RU2775510C1 - Method for operation of an adaptive system for controlling the process of guidance of complex objects and apparatus for implementation thereof - Google Patents
Method for operation of an adaptive system for controlling the process of guidance of complex objects and apparatus for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775510C1 RU2775510C1 RU2021115912A RU2021115912A RU2775510C1 RU 2775510 C1 RU2775510 C1 RU 2775510C1 RU 2021115912 A RU2021115912 A RU 2021115912A RU 2021115912 A RU2021115912 A RU 2021115912A RU 2775510 C1 RU2775510 C1 RU 2775510C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- block
- output
- controller
- reference model
- Prior art date
Links
- 230000003044 adaptive Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 title abstract description 3
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims abstract description 10
- 230000001537 neural Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 35
- 230000004301 light adaptation Effects 0.000 description 11
- 230000004044 response Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 description 2
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000009114 investigational therapy Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000000306 recurrent Effects 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области технических средств для управления процессом наведения сложных объектов, таких как управляемые авиационные средства поражения и беспилотные летательные аппараты в режиме автономного полета (далее - объект управления (ОУ)).The invention relates to the field of technical means for controlling the process of targeting complex objects, such as guided aircraft weapons and unmanned aerial vehicles in autonomous flight mode (hereinafter referred to as the control object (OC)).
Наиболее популярной ветвью теории управления является теория адаптивного управления. Достижения при применении систем технического зрения, а именно искусственных нейронных сетей (ИНС) делают возможным синтез адаптивной системы управления сложных объектов.The most popular branch of control theory is the theory of adaptive control. Achievements in the application of vision systems, namely artificial neural networks (ANNs), make it possible to synthesize an adaptive control system for complex objects.
Известна адаптивная система управления с двухэтапным идентификатором и неявной эталонной моделью, предназначенная для формирования такого закона управления (ЗУ), чтобы ОУ вел себя подобно эталонной модели (ЭМ) [см., патент RU 2258951, С1, МПК G05B 13/04, опубл. 20.08.2005 г.].An adaptive control system with a two-stage identifier and an implicit reference model is known, designed to generate such a control law (CL) so that the CO behaves like a reference model (EM) [see, patent RU 2258951, C1, IPC G05B 13/04, publ. 20.08.2005].
Недостатки данной адаптивной системы заключаются в том, что отсутствуют:The disadvantages of this adaptive system are that there are no:
- блок ЭМ;- EM block;
- блок третьего регулятора, в котором ошибка адаптации сводится к минимуму;- block of the third regulator, in which the adaptation error is minimized;
- ИНС для распознавания образов наземных целей.- INS for pattern recognition of ground targets.
Технический результат изобретения заключается в сокращении объемов управляющей информации и повышения устойчивости системы управления при распознавании образов наземных целей.The technical result of the invention is to reduce the amount of control information and increase the stability of the control system when recognizing images of ground targets.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной адаптивной системе управления ракеты с двухэтапным идентификатором и неявной эталонной моделью, представленной на фиг. 1, состоящей из сумматора 1, второго 2 и первого 3 регуляторов, фильтра низких частот 4, блока настройки регуляторов 10; блока первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров 8, блока второго этапа текущей идентификации 9, а также блок, который содержит сумматор 1, первый и второй вход которого подключен к задающему воздействию, а выход - к первому входу первого регулятора 3, выход которого подключен к входу фильтра низких частот 4, выход которого подключен к входу блока эталонной модели 5, объекта управления 7 и третьего регулятора 6, к первому входу блока 8 первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров и к первому входу блока 9 второго этапа текущей идентификации. Четвертый выход блока объекта управления 7 подключен ко второму входу блока первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров 8 и к третьему входу блока второго этапа текущей идентификации 9, второй выход которого подключен ко второму входу блока настройки регуляторов 10, первый выход которого подключен к пятому входу первого регулятора 3, а второй выход к четвертому входу второго регулятора 2, выход которого подключен ко второму входу сумматора 1, согласно изобретения дополнительно введены последовательно соединенные блоки эталонной модели 5 и третьего регулятора 6. Первый вход эталонной модели 5 и третий вход третьего регулятора 6 подключен к воздействию от сигнала первого регулятора 3, а первый выход третьего регулятора 6 подключен к объекту управления 7, выход которого подключен ко второму входу блока первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров 8, к третьему входу блока второго этапа текущей идентификации 9 и ко второму входу третьего регулятора 6. В состав эталонной модели 5 входит ИНС, вход которой имеет признак той или иной цели, а выход ИНС - класс к которому принадлежит цель. Выход эталонной модели связан с выходом объекта управления 7 и через сумматор подключен с первым входом третьего регулятора 6. Второй выход третьего регулятора 6 подключен к третьему входу второго регулятора 2.The specified technical result is achieved by the fact that in the known adaptive missile control system with a two-stage identifier and an implicit reference model shown in Fig. 1, consisting of an
