Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПОСАДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ 11
1.1. Общие сведения о системах посадки самолетов 11
1.2. Динамические характеристики пилота в контуре управления 15
1.3. Автоматизация процесса пилотирования 17
1.4. Радиотехнические системы посадки
1.4.1. Заход на посадку по оборудованию системы посадки 20
1.4.2. Заход на посадку по радиомаячной системе посадки 22
1.4.3. Заход на посадку по радиолокационной системе посадки 24
1.4.4. Применение светосигнальных индикаторов глиссады
1.5. Заход на посадку на различных типах летательных аппаратов 25
1.6. Автоматическое приземление 28
2. ОБОБЩЕННАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 29
2.1. Принципы выполнения посадки 29
2.2. Математическая модель продольного канала самолета 32
3. КРИТЕРИЙ БЕЗАВАРИЙНОЙ ПОСАДКИ САМОЛЕТА 38
3.1. Выбор показателей качества системы управления 38
3.2. Связь качества переходных процессов с критерием безаварийной посадки 41
3.3. Выбор номинальных параметров полета 49
3.4. Выводы по третьей главе 53
4. СИНТЕЗ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ САМОЛЕТА В ПРОДОЛЬНОМ КАНАЛЕ 54
4.1. Постановка задачи 54
4.2. Решение задачи синтеза закона управления для продольного канала самолета 55
4.2.1. Алгоритм синтеза закона управления 55
4.2.2. Результаты синтеза закона управления
4.3. Анализ и моделирование возмущающих воздействий 73
4.4. Выводы по четвертой главе 79
5. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ САМОЛЕТА С УЧЕТОМ ПРОГНОЗА КИЛЕВОЙ КАЧКИ КОРАБЛЯ 80
5.1. Обзор существующих методов и систем прогнозирования 80
5.1.1. Типы прогнозов 80
5.1.2. Прогнозирование как оценка состояния динамической системы. Теория фильтрации 85
5.1.3. Качественные показатели прогноза 86
5.1.3.1. Точность прогноза 86
5.1.3.2. Доверительность прогноза 87
5.1.3.3. Надежность прогноза 87
5.1.4. Выводы по обзорной части пятой главы диссертации 88
5.2. Расчет параметров системы прогнозирования 89
5.2.1. Выбор модели качки 89
5.2.2. Расчет модели качки 92
5.2.3. Анализ характеристик модели качки 94
5.2.4. Расчет дискретной модели качки 95
5.2.5. Расчет фильтра Калмана 96
5.2.6. Расчет фильтра Калмана для оценки модели качки 102
5.2.7. Анализ быстродействия фильтра Калмана 106
5.3. Прогнозирование 107
5.3.1. Расчет состояния системы в заданный момент времени на основании значения интервала дискретности 107
5.3.2. Алгоритм прогнозирования 108
5.3.3. Структурная схема прогнозирования 110
5.4. Анализ свойств системы прогнозирования 111
5.4.1. Статистический анализ системы прогнозирования 111
5.4.2. Результаты моделирования системы прогнозирования 1
5.5. Система автоматической посадки с учетом прогнозирования 120
5.6. Выводы по пятой главе 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
Введение к работе
Предмет исследований диссертационной работы построение систем управления летательными аппаратами при посадке на подвижное основание.
Стремление к созданию средств автоматизации управления полетом возникло вместе с зарождением авиации. Многие образцы самолетов раннего этапа развития авиации снабжались регуляторами прямого действия в виде маятников и флюгеров, воздействующих на руль высоты или другой орган управления продольным движением. Это было обусловлено плохой устойчивостью и управляемостью первых самолетов. Полет на этих аппаратах часто требовал виртуозной техники пилотирования и был опасным. Простейшие автоматы имели целью восполнить недостатки устойчивости и управляемости первых летательных аппаратов. Попытки создания средств автоматизации управления полетом в начальный период не сопровождалось достаточным анализом и расчетами и, чаще всего были неудачными.
