Введение к работе
Актуальность темы исследования
Постоянное совершенствование авиационных и ракетных силовых установок, повышение требований к качеству протекающих в них рабочих процессов, а также стремление увеличить на этой основе эффективность применения летательных аппаратов привело к созданию интегрированных систем автоматического управления полетом и тягой силовых установок.
Многолетние исследования отечественных ученых О. С. Гуревича, Ф. Д. Гольберга, Ю. М. Гусева, Б. Г. Ильясова, Т. С. Мартьяновой, C. А. Сиротина, Б. А. Черкасова, Ф. А. Шаймарданова, А. А. Шевякова, а также анализ программ ведущих авиационных фирм, связанных с отработкой новых концепций проектирования высокоэффективных систем автоматического управления, свидетельствуют о том, что интеграция управления основными элементами силовой установки приводит к увеличению тяги, уменьшению расхода топлива и, в целом, к повышению эффективности применения летательных аппаратов.
Необходимость рационального сочетания разнообразных целей функционирования интегрированных систем обуславливает формирование в их составе двух уровней управления: управление основными газодинамическими параметрами; управление комплексными показателями функционирования силовой установки - тягой, удельным импульсом, полетным КПД и т. д.
Возможность согласования в рамках интегрированной системы целей локальных подсистем исходя из глобальной цели функционирования всей системы создает предпосылки для устранения внутрисистемных конфликтов. Для этого используется разнообразный набор приемов и мер, которые принято называть принципами интеграции элементов бортового оборудования. Однако до сих пор не существует единой концепции, касающейся структурного и функционального состава согласующих устройств и методов синтеза алгоритмов их функционирования. С этой точки зрения наиболее перспективным направлением в интеграции систем автоматического управления полетом и тягой силовой установки летательного аппарата может служить принцип координирующего управления.
Кроме того, проблема обеспечения эффективности интегрированных систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов (САУ СУЛА) в условиях реальной эксплуатации связана с необходимостью сохранения заданных свойств при наличии неблагоприятных внешних и внутренних возмущений, которые приводят к существенным вариациям параметров объекта управления. Для предотвращения негативных ситуаций, когда управляющие воздействия, рассчитанные на некоторый номинальный режим работы системы, не обеспечивают желаемого качества управления во всем диапазоне изменения их характеристик, синтез систем управления целесообразно осуществлять в классе робастных систем, сохраняющих в условиях неопределенности требуемые свойства не ниже заданного уровня.
Отмеченные обстоятельства обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку методики синтеза интегрированных систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов на основе принципа робастной координации.
Степень разработанности темы
Важный вклад в развитие научного направления анализа и синтеза систем управления, обладающих свойством робастности, внесли исследования Б. Н. Петрова, А. И. Кухтенко, М. В. Меерова, Б. Т. Поляка, Н. К. Пылаева, Е. Н. Розенвассера, Е. М. Смагиной, В. Л. Харитонова, Ю. И. Шокина, П. С. Щербакова, Р. М. Юсупова, И. Б. Ядыкина, R. J. Evans, X. Xianya, S. D. Wang, R. W. Daniel, A. Konvaritakis. Тем не менее, большинство работ в этой области посвящено разработке методов анализа робастной устойчивости и в гораздо меньшей степени раскрываются вопросы синтеза робастных динамических систем непосредственно во временной области.
Цель работы состоит в повышении эффективности систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов за счет согласования взаимодействия локальных подсистем для обеспечения глобальных показателей функционирования всей системы в целом, а также за счет стабилизации достигнутого уровня согласования в условиях параметрических возмущений.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи.
-
Разработка метода синтеза робастного Я^-управления локальными подсистемами САУ СУЛА во временной области.
-
Разработка метода синтеза интегрированных САУ СУЛА на основе координации внутрисистемных взаимодействий.
-
Разработка метода синтеза робастного координатора, гарантирующего сохранение апериодического качества координирующего управления в заданном диапазоне изменения параметров подсистем.
-
Оценка эффективности разработанных методов синтеза на примере интегрированной системы автоматического управления силовой установкой летательного аппарата, включающей регулируемый воздухозаборник, турбореактивный двигатель и регулируемое реактивное сопло, с использованием программного комплекса, позволяющего автоматизировать основные процедуры, связанные с описанием динамических характеристик исследуемой системы в среде ортогональных функций экспоненциального вида.
Методология и методы исследования.
При решении поставленных задач использовались принципы и методы системного анализа, теорий линейных и нелинейных систем автоматического управления, линейной алгебры, функционального анализа, интервальной математики, компьютерного моделирования.
Объектом исследования являются системы автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов.
Предмет исследования: методики синтеза САУ СУЛА для повышения их эффективности за счет согласования взаимодействия локальных подсистем с целью обеспечения глобальных показателей функционирования всей системы в целом.
Положения, выносимые на защиту
-
-
Метод синтеза робастного H ж -управления локальными подсистемами
САУ СУЛА во временной области.