Сущность изобретения заключается в том, что введены блоки эталонной модели 5, третьего регулятора 6 и искусственной нейронной сети, входящей в состав эталонной модели 5. Первый вход эталонной модели 5 и третий вход третьего регулятора 6 подключен к воздействию от сигнала первого регулятора 3, а первый выход третьего регулятора 6 подключен к объекту управления 7, выход которого подключен ко второму входу блока первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров 8, к третьему входу блока второго этапа текущей идентификации 9 и ко второму входу третьего регулятора 6. В состав эталонной модели 5 входит ИНС, вход которой имеет признак той или иной цели, а выход ИНС - класс к которому принадлежит цель. Выход эталонной модели 5 связан с выходом объекта управления 7 и через сумматор подключен с первым входом третьего регулятора 6. Второй выход третьего регулятора 6 подключен к третьему входу второго регулятора 2.The essence of the invention lies in the fact that the blocks of the
Рассмотрим построение такой системы управления. Пусть ОУ на текущем интервале времени t∈[t0, ∞] описывается следующим матричным дифференциальным уравнением [1]:Consider the construction of such a control system. Let the CO on the current time interval t∈[t 0 , ∞] be described by the following matrix differential equation [1]:
где x∈Rn - непосредственно измеряемый вектор состояния ОУ; u∈Rn - вектор управления (закон управления); ƒ - вектор неконтролируемых внешних возмущений, ограниченный по норме; А, В - матрицы неизвестных параметров ОУ (матрицы собственной управления объекта) с соответствующими размерностями, в общем случае переменные по времени и по состоянию; - непосредственно измеряется и эффективности динамики или аналитически вычисляется по x(t).where x∈R n is the directly measured CO state vector; u∈R n - control vector (control law); ƒ - vector of uncontrolled external perturbations, limited in norm; A, B - matrices of unknown parameters of the CO (matrices of the object's own control) with the corresponding dimensions, in the general case, variables in time and state; - directly measured and the efficiency of the dynamics or analytically calculated from x(t).
Адаптивная система должна формировать такой закон управления; чтобы ОУ вел себя подобно эталонной модели (ЭМ), которая задана в виде следующего дифференциального уравнения:An adaptive system must form such a control law; so that the DT behaves like a reference model (EM), which is given in the form of the following differential equation:
где xм - вектор состояния модели; uм - ограниченное по норме входное воздействие модели (размерности соответствуют уравнению (1)); Ам, Вм - матрицы параметров модели в общем случае переменные по времени, причем оператор Ам - асимптотически устойчивый.where x m is the state vector of the model; u m - norm-limited input action of the model (dimensions correspond to equation (1)); A m , B m - matrix parameters of the model in the general case, variable in time, and the operator A m - asymptotically stable.
О качестве адаптивной системы управления будем судить по векторной величине е=x-хм, которую назовем ошибкой адаптации. Точное слежение ОУ за ЭМ можно обеспечить только тогда, когда выполнено условие полного соответствия моделей [2]:The quality of the adaptive control system will be judged by the vector value e=x-x m , which we will call the adaptation error. Accurate tracking of the op amp for the EM can be ensured only when the condition of full compliance of the models [2] is met:
rankB=rank(B,Аm-А)=rank(В, Вm)=rank (B, ƒ), или, что тождественно,rankB=rank(B,А m -А)=rank(В, В m )=rank (B, ƒ), or, which is identical,
где В - псевдообратная матрица к В [1, 3]. При выполнении условия (3) управление, которое назовем точным:where B is a pseudo-inverse matrix to B [1, 3]. When condition (3) is satisfied, the control, which we call exact:
обеспечит асимптотические свойства ошибки адаптации, что следует из совместного рассмотрения равенств (1) и (2) [1]. По условию матрицы А, В и внешние возмущения ƒ не измеряются, поэтому вместо (4) реальный закон управления будет в виде:will provide asymptotic properties of the adaptation error, which follows from the joint consideration of equalities (1) and (2) [1]. According to the condition of the matrix A, B and external disturbances ƒ are not measured, therefore, instead of (4), the real control law will be in the form:
где - оценки матриц, доставляемые блоком текущей идентификации.where - matrix estimates delivered by the current identification block.
В качестве алгоритма текущей идентификации используется рекуррентный алгоритм типа стохастической аппроксимации, который описывается следующим образом [4]:As a current identification algorithm, a recurrent algorithm of the stochastic approximation type is used, which is described as follows [4]:
где - оценка матрицы С, С=[А, В] - блочная матрица неизвестных параметров; i - номер дискретного момента времени с шагом Δt; - невязка, называемая в дальнейшем ошибкой идентификации; - расширенный вектор состояния ОУ (совокупность в общем случае переменных, участвующих в идентификации); Гi - переменная положительно определенная квадратная матрица размерностью (n+m) или положительный скаляр.where - evaluation of the matrix C, C=[A, B] - block matrix of unknown parameters; i is the number of a discrete moment of time with a step Δt; - discrepancy, hereinafter referred to as the identification error; - extended state vector of the CO (generally a set of variables involved in the identification); Г i is a variable positive-definite square matrix of dimension (n+m) or a positive scalar.
