5 посвящена синтезу САУ изолированных каналов управления БОЭП, 
находящимся на подвижном основании. Рассматриваются принципы построения, математические модели, синтез параметров регуляторов систем сканирования и слежения с элетромеханическими и гироскопическими приводами. Приводится расчет этих систем и выбор приводов, оценки перекрестных связей и динамических свойств двухсвязных САУ частотным методом. Даются примеры. 
В главе 6 изложены вопросы синтеза алгоритмов управления бортовым комплексированным ОЭП в кардановом подвесе в режимах наведения и слежения в 
пространстве. Приводится расчетная (динамическая) модель ОУ с учетом конструктивных особенностей БОЭП. Излагается порядок вывода уравнений пространственного движения ОУ в форме Лагранжа II-го рода, методика синтеза 
комбинированной САУ БОЭП с использованием в качестве датчиков матричного фотоприёмника и гироскопов, а в качестве исполнительных устройств моментные двигатели. Рассматривается декомпозиция двухсвязной САУ БОЭП  
(с нелинейными перекрестными связями (ПС) в ОУ) на основе оценки слабости 
ПС в частотной области. Даются примеры. 
При написании учебного пособия широко использованы: элементы теории 
автоматического регулирования, изложенные в работах [9–11, 21, 31–34]; теория 
и расчет оптико-электронных систем и формирования изображения управляемых 
БОЭП [1, 2, 4, 6, 12–15, 28, 35, 36, 48], а также методы построения математических моделей и синтеза САУ БОЭП, приведенные в работах [3, 5, 8, 13,  
20–24, 38, 39, 46, 47]. Учебное пособие написано на основе курса лекций, читаемые авторами в КНИТУ-КАИ им. А. Н. Туполева. 
С целью контроля усвоения материала по каждой теме пособия необходимо 
ответить на контрольные вопросы и решить предложенные тестовые задачи. 
Авторы выражают благодарность всем разработчикам по совместным работам в создании БОЭП за помощь, поддержку, благожелательную критику и предложения, направленные на повышение качества учебного пособия. 
 
 
6 

Авторы  выражают особую признательность: 
– зав. кафедрой «Автоматики и управления» КНИТУ-КАИ, профессору,  
к. т. н. и д. п. н. Маливанову Н. Н.; академику АН Республики Татарстан, д. т. н. 
Дегтяреву Г. Л.; сотрудникам этой кафедры за постоянную поддержку и доброжелательное внимание к работам авторов; 
– коллегам кафедр «Теоретической и прикладной механики и математики»  
и «Оптико-электронных систем» КНИТУ-КАИ за ценные советы и постоянное 
внимание к работам, посвященным математическим моделям, динамике и управлению БОЭП и комплексов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ  
БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 
 
1. Классификация систем управления 
 
Системы управления БОЭП можно классифицировать по назначению,  
по виду исполнительных устройств и по принципу управления. Раскроем сущность указанных классификаций. 
 
 Назначение систем управления 
 
Системы управления комплексированных БОЭП по своему назначению  
в общем случае можно разделить на четыре класса [49]: системы виброзащиты, 
системы автоматического управления (САУ), обеспечивающие требуемое качество изображение БОЭП (САУ КаИ), САУ БОЭП в пространстве, САУ адаптивной оптикой. Каждый из указанных систем включает в себя ряд подсистем, имеющих определенное смысловое название. 
− Системы виброзащиты (СВ), предназначенные для защиты БОЭП от 
действия вибраций и ударов, идущих от носителя, подразделяются на пассивные 
и активные. 
− САУ КаИ, которые (в общем случае) состоят из: системы автоматической фокусировки (САФ), системы автоматической юстировки (САЮ), системы компенсации сдвига изображения (СКСИ), системы автоматического 
диафрагмирования (САД), системы автоматического регулирования освещенности (САРО), системы автоматической регулировки экспозиции (САРЭ), системы терморегулирования (СТР). 
−  САУ в пространстве, подразделяющиеся в общем случае на три ступени:  
I ступень – это грубые САУ с точностью до доли поля зрения БОЭП, которые могут быть одно-, двух-, трехканальными и подразделяются на: системы 
сканирования (ССк), системы ориентации и наведения (СОиН).   
II ступень – это точные САУ, которые могут быть одно-, двух-, трехканальными, подразделяющиеся на: системы наведения (СН), системы слежения 
(ССл), системы стабилизации (ССт), системы встроенного контроля и резервирования (СВКиР), если II ступень не обеспечивает заданной точности управления, то добавляется III ступень.  
III ступень – это прецизионные САУ оптическими элементами (ОЭ) (клиньями, зеркалами, и т. п.), которые отрабатывают остаточные погрешности 
управления II ступени и могут быть одно- и двухканальными. 
− САУ адаптивной оптикой (АО), которые состоят из двух (минимум) 
сложных систем: САУ ФОП (формой оптической поверхности главного зеркала 
объектива), каждая из которых состоит из множества, как правило, малых составных управляемых зеркал, формирующих требуемую оптическую поверхность, и указанной выше САУ КаИ, обеспечивающей требуемое качество изображения. 
 
