Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор моделей и методов управления пространственным движением 13
1.1. Математическое описание ЛА как твердого тела 13
1.1.1. Системы координат 13
1.1.2. Математические модели движения ЛА 20
1.1.3. Область применения и назначение математических моделей движения ЛА 31
1.2. Проблема синтеза и методы аналитического конструирования регуляторов 32
1.3. Задачи и назначение систем управления летательными аппаратами. Технологические инварианты 47
1.4. Декомпозиция процессов управления 49
1.5. Постановка общей задачи синтеза законов взаимосвязанного управления пространственным движением 53
1.6. Выводы по главе 53
Глава 2. Прикладной метод синергетического синтеза законов управления ЛА 55
2.1. Метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов 55
2.2. Процедура синергетического синтеза законов векторного управления по базовой нелинейной модели пространственного движения ЛА 67
2.2.1. Анализ математической модели объекта управления 68
2.2.2. Синтез векторного регулятора 69
2.2.3. Моделирование замкнутой системы 75
2.3. Реализация иерархического управления 87
2.4. Моделирование работы синергетического регулятора при действии возмущений 91
2.4.1. Математическое описание ветровых возмущений 92
2.4.2. Исследование динамики системы при внезапном порыве ветра 93
2.4.3. Исследование динамики системы при действии ветрового возмущения в форме «вихревого кольца» 95
2.5. Учет ограничений на управляющие воздействия 100
2.6. Выводы по главе 103
Глава 3. Частные задачи управления и вопросы технической реализации сау ЛА 104
3.1. Задачи управления полетом ЛА 105
3.1.1. Стратегия управления пространственным движением 105
3.1.2. Управление движением ЛА в продольной вертикальной плоскости 106
3.1.2. Стратегии управления при посадке 108
3.2. Вопросы технической реализации системы автоматического управления летательными аппаратами 110
3.2.1. Микропроцессорное управление 110
3.2.2. Информационное обеспечение системы управления ЛА 113
3.3. Выводы по главе 122
Заключение 124
Литература 126
Приложения 136
- Проблема синтеза и методы аналитического конструирования регуляторов
- Метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов
- Исследование динамики системы при действии ветрового возмущения в форме «вихревого кольца»
- Управление движением ЛА в продольной вертикальной плоскости
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важной проблемой теории и практики управления пространственным движением твердого тела, в том числе воздушных, космических, подводных и наземных движущихся объектов, за последние 50 лет была и остается актуальной проблема синтеза векторных регуляторов - автопилотов в её различных постановках.
Крупный вклад в решение этой проблемы сделан научной школой А.А. Красовского, в которой развиты методы аналитического конструирования автопилотов для разных классов летательных аппаратов (ЛА) 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, 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 различных компоновок в настоящее время предъявляются повышенные требования к маневренности и управляемости, поскольку область применения таких аппаратов весьма широка и предполагает полет на режимах, близким к критическим, как, например, полет и маневрирование на сверхмалой высоте в условиях сложного рельефа местности, и т.д. Поэтому актуальность и важность указанной проблемы не только не снижаются, но и нарастают, требуя привлечения новых подходов и методов теории синтеза систем управления.
В настоящее время накоплен значительный мировой опыт в области проектирования и серийного производства средств автоматики и систем
5 управления пространственным движением ЛА и других подвижных объектов. К основным функциям таких систем следует отнести стабилизацию и поддержание заданных параметров полета, вывод ЛА в заданную точку пространства по желаемой траектории, а также в некоторой степени автоматизацию процессов взлета и посадки и т.п. Однако в этих существующих системах управления имеется ряд скрытых и, следовательно, принципиально неустранимых недостатков, что проявляется в существовании критических или «запретных областей» режимов работы. Причем эти качественно негативные свойства связаны вовсе не с техническим исполнением систем управления, уровень которого в современных системах достаточно высок. Причина заключается в линейной идеологии классической теории управления, которая положена конструкторами в основу проектирования систем управления такими существенно нелинейными и многосвязными техническими объектами, какими являются подвижные объекты (ЛА и др.).