Предположим, что следующие нормы векторов и матриц ограничены: - это справедливо для подавляющего большинства практических задач. Тогда можно показать, что при достаточно большой норме матрицы Г с течением времени ε→0, причем без каких-либо дополнительных условий. Напротив, оценки параметров для сходимости к истинным значениям требует соблюдения целого ряда условий, в том числе отсутствия неконтролируемых внешних возмущений [4].Assume that the following norms of vectors and matrices are bounded: - this is true for the vast majority of practical problems. Then it can be shown that for a sufficiently large norm of the matrix Г over time ε→0, and without any additional conditions. On the contrary, estimation of parameters for convergence to true values requires compliance with a number of conditions, including the absence of uncontrolled external perturbations [4].
В работах [1, 5] показано, что при выполнении условий:In works [1, 5] it is shown that under the following conditions:
илиor
уравнение ошибки адаптации замкнутой системе динамики использованием ЗУ (5) имеет вид:the equation for the adaptation error of a closed-loop dynamic system using memory (5) has the form:
где K - коэффициент корреляции.where K is the correlation coefficient.
Левая часть дифференциального уравнения (9) устойчивая, поэтому, при ε>0, обеспечивается достижение цели адаптации: |ε|→0.The left side of the differential equation (9) is stable, therefore, when ε>0, the goal of adaptation is achieved: |ε|→0.
Для соблюдения условий (7) или (8) предлагается внести структурную схему системы управления блок априорной информации о матрице эффективности управления объекта, который выдает в блок текущей идентификации информацию о матрице В0, с размерностью n×m.. Эта матрица учитывает априорную информацию о матрице эффективности управления в виде соблюдения равенства [1]:To meet the conditions (7) or (8), it is proposed to introduce a block diagram of the control system with a block of a priori information about the matrix of the management efficiency of the object, which gives information about the matrix B 0 to the block of current identification, with a dimension of n × m .. This matrix takes into account a priori information about management efficiency matrix in the form of equality [1]:
В блоке текущей идентификации матрица В0 используется для коррекции матрицы чтобы скорректированная оценка удовлетворяла условиям (7), (8).In the current identification block, matrix B 0 is used to correct the matrix so that the adjusted estimate satisfies conditions (7), (8).
Однако, предполагается наличие априорной информации о матрице эффективности управления, что не всегда имеет место. Например, на этапе управления ракеты на высокоманевренную цель при больших углах атаки, когда эффективность управления значительно изменяется, причем по сложной неоднозначной зависимости. Задачей данного изобретения является устранение данного недостатка. Для ее решения предлагается использовать фильтрацию сигналов, а процесс идентификации разбить на два этапа:However, it is assumed that there is a priori information about the management performance matrix, which is not always the case. For example, at the stage of missile control on a highly maneuverable target at high angles of attack, when the control efficiency changes significantly, moreover, according to a complex ambiguous dependence. The objective of this invention is to eliminate this disadvantage. To solve it, it is proposed to use signal filtering, and the identification process is divided into two stages:
1. Определение оценок матрицы эффективности управления Для формирования этого этапа целесообразно в структурной схеме системы выделить отдельным блоком процедуру оценивания матрицы эффективности управления. В состав системы также включить блок полосовых частотных фильтров.1. Determining the estimates of the management performance matrix To form this stage, it is advisable to single out the procedure for evaluating the management efficiency matrix in the structural diagram of the system as a separate block. The system also includes a block of band-pass filters.
2. Получение оценки матрицы собственной динамики ОУ Этот этап целесообразно организовать в блоке текущей идентификации прототипа, который в дальнейшем будет называться блоком второго этапа текущей идентификации.2. Obtaining an estimate of the matrix of own dynamics of the CO It is advisable to organize this stage in the block of the current identification of the prototype, which will be referred to as the block of the second stage of the current identification.
Обоснуем необходимость предлагаемых изменений. Очевидно, блок априорной информации о матрице эффективности управления объекта не нужен, если обеспечить достаточную точность определения указанной матрицы: We justify the need for the proposed changes. Obviously, a block of a priori information about the matrix of the management efficiency of the object is not needed if the specified matrix is determined with sufficient accuracy:
В пределе и условия (7), (8) выполняются автоматически. При этом уравнение динамики ошибки адаптации будет иметь еще более простой, чем выражение (9), вид [5]:In the limit and conditions (7), (8) are satisfied automatically. In this case, the equation for the dynamics of the adaptation error will have an even simpler form than expression (9) [5]:
Повышению точности способствует следующее:Improved Accuracy contributes to the following:
1. В отличие от изменений компонент вектора состояния, информация о которых часто содержит значительные динамические, флуктуационные и постоянные ошибки, измерение компонент вектора управления обеспечивается с высокой точностью. Например, измерение углового положения управляющей поверхности ракеты с помощью датчика положения с дискретным выходом осуществляется с погрешностью не более угловой минуты [6].1. Unlike changes in the state vector components, information about which often contains significant dynamic, fluctuation and constant errors, the measurement of the control vector components is provided with high accuracy. For example, the measurement of the angular position of the control surface of a rocket using a position sensor with a discrete output is carried out with an error of no more than a minute of arc [6].
