Метод совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе в режиме посадки Крееренко, Ольга Дмитриевна

Введение к работе

Актуальность проблемы. Повышение безопасности полетов в авиации является важнейшей проблемой разработчиков современных летательных аппаратов (ЛА), эксплуатантов воздушного транспорта и системы организации воздушного движения. Наиболее ответственными этапами полета ЛА являются взлет и посадка. Так, на этапе посадки, продолжительность которого составляет около 4% от общего времени полета, происходит 36% авиапроисшествий, имеющих наиболее тяжелые последствия. Мировая статистика авиационных происшествий на этапе посадки по пассажирским и транспортным самолетам демонстрирует, что большая часть таких происшествий и катастроф происходит при выкатывании самолетов за пределы взлетно-посадочной полосы (ВПП) и столкновении их с наземными объектами. Эти случаи составляют примерно четверть всех инцидентов и аварий на воздушном транспорте и 96% всех событий, произошедших на ВПП, в том числе 80% всех катастроф. Чаще всего к авиационным происшествиям приводят отказные ситуации в авиационных системах, внешние воздействия и человеческий фактор. Указанные причины могут действовать как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

Одним из основных современных документов, определяющих пути обеспечения безопасности для пилотов, авиакомпаний, разработчиков самолетов, обучающих организаций, в части идентификации, понимания и снижения риска при выкатывании самолетов за пределы ВПП на этапе посадки является рекомендательный циркуляр Федерального Авиационного Агентства США (FAA) АС No:91-79. Данный циркуляр разработан FAA в сотрудничестве с разработчиками и эксплуатантами самолетов и определяет основные ключевые элементы безопасности для предупреждения выкатываний за пределы ВПП. В соответствии с АС 91-79 следующие факторы повышают риск выкатывания за пределы ВПП:

1. Нестабилизированный заход на посадку перед касанием ВПП;

2. Превышение скорости захода на посадку;

3. Касание ВПП при посадке с запаздыванием;

4. Ошибка пилотами в оценке посадочной дистанции при посадке на мокрую или загрязненную ВПП, или при изменении внешних условий в момент посадки.

Поэтому, как отмечается в ряде исследований, действенным вкладом в решение проблемы будет разработка и внедрение автоматизированных систем реагирования на потенциальную опасность выкатывания и/или предупреждения экипажа. Оснащение ЛА такими системами обеспечит качественно новый уровень безопасности при посадке и информационной поддержки экипажа, основанный на оценке конкретной ситуации, прогнозе ее развития и формировании необходимых рекомендаций экипажу.

На основании этого можно сделать вывод, что обеспечение безопасности полетов, особенно на этапе торможения на взлетно-посадочной полосе, а также обеспечение минимальной посадочной дистанции и оптимального соотношения режимов торможения и проскальзывания остаются важной и актуальной научно-технической задачей, требующей решения на современном уровне развития науки об управлении с применением новых перспективных подходов и методов синтеза законов управления.

Движущийся по ВПП летательный аппарат как объект управления (ОУ) представляет собой многоуровневую нелинейную динамическую систему, включающую подсистемы "самолет-шасси-ВПП". В связи с этим, методы синтеза законов управления, основанные на линейной идеологии классической теории управления, активно применявшиеся до недавнего времени и надежно зарекомендовавшие себя на довольно широком спектре объектов управления, не способны учесть в полной мере естественные свойства рассматриваемого динамического объекта, взаимосвязь и взаимозависимость входящих в него подсистем.

Следствием чего является необходимость применения нового синергетического подхода к синтезу законов управления. В рамках синергетической теории управления (СТУ) разработаны принципиально новые методы синтеза автоматических регуляторов, позволяющие получать алгоритмы управления для нелинейных динамических систем различной природы. Одним из наиболее перспективных методов синергетического синтеза является метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), активно разрабатываемый и развиваемый профессором А.А. Колесниковым и возглавляемой им научной школой, доказавший свою эффективную работоспособность на целом ряде нелинейных объектов управления различной природы.

Для синтеза алгоритмов функционирования систем управления летательными аппаратами при движении по ВПП в работе предлагается использовать метод совмещенного синтеза законов управления.

Проблема совмещенного синтеза автопилотов рассматривалась многими выдающимися учёными, которые внесли огромный вклад в её решение - А.А. Красовским, Ю.Ю. Громовым, В.О. Драчевым, В.А. Подчукаевым и др. Под синтезом управлений в реальном времени, или «совмещенным синтезом», понимается синтез законов или алгоритмов управления, осуществляемый на основе оптимизации практически одновременно с формированием самих управляющих воздействий. В справочнике по теории автоматического управления А.А. Красовский отмечал, что на базе ЭВМ (электронно -вычислительной машины) можно создать управляющую систему, осуществляющую синтез оптимальных управлений и само управление практически одновременно в процессе функционирования объекта (совмещенный синтез управления). Труды В.Н. Букова демонстрируют эффективное применение метода совмещенного синтеза для формирования облика многопараметрических адаптивных оптимальных систем управления ЛА. На сегодняшний день этот подход является решающим в главной проблеме современной теории автоматического управления (СТАУ) - оптимизации управления «в большом» с достижением наилучшего конечного результата.