Используемые на практике методы и подходы теории управления для синтеза автопилотов, как правило, опираются на линеаризованные математические модели ЛА, представленные в виде вход-выходных соотношений. Применение нелинейных (исходных) моделей движения ЛА до недавнего времени было затруднено из-за отсутствия практически применимых методов синтеза регуляторов, «работающих» с многомерными многосвязными нелинейными объектами. Имеющиеся методы синтеза нелинейных систем, представляют собой, как правило, громоздкие вычислительные процедуры, что затрудняет их приложение к объектам высокого порядка. Поэтому при синтезе законов управления нелинейная модель упрощалась с помощью процедур линеаризации, а также «отбрасыванием» некоторых нелинейных членов уравнений ввиду их малости, то есть, как считалось, ввиду их несущественного влияния. Очевидно, при этом часть динамических свойств ЛА, которые мог бы учитывать синтезируемый регулятор, неизбежно терялась. Последнее особенно проявляется в критических режимах работы ЛА, что, как следствие, ведет «к недоверию» к средствам автоматики при выполнении особенно сложных и экстремальных действий (например - автоматической посадки).
Следует отметить, что не для всех режимов полета «упущенные» нелинейности в математической модели (динамические свойства) оказывают существенное влияние. Например, при поддержании заданных параметров продольного движения, процессы, протекающие в системе «ЛА-автопилот» в режиме малых отклонений, можно, с физической точки зрения, условно назвать линейными и согласится с адекватностью линеаризованной модели.
Однако очевидно, что обязательно будут существовать режимы полета (в частности экстремальные), когда синтезированный «линейный» регулятор не сможет обеспечить желаемого функционирования системы управления. В особых режимах полета, таких как взлет, посадка, полет и маневрирование на сверхмалой высоте в условиях сложного рельефа местности, а также при автоматическом полете на основе заданной программы, актуально наличие автопилота, учитывающего как можно точнее свойства объекта управления -летательного аппарата. Решением этой проблемы является синтез законов управления автопилота на основе полной нелинейной математической модели движения, как наиболее точно отражающей динамику ЛА с физической точки зрения.
Новым подходом к решению задач управления такой нелинейной динамической системой является применение идей синергетики - новой интегральной науки, изучающей процессы самоорганизации и коллективного, когерентного поведения в нелинейных динамических системах различной природы, а также методы синергетической концепции управления, предложенной в работах [1, 37, 38] и базирующейся на принципах целевой (направленной) самоорганизации. При синергетическом управлении происходит переход от непредсказуемого поведения по алгоритму диссипативной структуры к направленному движению вдоль желаемых инвариантов - аттракторов (си-
7 нергий), к которым подстраиваются все остальные переменные системы и на которых наилучшим образом согласуются естественные свойства управляемых процессов и требования задачи управления. Суть синергетической концепции управления заключается в формировании в фазовом пространстве управляемых объектов искусственных аттракторов, на которые неизбежно попадают все фазовые траектории замкнутой системы «объект-регулятор». Другими словами, за счет соответствующего управления изменяется топология фазового пространства управляемого объекта. В рамках синергетической теории управления разработаны принципиально новые методы синтеза автоматических регуляторов, которые получили широкое развитие и международное признание. Данные методы позволяют получать алгоритмы управления (непрерывного, дискретного, адаптивного, терминального, селективно-инвариантного и др.) для нелинейных, многомерных и многосвязных динамических систем различной природы [1, 36, 37].
Для синтеза алгоритмов управления систем управления летательными аппаратами в работе предлагается использовать метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), основанный на принципах синергетической теории управления. В рамках этого метода возможна работа с полной нелинейной моделью движения ЛА. Анализ движения объекта можно проводить с учетом всех координат системы, то есть, в отличие от традиционного подхода - конструирования отдельного стабилизирующего управления для каждого канала (контура) регулирования, в этом подходе используется совместное (координированное) управление по всем переменным с целью перевода объекта в желаемое состояние. В этом случае для ряда вариантов алгоритмов управления связи между каналами управления осуществляются не косвенно, через объект управления, а непосредственно формируются в регуляторе.