2. Для реальной технической системы управления частотный диапазон сигналов управления, как правило, существенно шире диапазона частот динамики ОУ. Последний представляет собой, чаще всего, низкочастотное звено.2. For a real technical control system, the frequency range of control signals, as a rule, is significantly wider than the frequency range of the OS dynamics. The latter is, most often, a low-frequency link.
3. Точность оцениваемых параметров зависит от их количества. Чем больше параметров содержит математическая модель ОУ (объект управления), тем труднее добиться высокой точности их оценивания и наоборот [5]. Если у ОУ (1) оценивать только элементы матрицы В, то количество оценок существенно сокращается и тем самым облегчаются условия их точного определения.3. The accuracy of the estimated parameters depends on their number. The more parameters the mathematical model of the CO (control object) contains, the more difficult it is to achieve high accuracy of their estimation and vice versa [5]. If the OU (1) evaluates only the elements of the matrix B, then the number of estimates is significantly reduced and thereby facilitates the conditions for their precise determination.
Для пояснения, сказанного рассмотрим одну из строк системы (1):To clarify what has been said, consider one of the lines of system (1):
где индекс k указывает номер строки уравнения (1). Отклик (термин регрессионного анализа) является реакцией на все сигналы в правой части уравнения (10). Для сокращения числа оцениваемых параметров необходимо выделить из сигнала отклика составляющую, являющуюся реакцией только на сигналы управления.where index k indicates the line number of equation (1). Response (regression analysis term) is the response to all signals on the right side of equation (10). To reduce the number of estimated parameters, it is necessary to isolate from the response signal a component that is a response only to control signals.
Для этого используем факт различия в спектрах рабочих частот ОУ (объект управления) и управляющих сигналов. Предлагается пропустить все переменные уравнения (10) через полосовой фильтр, с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), изображенной на фиг. 2, где обозначены: Α0 - АЧХ объект управления; Ау - спектр сигналов управления; Апф - АЧХ полосового фильтра. При обеспечении узости АЧХ фильтра 1, последний пропускает сигналы практически только с частотой ωпф, которую будем называть частотой выделения фильтра.To do this, we use the fact of differences in the operating frequency spectra of the OS (control object) and control signals. It is proposed to pass all the variables of equation (10) through a band-pass filter, with the frequency response (AFC) shown in Fig. 2, where are indicated: Α 0 - frequency response of the control object; And y is the spectrum of control signals; A pf is the frequency response of the bandpass filter. When ensuring the narrowness of the frequency response of
Обеспечить наиболее простую реализацию такого полосового фильтра можно по схеме, изображенной на фигуре 3а, где - передаточные функции колебательных звеньев с разными относительными коэффициентами затухания:The simplest implementation of such a bandpass filter can be provided according to the scheme shown in figure 3a, where - transfer functions of oscillatory links with different relative attenuation coefficients:
где p - оператор дифференцирования; ωпф - собственная частота полосового фильтра; ξ1, ξ2 - относительные коэффициенты затухания, такие, что ξ1→0, ξ2→0, ξ1<ξ2. Индекс «пф» обозначает соответствующие выходные сигналы полосового фильтра.where p is the differentiation operator; ω pf - natural frequency of the band-pass filter; ξ 1 , ξ 2 - relative attenuation coefficients, such that ξ 1 →0, ξ 2 →0, ξ 1 <ξ 2 . The index "pf" denotes the corresponding output signals of the bandpass filter.
АЧХ колебательных звеньев (Αф1, Αф2) и получаемого полосового фильтра (Апф) относительно u и изображены на фиг.3б.Frequency response of oscillatory links (Α f1 , Α f2 ) and the resulting bandpass filter (A pf ) relative to u and shown in Fig.3b.
Уравнение (10), записанное через выходные сигналы полосового фильтра, будет иметь вид:Equation (10), written through the output signals of the bandpass filter, will have the form:
где gk - помеха, объясняемая неполным подавлением сигналов собственной динамики объекта на полосовом фильтре и внешними возмущениями.where g k - interference, due to incomplete suppression of the signals of the object's own dynamics on the bandpass filter and external disturbances.
Как видим, количество оцениваемых параметров в уравнении (12) гораздо меньше, чем в модели (10).As you can see, the number of estimated parameters in equation (12) is much less than in model (10).
Настраиваемая модель для текущей идентификации соответственно будет иметь вид [5]:The custom model for the current identification will accordingly look like [5]:
Алгоритм первого этапа идентификации в соответствие с выражениями (6), (12) и (13) имеет вид:The algorithm of the first stage of identification in accordance with expressions (6), (12) and (13) has the form:
где - положительно определенная матрица.where is a positive definite matrix.
Естественным практическим требованием возможности использования рассматриваемого подхода адаптивного управления является требование к малости нормы помехи g на частоте выделения. Для ОУ со скалярным управлением алгоритм идентификации существенно упрощается, так как в этом случае вместо (12) будет:A natural practical requirement for the possibility of using the considered adaptive control approach is the requirement for the smallness of the noise norm g at the selection frequency. For an op amp with scalar control, the identification algorithm is greatly simplified, since in this case, instead of (12), it will be:
Отсюда следует, что д ля повышения точности требуется, чтобы при uпф≠0 выполнялось gk→0, то есть, чтобы отношение |uпф/gk| достаточно большим.Hence it follows that in order to improve the accuracy it is required that for u pf ≠0 g k →0 be satisfied, that is, that the ratio |u pf /g k | large enough.