Эксплуатация ЛА на посадке в режиме торможения происходит на границе двух сред: воздух - контактная поверхность (ВІ Il I). При этом на ЛА могут действовать значительные неизмеряемые возмущения - меняющееся состояние Bl Il I в результате неравномерного покрытия осадками или загрязнения.

В качестве метода идентификации ненаблюдаемых переменных предлагается метод синтеза асимптотических наблюдателей. Асимптотический наблюдатель предназначен для оценки внешнего неизмеряемого возмущения - изменения коэффициента сцепления тормозных колес с контактной поверхностью - по имеющейся априорной информации об объекте управления, а также путем обработки текущей информации - вектора состояния объекта управления.

Для идентификации параметров математической модели шасси летательного аппарата (коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения) разработана процедура идентификации, основанная на искусственных нейронных сетях (ИНС). Идентификация параметров на основе ИНС включает два этапа:

4. 1. обучение нейросетей на основе предварительных результатов летных испытаний ЛА;

   2. функционирование нейросетей в режиме моделирования, т.е. восстановления коэффициентов по текущей информации о векторе состояния ОУ.

   Информация о состоянии поверхности Bl Il I. полученная в результате идентификации с использованием ИНС (семейство кривых трения), наряду с информацией, полученной из других источников (визуальный контроль наземными службами, замеры коэффициента сцепления специальными средствами, оценка летчиками состояния Bllll) предназначена для предварительной настройки асимптотического наблюдателя.

   Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе на этапе торможения на основе синергетического подхода.

   Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

   4. 2. 1. Формирование нелинейной математической модели движения ЛА по Bllll: модели собственно летательного аппарата, модели сил и моментов от шасси, модели тормозных колес, модели трения (зависимости коэффициента сцепления пневматиков с поверхностью Bllll от проскальзывания).

         2. Разработка процедуры синергетического синтеза базовых законов векторного управления для модели ЛА, движущегося по Bllll в режиме посадки:

         регуляторов торможения (проскальзывания) для тормозных колес шасси;

         закона управления траекторией движения ЛА по ВПП.

         1. Разработка процедуры синергетического синтеза законов управления движением ЛА по ВПП в процессе торможения с асимптотическими наблюдателями состояния контактной поверхности (изменения коэффициента сцепления).

         2. Разработка процедуры синергетического синтеза астатических законов управления торможением ЛА на ВПП, компенсирующих внешнее неизмеряемое воздействие (меняющееся состояние ВПП, характеризуемое коэффициентом сцепления).

         3. Разработка процедуры идентификации коэффициентов математической модели шасси на основе нейронных сетей.

         4. Разработка алгоритмических процедур и пакета прикладных программ, обеспечивающих численное моделирование полученных алгоритмов с учетом параметров конкретного объекта управления.

         Методы исследования. В диссертационном исследовании для решения поставленных задач использовались методы механики твердого тела, нелинейной динамики, синергетической теории управления, динамики полета летательных аппаратов, теории дифференциальных уравнений, аэромеханики и методы математического моделирования динамических систем. Синтез нелинейных систем управления торможением самолета на посадке в условиях неопределенности состояния взлетно-посадочной полосы осуществлялся в пакете прикладных программ Maple, исследование динамических свойств синтезированных систем - в компьютерной среде моделирования MatLab.

         Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования полученных замкнутых систем управления движением ЛА по ВПП в режиме посадки.

         Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, обладающие научной новизной:

         2. 4. 1. Прикладной метод синергетического синтеза стратегий управления движением ЛА по ВПП на основе математической модели ЛА (с учетом сил и моментов от шасси); обеспечивающих торможение ЛА с заданными значениями проскальзывания тормозных колес шасси, а также компенсирующих боковой увод ЛА от осевой линии ВПП (стр. 9-12).

               2. Метод совмещенного синтеза законов управления процессом движения ЛА по ВПП на основе синергетического подхода с асимптотическими наблюдателями состояния поверхности ВПП, выполняющими функцию идентификации коэффициента сцепления в режиме функционирования ОУ, т.е. формирование управляющих стратегий в реальном масштабе времени (стр. 13-15).

               3. Процедура синергетического синтеза астатических законов управления торможением ЛА на Bl Il I. обеспечивающих стабилизацию значения проскальзывания тормозных колес и подавление неизмеряемого воздействия внешней среды (стр. 15-17).

               4. Процедура идентификации коэффициентов математической модели шасси по результатам летных испытаний самолета Бе-200ЧС-Е на основе искусственных нейронных сетей. включающая разработку алгоритма идентификации с применением ИНС и создание программного комплекса для реализации прикладной задачи идентификации (стр. 18-21).

