Динамическое проектирование систем стабилизации летательных аппаратов. Аналоговые устройства

1. Динамическое проектирование систем стабилизации летательных аппаратов

ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ
СТАБИЛИЗАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Раздел 2 Элементная база систем стабилизации
2.2 Усилительно-преобразующие и вычислительные устройства
2.2.1 Аналоговые устройства
1

2. Классификация аналоговых УПУ

КЛАССИФИКАЦИЯ АНАЛОГОВЫХ УПУ
УПУ
Усилители
Преобразующие
устройства
Вычислительные
устроства
Корректирующие
устройства
По назначению
Усилители тока
выпрямители
сумматоры
Усилители
мощности
фильтры
Устр-ва пересчета
систем координат
Модуляторы и
демодуляторы
y=f(x)
Аналоговые КУ
(фильтры)
детекторы
W ( p)
k
k
Tp 1
W ( p) k
W ( p) k
W ( p) Wзад ( p)
2

3. классификация усилителей

КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилители
По принципу действия
механические
Эл-машинные
релейные
Эл-магнитные
Электронные
(ламповые)
п/проводниковые
По назначению
мощности
тока
По полосе
пропускания
предварительные
По характеристике
линейные
нелинейные
3

4. Общие характеристики

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
К - Коэффициент усиления Uвых = kUВХ
f – полоса пропускания
Нелинейные искажения
Шумы (фон, тепловой, наводки…)
Энергетические характеристики: мощность
выходного сигнала (номинальная,
максимальная), мощность источника
питания
• КПД
Структурная схема
Схема подключения
Использование ОС
4

5. Характеристики усилителей

ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ
Амплитудная характеристика
Амплитудно-частотная характеристика
5

6. Релейные усилители

РЕЛЕЙНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
8
6
Rн
4
7
5
K~106
T ~ 0,1-1 мс
1
2
Uy
Rн
Un
3
Рис.
5.4. Электромагнитные
реле
Электромагнитное
реле
1
Ф1
-
Ô2
2
3
+
2
Фр N1 Ф0
S
3
Характеристики релейных усилителей:
а — характеристика с гистерезисной петлей;
б—характеристика с гистерезисной петлей и зоной
нечувствительности;
в — характеристика с зоной нечувствительности;
г- идеальная характеристика
Поляризованное реле
6

7. Схемы релейных усилителей

СХЕМЫ РЕЛЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Схема релейного усилителя
Схема релейного усилителя
с вибрационной линеаризацией
7

8. Магнитный усилитель

МАГНИТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Iy
Iвых RH
TU в ых U в ых kUв ых
Uвых
Схемы однотактных магнитных усилителей без
обратной связи с последовательным (а) и
параллельным (б) включением нагрузки
Характеристики однотактного
магнитного
усилителя с параллельно включенной нагрузкой.
8

9. Электромашинный усилитель

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
9

10. полупроводнико­вые усилители

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Принципиальная схема релейного усилителя:
Uб.Rб - базовые напряжение и сопротивление;
Uk - напряжение на коллекторе;
Rн — сопротивление нагрузки
Принципиальная схема
однотактного релейного
усилителя с линейной характеристикой: UK - напряжение
на коллекторе
Схема подачи отрицательной
обратной связи по напряжению
10

11. Полупроводниковые усилители

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Схема двухконтактного усилителя постоянного тока с
компенсацией температурного дрейфа нуля
11