Последнее можно использовать в системе следующим образом: вычислять по предложенному подходу оценки не постоянно, а только в случаях, когда норма вектора и превышает экспериментально заданное пороговое значение.The latter can be used in the system in the following way: it is not always calculated according to the proposed approach, but only in cases where the norm of the vector and exceeds the experimentally specified threshold value.
Второй этап идентификации основывается на оценке доставленной первым этапом, и предназначен для определения оценки Она может определяться в соответствии с алгоритмом (6) по зависимости:The second stage of identification is based on the assessment delivered by the first stage, and is intended to determine the assessment It can be determined in accordance with the algorithm (6) according to the dependence:
где - положительно определенная матрица.where is a positive definite matrix.
Поскольку по условию x не измеряется, предложим второй этап идентификации строить по указанным зависимостям, но на фильтрованных сигналах:Since x is not measured by the condition, we propose to build the second stage of identification according to the indicated dependencies, but on filtered signals:
где - выходной векторный фильтра реального - сигнал дифференцирующего звена с передаточной функцией (р/(τρ+1)), когда на его вход подается хi; - выходные векторные сигналы фильтра- апериодического звена с передаточной функцией (1/(τр+1)), когда на его вход подаются ui·и xi; τ - постоянная времени фильтров, выбирается достаточно малой, чтобы выполнялись соотношения:where - the output vector filter of the real - the signal of the differentiating link with the transfer function (р/(τ ρ +1)), when x i is applied to its input; - output vector signals of the filter - aperiodic link with the transfer function (1/(τ p +1)), when u i ·and x i are fed to its input; τ is the time constant of the filters, is chosen small enough to satisfy the following relations:
где а и b - произвольные элементы матриц А, В.where a and b are arbitrary elements of the matrices A, B.
При выполнении последних соотношений несложно показать, что уравнению (1) соответствует следующая запись:When the last relations are satisfied, it is easy to show that equation (1) corresponds to the following notation:
указывающая на возможность построения идентификации на указанных фильтрованных сигналах.indicating the possibility of building identification on the specified filtered signals.
Так как процесс идентификации проходит в два этапа, то необходимо блок текущей идентификации разделить на два блока: блок первого этапа, где будет производиться оценивание матрицы эффективности управления объекта; блок второго этапа для оценки матрицы собственной динамики ОУ.Since the identification process takes place in two stages, it is necessary to divide the current identification block into two blocks: the block of the first stage, where the evaluation of the management efficiency matrix of the object will be carried out; block of the second stage for evaluation of the matrix of own dynamics of the OS.
В состав блока первого этапа идентификации входит логическое устройство, запускающее алгоритм идентификации этого этапа только при превышении нормой вектора uпф заданного порового значения. Также в состав системы вносится блок полосовых фильтров на основе звеньев (11), предназначенный для высокочастотного полосового выделения сигналов управления и производной вектора состояния ОУ.The block of the first stage of identification includes a logical device that starts the identification algorithm of this stage only when the norm of the vector u pf exceeds a predetermined threshold value. Also, a block of bandpass filters based on links (11) is introduced into the system, designed for high-frequency bandpass selection of control signals and the derivative of the OS state vector.
Так как при такой реализации процесса идентификации выполняются условия для оценивания матрицы эффективности управления с высокой точностью, то блок априорной информации о матрице эффективности управления объекта становится не нужным и из адаптивной системы он исключается. Не требуется также процедура коррекции оценки Since with such an implementation of the identification process, the conditions for estimating the control efficiency matrix with high accuracy are met, the block of a priori information about the control efficiency matrix of the object becomes unnecessary and is excluded from the adaptive system. No correction procedure is required either.
Построена средствами Simulink (Matlab) адаптивная система управления с эталонной моделью для непрерывного объекта, алгоритм работы которого описывается выражением (закон управления):An adaptive control system was built using Simulink (Matlab) with a reference model for a continuous plant, the operation algorithm of which is described by the expression (control law):
Структурная схема адаптивной системы приведена на фиг. 4. Структурная схема адаптивной системы наведения ракеты содержит сумматор 1, второй 2 и первый 3 регуляторы (см. фиг. 5); фильтр низких частот 4, его параметры (см. фиг. 6); объект управления 5, третий регулятор 6, эталонная модель 7 (см. фиг. 10); первый этап текущей идентификации и полосовых фильтров 8 (см. фиг. 9); второй этап текущей идентификации 9 (см. фиг. 8); блок настройки регуляторов 10 (см. фиг. 7).The block diagram of the adaptive system is shown in Fig. 4. Structural diagram of the adaptive missile guidance system contains the
Блок эталонной модели содержит искусственную нейронную сеть для распознавания образов наземных целей (jeep, tank). Выход ИНС связан со входом эталонной модели (см. фиг. 11). ИНС состоит из двух слоев (см. фиг. 12), где первый и второй слой показаны на фиг. 13 и 14.The reference model block contains an artificial neural network for pattern recognition of ground targets (jeep, tank). The output of the ANN is connected to the input of the reference model (see Fig. 11). The INS consists of two layers (see Fig. 12), where the first and second layers are shown in Figs. 13 and 14.