Цели работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка синергетических методов синтеза базовых
8 законов векторного управления пространственным движением твердого тела на примере летательного аппарата, учитывающих его естественные свойства как нелинейного объекта механической природы. Достижение поставленной цели предполагает проведение следующих исследований, направленных на решение прикладных задач синтеза системы управления ЛА:
Исследование базовой нелинейной математической модели динамики полета ЛА с целью разработки процедуры синтеза законов управления автопилотов для аппаратов различных компоновок и режимов их движения. Фактически разрабатываемые методы синергетического синтеза будут являться развитием и приложением метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) и его модификаций к задачам управления летательными аппаратами;
Построение стратегий координирующего управления для автономного автопилота ЛА, решающего задачу ведения по заданному маршруту с контролем положения по данным навигационной системы и датчикам параметров полета. Эти стратегии должны обеспечивать эффективное, желаемое регулирование по всем каналам (контурам) управления и стабилизации ЛА в зависимости от общей поставленной цели;
Построение стратегий координирующего управления для автопилота Л А, решающего задачу автоматического взлета и посадки;
Проведение численных экспериментов: разработка алгоритмов работы прикладного программного обеспечения для компьютерного моделирования, создание алгоритмических процедур и пакета прикладных программ, обеспечивающих численное моделирование полученных алгоритмов и стратегий управления с учетом параметров конкретных технических объектов;
5. Приложение разработанных стратегий и алгоритмов управления для решения типовых задач управления полетом ЛА;
9 6. Исследование работы полученных алгоритмов управления в условиях воздействия внешних возмущений и построение адаптивных автопилотов.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы современной нелинейной динамики, синергети-ческой теория управления, методы формализации моделей механики, положения теории дифференциальных уравнений и методы математического моделирования динамических систем. Аналитический синтез и исследование динамических свойств синтезированных нелинейных систем управления осуществлялись в пакете прикладных программ Маріеб SE.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы к ним, приложения. Основное содержание диссертации изложено на 135 страницах, содержит 57 рисунков и 4 таблицы.
В первой главе рассмотрена постановка основной задачи, выполнен обзор и анализ нелинейных моделей движения ЛА, а также существующих методов синтеза регуляторов, применимых к задачам управления пространственным движением твердого тела. Также рассмотрена область применения различных вариантов нелинейной модели движения ЛА, обсуждается выбор технологических инвариантов. Описывается предлагаемая декомпозиция задачи синтеза управления. Сформулирована базовая задача синтеза алгоритмов управления.
Во второй главе приводятся основные сведения из синергетической теории управления, развитой в работах профессора А.А. Колесникова, излагается суть метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР). На основе метода АКАР в главе развита процедура синтеза базовых алгоритмов векторного управления пространственным движением ЛА. Данные алгоритмы получены в результате анализа наиболее полной на настоящий момент нелинейной математической модели движения твердого
10 тела. Поэтому полученные базовые алгоритмы векторного управления являются универсальными и могут использоваться при конструировании регуляторов пространственного движения для различных движущихся объектов. Приводятся результаты компьютерного моделирования полученных замкнутое контуров регулирования. Рассматривается поведения синтезированной системы при влиянии внутренних и внешних возмущающих воздействий.
В третьей главе на основе разработанной во второй главе базовой процедуры синтеза рассматривается применение методов синергетического управления к типовым задачам управления полетом ЛА. Уделяется внимание вопросам информационной составляющей системы управления и рассматриваются схемотехнические решения технической реализации предлагаемых структур автопилотов.
Общее заключение по диссертационной работе содержит перечень основных научных и прикладных результатов, полученных в работе в процессе разработки синергетических методов управления пространственным движением ЛА. Программы, реализующие процедуру синтеза управлений и численное моделирование, приведены в Приложении.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем. Использование принципов и подходов синергетической теории управления для конструирования алгоритмов и стратегий управления пространственным движением в общей нелинейной постановке приведет к появлению принципиально нового поколения систем управления летательными аппаратами, характерными отличительными особенностями которых будут: учет естественных нелинейных свойств управляемых процессов; адаптивность к изменению внутренних параметров и действию внешних возмущающих факторов; гибкость и оперативная перенастройка при изменении задач и приоритетов поведения; асимптотическая устойчивость движения в целом и, следовательно, эффективное противостояние экстремальным режимам функционирования.
