Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие и широкое внедрение микропроцессорной вычислительной техники открывают новые недоступные ранее перспективы создания авиационной техники, в целом, и систем управления полетом, в частности. При этом возрастает значение средств автоматизации управления полетом в достижении требуемых свойств летательных аппаратов (ЛА), эффективности их использования и безопасности выполнения полетов. Все настоятельнее перед авиационными специалистами встает вопрос создания многофункциональных систем управления движением ЛА, обладающих свойствами адаптации к изменяющимся в широких диапазонах условиям полета, возникновению непредвиденных или маловероятных ситуаций, неопределенности и неполной измеримости математических моделей ЛА как объектов управления.
Проектирование ЛА и синтез систем управления ими проводят с учетом требований, предъявляемых к их динамическим характеристикам, к которым относятся устойчивость движения и качество переходных процессов как реакций ЛА на управляющие воздействия. Широкий диапазон изменения условий полета, связанных с изменением высоты и скорости ЛА, характеристик атмосферной турбулентности, аэродинамических характеристик (аэродинамической подъемной силы и аэродинамического момента), определяют нелинейность и нестационарность математической модели ЛА, что может привести к невозможности выполнения задаваемых требований в рамках систем управления неизменной структуры с постоянными настройками. В этом случае проблема выполнения указанных ранее требований решается путем применения адаптивного управления.
Как известно, в процессе полета динамические характеристики ЛА изменяются в широких пределах в зависимости от высоты и скорости полета, тяги двигательной установки, механических параметров конструкции и геометрии аэродинамических поверхностей. Возможные отказы исполнительных органов или повреждения несущих поверхностей также приводят к непредвиденному изменению параметров. Выполнение маневров с большими углами атаки и управление вектором тяги двигателя, свойственные многим типам современных JIA, приводят к росту нелинейных аэродинамических эффектов, влияние которых можно описать как нелинейные изменения параметров объекта управления, зависящих от переменных состояния объекта.
Широкую известность в области адаптивного управления получили работы таких отечественных и зарубежных учёных, как Андриевский Б.Р., Бобцов А.А., Борцов Ю.А., Буков В.Н., Воронов А.А., Вукобратович М.А., Громыко В.Д., Гелиг А.Х., Дыда А.А., Емельянов С.В., Еремин Е.Л., Земляков С.Д., Красовский А.А., Кирчански Н., Коровин С.К., Леонов Г.А., Лохин В.М., Манько С.В., Мирошник И.В., Никифоров В.О., Овсепян Ф.А., Поляхов Н.Д., Петров Б.Н., Полушин И.Г., Потапов А.М., Романов М.П., Рутковский В.Ю., Срагович В.Г., Солодовников В.В., Санковский Е.А., Слукин Н.М., Тимофеев А.В., Терехов В.М., Томасов В.С., Топчеева Ю.И., Тюкин И.А., Уткин В.И., Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Цыпкин Я.З., Шумский В.М., Шрамко Л.С., Якубович В.А., Ядыгин И.Б., Astrom K.J., Annaswany A.M., Carrol R., Ercberger H., Fu K., Goldberg D., Gonsales R., Hiza J., Hovakimyan N., Holland J.H., Hollerbach J. M., Ioannou P., Koditschek D, Koivo A. J., Кokotovic P.V, Lee C. S. G., Lindorff D., Li W., Ljung T., Li K., Landau T.D., Miikkulainen R., Naraendra K.S., Ortega R., Parks P.C., Saridis G.N., Slotine J.E., Spong M. W., Stanley K.O., Stocich D., Valavani L.S. и многих других их коллег и учеников. В настоящее время исследования в этой области проводятся с неослабевающей интенсивностью, создаются новые подходы и методы адаптивного и робастного управления, позволяющие получить более совершенные алгоритмы адаптивного управления по состоянию и по выходу в условиях неполной измеримости нелинейных объектов.
Решению задач управления такими объектами посвящено большое количество работ в области построения нелинейных и адаптивных систем по состоянию и выходу. Опираясь на известные подходы в этой области, в работе рассматриваются вопросы построения и сравнительного исследования эффективности беспоисковых адаптивных систем управления продольным движением летального аппарата по состоянию и по выходу.
