Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно современным мировоззренческим представлениям, весь мир представляет собой сложную структуру, состоящую из огромного количества развивающихся подсистем и систем различных классов. Развитие науки и техники влечет за собой возникновение все более сложных структур, которые динамически взаимодействуют друг с другом, обмениваясь энергией, веществом и информацией.
Одним из ярких примеров сложных структур является система автоматического управления движением летательного аппарата (ЛА). В настоящее время существует огромное множество автопилотов различных классов, однако проблема синтеза высокоточных и быстродействующих регуляторов остается одной из актуальнейших задач теории и практики управления пространственным движением ЛА.
Существенный вклад в развитие теории и практики методов управления пространственным движением ЛА был сделан рядом ведущих ученых как в России, так и за рубежом. Так, постановка задачи Летова-Калмана была проиллюстрирована конструктивными результатами и привела к большому числу работ по синтезу регуляторов для объектов различных классов, в том числе и для ЛА. В ряде работ подобная задача расширена для нелинейных объектов. Задачи пространственной ориентации, в нелинейной постановке, успешно решены в рамках метода обратных задач динамики. Алгоритмы, синтезированные на основе данного метода, имеют нетрадиционные структуры и придают системам естественные свойства адаптивности – слабой чувствительности к измерению параметров и возмущающим силам. Научной школой А.А. Красовского были развиты методы аналитического конструирования автопилотов для разных классов летательных аппаратов 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 и др., где, в частности, предложены методы адаптивного управления пространственным движением ЛА.
Все возрастающий интерес к системам управления сложными многомерными структурами обусловлен, прежде всего, проблемой синтеза многосвязных объектов, усложнением технологических структур систем подобного класса, а так же повышением требований к качеству функционирования таких систем.
Разрабатываемые ранее системы автоматического управления ЛА различных классов назначения не исследовали сложные объекты в виде структур, помогающих представить исходную систему в виде совокупности иерархически расположенных взаимодействующих подсистем. Однако, чем сложнее объект, тем выше порядок уравнений, описывающих его поведение. Порой количество этих уравнений настолько огромно, что синтез законов управления известными методами становится практически невозможным. Что удивительно, «проклятие размерности», на которое сетовал еще Р. Беллман, не является проблемой для природных систем, несмотря на всю сложность организации протекающих в них процессов. Очевидно, что в антропогенных системах должен так же существовать подход, при котором высокая размерность объекта управления будет рассматриваться скорее как достоинство, чем недостаток. В связи с этим, одним из самых эффективных методов преодоления «проклятие размерности», является принцип иерхаризации, согласно которому каждая сложная система может быть представлена в виде совокупности локальных систем, которые находятся в тесном взаимодействии друг с другом. Каждая из таких систем может содержать внутри себя несколько уровней иерархии, причем, поступающая на верхний уровень информация, конкретизируется на нижнем.
Мощным витком в развитии задач анализа и синтеза систем управления такими сложными объектами как ЛА, стала концепция синергетической теории управления (СТУ), разработанная и развиваемая школой А.А. Колесникова. Базовым методом данной теории является метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), который позволяет рассматривать полные нелинейные модели объектов, не требуя упрощений и линеаризации. Использование синергетического подхода позволяет разрабатывать принципиально новые астатические нелинейные регуляторы, обеспечивающие асимптотическую устойчивость объектов управления, робастность к изменению нагрузки, а также инвариантность к внешним возмущениям.
Таким образом, тема диссертации – разработка синергетического метода синтеза иерархического управления движением ЛА общего назначения является актуальной.
Целью работы является разработка прикладного метода синергетического синтеза иерархических систем управления летательными аппаратами – аналитическое конструирование законов иерархического управления пространственным движением ЛА, учитывающих их естественные динамические свойства на всех уровнях иерархии.
Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решена следующая совокупность основных задач.
-
Структурирована исходная модель поведения ЛА в виде иерархически упорядоченных взаимодействующих подсистем.
-
Сформулированы принципы формирования совокупности целей и их иерархического структурирования в соответствии со сформированной многоуровневой организацией.
-
Разработан астатический нелинейный регулятор для подсистемы нижнего уровня, обеспечивающий асимптотическую устойчивость рулевого привода, робастность к изменению коэффициента шарнирной нагрузки, а также инвариантность к внешним возмущениям.
-
Разработана общая процедура синтеза законов иерархического управления для выбранного ЛА.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования, аэродинамики, современной нелинейной динамики, синергетической теории управления, теории дифференциальных уравнений, а так же прикладная теория и методы синергетического синтеза иерархических систем управления. При проведении этапов синтеза и моделировании использовались прикладные математические пакеты Maple и MatLab.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования иерархических систем.
Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, характеризующиеся научной новизной.
-
Процедура иерархического синтеза систем управления летательными аппаратами.
-
Синергетический синтез стратегий управления основными типами исполнительных устройств.
-
Процедура синтеза синергетических законов иерархического управления пространственным движением ЛА.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют приступить к непосредственной практической реализации иерархической системы управления пространственным движением летательных аппаратов различных классов назначения.
Реализация результатов. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в ООО "КБ "СПЕКТР - АЭРО" при разработке нового пилотажно-навигационного комплекса, а также в учебном процессе кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета (ТТИ ЮФУ).
Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика (ССПС–2009), г. Пятигорск; Неделя науки-2008 , г. Таганрог; Всероссийской НТК с международным участием: “Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении” (КомТех-2009) г. Таганрог; 3-ей Мультиконференции по проблемам управления, г. Таганрог; Acta Avionica, Volume XI, Slovac Republic, 2009; International Conference, 1 - 4 June 2010 Chania Crete Greece; 4th Chaotic Modeling and Simulation International Conference in Agios Nikolaos, Crete, Greece, May 31-June 3, 2011 (CHAOS 2011); 4-й Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика (ССПС – 2011) г. Пятигорск.
Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 138 наименований, и двух приложений. Содержание диссертации изложено на 146 страницах и содержит 55 рисунков и 2 таблицы.