-
-
Метод синтеза интегрированных САУ СУЛА на основе координации внутрисистемных взаимодействий.
-
Метод синтеза робастного координатора, гарантирующий сохранение апериодического качества координирующего управления в заданном диапазоне изменения параметров подсистем.
-
Результаты оценки эффективности разработанных методов синтеза на примере интегрированной системы автоматического управления силовой установкой летательного аппарата, включающей регулируемый воздухозаборник, турбореактивный двигатель и регулируемое реактивное сопло, с использованием программного комплекса, позволяющего автоматизировать основные процедуры, связанные с описанием динамических характеристик исследуемой системы в среде ортогональных функций экспоненциального вида.
Научная новизна
-
-
-
Новизна метода синтеза робастного H ж -управления локальными подсистемами САУ СУЛА во временной области заключается в предложенном способе описания временных характеристик с помощью ортогональных рядов экспоненциального вида, интервальные оценки коэффициентов которых вычисляются непосредственно по исходным математическим моделям с использованием правил нестандартной арифметики Каухера.
-
Разработанный метод синтеза интегрированных САУ СУЛА на основе координации внутрисистемных взаимодействий, отличается тем, что координирующие воздействия обеспечивают перевод вектора переменных состояния в заданную область дискретного пространства за один такт управления.
-
Метод синтеза робастного координатора отличается тем, что за счет введения дополнительной структурной составляющей обеспечивается локализация полюсов замкнутой системы на заданном интервале вещественной оси комплексной плоскости, что гарантирует сохранение качества координирующего управления в заданном диапазоне изменения параметров системы.
-
Новизна синтезированной интегрированной системы автоматического управления силовой установкой летательного аппарата с ТРД заключается в том, что за счет согласованного управления воздухозаборником, частотой вращения ротора турбореактивного двигателя и регулируемым реактивным соплом достигается не только требуемый закон изменения тяги двигателя, но и минимизация расхода топлива.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.
1. Метод синтеза робастного H ж -управления локальными подсистемами САУ СУЛА во временной области позволяет повысить эффективность функционирования систем данного класса за счет сохранения заданных показателей качества управления газодинамическими параметрами во всем диапазоне условий полета, а также позволяет сократить время, затраченное на расчетно- теоретические работы за счет того, что при синтезе используются не косвенные показатели качества управления, а непосредственно диапазон изменения временных характеристик.
-
-
-
-
Предложенный метод синтеза интегрированных САУ СУЛА на основе координации внутрисистемных взаимодействий позволяет оценивать влияние газодинамических процессов в локальных подсистемах на эффективность протекания единого термодинамического цикла СУЛА и обеспечивает согласование взаимодействия этих подсистем, в результате чего увеличивается тяга, уменьшается удельный расход топлива, возрастает продолжительность жизненного цикла и улучшаются летно-технические характеристики летательного аппарата.
-
Метод синтеза робастного координатора, гарантирующий сохранение апериодического качества координирующего управления в заданном диапазоне изменения параметров подсистем, позволяет существенно снизить уровень неопределенности характеристик проектируемой системы, что обеспечивает расширение эксплуатационных режимов СУЛА.
-
Полученные в работе структурные схемы, законы и алгоритмы управления силовой установкой с ТРД обеспечивают заданную программу управления тягой за счет оптимального согласования динамических процессов в подсистемах управления воздухозаборником, турбореактивным двигателем и реактивным соплом, в результате чего требуемое качество управления тягой сохраняется при воздействии на основные элементы силовой установки внешних возмущений.
-
Разработанный программный модуль, зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2012615908 «Исследование системы управления в среде ортогональных функций экспоненциального вида»), позволяет автоматизировать основные процедуры, связанные с описанием динамических характеристик систем управления силовыми установками летательных аппаратов в среде ортогональных функций экспоненциального вида.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается актом внедрения в производственную деятельность УНПП «Молния» (г. Уфа).
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов и выводов обосновывается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы, справедливость которых общепризнанна, а также известный и корректный математический аппарат. Вводимые допущения мотивировались фактами, известными из практики. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена также соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:
-
XXXVIII Международной молодежной научной конференции «Гага- ринские чтения» (г. Москва, 10 - 14 апреля 2010 г.);
-
Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 21 - 24 марта 2011 г.)
- VI международной научно-практической конференции «Достижения ученых 21-го века» (г. Тамбов, 29 - 30 июля 2011 г.).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 10 работах, включая 5 статей в научных изданиях из списка ВАК, 4 публикации в центральных журналах, трудах и материалах конференций, 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Основное содержание работы изложено на 175 страницах машинописного текста, включая 16 рисунков и 13 таблиц. Библиографический список включает 129 наименований и занимает 12 страниц.
Похожие диссертации на Синтез интегрированных систем автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов на основе принципа робастной координации
-
-
-
-
-
-
-