Целью работы. Является разработка адаптивных систем управления летательными аппаратами, обеспечивающих повышение динамических показателей их полета в условиях функционально-параметрической неопределенности, аэроупругости, ветровых возмущений и динамики электромеханических следящих систем (ЭМСС) рулевых органов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработать нелинейные математические модели продольного движения жестких и упругих летательных аппаратов как объектов управления, учитывающие аэроупругие крутильные деформации крыльев и динамику электромеханической следящей системы руля высоты. Разработать математические модели ветровых возмущений.
-
Разработать адаптивные системы управления продольном движением жесткого летательного аппарата, построенные методом мажорирующих функций и методом адаптивного обхода интегратора, и исследовать их устойчивость (робастность) к изменению параметров и действию ветровых возмущений,
-
Разработать адаптивные электромеханические системы управления продольным движением упругого летательного аппарата, построенные методом мажорирующих функций, методом адаптивного обхода интегратора и методом последовательного компенсатора (по выходу) и исследовать их эффективность в подавлении аэроупругих крутильных колебаний крыльев и устойчивость (робастность) к параметрическим рассогласованиям и возмущающему влиянию динамики электромеханической следящей системы, неучтенной при построении адаптивных систем.
-
Разработать адаптивную электромеханическую систему управления продольным движением упругого летательного аппарата, построенную методом мажорирующих функций с учетом динамики электромеханической следящей системы руля высоты, и исследовать ее эффективность в подавлении аэроупругих крутильных колебаний крыльев и устойчивость (робастность) к параметрическим рассогласованиям.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории линейных и нелинейных систем управления, основанные на функциях Ляпунова; методы адаптивного управления динамическими объектами по состоянию и по выходу; методы компьютерного исследования. При моделировании применялись пакеты прикладных программ Matlab и Simulink.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработаны нелинейные математические модели продольного движения жесткого и упругого летательных аппаратов как объектов управления, учитывающие аэроупругие крутильные деформации крыльев и динамику электромеханической следящей системы руля высоты. Разработаны математические модели ветровых возмущений.
-
Разработаны адаптивные системы управления продольным движением жесткого летательного аппарата, построенные методом мажорирующих функций и методом адаптивного обхода интегратора, и исследована их устойчивость (робастность) к изменению параметров и действию ступенчатых и синусоидальных ветровых возмущений.
-
Разработаны адаптивные электромеханические системы управления продольным движением упругого летательного аппарата, построенные методом мажорирующих функций, методом адаптивного обхода интегратора и методом последовательного компенсатора (по выходу), и исследована их эффективность в подавлении аэроупругих крутильных колебаний крыльев и устойчивость (робастность) к параметрическим рассогласованиям и возмущающему влиянию динамики электромеханической следящей системы, неучтенной при построении адаптивных систем.
-
Разработана адаптивная электромеханическая система управления продольным движением упругого летательного аппарата, построенная методом мажорирующих функций с учетом при ее построении динамики электромеханической следящей системы руля высоты, и исследована ее эффективность при подавлении аэроупругих крутильных колебаний крыльев и устойчивость (ро-бастность) к параметрическим рассогласованиям к действию ветровых возмущений.
Научная новизна:
-
Впервые разработана нелинейная математическая модель продольного движения гипотетического летательного аппарата как объекта управления, учитывающая явления аэроупругости крыльев и динамику электромеханических следящих систем рулевых органов.
-
Разработка адаптивных систем управления жёстким нелинейным летательным аппаратом, построенных методом мажорирующих функций и методом адаптивного обхода интегратора, позволила впервые провести исследования, убеждающие в эффективности адаптивных систем управления по состоянию в подавлении ветровых возмущений, т.е. в их робастности, достигаемой адаптивным управлением, построенным без измерения возмущений.
-
Впервые поставлена и решена задача принудительного подавления средствами адаптивного управления аэроупругих крутильных деформаций крыльев, принципиально разрешимая, как показано в диссертации, в силу их управляемости со стороны воздействий руля высоты.
-
В диссертации впервые для нелинейной математической модели продольного движения упругого летательного аппарата, учитывающей крутильную аэроупругость, построены адаптивные системы на базе таких получивших развитие новых методов, как метод адаптивного обхода интегратора и метод последовательного компенсатора, требующие поиска предваряющих их применение нетривиальных процедур специальной параметризации. К сожалению, сложность этих процедур, как и сложность реализации самих построенных этими методами адаптивных систем, возрастает с увеличением размерности управляемого объекта.
