Описание работы измерителей и комплексной системы.

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Решение задачи проектирования комплексной измерительной системы, состоящей из РВ (Радиовысотомер) и БВ (Баровысотомер), сводится к определению вида и параметров алгоритма статической обработки имеющейся измерительной информации.

Процесс проектирования комплексной системы может быть условно разделен на несколько этапов. На первых этапах проводится анализ динамических характеристик измерителей и моделей их ошибок, а также выбор метода статической обработки измерительной информации. Далее проводится анализ эффективности использования выбранного алгоритма, обработка, и техническая проработка варианта вычислительного устройства комплексной системы (КС).

В данном курсовом проекте рассматриваются безынерционные алгоритмы обработки информации в комплексной системе измерения скорости полета ЛА, оптимальные по критерию минимума среднего квадрата ошибки оценки.

Достоинством таких алгоритмов является достаточная простота технической реализации вычислительного устройства комплексной системы, а также небольшой объем априорной информации о полезном сигнале и помехах, необходимые для синтеза параметров алгоритма.

Для формирования оценки полезного сигнала в текущий момент времени используется только текущее значение измерений, а для определения параметров алгоритма достаточно знать дисперсию полезного сигнала помех, коэффициенты их взаимной корреляции.

Недостаток таких алгоритмов заключается в том, что они менее точны по сравнению с инерционными.

 

 

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ И КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ.

 

Радиовысотомеры

Радиотехнический метод измерения высоты полета (называют также радиоволновым или радиолокационным) основан на отражении радиоволн от земной поверхности. Устройства, построенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами. Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рисунок 2.40 а и б). Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приведена на рисунке 2.40 а. Антенна А1 радиопередатчика, установленного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к самолету. Антенна А2 радиоприемника, также находящегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А1, так и отраженные от Земли радиоволны. Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения является частотная модуляция излучаемых колебаний. На рисунке 2.42 приведен график изменения во времени частоты f1 излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f2 отраженных колебаний (пунктирная линия). Линия частот f2 сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f 1 на величину τ вследствие того, что в каждый момент времени частота отраженного сигнала отличается от частоты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты прямого излучения за время т прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.

 

Барометрические высотомеры

Принцип действия баpометрического высотомера основан на следующем явлении. Известно, что с увеличением высоты уменьшается атмосферное (абсолютное) давление. Так как это давление для одного итого же момента времени связано с высотой однозначной зависимостью, то, зная эту зависимость и измерив на некоторой высоте абсолютное давление, можно определить и высоту точки измерения. Для этого (фиг. 15. 1) используется анероидная коробка 1, расположенная внутри корпуса 2, сообщающегося с наружной атмосферой, вследствие чего давление в корпусе равно атмосферному на высоте полета. Изменение давления с подъемом на высоту вызывает деформацию (ход) коробки, которая при помощи специального передаточного механизма 4 (см. следующий раздел) перемещает стрелку 3 прибора Шкала прибора разградуирована в километрах, Сотнях и десятках метров высоты (см. фиг. 15.1, a).

За нулевую точку принимается точка над или на земной поверхности, на которой абсолютное давление равно 760 мм. Рт. Ст. при температуре ртути 0С. Это есть среднее давление на уровне моря.

Барометрический метод основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. В этом методе измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления с помощью барометра.

К основным погрешностям радиовысотомера непрерывного действия относятся:

а) погрешности от помех приемопередающего радиотракта, искажающие принимаемый сигнал;

б) погрешности от нестабильности параметров f0 и а, вызывающие изменение чувствительности S, а, следовательно, и масштаб измерения.

Авиационным высотомерам и датчикам высоты свойственны методические и инструментальные погрешности.

 

Методические погрешности барометрического высотомера вызваны несовершенством барометрического метода измерения высоты и обусловлены:

- изменением рельефа пролетаемой местности;

- отклонением атмосферных условий у земли (давления и температуры) от нормальных P0 = 760 мм рт. ст.; Т0 = 288,15о К; τn = – 0,0065 К/м. после взлета;

- случайными вариациями давления на высоте по отношению к давлению, задаваемому стандартной атмосферой.