В связи с этим, на защиту выносятся следующие научные положения:
Подход к управлению пространственным движением твердого тела -ЛА, основанный на анализе базовой нелинейной математической модели (двенадцатого порядка);
Процедура синергетического синтеза алгоритмов управления пространственным движением ЛА на основе базовой нелинейной математического модели движения твердого тела;
Базовые универсальные алгоритмы управления пространственным движением твердого тела, позволяющие построить законы управления для конкретных аэродинамических схем и компоновок ЛА;
Частная реализация полученных базовых законов управления на примере конструирования автопилота конкретного ЛА;
Практическая ценность работы. Результаты выполненных в диссертации научных исследований непосредственно применимы при проектировании новых классов скалярных и векторных регуляторов многосвязных систем управления летательных аппаратов и других подвижных объектов. Эти регуляторы обеспечивают асимптотическую устойчивость, грубость переходных процессов, инвариантность к внешним возмущениям.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение на Таганрогском авиационном научно-техническом комплексе (ТАНТК) им. Г.М. Бериева при разработке нового программного обеспечения для исследовательского пилотажно-навигационного комплекса; при выполнении грантов Министерства образования РФ «Развитие фундаментальных основ синергетической теории управления» и «Развитие синергетических основ нелинейной теории системного
12 синтеза» (руководитель А.А. Колесников, период действия - 2000-2002 и 2003-2004 гг. соответственно); а также в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского государственного радиотехнического университета (ТРТУ).
Публикации и апробация работы. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них: 5 статей, 5 докладов на конференциях, 2 патента РФ.
Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на девятой международной олимпиаде студентов и аспирантов по автоматическому управлению (91 International Student Olympiad on Automatic Control (In cooperation with IFAC EDCOM). Saint Petersburg, June 3-5, 2002); на Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» 3-4 апреля 2003 г., Санкт-Петербург; на XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях «ММТТ-Дон», Ростов-на-Дону, 26-29 мая 2003 г.; на XLVII, XLVIII, XLIX научно-технических конференциях ТРТУ, проводившихся в 2001-2003 гг.; научных семинарах кафедры синергетики и процессов управления ТРТУ; а также были представлены на VII Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления», Москва, Институт проблем управления РАН, 22 - 24 мая 2002 г.; Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям "SCM'2002", Санкт-Петербург, 25 - 27 июня 2002 г.; VIII Международной конференции «Устойчивость, управление и динамика твердого тела» Донецк, Украина, 3-7 сентября 2002 г.; VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, ТРТУ, 10-11 октября 2002 г.
Проблема синтеза и методы аналитического конструирования регуляторов
Во второй половине двадцатого века произошло бурное развитие различных подходов и методов синтеза управлений для линейных и нелинейных систем. Этот процесс, как и состояние современной теории управления, описаны в таких учебниках и монографиях по теории управления, как, например, в предисловиях и введениях к [4, 9, 10, 20, 33, 50, 53, 60, 72, 100], первой главе в [36], в приложении к [15], а также в ряде известных обзоров [16, 19, 54, 76 и др.].
На основе указанных источников рассмотрим подробнее некоторые методы синтеза регуляторов для линейных и нелинейных систем в контексте применения к задачам управления ЛА.
В первом приближении методы синтеза законов управления (регуляторов или корректирующих устройств систем управления) можно разбить на два класса: параметрические и структурные.
