Белоконь С.А. Разработка матмоделей, методов и средств исследования аэродинамики (2018) (1245245), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Модельреализована в системе MATLAB/Simulink с расширениями AerospaceToolbox и Aerospace Blockset.2. Корректность модельного представления объекта подтверждена сравнениеммодельных данных и результатов летных экспериментов.3. Модель использована для построения системы управления, исследованиядинамикилетательногоаппаратавразличныхвоздействии возмущений, подготовки операторов НПУ.44режимахполетаиГлава 3. Метод управления угловым положениемлетательного аппарата3.1 ВведениеОсобенностью динамики полета беспилотных летательных аппаратовявляютсявысокаянелинейность,сильнаязависимостьпродольногоипоперечного движения, высокая чувствительность к внешним возмущениям ипараметрической неопределенности [59 — 62].
Это накладывает определенныетребования к разрабатываемым для таких аппаратов системам автоматическогоуправления, которые должны обеспечивать безопасное и предсказуемоеповедение на всех этапах полета.При создании САУ для БПЛА остаются популярными простые ПИДрегуляторы [62, 63], особенно в коммерческих типовых автопилотах, таких какMicroPilot MP Series [64]. Этот метод не требует высоких вычислительныхмощностей, прост в реализации и настройке. Начав с пропорционального законарегулирования и добавляя интегральную и дифференциальную составляющие,разработчик может добиться нулевого установившегося рассогласования ибыстрого переходного процесса для ступенчатого входного воздействия.Настройка коэффициентов ПИД-регулятора может быть выполнена с помощьюмножества неэвристических методов.
Многие исследователи уделяют вниманиеразработке методов автоматической настройки и адаптации для определениякоэффициентов ПИД-регулятора.ПИД-регуляторы обладают рядом недостатков. Одним из них являетсяневозможность справиться с диапазоном режимов полета, который можетпотребоваться в большинстве нетривиальных профилей полета. Посколькуэффективность ПИД-регулятора уменьшается при удалении от расчетной точки,программное изменение коэффициентов усиления является общим подходом красширению применимости этого метода для всего диапазона режимов полета.45Другим недостатком ПИД-регулятора является то, что он не гарантируетдостаточной устойчивости при наличии параметрических неопределенностеймоделей [62].Разработке усовершенствованных методов управления полетом БПЛА впоследнее время уделяется пристальное внимание, но документации по этимисследованиям, которая могла бы использоваться в качестве справочногоруководства, очень мало [65].
Это связано с тем, что многие компании считаютрезультаты таких разработок интеллектуальной собственностью. Тем не менее,некоторые концепции и общие подходы к управлению, доступны для изучения ивнедрения.Автоматическое управление угловым положением самолета является однойиз основных задач, возникающих при пилотировании [66 — 70]. САУосуществляют управление путем воздействия на органы управления и созданияими необходимых управляющих сил и моментов. На самолёте необходимыеуправляющие силы и моменты создаются, в основном, за счёт изменения угловогоположения самолета относительно центра масс.
Однако в последние годыпоявилась тенденция использования управляющих органов, которые позволяютполучать эти силы и без изменения его угловых положений.Поэтому современные САУ строятся по иерархическому принципу. САУвключает внутренний (пилотажный или автопилотный) контур, управляющийдвижением ЛА вокруг его центра масс, и внешний (траекторный) контур,управляющий движением центра масс.
Пилотажный контур управляет такимипараметрами движения как перегрузки, углы атаки, крен, тангаж, а траекторный –курсом, высотой полета, отклонением от линии заданного пути и др.При автоматическом управлении угловым положением самолета приходитсярешать три взаимосвязанные задачи управления углами тангажа, крена ирыскания. Автопилоты могут быть выполнены в виде самостоятельных системили входить в состав САУ как ее «внутренний» контур управления.
Автопилотавтоматическиотклоняетрулевыеповерхности46для управленияугловымположением самолёта. В зависимости от числа каналов управления различаютдвухканальные (крена и тангажа) и трёхканальные (крена, тангажа, рыскания)автопилоты [59, 67].В работе [63] представлена система автоматического управления и навигациидлябеспилотноголетательногоаппаратаснеподвижнымкрыломсиспользованием недорогих микроэлектромеханических систем (МЭМС). САУимееттриконтура:стабилизации,управленияугловымположениемиотслеживания траектории.
В подсистемах стабилизации, управления ориентациейи продольной навигации используются традиционные линейные ПИД-алгоритмыдля достижения желаемого состояния БПЛА. Эффективность и практичностьиспользуемых методовподтверждена результатамилетных испытанийивыполнением геодезических исследовательских миссий.В статье [68] предлагается использование методики управления с помощьюсистем с переменной структурой для БПЛА. Система управления угловымположением состоит из внешнего контура контроля углов ориентации, ивнутреннего контура отслеживания желаемых угловых скоростей.