-
Впервые получены результаты сравнительного компьютерного исследования эффективности адаптивных электромеханических систем управления продольным полетом упругого летательного аппарата, построенных методами адаптивного обхода интегратора и последовательного компенсатора, а также методом мажорирующих функций в подавлении аэроупругих крутильных колебаний крыльев, что предотвращает возможность возникновения изгибно-крутильного флаттера крыльев как необходимо двухчастотного автоколебательного процесса.
-
На завершающем этапе диссертационной работы впервые проведено исследование устойчивости (робастности)адаптивных систем продольного движения жестких и упругих ЛА, построенных методами адаптивного обхода интегратора, методом последовательного компенсатора и методом мажорирующих функций, к возмущающему воздействию неучтенной динамики электромеханической системы управления руля высоты, рассматриваемой как сингулярное возмущение, и показано, что работоспособность построенных адаптивных систем при возмущении неучтенной динамикой электромеханических следящих систем рулей резко снижается вплоть до ее нарушения, поэтому делаются выводы о необходимости при проектировании адаптивных систем управления полетом упругих и жестких ЛА, как правило, включать в дифференциальные уравнения ЛА как объекта управления динамику электромеханических следящих систем рулевых органов.
-
Проведены исследования, показавшие неэффективность и нецелесообразность применения адаптивных систем управления, построенных методами обхода интегратора и последовательного компенсатора для нелинейной математической модели продольного движения упругого ЛА, учитывающей динамику электромеханической следящей системы рулевого органа, в силу ее высокой размерности. Для этого случая разработана и исследована адаптивная электромеханическая система управления продольным движением упругого ЛА, построенная методом мажорирующих функций с учетом динамики электромеханической следящей системы руля высоты и с применением наблюдателя состояния объекта, показавшая высокую эффективность в условиях параметрических рассогласований, вариативности режимов полета, изменения динамики электромеханической следящей системы рулевого органа и нелинейных аэроупругих крутильных колебаний крыльев.
Практическая ценность работы:
1. Результаты диссертации по разработке нелинейных математических моделей и адаптивных электромеханических систем управления продольным движением жестких и упругих летательных
аппаратов, построенных методами мажорирующих функций, адаптивного обхода интегратора и последовательного компенсатора, послужат основой для создания полезных в инженерном проектировании, простых, лаконичных, прозрачных и легко поддающихся компьютеризации методик расчета семейства реализуемых адаптивных электромеханических систем управления полетом жесткими и упругими летательными аппаратами, требующих весьма ограниченного объема априорных сведений (особенно, при использовании метода мажорирующих функций).
-
Разработаны и отлажены на базе пакета Matlab беспоисковые адаптивные электромеханические системы управления продольным движением жесткого и упругого летательных аппаратов с электромеханической следящей системой руля высоты, полезные в качестве научного фундамента для проведения НИР, НИОКР м последующего внедрения в конкретные изделия.
-
Результаты работы используются в учебном процессе кафедры САУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические положения и практические результаты диссертационной работы использованы в 4 НИР и НИОКР, выполненных научным коллективом кафедры при участии соискателя в течение 2015-2016 г.г., источниками финансирования которых являлись внебюджетные средства федерального государственного унитарного предприятия «Крыловский государственный научный центр». Практические результаты диссертационной работы также использованы в проектировании и разработке беспилотных ЛА образца БПЛА – 70V во Вьетнамской аэрокосмической ассоциации. Результаты исследования используются в учебном процессе кафедры в магистерской подготовке по направлению «Управление в технических системах».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции Proceedings оf International conference on nonline ar problems in aviation and aerospace WORLD CONGRESS 2016 (Франция, г. Ля-Рошель); на XX и XXI международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2017, SCM-2018) и на трех региональных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, Россия, в 2016, 2017 и 2018 г.г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 12 публикациях, в числе которых 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 4 публикации в изданиях, входящих в список Scopus, 4 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, пять глав основного материала, заключение, библиографический список, списки сокращений и обозначений и приложения. Работа вместе со списком литературы и приложениями изложена на 221 странице машинописного текста и включает 65 рисунков и 1 таблицу. Библиографический список насчитывает 138 наименований.