Параметрический синтез представляет собой тот или иной способ определения параметров или коэффициентов (настройки) для заданной типовой структуры регулятора. К такого вида задаче относится синтез ПИД-регулятора, имеющего в своей структуре пропорциональную (П), интегральную (И) и дифференциальную (Д) компоненты [33, 34, 39, 72]. Имеются частные варианты структур ПИД-регуляторов: П, ПИ, ПД, И. Каждому вариан 33 ту частной структуры ПИД-регулятора соответствует определенный набор свойств: например, введение Д-составляющей повышает быстродействие системы, И-составляющая увеличивает точность регулирования. Процедура синтеза управляющего устройства в этом случае состоит из двух этапов. Первый этап - выбор типовой схемы регулятора. Как правило, для конкретного класса объектов управления допустимым является использование определенной структуры регулятора, исходя из набора желаемых динамических свойств каждой структуры, а также физических свойств объекта и допустимой степени сложности системы. Например, для медленно текущих процессов в тепломеханических системах в большинстве случаев подходит ПИ-регулятор, а для управления электромеханическими системами или движущимися объектами - ПИД-регулятор. На втором этапе синтеза определяются параметры настройки выбранной схемы: исходя из желаемых динамических свойств, графоаналитическими и другими методами, а также путем подбора коэффициентов уравнения закона управления на основании опыта проектировщика системы с последующим численным моделированием и анализом полученных результатов. Достоинством такого метода является то, что при рассмотрении односвязных линейных систем и подсистем (линеаризованных уравнений объекта управления) такие регуляторы достаточно эффективны, универсальны и легко применимы для достижения целей обеспечения устойчивости. В плане физической реализации подобных устройств также накоплен огромный опыт, регуляторы (в общем случае - универсальные) с такой структурой выпускаются промышленно и до недавнего времени строились на основе средств аналоговой техники, что само по себе подразумевает жестко заданную конфигурацию.
В настоящий момент также используется более эффективный подход к физической реализации регуляторов (с различными структурами) на основе средств цифровой техники, когда закон управления реализуется не схемотехнически, а программно. Такой подход предоставляет более широкие возмож 34 ности в плане формы закона управления, гибкости и универсальности технического устройства управления. Подробнее этот аспект вопроса технической реализации рассмотрен в третьей главе.
К недостаткам способа управления по заданным типовым структурам регуляторов следует отнести то, что при синтезе законов управления проводится обязательная линеаризация математической модели объекта, что может быть связано с потерей части динамических свойств и, как следствие, с недостаточным соответствием полученной системы управления реальному физическому объекту. В свою очередь, использование жестко заданных структур корректирующих устройств также в ряде случаев может накладывать некоторые ограничения на режимы работы системы. Отметим, что полностью управлять динамикой системы высокого порядка путем использования вариантов П, ПИ, ПИД -регуляторов возможно только при особой структуре объекта, позволяющей строить систему подчиненного регулирования [91].
Указанный способ получения законов управления широко используется на практике применительно к построению систем управления летательными аппаратами [5, 6, 7, и др.], как впрочем, и к массе других технических объектов. Еще раз подчеркнем, что применения такого метода требует линеаризации математической модели движения ЛА и разбиения ее на отдельные изолированные контуры управления. Управляющие воздействия в этом случае вычисляются и применяются независимо, связь между каналами (контурами) управления в многосвязном (многомерном) объекте осуществляется косвенно - через движение (поведение) самого объекта управления.
Для улучшения характеристик (динамических свойств) таких синтезированных систем на практике применяется введение дополнительных обратных, прямых и перекрестных связей между линейными контурами управления. Эти «улучшения» могут происходить на всех стадиях проектирования системы управления (в том числе и заключительных - монтаже и настройке) и носят локальный (применительно к конкретным условиям и задачам экс 35 плуатации и т.д.) характер, что приводит к существенному усложнению архитектуры всей системы. В итоге получается громоздкая сложная многосвязная система, с трудом поддающаяся анализу в целом, и, как следствие, с рядом не исследованных вновь приобретаемых динамических свойств.
Все возрастающая функциональность и сложность современных интегрированных бортовых информационно-управляющих комплексов подтверждает актуальность и открытость проблемы исследования и анализа многомерных и многосвязных систем несмотря на то, что алгоритмы анализа так называемых МІМО-систем (с несколькими входами и выходами) широко развиты для частных случаев и, в большинстве своем, включены в качестве самостоятельных библиотек в популярные пакеты прикладных программ для численных и символьных вычислений [68, 69].
Метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов
При применении различных методов синтеза устройств управления в реальных сложных технических системах неизбежно введение некоторой совокупности допущений, упрощений, а также разбиение исходной задачи или объекта управления на совокупность более простых подзадач или подсистем. Проблема состоит во введении необходимых допущений таким образом, чтобы используемая исходная математическая модель и построенные на ее основе регуляторы были в достаточной степени адекватны поведению рассматриваемого физического объекта.