 

Погрешности в определении истинной высоты, связанные с изменением рельефа местности, до некоторой степени могут быть учтены экипажем самолета в случае:

а) если известна высота над уровнем моря, места, над которым пролетает самолет, при этом истинная высота определяется как разность между абсолютной высотой, показываемой высотомером, и высотой данного места над уровнем моря;

б) если известны значения давления и температуры у Земли места, над которым пролетает самолет (эти сведения могут быть получены по радио).

 

Погрешности высотомера, обусловленные отклонением атмосферных условий от нормальных, делятся, в свою очередь, на погрешности, связанные с изменением давления у Земли, и погрешности, связанные с изменением закона распределения температуры воздуха по высоте.

 

К основным инструментальным погрешностям барометрических высотомеров и датчиков высоты относятся:

- погрешности от неправильного измерения статического давления приемником;

- погрешности, вносимые манометром абсолютного давления;

- погрешности, вносимые электрическим преобразователем (для датчиков);

- погрешности, вносимые выходной электрической цепью (в датчиках высоты).

 

Все эти погрешности имеют ту же природу, что и инструментальные погрешности обычного механического манометра и обусловлены:

- шкаловыми погрешностями;

- погрешностями, вызванными трением;

- погрешностями, вызванными неуравновешенностью деталей передаточно-множительных механизмов;

- температурными погрешностями;

- погрешностями от гистерезиса и т.д.

 

Заключение

В процессе исследования были проведены расчеты линейной безынерционной оптимально и оптимально-инвариантной алгоритмов обработки информации с учетом и без учета корреляции погрешности измерений.

На основании анализа данных для технической реализации был выбран оптимально-инвариантный алгоритм (который немного уступает оптимальному, но проще) с учетом корреляции погрешностей измерения с учетом показаний реальной контрольной аппаратуры, D=13,06431, Г1=1,70158, Г2=4,78096.

Было проведены исследование, анализ и расчеты робастности и помехозащищенности комплексной системы, сравнение инерционной обработки с безынерционной, исследование ошибок и достоверности классификации сигналов.

Были проведены исследования и анализы робастности системы. Система неробастна по левой и правой границе по каналу первого измерителя (a₁₀₀), по правой границе для второго измерителя (a₂₁₀).

Так же было проведено исследование помехозащищенности системы. Система не помехозащищена по левой границе для Р1_ио с коэффициентом помехозащищенности k=1,65144, Р2_ии с коэффициентом помехозащищенности k=-0,43762, D1_исп по левой и правой границе с коэффициентом помехозащищенности k=0,43704.

Чтобы обеспечить робастность и помехозащищенность нужно ужесточить требования к отклонению параметров, а также использовать более точные исходные данные.
При исследовании классификации комплексной системы были найдены:
Вероятность нахождения результата измерения в поле допуска Pyi = 0,6718
Вероятность нахождения в поле допуска полезного сигнала P0i = 0,682

Вероятность сигнала «годен» D0 = 0,633

Вероятность сигнала «не годен» D1 = 0,279

Риск изготовителя αi = 0,0489

Риск заказчика βi = 0,0385

Сумма рисков = 0.0874

Система робастна по параметру ε=-0,3 с коэффициентами Kr(+) = 0,032 Kr(-)=0,0026, не помехозащищена по параметру Dl=9,59 и по параметру σ=4,8 с коэффициентами Kp(+)=0,092 Kp(-)=0,8.
Для понижения ошибок классификации сигналов необходимо уменьшать дисперсию ошибки оценки. Для этого надо использовать более точные измерители. Для повышения эффективности комплексирования надо увеличивать число измерителей, использовать измерители с некоррелированными погрешностями измерений и с погрешностями имеющими отрицательные коэффициенты взаимной корреляции. Для установления робастности по каналам, которым не было выявлено данное соответствие, нужно заменить на более точные измерители, для помехозащищенности – заменить на другие каналы связи, которые обеспечат данный параметр.