Первый слой заключается в соединении входного и скрытого слоя (см. фиг. 15), а второй слой - скрытого и выходного слоя (см. фиг. 16).The first layer consists in connecting the input and hidden layers (see Fig. 15), and the second layer - hidden and output layers (see Fig. 16).
Адаптивная система работает следующим образом. Задающее воздействие в виде сигнала (BMuM)i подается на первый и второй вход сумматора блока 1. На третий вход блока 1 второго регулятора поступают сигналы xi с третьего выхода блока 5 и сигнал со второго выхода блока 2 на четвертый вход блока 1 второго регулятора. С первого выхода блока 2 поступает псевдообратная матрица (В+) на пятый вход блока 1 первого регулятора, в результате этого блок 1 формирует закон управления (17).The adaptive system works as follows. The master action in the form of a signal (B M u M ) i is applied to the first and second inputs of the adder of
Выход блока 1 связан с входом фильтра низких частот, настроенного на отсечение высоких частот. Выход фильтра связан со входом блока 5, а также с первым входом блока 3 второго этапа текущей идентификации и с первым входом блока 4 первого текущей идентификации и полосовых фильтров.The output of
Сигнал управления поступает в блок 5 эталонной модели и объекта управления. С четвертого выхода блока 5 снимается информация об измеренном значении вектора состояния поступающая на третий вход блока 3 второго этапа текущей идентификации и на второй вход блока 4 первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров.Control signal enters
Полосовые фильтры имеют структуру (см. фиг. 8) и основаны на звеньях с передаточными функциями (11). Они выделяют из сигналов управления и производной составляющие в узком диапазоне частот около частоты выделения каждого фильтра (ωпф), формируя сигналы Частота ωпф выбирается заранее по исходной априорной информации для удовлетворения соотношений АЧХ собственной динамики объекта и спектра управляющих сигналов (см. фиг. 2). В этом блоке вычисляется оценка матрицы эффективности управления В.Bandpass filters have a structure (see Fig. 8) and are based on links with transfer functions (11). They extract from control signals and derivative components in a narrow frequency range around the selection frequency of each filter (ω pf ), forming signals The frequency ω pf is selected in advance according to the initial a priori information to satisfy the ratios of the frequency response of the object's own dynamics and the spectrum of control signals (see Fig. 2). In this block, the estimate of the control efficiency matrix B is calculated.
С выхода блока 4 первого этапа текущей идентификации и полосовых фильтров сигнал В поступает на второй вход блока 3 второго этапа текущей идентификации. В этом блоке вычисляется оценка матрицы А. Первый и второй выход блока 3 связан с первым и вторым выходом блока 2 настройки регуляторов, в котором вычисляется псевдообратная матрица В+и From the output of
С первого выхода блока 2 псевдообратная матрица В+ поступает на пятый вход блока 1 первого регулятора и на четвертый вход блока 1 второго регулятора.From the first output of
Блок искусственной нейронной сети (ИНС). Вектор признаков извлекает с помощью алгоритма SURF для пока неизвестного объекта и поступает на вход искусственной нейронной сети, до момента пока объект не будет распознан [7]. Используя выходной вектор объект можно классифицировать по классу, к которому он принадлежит (jeep или tank) (см. фиг. 17) и этот сигнал подается на вход эталонной модели. С выхода эталонной модели сигнал (xм) отправляется на сумматор, вычитающий из этого сигнала - сигнал (xi) вектора состояния объекта управления, формируя сигнал адаптивной ошибки (ε) (см. фиг. 9), который подается на первый вход третьего регулятора (см. фиг. 18). В этом блоке формируется сигнал uОУ объекта управления [8]:Block of artificial neural network (ANN). Feature vector extracts using the SURF algorithm for a yet unknown object and enters the input of an artificial neural network until the object is recognized [7]. Using the output vector the object can be classified according to the class to which it belongs (jeep or tank) (see Fig. 17) and this signal is applied to the input of the reference model. From the output of the reference model, the signal (x m ) is sent to the adder, which subtracts from this signal the signal (x i ) of the state vector of the control object, forming an adaptive error signal (ε) (see Fig. 9), which is fed to the first input of the third controller (see Fig. 18). In this block, the signal u OC of the control object is formed [8]:
где λ - положительная постоянная, которая определяет желаемые динамические свойства замкнутой системы; ξ - настраиваемый параметр регулятора, генерируемый алгоритмом адаптации из условия минимизации ошибки слежения ε; γ - коэффициент, определяющий скорость настройки параметра ξ и носит название коэффициента адаптации.where λ is a positive constant that determines the desired dynamic properties of the closed system; ξ - adjustable controller parameter generated by the adaptation algorithm from the condition of minimizing the tracking error ε; γ is the coefficient that determines the speed of setting the parameter ξ and is called the adaptation coefficient.