Одним из известных подходов к разрешению проблемы сложности системы может быть применение различных видов декомпозиции моделей объектов [2, 100]. (Здесь не рассматривается так называемая динамическая декомпозиция [1] объекта управления, поскольку она применяется непосредственно в процессе синтеза регуляторов методом АКАР и, являясь понятием синергетической теории управления, будет подробнее рассмотрена в следующей главе.) При анализе сложных динамических объектов управления на этапе выбора или формирования «рабочей» математической модели различают следующие виды декомпозиции систем [100, стр. 16]: 1. Структурная (объектная) декомпозиция - выделение более простых подсистем, допускающих раздельное рассмотрение; 2. Функциональная (задачно-ориентированная) декомпозиция - разбиение общей проблемы на несколько частных задач различного уровня иерархии; 3. Временная декомпозиция - выделение отдельных режимов работы системы.
Как было показано в обзоре методов синтеза систем управления (п.п. 1.2), при анализе многосвязных многомерных объектов широко применяется первый вид декомпозиции, в связи с чем проявляются уже упомянутые недостатки применения указанных методов. Применительно к летательным аппаратам, структурная декомпозиция состоит в выделении изолированных каналов управления отдельно для каждой переменной системы. К таким подсистемам относятся, например, канал угла тангажа, канал выдерживания вертикальной скорости полета при посадке и т.д. Такое разделение происходит при линеаризации исходной математической модели и пренебрежении перекрестными связями между каналами управления. Хотя такое «упрощение» позволяет полностью описать все технические блоки, входящие в рассматриваемые контуры управления - от системы датчиков до исполнительного механизма, включая в некоторых случаях динамику приводов рулевых машинок и т.д., но очевидно, что при синтезе векторных регуляторов использование нелинейной модели высокого порядка, описывающей еще и все технические средства управления полетом, приведет к избыточному усложнению самой процедуры синтеза законов управления, а вид возможных полученных законов управления будет чрезвычайна сложен для технической реализации. Более того, такой подход самоисключает какую-либо универсальность и возможность серьезной модернизации предлагаемых законов управления и процедур их синтеза, поскольку они будут непосредственно привязаны к уникальной комбинации рассматриваемых технических средств управления.
Поэтому в настоящей работе при анализе нелинейной модели пространственного движения предлагается использовать второй и третий подхо 51 ды к декомпозиции системы. В первую очередь, это временная декомпозиция - постановка разного набора целей и приоритетов при управлении различными режимами полета ЛА. Задачно-ориентированная декомпозиция будет выражена в следующей иерархии решения проблемы управления полетом ЛА: 1. Нахождение законов управления изменения обобщенных сил и моментов сил, входящих в систему уравнений (1.5), (1.7), (1.9), (1.10). Полученные законы будут являться базовыми универсальными алгоритмами управления для подвижных объектов различных компоновочных схем, пространственное движение которых может быть описано системой уравнений (1.5), (1.7), (1.9), (1.10); 2. На основе полученных базовых универсальных законов изменения сил и моментов в соответствии с заданной компоновочной схемой (назначением и расположением органов управления) находятся законы, описывающие отклонение рабочих управляющих органов в зависимости от состояния объекта и поставленных задач. Эти законы будут являться задающими воздействиями (целями управления) для исполнительных механизмов управляющих поверхностей; 3. Локальные регуляторы исполнительных механизмов (управление на нижнем уровнем) формируют программы управления для электрических приводов рулевых машинок (либо гидравлических систем управления), реализующих выполнение поставленных задающих воздействий. Электрический привод также является в общем случае сложной электромеханической системой, для эффективного управления которой в [37, 38 и др.] предложены новые векторные нелинейные синергетиче-ские регуляторы и стратегии управления.
