Введение к работе
Актуальность проблемы. В течение последних десятилетий перед конструкторами летательных аппаратов (ЛА), равно как перед создателями подводных, наземных и прочих видов транспорта, стоит серьёзная задача, связанная с необходимостью синтеза автопилотов для различных режимов работы машин. Автопилоты представляют собой векторные регуляторы, предназначенные для многоканального автоматического управления движущимся аппаратом без участия человека.
Особенно сложными представляются случаи, когда в роли объекта управления выступает аппарат нетрадиционной компоновки. Так, в сфере авиационных ЛА в последние годы идёт интенсивное освоение новых аэродинамических схем, имеющих отличное от общепринятого расположение аэродинамических поверхностей или их полное отсутствие, нестандартное размещение движителей, новые типы таковых. Сложность подобных проектов состоит в том, что существующие наработки по аппаратам классических компоновок малопригодны для анализа динамики новых типов ЛА, формирования математических моделей их пространственного движения, а значит, и синтеза управляющих алгоритмов. Более того, за счёт применения нестандартных схем могут появляться новые режимы работы, недоступные объектам классических типов компоновки – например, режимы вертикального движения и висения у вертикально взлетающих ЛА. Следовательно, в рамках решения вопроса управления аппаратами новых аэродинамических схем, в первую очередь, требуется создание новых математических моделей функционирования таких объектов в интересующих режимах.
Проблема синтеза векторных автопилотов для авиационных ЛА рассматривалась многими выдающимися учёными, которые внесли огромный вклад в её решение. Научной школой А.А. Красовского был развит метод аналитического конструирования автопилотов для разных классов летательных аппаратов с применением функционала обобщённой работы. Труды В.Н. Букова демонстрируют эффективное применение данного метода в сочетании с прогнозирующей моделью процесса управления. В последние годы в работах И.В. Мирошника, В.О. Никифорова, А.Л. Фрадкова были предложены подходы к адаптивному управлению пространственным движением.
Требования к динамическим свойствам авиационных объектов непрерывно возрастают: области применения различных ЛА очень широки, и часто приходится эксплуатировать эти машины в режимах, близких к критическим. Если вести речь о компактных вертикально взлетающих аппаратах нестандартных схем, предназначенных для военных целей, ликвидации последствий техногенных катастроф, эвакуации пострадавших, такими режимами могут быть:
маневрирование на сверхмалой высоте в условиях сложного рельефа местности;
зависание на строго заданной высоте и сохранение горизонтального положения при постоянно смещающемся центре тяжести ввиду перемещения людей и грузов в кабине;
проникновение в узкие пространства, посадка и взлёт внутри таковых.
При этом на объект могут действовать значительные ветровые возмущения.
Целью работы является разработка синергетического метода, предназначенного для аналитического синтеза законов векторного управления ЛА нестандартной схемы «летающая платформа» (ЛП) с целью балансировки его пространственного положения, то есть устранения крена в ту или иную сторону вне зависимости от смещений центра тяжести аппарата, а также ветровых возмущений.
Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
Формирование математических моделей ЛА типа ЛП в режиме вертикального движения (верхний уровень иерархии), а также его исполнительных органов (нижний уровень иерархии) и уравнений связи между верхним и нижним уровнями (средний уровень иерархии) с целью получения иерархической системы управления ЛП в выбранном режиме полёта.
Разработка метода синергетического синтеза общих законов векторного управления аппаратом в выбранном режиме (законов верхнего уровня).
Разработка метода синергетического синтеза частных законов координирующего управления силовыми установками, получающими энергию от источника ограниченной мощности (законов нижнего уровня).
Разработка процедуры синтеза законов иерархического управления аппаратом в выбранном режиме с динамическими наблюдателями внешних возмущений.
Разработка процедуры синтеза астатических законов иерархического управления аппаратом в выбранном режиме.
Компьютерное моделирование динамики синтезированной иерархической системы управления с учётом параметров конкретных технических объектов.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы динамики твёрдого тела, аэродинамики, современной нелинейной динамики, синергетической теории управления, методы формализации моделей механики, положения теории дифференциальных уравнений и методы математического моделирования динамических систем. Исследования динамических свойств синтезированных систем управления осуществлялись в пакете прикладных программ MatLab 7.0.1.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования полученных замкнутых систем управления движением ЛП.
Научная новизна результатов диссертации. Использование особенностей и подходов синергетической теории управления для синтеза стратегий управления нелинейной динамикой ЛА нестандартной аэродинамической схемы в интересующих режимах, а также нелинейной динамикой его исполнительных механизмов приведёт к появлению принципиально нового поколения регуляторов, пригодных для перспективных типов ЛА. Характерными чертами таких регуляторов будут:
учёт естественных свойств управляемых процессов, в том числе нелинейностей;
адаптивность к изменению внутренних параметров и действию внешних возмущений;
гибкость и оперативная перенастройка при изменении приоритетов поведения;
асимптотическая устойчивость движения в целом, а значит, эффективность в экстремальных режимах функционирования.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Структура иерархической системы управления: нелинейные математические модели ЛА типа ЛП в режиме вертикального движения (верхний уровень иерархии) и его исполнительных органов (нижний уровень иерархии), а также уравнения связи между ними (средний уровень иерархии);
Процедура синергетического синтеза алгоритмов управления динамикой ЛП в режиме вертикального движения, а также динамикой её исполнительных механизмов;
Процедура синергетического синтеза алгоритмов управления динамикой ЛП с асимптотическим наблюдателем внешних гармонических возмущений;
Процедура синергетического синтеза астатических алгоритмов управления динамикой ЛП.
Практическая ценность работы. Результаты исследований, выполненных в диссертации, позволят создавать новые классы ЛА нетрадиционных аэродинамических схем и оснащать их эффективными автопилотами, которые обеспечат асимптотическую устойчивость, грубость переходных процессов, инвариантность к внешним возмущениям.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в Городской общественной организации Благотворительном обществе научно-технического творчества и экологии «Ювенал» г. Таганрога при разработке нового класса лёгких многорежимных ЛА вертикального взлёта и посадки, а также в учебной программе кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета (ТТИ ЮФУ).
Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы демонстрировались на: 54-ой (2007 г.) и 56-ой (2009 г.) научно-технических конференциях ТТИ ЮФУ; научных семинарах кафедры синергетики и процессов управления ТТИ ЮФУ; Международных автосалонах «Автоформула – 2007» и «Автоформула – 2008»; VII межрегиональном экономическом форуме «Малый бизнес: инновации и развитие» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); Форуме молодых инженеров и учёных Дона (Ростов-на-Дону, 2009 г.); Московском открытом конкурсе по изобретательству среди молодёжи (второе место); Всероссийской выставке «Научно-техническое творчество молодёжи – 2009»; X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»; Международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям AIS’2010; 6-ой научной конференции «Управление и информационные технологии – 2010»; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (КомТех – 2011); 4-ой международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика – 2011».
Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 143 страницах, содержит 78 рисунков и 9 таблиц.
