Введение к работе
Актуальность темы. Анализ существующих и перспективных систем управления техникой в промышленности и в оборонных областях показывает, что в настоящее время прослеживается тенденция активного применения роботизированных систем и их комплексов, при этом особенно выделяются малоразмерные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) наземного и корабельного базирования. Широкое применение беспилотных летательных аппаратов стало обычной практикой последнего десятилетия.
Безопасное и эффективное применение беспилотных летательных аппаратов, как в военных, так и мирных условиях, связано с разработкой автономных систем управления, действующих без участия оператора в случае частичной потери работоспособности. Основным направлением в этой области является повышение интеллектуализации роботов и обеспечения возможности их самодиагностики для принятия решения с учетом поставленных целей и уровня повреждений.
Таким образом, представляется весьма актуальным проведение исследований, направленных на создание систем управления, обеспечивающих безопасное продолжение функционирования при повреждениях несущих и рулевых поверхностей БПЛА и отказах элементов системы управления. Подтверждением объективной возможности решения задачи обеспечения функциональной устойчивости систем управления к отказам и повреждениям являются выполненные в ВВИА, ЦАГИ, НИИ АС, других научно-исследовательских и испытательных учреждениях обширные исследования по оценке изменения характеристик к устойчивости и управляемости.
Обеспечению требуемых характеристик устойчивости и управляемости летательных аппаратов, при повреждениях и отказах, посвящен цикл работ, выполненных: Коноплевым Ю.К., Шабалиным В.А., Воробьевым В.В, Рякиным А.В., Третьяковым А.В., Косьянчуком В.Ю.. В этих работах доказано, что повреждение или полный отказ отдельных органов управления может только снизить эффективность системы управления, если их функции берут на себя оставшиеся исправные органы управления.
Алгоритм реконфигурации СУ при повреждениях и отказах требует знания фактических параметров поврежденного ЛА. Попытка решать эту задачу, считая каждый динамический параметр независимым, приводит к системе высокой размерности. Это осложняет решение задачи идентификации параметров объекта и затрудняет практическую реализацию алгоритма.
В этой связи разработка методов и алгоритмов обеспечения функциональной устойчивости и живучести системы управления поврежденного БПЛА, является актуальной проблемой. Предлагаемые в данной работе методы и алгоритмы обеспечения живучести, используют результаты теории синтеза адаптивных систем управления.
Для решения этой проблемы предлагается использовать понятие живучести. Поврежденный объект управления, обладающий свойством живучести, продолжает функционировать в ограниченной области возможных классов решаемых задач.
Понятие живучесть системы управления связано со свойством самовосстановления, надёжностью, искусственным интеллектом и т.д..
Здесь выбрано направление живучести системы управления, как свойства системы сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций в заданном объеме и в течение заданной наработки при изменении параметров (структуры) системы и (или) алгоритмов и условий ее функционирования вследствие неблагоприятных воздействий (непредусмотренных регламентом нормальной работы).
Для обеспечения свойств живучести предлагается разработать новые алгоритмы адаптации и трансформации системы управления (самовосстановления), устойчиво работающие в экстремальных условиях, а также в широком диапазоне изменений параметров (структуры) самого объекта и внешней среды.
Адаптивные методы управления интенсивно изучались и им посвящено большое количество публикаций. Широкую известность в этой области получили результаты В.Ю. Рутковского, Б.Н. Петрова, Я.З. Цыпкина, А.Л. Фрадкова, Г. Гуд-вина, С.Д. Землякова, Ж. Ландо, П. Паркса, Дж. Саридиса, В.Н. Фомина, В.А. Якубовича и их учеников. Разработано значительное число методов адаптации, на основе которых получены разнообразные алгоритмы управления. В связи с бурным развитием микроконтроллеров, вычислительные затраты уже не являются серьез-
ным препятствием к применению сложных методов управления Адаптивные регуляторы обладают большой надежностью и устойчивостью в работе, способностью компенсировать разного рода нарушения. Регулятор, обеспечивающий устойчивость замкнутой системы, адаптивен в некотором классе объектов для естественно сформулированной цели управления. Этот класс, однако, достаточно узок.
Одной из задач ставиться расширить класс адаптивных систем управления. В основе метода лежит трансформация множества моделей, учитывающих существенные изменения параметров и структуры.