Исследование динамики системы при действии ветрового возмущения в форме «вихревого кольца»
В предыдущей главе была показана процедура синтеза законов управ ления на основе общей нелинейной многомерной многосвязной модели объ екта управления - летательного аппарата. Синтезированные на основе этой модели законы управления обладают высокой универсальностью и теорети чески могут быть применимы для управления полетом на всех его этапах. Однако, в некоторых частных (специализированных, но, тем не менее, посто янно решаемых) задачах управления универсальность предлагаемых базовых синергетических стратегий управления может быть некоторым образом из быточна в связи со следующими обстоятельствами. При нормальном (штат ном) режиме функционирования системы количество степеней свободы, а следовательно, и начальная размерность системы будут ниже. С учетом спе цифики решаемой задачи управления может быть целесообразным выбор особых видов инвариантов или режимов управления, направленных на неко торое усиление или уменьшения отдельных свойств стратегии управления. Ниже перечислены более частные задачи управления движением ЛА [2], которые могут подходить под данное определение: 1. Управление продольным короткопериодичным движением; 2. Управление пространственным движением ЛА по контрольным точкам или сечениям; 3. Автоматизация выдерживания ограничений (по перегрузкам и др.); 4. Обеспечение устойчивости самолета на больших углах атаки; 5. Двухуровневое управление геометрической высотой полета; 6. Управление посадкой Л А; 7. Управление разгоном и подъемом самолета. 105 Несомненно, решение всех перечисленных задач требует более детального подхода к анализу математической модели, условий и целей работы объекта управления. Помимо этого, необходимо наличие всех данных об аэродинамических и других характеристиках ЛА В данной главе рассмотрено построение стратегий управления для некоторых задач управления полетом ЛА, которые могут быть использованы при синтезе законов управления, нацеленных на практическое применение указанных частных задач управлении полетом ЛА. 3.1. Задачи управления полетом Л А 3.1.1. Стратегия управления пространственным движением Общий случай пространственного движения летательного аппарата представляет собой полет по какой-либо намеченной траекторией в пространстве с сохранением заданной ориентации вокруг центра масс. Такой случай рассмотрен во второй главе, там же приведены и результаты моделирования. Здесь же рассмотрим общий принцип формирования программы (траектории) управления для пространственного движения.
Наиболее подходящим способом формирования траектории движения для системы объект-регулятор с законами управления (2.17)-(2.22) является задание в требуемый момент времени совокупности конечных условий, реализующих цели управления. То есть предлагается рассматриваемое движение разбивать на так называемые контрольные точки. Согласно заданному в законах (2.17)-(2.22) принципу управления, если при достижении какой-либо из контрольных точек, ЛА будет желаемым образом ориентирован в пространстве и будет осуществлять продольное движение с заданной скоростью; то в этом случае его движение становится невозмущенным. В этот момент в регулятор закладывается другой набор локальных целей -конечных условий для следующей контрольной точки. А в качестве начальных условий будут рассматриваться достигнуты конечные условия предыдущей контрольной точки. Достижение очередной контрольной точки, точки. Достижение очередной контрольной точки, т.е. позиционирование ЛА в пространстве, можно проконтролировать при помощи датчиков высоты полета и сигналов навигационной системы (в общем случае - спутниковой). Такая реализация стратегии позволяет вести полет на малых высотах и производить облет препятствий (путем введения соответствующих условий по допустимому значению высоты при постановке локальных целей полета) с двойным контролем высоты - по заложенной в память бортового компьютера карте рельефа местности и по датчику высоты полета. 3.1.2. Управление движением ЛА в продольной вертикальной плоскости Рассмотрим подробно задачу управления продольным движением твердого тела на примере беспилотного летательного аппарата. При управлении продольным движением ЛА задействуются в зависимости от выбранного способа управления два или один из следующих каналов управления [67]: изменение тяги двигателя; изменение угла отклонения руля высоты. В связи с этим, существуют следующие стратегии управления продольным движением ЛА: 1. Угол отклонения руля высоты жестко закреплен, высота полета регулируется путем увеличения (уменьшения) подъемной силы посредством изменения скорости полета; 2. Тяга двигателя - постоянна, скорость и высота полета изменяется под действие руля высоты путем перевода полета ЛА на различные углы атаки; 3. Векторное управление по двум каналам. Первые две стратегии управления реализуют более простую структуру получаемых алгоритмов и технической реализации. Последняя стратегия позволяет обеспечить более гибкое двухканальное управление несмотря на усложнение алгоритмической структуры регулятора.