12. Сравнение разных типов усилителей

СРАВНЕНИЕ РАЗНЫХ ТИПОВ УСИЛИТЕЛЕЙ
Тип
Электронные
Полупроводников
ые
Магнитные
Электромашинные
Релейные
Усилители
постоянного тока
(операционные)
Достоинства
относительно малый вес, габариты,
стоимость, большое Rвх, стабильность
характеристик, легки в настройке,
большой K по напряжению
большой срок службы, малый вес,
габариты, потребление энергии,
экономичны по источникам питания,
высокий КПД, вибростойки, готовы к
работе сразу
очень надежны, вибро-, ударопрочны,
работают как сумматоры, большой срок
службы, высокая чувствительность,
коэффициент усиления по мощности,
КПД, Работает сразу после включения
очень большие коэффициенты усиления
по мощности
недостатки
ограниченный срок службы, большой разброс
параметров ламп, не экономичны по источникам
питания (прогрев катода, высокое анодное
напряжение), тепловыделение, малый КПД, малая
надежность по ударам и перегрузкам, готовность к
работе только после прогрева
нестабильность параметров в зависимости от
нагрева и радиации, внутренние шумы
применение
усилители напряжения,
предварительные каскады,
усилители мощьности до 70
Вт
Малое Rвх, большая инерционность, большая
масса
широкое в любом назначении
очень инерционны (T>0.3c), большая масса и
размеры, ненадежны, малый КПД, малое Rвх
очень редко для управления
мощными рулевыми
приводами
управление интерцепторами,
на больших мощностях с
вибрационной
линеаризацией
чаще всего как
промежуточный усилитель,
сумматор или в составе КУ
просты, надежны, имеют большой
коэффициент усиления по мощности
возможность возникновения автоколебаний
работает как сумматор, инвертор,
активное корректирующее устройство
дрейф нуля
широкое, с учетом условий
работы, усилители
напряжения и мощьности до
100Вт
12

13. Сравнение разных типов усилителей

СРАВНЕНИЕ РАЗНЫХ ТИПОВ УСИЛИТЕЛЕЙ
Класс усилителя
Полупроводниковые
усилители
Реле
Магнитные
усилители
Электромашинные усилители
Гидравлические усилители
Коэффициент усиления по
мощности
103-105
Постоянная времени в
сек.
10-6-10-7
104-106
10-3-10-6
102-103
10-2-10-4
102-106
4*10-2*103
103-2*104
103-104
0,5-10-3
10-2-10-3
0,5-10-2
10-1-10-2
104-105
10-2-10-3
103-104
102-103
102-104
10-3-10-4
1,0-10-2
5*10-1-10-2
Дроссельные
104-5*103
104-106
10-2-10-3
10-1-10-2
Струйные
103-104
10-2-10-3
Вид усилителя
Усилительные каскады на
постоянном токе
Усилительные каскады на
переменном токе
усилители
Оконечные
мощности
Электромагнитное:
обычное
поляризованное
Магнитоэлектрическое
С выходом на постоянном
токе
С выходом на переменном
токе
Быстродействующие
Обычный генератор
Генератор с самовозбуждением
ЭМУ с поперечным полем
13

14.

Вычислительные устройства
14

15. Сумматор

СУММАТОР
Омический сумматор напряжений с параллельным (а) и
последовательным (б) включением датчиков
15

16. Интегратор

ИНТЕГРАТОР
Электромеханический интегратор
16

17. Корректирующие устройства

КОРРЕКТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Интегрирующий RCконтур
дифференцирующий
RС-контур первого
порядка
дифференцирующий контур с
пропорциональной составляющей 1 и 2 порядка
1 t
1 t
Idt ; U вх Idt
C 0
C 0
U
1
W ( p) вых
; T RC
U вх Tp 1
U вых RI
1 t
Idt ; U вых RI
C 0
U
Tp
W ( p) вых
; T RC
U вх Tp 1
U вх RI
W ( p)
k
U в ых k (Tp 1)
;
U вх
kTp 1
R1
; T R2C
R1 R2
U вых k (T 2 p 2 2 Tp 1)
W ( p)
U вх
( 1 p 1)( 2 p 1)
17

18. Логические элементы

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Диодная схема «ИЛИ»
Диодная схема типа «И»
Схема «ИЛИ» на транзисторах
Схема типа «И» на транзисторах
18

19. Триггеры

ТРИГГЕРЫ
19

20.

2.2.2 Цифровые элементы систем стабилизации
20

21. Бортовая цифровая вычислительная система

БОРТОВАЯ ЦИФРОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
• Аппаратное обеспечение
• Электронные блоки
• Кабельная сеть
• Программное обеспечение
• Служебное ПО
• Функциональное ПО
интерфейс
ЦВМ1
УВВ
УВВ(БСА)
(БСА)
ЦВМ2
...
ЦВМn
...
приборы
приборы
21

22. бортовая цифровая вычислительная машина

БОРТОВАЯ ЦИФРОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
МАШИНА
Быстродействие
Разрядность
Система команд
Объем ОЗУ
Объем РПЗУ
Типы интерфейсов
Надежность!
ЦП
Память
АЛУ
ОЗУ
ПЗУ
интерфейс
УУ
УВВ
ВИП
Первичная
сеть
22

