Введение к работе
Актуальность проблемы. Важной проблемой теории и практики управления движением летательных аппаратов (ЛА), в том числе самолетов-амфибий (СА), является проблема проектирования автопилотов для различных режимов движения в условиях непредсказуемого воздействия окружающей природной среды. Для СА – это, в первую очередь, действие морского волнения. Современные сложные системы управления СА представляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные технологические функции и связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные системы являются нелинейными, многомерными и многосвязными, в которых протекают сложные переходные процессы и могут возникать критические и хаотические режимы. Проблемы системного синтеза являются весьма актуальными, трудными и практически недоступными для существующей теории управления.
Крупный вклад в решение этой проблемы сделан научной школой А.А. Красовского, в которой развиты методы аналитического конструирования автопилотов для разных классов летательных аппаратов на основе функционала обобщенной работы (ФОР). В работах В.Н. Букова показано эффективное применение метода ФОР с использованием прогнозирующей модели процесса управления. Развиваемые в последнее время различные методы и подходы к построению законов управления нелинейными объектами различных классов отражены в известных трудах И.В. Мирошника, В.О. Никифорова, А.Л. Фрадкова и др., где, в частности, предложены методы адаптивного управления пространственным движением. О все возрастающих требованиях к динамическим свойствам пространственного движения указанных объектов говорит, в частности, тот факт, что к современным и перспективным типам ЛА, в частности СА, в настоящее время предъявляются повышенные требования к управляемости, поскольку область применения таких аппаратов весьма широка и предполагает полет на режимах, близким к критическим. Поэтому актуальность и важность указанной проблемы не только не снижаются, но и нарастают, требуя привлечения новых подходов и методов теории синтеза систем управления.
Одной из характерных прикладных задач автоматического управления СА является задача синтеза систем управления взлетом и посадкой СА в условиях значительного волнения. В этой связи возникает задача структурной адаптации органов управления и систем механизации крыла СА к соответствующим режимам полета. Технические решения, обеспечивающие базирование и эксплуатацию самолета с водной поверхности, фактически определяют облик – его аэродинамическую схему. Поэтому ключевой в решении проблемы управления движением СА является задача синтеза таких законов управления органами механизации, которые бы минимизировали сопротивление среды, обеспечивая балансировку самолета при взлете и посадке.
Целью работы является разработка синергетического метода синтеза – аналитического конструирования законов взаимосвязанного управления продольным движением СА, учитывающих их естественные динамические свойства как нелинейных объектов механической природы при значительном влиянии морского волнения.
Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие основные задачи:
-
Исследования свойств нелинейной математической модели взаимодействия СА с внешней средой при продольном движении с целью постановки задачи синтеза законов взаимосвязанного управления взлетом в условиях значительного морского возмущения;
-
Разработки метода синергетического синтеза базовых законов взаимосвязанного управления продольным движением СА;
-
Разработка модифицированного метода синергетического синтеза законов управления, основанных на концепции учета свойств симметрии динамики свободного полета СА;
-
Разработки процедуры синтеза законов управления продольным движением СА с динамическими нелинейными наблюдателями состояния;
-
Разработки процедуры синтеза астатических законов управления взлетом СА с целью парирования воздействий со стороны внешней среды.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы динамики твердого тела, аэродинамики и гидродинамики, современной нелинейной динамики, синергетической теории управления, теории дифференциальных уравнений. Исследование динамических свойств синтезированных нелинейных систем управления движением СА осуществлялись в пакете прикладных программ Maple11, а также на имитационном пилотажно-навигационном комплексе ТАНТК им. Г.М. Бериева.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования полученных замкнутых систем управления движением СА.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем. Применение принципов и методов синергетической теории управления для синтеза систем управления продольным движением СА в условиях значительного морского волнения приведет к появлению систем управления СА нового поколения, характерными отличительными особенностями которых будут:
учет естественных нелинейных свойств и процессов взаимодействия СА и внешней среды;
адаптивность к изменению внутренних параметров и действию внешних возмущающих факторов со стороны технологической и природной среды;
асимптотическая устойчивость движения СА, эффективное противостояние экстремальным режимам их функционирования.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Нелинейная математическая модель взаимодействия СА с внешней средой при его продольном движении;
-
Метод синергетического синтеза базовых и модифицированных законов взаимосвязанного управления продольным движением СА на основе полученной нелинейной математической модели движения и концепции учета свойств динамики свободного движения;
-
Процедуры синергетического синтеза законов управления продольным движением СА с наблюдателями внешних возмущений (НВВ);
-
Процедура синергетического синтеза астатических гарантирующих регуляторов, обеспечивающих асимптотическую устойчивость движения в условиях значительного морского волнения.
Практическая ценность работы. Разработанный в диссертации метод аналитического конструирования законов управления движением СА может быть применен для разработки перспективных имитационных пилотажно-навигационных комплексов и послужить основой для улучшения летно-технических характеристик СА.
Реализация результатов. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение на Таганрогском авиационном научно-техническом комплексе (ТАНТК) им. Г.М. Бериева при разработке нового программно-моделирующего пилотажно-навигационного комплекса, а также в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета (ТТИ ЮФУ).
Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика (ССПС–2006), г. Пятигорск; VIII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2007», г. Ростов-на-Дону; 8ой международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (C&T*2007), г. Воронеж; 54ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ (НТК ППС); конференции «Инновационные технологии XXI века в информатике, управлении и образовании», г. Нальчик, 2008 г. Часть результатов исследований представлена в докладах, включенных в программы 5ой научной конференции «Управление и информационные технологии» (УИТ-2008) в рамках II Российской мультиконференции по проблемам управления, г. С-Петербург и международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон–2008».
Публикации: всего соискателем по теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 135 страницах, содержит 74 рисунка и 2 таблицы.