Для реализации управления БПЛА, обладающими запасом живучести, необходимы интеллектуальные системы управления. Основой этих систем является наличие режимов принятия решения на основе логической обработки данных. Такая интеллектуальная система управления обеспечивает автономный режим управления БПЛА.
Проблема создания или синтеза интеллектуальных систем управления, функционирующих в случае частичной потери работоспособности, сегодня не решена. В подавляющем большинстве БПЛА, управляются оператором вручную с помощью дистанционных систем управления.
Соединение адаптивных методов с методами оптимального управления, вычислительными методами синтеза интеллектуальных, логико-функциональных систем управления дают новые возможности для синтеза перспективных интегрированных систем управления.
Логико-функциональная система управления включает две подсистемы. Первая подсистема обеспечивает управления в виде непрерывных управляющих воздействий на объект для достижения поставленной цели и обеспечения качества управления. Данную подсистему называем функциональной и, как правило, она реализуется в виде регуляторов с обратной связью или блоков управления, которые работают под сигналом, определяющим состояния объекта. Вторая подсистема обеспечивает режим принятия решения или выбора. Данную подсистему называем логической и, как правило, она реализуется на основе множества логических операций. Логическая подсистема реализует структурную перестройку системы управления.
Логико-функциональные системы управления входят в состав интеллектуальных систем управления, которые имеют широкое применение в робототехнике. Интеллектуальные системы управления должны обязательно включать систему принятия решений, которая, как правило, реализуется в виде логических функций. Научные и технические методы создания этих систем управления сегодня находятся в стадии развития и ей посвящены работы российских ученых (Васильева С.Н., Макарова И.М., Осипова Г.С., Пупкова К.А и др.). Но, несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию интеллектуальных систем управления, проблема синтеза интеллектуальных или логико-функциональных систем управления сегодня не решена. В настоящее время появилась возможность построить вычислительные методы решения проблемы синтеза управления на основе последних достижений в области алгоритмизации и программирования. К таким достижениям следует отнести, прежде всего, методы обеспечивающие возможности поиска структуры и параметров математического выражения с помощью компьютера. Достаточно перспективным направлением является метод сетевого оператора (Дивеев А.И. и др.). На основе данного подхода были разработаны численные методы синтеза систем управления. Он также позволяет конструировать алгоритмы поиска логических функций. Данная методология не использовалась для синтеза интеллектуальных систем управления. В настоящей работе предпринята попытка исследовать применимость данного метода для синтеза интеллектуальных адаптивных систем управления с трансформацией.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является решение актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке методов обеспечения функциональной устойчивости и живучести системы управления БШІА и применения полученных результатов для создания систем управления БПЛА нового поколения, обладающих необходимым запасом живучести.
При проектировании нового поколения систем управления БПЛА и на этапе своего создания они должны будут тестироваться в программных комплексах, учитывающих всевозможные случаи их применения и использования множества моделей трансформаций при повреждениях, что в конечном итоге, должно поменять в целом облик БПЛА.
Объект исследования: Системы управления БПЛА, обладающие свойством живучести.
Предмет исследования: Разработка методов и алгоритмов обеспечения живучести системы управления БПЛА, функционирующих в агрессивных условиях внешней среды.
Основная задача исследования: Разработать научные подходы, методы, модели, алгоритмы и вычислительные процедуры обеспечения функциональной устойчивости и живучести системы управления поврежденного БПЛА.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Проведен анализ тенденций развития исследований по созданию перспек
тивных систем управления.
-
Выполнена концептуальная и формальная постановка научной проблемы живучести системы управления поврежденного БПЛА и сформулированы основные принципы построения адаптивного координатно-параметрического управления с эталонной подстраиваемой моделью.
-
Разработаны методы и алгоритмы адаптации системы управления с трансформацией.
-
Обосновано применение метода прямой оптимизации траектории движения поврежденного БПЛА с учетом оптимального расходования сохранившихся ресурсов системы управления.
-
Разработана структура логико-функциональной системы управления с трансформацией, обеспечивающая последовательное достижение целей с оптимальными значениями критериев качества.
Методы исследования. При разработке моделей, методов, алгоритмов и вычислительных процедур обеспечения функциональной устойчивости и живучести системы управления поврежденного БПЛА в работе использовались методы системного анализа, теории информации, теории управления, имитационного моделирования, оптимального управления, теории графов, теории алгоритмов.
Научная новизна работы
Научная новизна решения проблемы заключается:
-
В разработке новых подходов, расширяющих класс адаптивных систем управления, методов и алгоритмов адаптации системы управления поврежденного БПЛА.