Исходя из анализа (см. фиг. 19, 20) делаем вывод о том, что при значении коэффициента адаптации (γ=25) траектория объекта управления за минимальное короткое время (t=5 с.) совпадает с линией эталонной модели. Это говорит о положительной динамике ОУ в условиях сложной фоноцелевой обстановки в районе наблюдаемой наземной цели.Based on the analysis (see Fig. 19, 20), we conclude that with the value of the adaptation coefficient (γ=25), the trajectory of the control object in the minimum short time (t=5 s.) coincides with the line of the reference model. This indicates the positive dynamics of the OS in the conditions of a complex background-target situation in the area of the observed ground target.
Исследуя принцип статичности, который заключается в отказе от априорной информации о динамике изменения ОУ в процессе наведения, приводит, например, к тому, что в существующих алгоритмах закладывается единственная гипотеза о характере движения цели, которая объединяет все возможные маневры цели. Хотя такая модель маневра и носит, в общем случае, статистический характер, она не учитывает основного тактического принципа противодействия - внезапности и быстроты изменения ситуации.Exploring the static principle, which consists in the rejection of a priori information about the dynamics of change in the CO during the guidance process, leads, for example, to the fact that existing algorithms contain a single hypothesis about the nature of the target’s movement, which combines all possible target maneuvers. Although such a model of maneuver is, in the general case, of a statistical nature, it does not take into account the main tactical principle of countermeasures - the suddenness and speed of a change in the situation.
Выполнение этого принципа в алгоритмах распознавания цели приводит к тому, что правилом выбора решения оказывается критерий Неймана-Пирсона. В соответствии с этим критерием, априорная информация о вероятностях гипотез вообще не используется. Это существенно снижает возможности распознавания в условиях противодействия.The implementation of this principle in target recognition algorithms leads to the fact that the Neyman-Pearson criterion turns out to be the rule for choosing a solution. According to this criterion, a priori information about the probabilities of hypotheses is not used at all. This significantly reduces the possibility of recognition in the face of opposition.
В адаптивной системе управления априорная информация о динамических свойствах фильтруемого процесса служит для сглаживания измерений, искаженных помехами. В случае, если полезный сигнал подавлен помехой, то эта априорная информация является основанием для получения прогнозируемых оценок. Если время перерыва информации лежит в допустимых пределах, то адаптивная система сохраняет работоспособность.In an adaptive control system, a priori information about the dynamic properties of the filtered process serves to smooth measurements distorted by noise. If the useful signal is suppressed by interference, then this a priori information is the basis for obtaining predictable estimates. If the information interruption time is within acceptable limits, then the adaptive system remains operational.
Распознавание в некотором смысле аналогично оцениванию. В случае резкого внезапного изменения условий наведения вследствие противодействия противника априорная информация о динамических характеристиках может способствовать повышению вероятности распознавания.Recognition is in a sense analogous to evaluation. In the event of a sharp sudden change in guidance conditions due to enemy opposition, a priori information about dynamic characteristics can help increase the recognition probability.
Используя априорно-прогнозируемую матрицу A=АМ-1, устраняем недостаток - невысокий уровень адаптации алгоритмов наведения (ошибка адаптации сводится к минимуму) в условиях априорной неопределенности к характеристикам динамики поведения ОУ и к медленно меняющимся параметрам противодействия противника (см. фиг. 21).Using the a priori predictable matrix A = A M -1, we eliminate the disadvantage - a low level of adaptation of guidance algorithms (adaptation error is minimized) under conditions of a priori uncertainty to the characteristics of the dynamics of the behavior of the OS and to slowly changing parameters of enemy counteraction (see Fig. 21) .
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления является эффективным средством управления процессом наведения сложной системы.The proposed method and device for its implementation is an effective tool for managing the guidance process of a complex system.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, применяемые в области оптико-электронных систем и электротехники.The proposed technical solution is industrially applicable, since elements used in the field of optoelectronic systems and electrical engineering can be used for its implementation.
Источники информации:Sources of information:
1. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-и тг.; 2-е изд., перераб. и доп. Т .5: Методы современной теории автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 784 с.1. Methods of classical and modern theory of automatic control: Textbook in 5 tg.; 2nd ed., revised. and additional T .5: Methods of modern theory of automatic control / Ed. K.A. Pupkova, N.D. Yegupova. M.: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2004. - 784 p.
2. Уткин В.Н. Скользящие режимы в задачах оптимизации управления. М.: Наука, 1981. - 364 с.2. Utkin V.N. Sliding modes in control optimization problems. M.: Nauka, 1981. - 364 p.
3. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988. - 576 с.3. Gantmakher F.R. Matrix theory. M.: Nauka, 1988. - 576 p.
4. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. М.: Наука, 1984. - 336 с.4. Tsypkin Ya.Z. Fundamentals of Information Theory of Identification. M.: Nauka, 1984. - 336 p.
5. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Перевод с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина. М: Наука, 1991. - 432 с.5. Ljung L. Identification of systems. Theory for the user: Translation from English. / Ed. Ya.Z. Tsypkin. M: Nauka, 1991. - 432 p.
6. Буков В.Н. Пилотажные и навигационные системы. Часть 2. Пилотажные системы. М.: ВВИА, 1986. - 383 с.6. Bukov V.N. Flight and navigation systems.