 

8.1 Общие выводы:

 

1)Были проанализированы данные для технической реализации

 

2) Был выбран оптимально-инвариантный алгоритм с учетом корреляции погрешностей измерения с учетом показаний реальной контрольной аппаратуры.

 

3) Было проведено сравнение алгоритмов безынерционной и инерционной обработок по критерию эффективности комплексирования.

 

4) Были проведены исследования и анализы робастности системы. Система неробастна по левой и правой границе по каналу первого измерителя (a1₀₀), по правой границе для второго измерителя (a2₀₀), (a2₁₀)

 

5) Было проведено исследование помехозащищенности системы. Система не помехозащищена по левой границе для Р1_ио с коэффициентом помехозащищенности k=1,65144, Р2_ии с коэффициентом помехозащищенности k=-0,43762, D1_исп по левой и правой границе с коэффициентом помехозащищенности k=0,43704

 

Список используемой литературы.

1) Информационно-статистическая теория измерений. Ю.П. Иванов, Б.Л. Бирюков. Учебное пособие. СПбГУАП, Санкт-Петербург, 2008.
2) Комплексирование приборов и систем летательных аппаратов. Ю.П. Иванов, А.И. Синяков, И.В. Филатов. Машиностроение, 1981
3) Контроль и диагностика измерительно-вычислительных комплексов. Ю.П. Иванов, В.Г. Никитин, В.Ю. Чернов. Учебное пособие. СПБГУАП, Санкт-Петербург, 2004.
4) Программа ПКО (синтез и анализ, классификация) разработанная Ивановой С. на базе кафедры № 11
5) Авиационная астрономия. Черный М.А., Москва, Машиностроение, 1978.
6) Авиационные приборы. В.А. Боднер, Г.О. Фридлендер, Оборонгиз, Москва,1960.

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Решение задачи проектирования комплексной измерительной системы, состоящей из РВ (Радиовысотомер) и БВ (Баровысотомер), сводится к определению вида и параметров алгоритма статической обработки имеющейся измерительной информации.

Процесс проектирования комплексной системы может быть условно разделен на несколько этапов. На первых этапах проводится анализ динамических характеристик измерителей и моделей их ошибок, а также выбор метода статической обработки измерительной информации. Далее проводится анализ эффективности использования выбранного алгоритма, обработка, и техническая проработка варианта вычислительного устройства комплексной системы (КС).

В данном курсовом проекте рассматриваются безынерционные алгоритмы обработки информации в комплексной системе измерения скорости полета ЛА, оптимальные по критерию минимума среднего квадрата ошибки оценки.

Достоинством таких алгоритмов является достаточная простота технической реализации вычислительного устройства комплексной системы, а также небольшой объем априорной информации о полезном сигнале и помехах, необходимые для синтеза параметров алгоритма.

Для формирования оценки полезного сигнала в текущий момент времени используется только текущее значение измерений, а для определения параметров алгоритма достаточно знать дисперсию полезного сигнала помех, коэффициенты их взаимной корреляции.

Недостаток таких алгоритмов заключается в том, что они менее точны по сравнению с инерционными.

 

 

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ И КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ.

 

Радиовысотомеры

Радиотехнический метод измерения высоты полета (называют также радиоволновым или радиолокационным) основан на отражении радиоволн от земной поверхности. Устройства, построенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами. Различают радиовысотомеры непрерывного и импульсного действия (рисунок 2.40 а и б). Блок-схема радиовысотомера непрерывного действия приведена на рисунке 2.40 а. Антенна А1 радиопередатчика, установленного на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к самолету. Антенна А2 радиоприемника, также находящегося на самолете, принимает как излучаемые антенной А1, так и отраженные от Земли радиоволны. Особенностью радиовысотомеров непрерывного излучения является частотная модуляция излучаемых колебаний. На рисунке 2.42 приведен график изменения во времени частоты f1 излучаемых колебаний (сплошная линия) и частоты f2 отраженных колебаний (пунктирная линия). Линия частот f2 сдвинута в сторону отставания относительно линии частот f 1 на величину τ вследствие того, что в каждый момент времени частота отраженного сигнала отличается от частоты прямого сигнала на величину, равную изменению частоты прямого излучения за время т прохождения радиоволн от самолета до Земли и обратно.