               Практическая ценность работы. Полученные в диссертационном исследовании результаты создали теоретическую и методологическую основу для нового поколения систем управления движением летательных аппаратов по Bllll на этапе посадки в режиме торможения. Совмещенный синтез. опирающийся на синергетическую концепцию управления. стал базисом для разработки регуляторов нового типа. Такие регуляторы позволяют комплексно решать задачу управления движением ЛА на Bllll. одновременно обеспечивая управление траекторией движения ЛА. торможение ЛА с регулированием проскальзывания в заданном значении и наблюдение неизмеряемых возмущений (изменений коэффициента сцепления); а также позволяют обеспечить качественно новый уровень управляющих воздействий. исключающих циклические изменения тормозного момента (тормозного давления). характерные для существующих систем антиюзовой автоматики летательных аппаратов (импульсного. квазимодулирующего. а для мокрых ВПП - и полностью модулирующего типов).

               Разработанный алгоритм и программный комплекс для идентификации коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения на базе искусственных нейронных сетей позволяет исключить из программы сертификационных летных испытаний самолетов на загрязненных или покрытых осадками Bllll отказные ситуации для систем ЛА. представляющие повышенную сложность и опасность для экипажа. и заменить их математическим моделированием. Например. испытания на покрытой слякотью взлетно-посадочной полосе с отказавшим двигателем или с предельным боковым ветром. которые включены в нормативные документы и являются обязательными для сертификации ЛА.

               Реализация результатов работы. Научные и прикладные результаты. полученные в диссертационном исследовании. используются в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления (СиПУ) Южного федерального университета; применяются при разработке программного обеспечения для исследовательского пилотажного стенда в ОАО «Таганрогский авиационный научно-технический комплекс (ТАНТК) им. Г.М. Бериева».

               Результаты идентификации коэффициентов математической модели шасси самолета Бе-200ЧС-Е с использованием нейросетей также нашли практическое применение в ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева»: часть дорогостоящих сертификационных летных испытаний самолета Бе-200ЧС-Е на ВПП, покрытой осадками, а также испытания, представляющие повышенную сложность и опасность для экипажа (отказ двигателя на пробеге, предельный боковой ветер) были заменены численными исследованиями.

               Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V, VI, VIII Международных выставках и научных конференциях по гидроавиации «Гидроавиасалон-2004, 2008, 2010», Геленджик; на Международной научно-технической конференции «НОВЫЕ РУБЕЖИ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ» ASTEC'07, Москва, 19-22 августа 2007 г.; на 6-й и 7-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика - 2007, 2008», Москва, МАИ; на 5-й Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» 14-16 октября 2008 г., Санкт- Петербург; а также были представлены на Международных конференциях: 2^th, 3^th, 4^th, 5^th Chaotic Modeling and Simulation International Conference CHAOS 2009, 2010, 2011, 2012, Greece; 11th International Conference on Engineering Applications of Neural Networks, August 27^th-29^th, 2009, London, Great Britain; на Всероссийской конференции «Современные проблемы математического моделирования, супервычислений и информационных технологий» (СПМ и ИТ-2012), Таганрог, ТТИ ЮФУ, 25-29 июня 2012; на XI Всероссийской научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (КРЭС- 2012), Таганрог, ЮФУ, 24-26 октября 2012.

               Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 18 работах, включая 3 статьи в научных изданиях из списка ВАК, 15 публикаций в центральных журналах, трудах и материалах конференций.

               Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 158 страницах, содержит 124 рисунка и 3 таблицы.

               Похожие диссертации на Метод совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе в режиме посадки

               Методы и средства оптимизации режима посадки морского летательного аппаратаНебылов, Владимир Александрович

               

               Методы распознавания управляемых жордановых форм динамических систем и их декомпозиции на жордановы подсистемы в задачах синтеза квазиоптимальных по быстродействию законов управленияФан Нгуен Хай

               

               Управление положением телеуправляемого подводного аппарата в режиме совместного с носителем движенияЕгоров Сергей Александрович

               

               Релейно-линейное управление самонаведением летательного аппарата на маневрирующий объект при прогнозе его движенияЧан Нгок Куи

               

               Обслуживание пассажирских самолетов при заходе на посадку и пассажиров в аэропорту с помощью методов оптимизацииТин Пхон Чжо

               

               Методы синтеза самоорганизующихся систем, обладающих памятью счетного числа состояний Юдашкин Александр Анатольевич

               

               Методы синтеза и анализа проходимых автоматов в управлении технологическими процессами Рзун Ирина Геннадьевна

               

               Системный анализ и синтез методов проектирования центров обработки данных межрегионального оператора электросвязи (На примере ОАО "Центр Телеком") Лысаковский Виктор Алексеевич

               

               Синергетический метод синтеза нелинейных систем иерархического управления теплоэнергетическими процессами Лаптев Сергей Владимирович

               

               Разработка моделей и методов синтеза контролепригодных объектов с помощью генетических алгоритмов Капранов Сергей Николаевич