7. Ф.Х. Аль Сафтли, С.Т. Баланян. Исследование алгоритма по обнаружению особых точек на изображении и использование его в системах наведения ракет. Воздушно-космические силы, теория и практика. ISSN 2500 -4352. Рецензируемое электронное периодическое издание №15, сентябрь 2020 г. С. 193-208.7. F.Kh. Al Saftli, S.T. Balanyan. Investigation of an algorithm for detecting singular points in an image and its use in missile guidance systems. Aerospace forces, theory and practice. ISSN 2500-4352. Peer-reviewed electronic periodical #15, September 2020, pp. 193-208.
8. А.Ю. Ощепков. Системы автоматического управления: теория, применение, моделирование в MATLAB. Учебное пособие. СПб - Москва-Краснодар. 2018. - 208 с.8. A.Yu. Oshchepkov. Automatic control systems: theory, application, modeling in MATLAB. Tutorial. St. Petersburg - Moscow-Krasnodar. 2018. - 208 p.
9. Патент РФ на изобретение №2258951, С1, МПК G05B 13/04, опубликованный 20.08.2005 г.9. RF patent for the invention No. 2258951, C1, IPC G05B 13/04, published on August 20, 2005.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775510C1 true RU2775510C1 (en) | 2022-07-04 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020083027A1 (en) * | 1998-01-09 | 2002-06-27 | Biggers James E. | Neural network trajectory command controller |
US20040176860A1 (en) * | 2002-12-09 | 2004-09-09 | Guided Systems Technologies, Inc. | Adaptive output feedback apparatuses and methods capable of controlling a non-minimum phase system |
RU2295691C1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-03-20 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Method for rocket control and rocket guidance system for its realization |
US20070135939A1 (en) * | 2000-04-25 | 2007-06-14 | Georgia Tech Research Corporation | Adaptive control system having hedge unit and related apparatus and methods |
RU2481541C1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-05-10 | Михаил Витальевич Головань | Guided missile control method |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020083027A1 (en) * | 1998-01-09 | 2002-06-27 | Biggers James E. | Neural network trajectory command controller |
US20070135939A1 (en) * | 2000-04-25 | 2007-06-14 | Georgia Tech Research Corporation | Adaptive control system having hedge unit and related apparatus and methods |
US20040176860A1 (en) * | 2002-12-09 | 2004-09-09 | Guided Systems Technologies, Inc. | Adaptive output feedback apparatuses and methods capable of controlling a non-minimum phase system |
RU2295691C1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-03-20 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Method for rocket control and rocket guidance system for its realization |
RU2481541C1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-05-10 | Михаил Витальевич Головань | Guided missile control method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Palumbo et al. | Modern homing missile guidance theory and techniques | |
Pan et al. | Maneuver decision for cooperative close-range air combat based on state predicted influence diagram | |
CN107065897B (en) | Three-degree-of-freedom helicopter explicit model prediction control method | |
Jouaber et al. | Nnakf: A neural network adapted kalman filter for target tracking | |
RU2775510C1 (en) | Method for operation of an adaptive system for controlling the process of guidance of complex objects and apparatus for implementation thereof | |
CN111158386A (en) | Unmanned aerial vehicle attitude control system for interfering autonomous immunity and implementation method | |
Horton | Real-time identification of missile aerodynamics using a linearised Kalman filter aided by an artificial neural network | |
CN111174643B (en) | Aircraft interception method and system under condition of bait interference | |
Duan et al. | Event-based optimal guidance laws design for missile-target interception systems using fuzzy dynamic programming approach | |
Filgöz et al. | Applying novel adaptive activation function theory for launch acceptability region estimation with neural networks in constrained hardware environments: Performance comparison | |
Yueh et al. | Guidance performance analysis with in-flight radome error calibration | |
Shen et al. | Research on high-precision measurement systems of modern aircraft | |
Bahari et al. | High maneuvering target tracking using an input estimation technique associated with fuzzy forgetting factor | |
CN114565020A (en) | Aircraft sensor signal fusion method based on deep belief network and extended Kalman filtering | |
CN114020018A (en) | Missile control strategy determination method and device, storage medium and electronic equipment | |
Furtat et al. | Tracking control algorithms for plants with input time-delays based on state and disturbance predictors and sub-predictors | |
Speyer et al. | Adaptive noise estimation and guidance for homing missiles | |
CN112859918A (en) | Multi-agent multimode self-adaptive cooperative guidance law determination method and system | |
Eliseev et al. | Algorithm of linear discrete filtering with fuzzy modification of structure | |
Shao et al. | A novel recurrent convolutional neural network-based estimation method for switching guidance law | |
Panteleev et al. | Robust estimation of state vector coordinates in the controlled helicopter motion problem | |
Cao et al. | Radome slope estimation in flight using fuzzy adaptive multiple model for active homing missile | |
Yuqi et al. | Time-varying parameters estimation with adaptive neural network EKF for missile-dual control system | |
Van Bang | Synthesis of target angle tracking system combining kalman filter algorithm with fuzzy logic controller | |
RU2258951C1 (en) | Adaptive control system with two-stage identifier and indirect standard model |