 

Барометрические высотомеры

Принцип действия баpометрического высотомера основан на следующем явлении. Известно, что с увеличением высоты уменьшается атмосферное (абсолютное) давление. Так как это давление для одного итого же момента времени связано с высотой однозначной зависимостью, то, зная эту зависимость и измерив на некоторой высоте абсолютное давление, можно определить и высоту точки измерения. Для этого (фиг. 15. 1) используется анероидная коробка 1, расположенная внутри корпуса 2, сообщающегося с наружной атмосферой, вследствие чего давление в корпусе равно атмосферному на высоте полета. Изменение давления с подъемом на высоту вызывает деформацию (ход) коробки, которая при помощи специального передаточного механизма 4 (см. следующий раздел) перемещает стрелку 3 прибора Шкала прибора разградуирована в километрах, Сотнях и десятках метров высоты (см. фиг. 15.1, a).

За нулевую точку принимается точка над или на земной поверхности, на которой абсолютное давление равно 760 мм. Рт. Ст. при температуре ртути 0С. Это есть среднее давление на уровне моря.

Барометрический метод основан на зависимости между абсолютным давлением в атмосфере и высотой. В этом методе измерение высоты сводится к измерению абсолютного давления с помощью барометра.

К основным погрешностям радиовысотомера непрерывного действия относятся:

а) погрешности от помех приемопередающего радиотракта, искажающие принимаемый сигнал;

б) погрешности от нестабильности параметров f0 и а, вызывающие изменение чувствительности S, а, следовательно, и масштаб измерения.

Авиационным высотомерам и датчикам высоты свойственны методические и инструментальные погрешности.

 

Методические погрешности барометрического высотомера вызваны несовершенством барометрического метода измерения высоты и обусловлены:

- изменением рельефа пролетаемой местности;

- отклонением атмосферных условий у земли (давления и температуры) от нормальных P0 = 760 мм рт. ст.; Т0 = 288,15о К; τn = – 0,0065 К/м. после взлета;

- случайными вариациями давления на высоте по отношению к давлению, задаваемому стандартной атмосферой.

 

Погрешности в определении истинной высоты, связанные с изменением рельефа местности, до некоторой степени могут быть учтены экипажем самолета в случае:

а) если известна высота над уровнем моря, места, над которым пролетает самолет, при этом истинная высота определяется как разность между абсолютной высотой, показываемой высотомером, и высотой данного места над уровнем моря;

б) если известны значения давления и температуры у Земли места, над которым пролетает самолет (эти сведения могут быть получены по радио).

 

Погрешности высотомера, обусловленные отклонением атмосферных условий от нормальных, делятся, в свою очередь, на погрешности, связанные с изменением давления у Земли, и погрешности, связанные с изменением закона распределения температуры воздуха по высоте.

 

К основным инструментальным погрешностям барометрических высотомеров и датчиков высоты относятся:

- погрешности от неправильного измерения статического давления приемником;

- погрешности, вносимые манометром абсолютного давления;

- погрешности, вносимые электрическим преобразователем (для датчиков);

- погрешности, вносимые выходной электрической цепью (в датчиках высоты).

 

Все эти погрешности имеют ту же природу, что и инструментальные погрешности обычного механического манометра и обусловлены:

- шкаловыми погрешностями;

- погрешностями, вызванными трением;

- погрешностями, вызванными неуравновешенностью деталей передаточно-множительных механизмов;

- температурными погрешностями;

- погрешностями от гистерезиса и т.д.