23. БЦВМ МОКБ Марс

БЦВМ МОКБ МАРС
23

24. i8XC196KC (1874ВЕ05Т)

I8XC196KC (1874ВЕ05Т)
24

25. Микропроцессор 1892ВМ12Т

МИКРОПРОЦЕССОР 1892ВМ12Т
25

26. зарубежные микропроцессоры космического назначения

ЗАРУБЕЖНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОСМИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
26

27. Оценка быстродействия БЦВМ

ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ БЦВМ
смесь Гибсона, для типа ЭВМ с плавающей запятой:
Команда
% в смеси
Запись числа из ЗУ и регистр АЛУ
31,2
без использования индексного регистра
Запись числа из ЗУ в регистр АЛУ
18,0
с использованием индексного регистра
Условия передачи управления
16,0
Сравнение
3,8
Сдвиг на 3 разряда
4,4
Логическое "И"
1,6
Короткая операция
5,3
Сложение (ФЗ)
6,1
Сложение (ПЗ)
6,9
Умножение (ФЗ)
0,6
Умножение (ПЗ)
3,8
Деление (ФЗ)
0,2
Деление (ПЗ)
1,5
Производительность по Гибсону определяют по формуле
где TI — время выполнения i-го типа команд
27

28. Схемы резервирования БЦВМ

СХЕМЫ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ БЦВМ
Дублированная схема БЦВМ
Схема троированной БЦВМ с
мажоритированием
Схема четырехкратного резервирования
БЦВМ
28

29. Устройства ввода-вывода: цифровые

УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА: ЦИФРОВЫЕ
Эталонная модель взаимодействия
открытых систем(OSI):
7. Прикладной уровень
6. Представительский уровень
5. Сеансовый уровень
4. Транспортный уровень
3. Сетевой уровень
2. Канальный уровень
1. Физический уровень
29

30. Устройства сопряжения – цифровые интерфейсы

УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ – ЦИФРОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ
Канал последовательного кода систем управления авиационным оборудованием
по ГОСТ18977-79 (ARINC-429)
Предназначен для организации межсистемного обмена информацией на основе
радиальных линий передачи информации, работающих в трех режимах обмена
данными: асинхронного, по запросу или по готовности.
Скорость передачи информации: 12, 48 или 100КГц.
Код - биполярный самосинхронизирующийся, с возвратом к нулю (RZ).
Среда распространения сигналов - витые экранированные пары.
Разрядность передаваемых данных - 32 бита.
Амплитуда размаха сигналов от 3 до 10 В.
30

31. Мультиплексный канал межмодульного обмена информацией по ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553B)

МУЛЬТИПЛЕКСНЫЙ КАНАЛ МЕЖМОДУЛЬНОГО ОБМЕНА
ИНФОРМАЦИЕЙ
ПО ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553B)
Предназначен для организации на основе линий с
гальванической развязкой высоконадежных скоростных каналов
связи, обеспечивающих передачу данных в режиме реального
времени в распределенных системах управления.
Обмен информацией ведется под управлением контроллера
канала (КК) по принципу команда-ответ.
Число оконечных устройств (ОУ) - n до 31.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МУЛЬТИПЛЕКСНОГО КАНАЛА:
код
Манчестер-2
длина канала (L) до 600м
длина отводящих шлейфов
до 6м
скорость передачи информации 1 Мбит/с
вероятность необнаруживаемой ошибки
10-12 на бит
В мультиплексных каналах (МК) используются два основных способа подключения абонентов к ЛПИ:
с одинарной (а) и с двойной (б) трансформаторной развязкой. Первый способ используется при длине шлейфов до 30см, второй позволяет уменьшить
влияние шлейфа на шину, обеспечивает большее напряжение изоляции и рекомендуется при длине шлейфа до 6м.
Длительное использование канала в бортовой технике (самолеты, спутники, корабли) и промышленности подтверждает его преимущества над другими
каналами связи в случаях, когда требуется сочетание высокой скорости и надежности обмена информацией.
31

32. Стандарт SpaceWire

СТАНДАРТ SPACEWIRE
Обобщенная структура сети SpaceWire
Узел SpaceWire
Разъем D-типа
32