-
В разработке метода и алгоритма адаптации системы управления с трансформацией.
-
В разработке подходов к построению метода и алгоритма оптимизации траектории движения поврежденного БПЛА с учетом сохранившихся ресурсов системы управления.
-
В разработке вычислительного метода синтеза логико-функциональной системы управления с трансформацией на основе арифметического и логического сетевых операторов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Научные результаты, подходы и алгоритмы, полученные в процессе выполнения диссертационного исследования, использовались в СЧ НИР, шифр «Экспеди-ция-2020-ВЦ», а также используются в опытно конструкторских разработках перспективных систем управления БПЛА.
Практическая ценность результатов заключается в том, что разработанный вычислительный метод синтеза и построения логико-функциональных систем управления БПЛА позволит обеспечить их применение с высокой живучестью и функциональной эффективностью.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, формулировке и постановке основных задач, проведении теоретического анализа живучести системы управления, экспериментальных исследованиях и интерпретации полученных результатов, а также в разработке алгоритмического и программного обеспечения для решения сформулированных задач.
Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Интерпретация научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций в равных долях, которым автор благодарен за плодотворную совместную работу.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Методы и алгоритмы обеспечения живучести, функциональной устойчивости системы управления БПЛА.
-
Метод и алгоритм адаптации СУ с переменной структурой, обеспечивающий выбор наиболее адекватной модели повреждения СУ из используемого множества. Понятие «трансформация СУ».
-
Метод оптимизации траектории движения поврежденного БПЛА с учетом сохранившихся ресурсов системы управления.
-
Вычислительный метод синтеза и построения логико-функциональных систем управления БПЛА с трансформацией. Методы моделирования процессов управления БПЛА, функционирующих в условиях неопределенности.
Апробация работы.
- на Всероссийской научной конференции «Проблемы повышения эффектив-
ности функционирования и развития транспорта». Доклад: «Статистическое оценивание параметров безопасности и надежности транспортных систем по ограниченной исходной информации», г. Москва. РАН. 1 - 4 октября 2002 г. С. 3-5.
- на 5 Международной научно-технической конференции «Чкаловские чте-
ния». Доклад: «О корректировках межремонтных ресурсов стареющих агрегатов авиационных систем», г. Егорьевск, 4 — 6 февраля 2004 г. ЕАТК ГА, 2004. С. 150.
- на IX Международной научно-практической конференции: «Информатизация
и информационная безопасность правоохранительных органов». Доклад: «Автоматизация системы управления беспилотным летательным аппаратом». Москва. 25 мая -26 мая 2010. Академии управления МВД России. С. 474-478.
- на Международной научной конференции, посвященной 50-летию первого
космонавта Ю.А. Гагарина в космос. 20-23 апреля 2011 г. Звездный городок на тему: «Интеллектуальная система обеспечения живучести и управления беспилотным летательным аппаратом». Сб. науч. ст. Ф 94 Вып. 3. Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН. С.430-432.
- на семинаре отдела нелинейного анализа и проблем безопасности, Федераль-
ного государственного бюджетного учреждения науки Вычислительного центра им. А.А. Дородницына Российской академии. Доклад: «Живучесть
системы управления беспилотных летательных аппаратов», г. Москва 14 мая 2013 г.
- на Международном симпозиуме «Надежность и качество», посвященный 350-
летию г. Пензы и 70-летию ПГУ. Доклад: «Влияние нерегулярного морского волнения на безопасность движения противокорабельной ракеты вблизи поверхности раздела сред». Труды Международного симпозиума Надежность и качество 2013. Пенза. 27 мая -03 июня 2013. С. 217-219.
- на XV Международной научно-практической конференции: «Проблемы и
перспективы противодействия современным угрозам безопасности личности, общества и государства». Доклад: «Управление состоянием готовности аэромобильного комплекса специального назначения к отражению угрозы». Москва. Академии управления МВД России. 21 ноября 2013 г. С. 182-186. Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на экспериментальном подтверждении эффективности предложенных положений, а так же на успешной апробации.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 34 печатных работах (18,56 п.л.), в том числе 20 работ (9,44 п.л.) - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав основного материала, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 315 страниц машинописного текста, включая 39 рисунков и 10 таблиц. Библиографический список содержит 149 наименований.
Похожие диссертации на Живучесть системы управления беспилотного летательного аппарата