Расширение диапазонов изменения параметров полета, увеличение скорости и максимальной высоты, невозможность достижения приемлемых летно-технических характеристик только за счет собственно конструкций современных летательных аппаратов, многофункциональность и всережимность, неуклонное повышение требований к точности управления создали условия, при которых современные перспективные пилотируемые летательные аппараты немыслимы без высокосовершенных систем автоматического управления. Автоматизируется управление всеми этапами полета, начиная взлетом и заканчивая приземлением, автоматизируется выполнение определенных последовательностей операций, определенных программ.
Расширение функционального назначения систем автоматического управления полетом сопровождается резким усложнением этих систем. Современные системы управления пилотируемых летательных аппаратов, как правило, являются многоканальными и многоконтурными, реализуют большое число алгоритмов управления, выполняют логические функции, обладают в той или иной мере самонастройкой или адаптивностью. Эти системы включают аналоговые и цифровые вычислительные устройства, используются бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ). На современные системы управления возлагаются функции управления не только в номинальных режимах, но и в определенных аварийных ситуациях. Системы, как правило, должны осуществлять самоконтроль, автоматическое отключение оказавших звеньев и обеспечивать высокий уровень надежности и безопасности.
Свойства пилотируемых летательных аппаратов как объектов автоматического управления также усложняются. Это вызвано возрастанием нестационарности и нелинейности характеристик, повышением размерности моделей. Все это делает проектирование современных систем управления летательных аппаратов сложной и трудоемкой задачей и требует привлечения последних достижений теории регулирования и вычислительной техники.
Снижение самолета перед заходом на посадку, предпосадочный маневр, заход на посадку, выравнивание и приземление составляют вместе с этапами взлета совокупность ответственных и напряженных этапов полета, на которые по мировой статистике до сих пор приходится значительный процент аварий и катастроф. На этих этапах происходят значительные изменения режимов полета (скорости, высоты, курса и др.), конфигурации самолета (выпуск закрылков, щитков, интерцепторов и т.д.), режимов работы двигателей. При этом экипаж должен наблюдать за показаниями большого количества приборов и на основе анализа этих показаний принимать решения и управлять самолетом, двигателями, системами. Увеличение посадочных скоростей, уменьшение размеров взлетно-посадочной полосы, быстротечность процессов, требования всепогодности посадки вызывают острую необходимость в совершенствовании систем управления движением самолета при посадке.
Обеспечение всепогодности функционирования имеет огромное значение, как для гражданской, так и военной авиации. Поэтому требование снижения минимума влияния погоды следует, по-видимому, поставить на первое место среди других требований, предъявляемых к современным системам посадки. Посадка самолета на борт авианосца обычно проводится в тяжелых метеоусловиях, при этом не только сам летательный аппарат подвержен различным стохастическим влияниям (ветер), но и платформа посадки (авианосец) перемещается случайным образом. При касании летательным аппаратом подвижного основания возможно возникновение высоких перегрузок, снижающих эксплутационные характеристики самолета и способных привести к его поломке. Для уменьшения перегрузок и их контроля на передний план выходит задача прогнозирования расчетной точки посадки самолета на подвижное основание.
В настоящее время существует множество различных методик прогнозирования. В тоже время задача прогнозирования с точки зрения теории управления является не совсем типовой и тривиальной, требует привлечения методик высшей математики, теории случайных процессов, теории фильтров. В самой теории управления методики долгосрочного прогнозирования практически отсутствуют.
Одной из задач работы был синтез алгоритма автоматической бортовой системы управления (АБСУ) летательным аппаратом, позволяющего совершать посадку при широком диапазоне скоростей - от 150 м/с до 80 м/с. Другая задача заключалась в возможности прогноза качки корабля на море для избежания перегрузок на конструкцию самолета и экипаж при посадке.
Диссертационная работа организована следующим образом:
В первой главе рассмотрены основные этапы автоматизации полета и параметры некоторых существующих систем посадки, а также приведены посадочные характеристики ряда самолетов отечественного производства.
Во второй главе посвящена общей постановке задачи для чего:
1. Осуществляется выбор математической модели летательного аппарата.
2. Задание траектории посадки (глиссады).