 
8 

Вид исполнительных устройств 
 
В САУ БОЭП наиболее широкое применение нашли  следующие приводные 
устройства: электромеханические (моментные двигатели, двигатели постоянного тока с редукторами), гироскопические, маховичные, гиродинные и электронные. 
Принципы управления 
САУ БОЭП классифицируются на системы: регулирования по отклонению, 
комбинированные (по отклонению и возмущению), самонастраивающиеся, 
адаптивные и с переменной структурой. 
 
2. Возмущения и особенности стабилизации изображения БОЭП 
 
БОЭП, устанавливаемый на подвижном носителе, перемещается совместно 
с ним в пространстве минимум по 6 степеням свободы [3, 5]. В некоторых случаях, когда БОЭП, имея нежесткую конструкцию и закрепление на подвижном 
основании, приводящее к резонансным явлениям, или же БОЭП управляется относительно носителя, то число степеней свободы достигает 9–12. Это связано  
с тем, что при разработке СВ и САУ высокоточных БОЭП следует учитывать 
особенности носителей: самолет, вертолет, космический аппарат и аэростат, которые имеют 2–3 тона колебаний конструкции. Кроме того, объект наблюдения 
(ОН) может перемещаться относительно БОЭП по трем направлениям. Таким 
образом, изображение ОН находится в сложном движении. В таблице 1.1 приведены характеристики возмущений, дающие представление об основных средних 
возмущениях, идущих от различных носителей [3, 5, 11, 49].  
 
Таблица 1.1 
Характеристики возмущений 
Вид носителя 
Угловые колебания 
Вибрации 
αmax,  
град 
Частота, 
Гц 
Частота, 
Гц 
Ускорения, 
ед. g, м/с2 
Самолет 
3 
1–3 
10–2000 
4–10 
Аэростат 
1–3 
0,06–3,5 
10–300 
1 
Вертолет 
3 
3–5 
10–2000 
4–10 
БЛА 
5 
3 
10–2000 
4–10 
Морской корабль 
5–20 
0,2–0,7 
10–2000 
4–10 
Вездеход 
10–15 
1–3 
10–300 
4–6 
Ракета 
10 
3–10 
10–2000 
4–10 
Космический аппарат 
1 
0,1 
10–2000 
4–10 
 
Известно [5], что наибольшее влияние на точность управления и качество 
изображения оказывают угловые движения оптического прибора. В сложных 
конструкциях БОЭП из-за несовпадения центра подвеса прибора с его центром 
масс происходит перекачка энергии из линейных колебаний в угловые. Особенно 
это  проявляется в результате резонансных явлений.  
9 

Возмущения (движения носителя и ОН) оказывают существенное воздействие на качество изображения в низкочастотном диапазоне и устраняются с помощью специальных устройств: САУ в режимах сканирования, наведения, слежения и стабилизации в полосе частот  (ω < ωc) и СВ в полосе вибрационных 
воздействий (ω  > ωɞ ), где ω – частота возмущения, ωɫ – частота среза САУ,  
ωɞ – частота амортизации и демпфирования прибора [3, 5]. Максимальная частота среза систем стабилизации изображения, реализованных традиционными 
способами, составляет fɫ = 1–5 Гц. Реальные пассивные системы амортизации 
осуществляют гашение вибраций в области fɚɦ > 10–20 Гц. Неохваченную область (ωc – ωɞ) можно перекрыть увеличением полосы пропускания САУ и применением активных СВ, что связано с известными трудностями, решению которых будут посвящены последующие разделы. 
Из анализа имеющихся экспериментальных данных [3, 5, 7, 11, 18, 19] 
можно сделать вывод, что основными возмущениями, идущими от носителя, являются низкочастотные колебания (до 5–7 Гц) сложной формы (одно-, двух-  
и трехчастотные) и высокочастотные вибрации (10–2000 Гц). Конкретные значения амплитуд и частот колебаний носителя следует определять по экспериментальным характеристикам его колебаний, определяя спектр их возмущений. 
 
 
Контрольные вопросы 
 
1. По каким признакам классифицируются СУ БОЭП? 
2. Какие подсистемы включают в себя «Системы управления в пространстве»? 
3. Что включают в себя «Системы управления качеством изображения»? 
4. Что включают в себя «Системы управления адаптивной оптикой»? 
5. В чем отличие «пассивных» и «активных» систем виброзащиты друг  
от друга? 
6. Какие колебания оптического прибора являются существенными и несущественными и почему? 
7. Какие виды колебаний носителя выделяют и  почему? 
8. Какие колебания относят к основным и почему? 
 
 
10