Управление движением ЛА в продольной вертикальной плоскости
В первой части главы ставятся частные задачи управления полетом ЛА на основе полученных фундаментальных алгоритмов. В общем случае решение частных задач управления осуществляется путем введения специального набора конечных условий и подбора постоянных времени регулятора Ts в зависимости от условий задачи. Другим способом является введение некоторых инвариантов в процессе процедуры синтеза, нацеленных на выполнение поставленных задач. Для решения задачи корректного выбора инвариантов управления следует обратиться к работам (некоторые из которых имеются в списке литературы), в которых рассмотрены вопросы управления ЛА в различных постановках, в ряде случаев дающих достаточно информации для адекватного выбора многообразий.
Во второй части главы рассмотрены вопросы технического построения информационно-управляющей системы, реализующей предложенные алгоритмы управления. Предложен подход к технической реализации, заключающийся в использование микроконтроллера, вычисляющего управляющие воздействия по записанным в память универсальным аналитическим законам управления.
Также во второй части приводится математическое описание предложенного в работах [44, 45, 65, 66] измерителя сверхмалой высоты полета, позволяющего проводить аналитический синтез и числовое моделирование системы управления ЛА, в том числе и с помощью разработанных процедур си-нергетического синтеза. Данные подходы можно использовать в следующих частных задачах автоматизации посадки [26]: выдерживание вертикальной скорости снижения ЛА, информацию о величине которой можно получить на основе данных о высоте (изменении высоты) полета самолета путем дифференцирования непрерывно измеряемого значения высоты; стабилизация (демпфирование) канала крена, что особенно актуально при большом размахе крыла ЛА (30-40 метров). Подобные системы могут применяться при управлении следующими видами ЛА: гидросамолетами на этапах взлета и посадки; экранолетами и экранопланами на всех этапах полета; а также другими типами ЛА, предполагающими полет на сверхмалых высотах над водной поверхностью.
Ценность и практическая значимость указанного подхода к измерению сверхмалых высот полета ЛА многократно возрастает при построении специальной адаптивной системы управления для работы на таких критических режимах.
Продолжающееся развитие авиационной техники предъявляет все более жесткие требования к динамическим свойствам летательных аппаратов, что неизбежно связано с использованием новых методов и подходов в конструировании систем автоматического управления полетом. Наиболее сложной, но и наиболее интересной в практическом плане является задача управления пространственным движением летательного аппарата, поскольку в этом случае важную роль играет взаимное влияние практически всех координат системы и каналов управления. Проблема разработки алгоритмов управления для таких многомернымх многосвязных нелинейных систем неизбежно требует привлечения принципиально новых подходов и методов теории управления, к которым в первую очередь следует отнести активно развиваемую в последние годы синергетическую теорию управления и базирующийся на ее основах метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов.
Разработка методов синергетического управления пространственным движением ЛА, приложение метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) и его модификаций к задачам управления летательными аппаратами, поиск новых алгоритмов управления автопилота, сочетающих в себе высокую универсальность и адекватность реальному объекту управления, составили содержание настоящей диссертационной работы. Основные результаты работы следующие: 1. Предложен и реализован подход к конструированию автопилотов ЛА основанный на анализе нелинейной математической модели пространственного движения; 2. Разработана процедура синергетического синтеза алгоритмов управления пространственным движением ЛА на основе базовой нелинейной модели; 3. Найдены базовые универсальные алгоритмы управления пространственным движением твердого тела, на основе которых можно строить программы управления для конкретных аэродинамических схем и компоновок ЛА; 4. Показаны применение и частная реализация полученных базовых законов управления на примере конструирования автопилота для гипотетического ЛА; 5. Исследована работа полученных алгоритмов управления в условиях воздействия внешних возмущений и построение адаптивных автопилотов; 6. Предложены обобщенные структуры адаптивных автопилотов, реализующих разработанные алгоритмы синергетического управления полетом; 7. Рассмотрены вопросы построения информационно-управляющей системы для полета на сверхмалых высотах с использованием высотомера, основанного на емкостном методе измерений.