Контроллерразработан на основе метода нечеткого скользящего режима, который эффективноустраняет колебания. Результаты моделирования показывают, что предлагаемыйконтроллер точно задает требуемое пространственное положение ЛА, несмотря нанеопределенность параметров и внешние возмущения.В работе [59] решается задача автоматического управления угловымположением беспилотного летательного аппарата типа «летающее крыло».Разработка основана на использовании таких методов как backstepping [69],терминальный скользящий режим, адаптивное управление. Сочетание данныхметодов позволило построить эффективную, надежную и устойчивую систему.При малых скоростях полета эффективность управляющих поверхностейзначительно снижается.
Для эффективного управления угловым положением втаких режимах некоторые БПЛА используют управляемый вектор тяги. В [70]рассматривается подход к разработке нового оптимального метода управления для47таких аппаратов, основанного на автоматическом обобщении информации.Результаты моделирования подтверждают, что метод позволяет компенсироватьизменение эффективности управляющих поверхностей, а так же улучшаетсопротивляемость ветровым возмущающим воздействиям.Вработе[60]длясозданиясистемыавтоматическогоуправленияпространственным положением летательного аппарата с фиксированным крыломбыли объединены методы линеаризации обратной связи и адаптивного управленияс эталонной моделью.
Метод линеаризации обратной связи используется длялинеаризации и развязки сложной модели. Система адаптивного управления сэталонной моделью (MRAC) подавляет модельные неопределенности и обладаетбольшейустойчивостьюквозмущающимвоздействиям.Проведеноматематическое моделирование, полученные показатели качества управления,включая максимальное перерегулирование, время нарастания и длительностьпереходного процесса, сравнивались с аналогичными показателями, полученнымипри использовании ПИД-регуляторов.Возможность использования визуальной системы обнаружения горизонта дляуправления угловым положением летательного аппарата, стабилизации полета, атак же для выполнения экстремальных маневров продемонстрирована в работе[71].
Система устойчива к изменениям освещения, изменениям цвета иизменениям окружающей среды. Эффективность подтверждается результатамиматематического моделирования и летных испытаний.Схема контроллера пространственного положенияна основе адаптивнойверсии алгоритма супер-скручивания (Adaptive Super Twisting Control Algorithm)для беспилотных летательных аппаратов различного типа предложена в работах[72, 73]. Моделирование демонстрирует преимущество данной схемы в условияхзашумленных измерений, неопределенностей и внешних возмущений.Приведенный выше краткий обзор работ по системам автоматическогоуправления полетом БПЛА показывает необходимость создания и использованиясовременныхэффективныхалгоритмов48управленияугловымположениемлетательных аппаратов.
Далее в работе рассматривается предложенный методуправления угловым положением летательного аппарата на основе расчетапотребных моментов для организации вынужденного движения системы вдольжелаемой траектории в пространстве состояний [42]. Метод не требует высокихвычислительныхмощностейиможетбытьреализованвпилотажно-навигационном комплексе как часть системы автоматического управления инавигации.3.2 Системы координатПри движении летательного аппарата (ЛА) как твёрдого тела различаютпоступательное движение — движение центра масс аппарата относительно Землии вращательное движение — вращение аппарата вокруг его центра масс.
Приисследовании этих движений используются различные системы координат. Вдальнейшем мы будем использовать нормальную и связанную системы координат[57] для описания поступательного и вращательного движений соответственно.Нормальная система координатOX g Y g Z g- это подвижная системакоординат, начало O которой совпадает с центром масс летательного аппарата.Ось OY g направлена вверх по местной вертикали.
Плоскость OX g Z g являетсяместнойгоризонтальнойплоскостью,проходящейчерезточкуOперпендикулярно оси OY g . Оси OX g и OZ g параллельны осям O0 X 0 , O0 Z 0нормальной земной системы координат и образуют совместно с осью OX gпрямоугольную правую систему координат.Связанная система координат OXYZ - это подвижная система координат,начало O которой совпадает с центром масс летательного аппарата, а осиориентированы по главным осям инерции аппарата. Продольная осьOXрасположена в плоскости симметрии и направлена от хвостовой к носовой частилетательного аппарата. Поперечная ось49OZперпендикулярна плоскостисимметрии и направлена к правой части летательного аппарата. Ось OY лежит вплоскости симметрии и направлена к верхней части аппарата. Система OXYZ —прямоугольная правая система координат.Поскольку оси связанной системы координат неподвижны относительно ЛАи совпадают с его главными осями инерции, её положение относительнонормальной системы координат определяет параметры пространственногоположения ЛА в его вращательном движении относительно Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