3. Выбор номинальных режимов полета и задание точностных показателей качества АБСУ. Показатели качества АБСУ были заданы в виде времени переходного процесса tn = 8,5 с и перерегулирования а = 40%. Также был задан диапазон изменения скорости посадки V = 80 150 м/с и по результатам анализа зависимости радиуса области расположения корней от изменения угла наклона траектории выбран номинальный угол наклона глиссады 90 = 4°.
В третьей главе формулируется критерий безаварийной посадки самолета, для чего вводится в рассмотрение вектор отклонений ССБ от номинальной глиссады в продольном канале:
AT(t) = [AH(t),AVy(t)],
где: АН - отклонение по высоте, AVy - отклонение по вертикальной скорости.
Для безаварийной посадки достаточно, чтобы отклонения по высоте и вертикальной скорости в момент касания взлетно-посадочной полосы не превышали бы соответственно ±1,25 ми + 1 м/с.
В четвертой главе рассматривается задача синтеза АБСУ по заданным показателям качества с учетом линеаризованной математической модели ССБ вход-состояние-выход при помощи алгоритма, предложенного в [10], где используется итерационная процедура поиска решений модифицированного уравнения Рикатти с последующим уменьшением желательного радиуса расположения корней замкнутой системы для чего в разделе 4.1 по методике, предложенной в [10] были выбраны номинальные параметры полета.
Также, для обеспечения минимальной вариации параметров самолета на заключительном этапе полета была предложена и опытным путем доказана целесообразность использования двух законов управления для различных участков полета. Представленные результаты подтвердили возможность синтеза стационарного закона управления для объекта управления с переменными параметрами при диапазоне изменения скоростей от 150 м/с до 80 м/с, что превосходит результаты, представленные в [3,49].
В разделе 4.4. рассматривалось влияние возмущений на АБСУ. Проведены анализ ветровых возмущений на соответствующих высотах и моделирование процессов в АБСУ на различных участках глиссады, подтвердившие работоспособность синтезированного закона управления и выполнения заданных показателей качества.
В пятой главе в отличие от работ [3, 49] и предыдущего раздела решается задача синтеза алгоритма автоматического управления посадкой ССБ с учетом прогноза килевой качки корабля для чего:
- был представлен обзор существующих методов и систем прогнозирования;
- приведены качественные показатели прогноза;
- проведен и обоснован выбор модели процесса килевой качки корабля;
- рассмотрен алгоритм прогноза на основе фильтра Калмана и отмечены достоинства приведенного метода.
Исходными данными для расчета прогнозирующего устройства служат параметры качки, длительность 1 такта бортовой ЭВМ, требуемый интервал прогнозирования, информационный сигнал качки. Измерительное устройство, не входящее непосредственно в систему прогнозирования выдает оценку таких параметров текущего процесса качки, как период качки, амплитуда и коэффициент затухания. На основании этих параметров строится модель качки и в соответствии с нею оптимальный фильтр Калмана. Далее полученный фильтр применяется к информационному сигналу процесса качки. Спустя некоторый интервал сходимости фильтра последний выдает оптимальную в смысле минимума дисперсии ошибки оценку текущего состояния процесса качки. Далее на основании заданного интервала прогнозирования и длительности такта бортовой ЭВМ определяется матрица состояния качки в заданный момент времени. По найденной матрице состояния и текущей оценке качки находится непосредственно прогноз качки в заданный момент времени в будущем.
Был проведен анализ качества прогноза на основе известных характеристик как в виде ошибки прогноза, так и на основе математического ожидания ошибки прогнозирования. По результатам анализа были сделаны следующие выводы: - доверительный интервал прогнозирования составляет 5 с, что согласуется со значением периода корреляции случайного процесса;
- увеличить доверительный интервал прогнозирования можно за счет увеличения периода корреляции, т.е. за счет уменьшения частоты исходной модели качки.
Была обоснована целесообразность модификации глиссады и рассчитаны экстремальные вариации значения корректировочного угла наклона глиссады на участке корректировки по прогнозу. Моделирование еще раз доказало, что для синтеза законов управления номинальные значения скорости полета и угла наклона глиссады были выбраны верно и рассчитанные экстремальные вариации угла наклона траектории не оказывают существенного влияния на выполнение требуемых показателей качества и, как следствие, критерия безаварийной посадки.