33. Spacewire в составе БКУ КА mercury planetary observer

SPACEWIRE В СОСТАВЕ БКУ КА MERCURY
PLANETARY OBSERVER
33

34. Устройства ввода-вывода дискретных сигналов (Блоки силовой автоматики)

УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА
ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
(БЛОКИ СИЛОВОЙ АВТОМАТИКИ)
<- Выходной каскад управления пиропатронами
Фрагмент тракта выдачи разовой команды ->
34

35. Устройства ввода: АЦП

УСТРОЙСТВА ВВОДА: АЦП
ГИ – генератор имрульсов
ДЧ- делитель частоты
ГПН – генератор пилообразного напряжения
В- вентиль
Т – триггер
К – ключ
СЧ - счетчик
35

36. Характеристики АЦП

ХАРАКТЕРИСТИКИ АЦП
Wацп=z-1
Tц, N
36

37. Преобразователи угол-код

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УГОЛ-КОД
37

38. Устройства вывода - Преобразователи код-напряжение

УСТРОЙСТВА ВЫВОДА - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
КОД-НАПРЯЖЕНИЕ
«Лестничная» схема преобразования параллельного кода в напряжение
38

39. Программное обеспечение

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Служебное ПО
Функциональное ПО
39

40. Некоторые принципы разработки ПО

НЕКОТОРЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПО
Модульность
Иерархичность
Системность
Формализация требований
Унификация архитектуры
Стандартизация принципов разработки
40

41. V-модель разработки ПО

V-МОДЕЛЬ РАЗРАБОТКИ ПО
41

42. Объем БПО проектов NASA

ОБЪЕМ БПО ПРОЕКТОВ NASA
Growth in Code Size for Manned and Unmanned Missions
10000000
unmanned
manned
1000000
KNCSL (log scale)
Expon. (unmanned)
100000
Expon. (manned)
1969 Mariner-6 (30)
1975 Viking (5K)
1977 Voyager (3K)
1989 Galileo (8K)
1990 Cassini (120K)
1997 Pathfinder (175K)
1999 DS1 (349K)
2003 SIRTF/Spitzer (554K)
2004 MER (555K)
2005 MRO (545K)
10000
1000
100
10
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
1978
1976
1974
1972
1970
1968
1
1968 Apollo (8.5K)
1980 Shuttle(470K)
1989 ISS (1.5M)
Year of Mission
NCSL = Non-Comment Source Lines
42

43. Роль БПО в боевых самолетах

РОЛЬ БПО В БОЕВЫХ САМОЛЕТАХ
Percent of Functionality Provided
by Software
Software in Military Aircraft
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1960
(F-4)
1964
(A-7)
1970
(F111)
1975 1982
(F-15) (F-16)
1990
(B-2)
2000
(F-22)
Year of Introduction
43

44. Объем БПО разных изделий

ОБЪЕМ БПО РАЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ
System
Lines of Code
Language
Mars Reconnaissance Orbiter
545K
C
F-22 Raptor
2.5M
Ada (90%)
Seawolf Submarine Combat
System AN/BSY-2
3.6M
Ada
Boeing 777
4M
Ada
Boeing 787
7M
Ada (largely)
F-35 Joint Strike Fighter
19M
C and C++
Typical GM car in 2010
100M
MISRA-C for critical
systems
44

45. Зарубежная Классификация ПО

ЗАРУБЕЖНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПО
45

46.

46

47. Операционные системы реального времени

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Сертификация
Доступность исходного кода
мультизадачность
Время реакции на события
Время перезагрузки
Наличие драйверов устройств
Размер
Система приоритетов и диспетчеризации
Механизм межзадачного взаимодействия
Средства для работы с таймером
Обработка исключительных ситуаций
Управление ресурсами процессора
47

48. Сравнительные характеристики времени отклика для различных ОС

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВРЕМЕНИ ОТКЛИКА
ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОС
Время реакции Операционная система
менее 10мкс
Только ОСРВ; Это граница выбора между схемным и программным
решением
10-100 мкс
Операционные системы реального времени Vx Works, OS9, pSOS,
LynxOS, QNX, VRTX и др.
0,1-1 мс
ОСРВ, RTAI, RT Linux, расширения для реального времени для
Windows NT, Windows CE
1 мс
Можно пытаться что-то делать с Linux и Windows NT,
но не для систем, где запаздывание отклика может привести
к тяжким последствиям
48