Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Линия 11 реализует уравнение(6.31), а линии 12—13 реализуют уравнение (6.32).Потенциальная проблема при непосредственном использовании ПИДконтроллеров состоит в интегральном насыщении. Когда невязка yc y большая и сохраняется продолжительный период времени, то сигнал интегратора,подобный вычисленному в линии 11, может стать большим или перейти в состояние насыщения. Большой сигнал интегратора может привести к появлению u, подобно вычисленному в линии 15—20, что приведет к насыщению,которое заставит «толкнуть» систему с максимальным усилием в направление,необходимое для корректировки невязки. Поскольку сигнал интегратора будетпродолжать насыщаться, пока невязка не изменит знак, то управляющий сигнал может не выйти из насыщения до тех пор, пока не пройдет некоторое время после изменения знака невязки, что может вызвать избыточный отклик наступенчатое воздействие и потенциально дестабилизировать систему.Поскольку насыщение интегратора может дестабилизировать контурыуправления автопилота, важно, чтобы каждый контур имел схему, препятствующую насыщению.
Можно использовать целый ряд различных схем, препятствующих насыщению. Особенно простая схема, которая показана в линиях22—25, основана на вычитании из сигнала интегратора в точности той величины, которая необходима для удержания u на границе насыщения. В частности,пустьu Ненасыщ.= k p e + kd D + ki I -6.6. Краткое содержание главы129обозначает ненасыщенный уровень управляющего сигнала перед корректировкой сигнала интегратора, когда I — значение сигнала интегратора передвключением схемы, препятствующей насыщению, и пусть+u Ненасыщ.= k p e + kd D + ki I +обозначает ненасыщенный сигнал управления после поправки сигнала интегратора, гдеI+ = I + DI,а DI является поправкой.
Цель — найти такое DI, чтобы u+Ненасыщ. = u, где u —величина управляющего сигнала после наложения задающего воздействия,приводящего в насыщение. Отметим, что+u Ненасыщ.= u Ненасыщ.+ k i DI ,и можно разрешить это соотношение относительно DI:DI =1(u - u Ненасыщ.).kiУмножение на Ts в линии 24 производится для учета использования дискретизированных данных.6.6. Êðàòêîå ñîäåðæàíèå ãëàâûВ этой главе использовался метод последовательного замыкания контура дляразработки автопилотов продольного и бокового движений для МБЛА.
Автопилот бокового движения включает контур стабилизации по крену в качествевнутреннего контура и контур выдерживания курсового угла в качестве наружного. Автопилот продольного движения более сложный и зависит от высотнойзоны. Контур стабилизации по углу тангажа используется в качестве внутреннего контура в каждой из зон. В зоне взлета МБЛА предоставляют полностьюоткрытую заслонку двигателя, и МБЛА при этом регулируется для поддержания при взлете фиксированным угол тангажа. В зоне набора высоты МБЛАтакже предоставляют полностью открытую заслонку, а воздушная скорость регулируется контуром автопилота удержания воздушной скорости с помощьюугла тангажа.
Зона снижения аналогична зоне набора высоты, за исключениемтого, что МБЛА дают минимальное открытие заслонки двигателя. В зоне удержания высота регулируется с помощью контура автопилота удержания высотыс помощью тангажа, а воздушная скорость регулируется с помощью контурарегулирования воздушной скорости с помощью дроссельной заслонки.130Глава 6. Проектирование автопилота, используя последовательные замыканияконтура обратной связи6.6.1.
Èòîãè ïðîöåññà ïðîåêòèðîâàíèÿ àâòîïèëîòàáîêîâîãî äâèæåíèÿВходные параметры. Коэффициенты передаточной функции a j1 и a j2 , номинальная воздушная скорость Va, предельное отклонение элеронов d maxa .Настраиваемые параметры. Предельный угол крена fmax, коэффициенты затухания zf и zc, коэффициент усиления k i j интегратора управления креном,разделитель полосы пропускания Wc > 1, где wn j = Wxwn c .Расчет собственных частот.
Расчет собственной частоты внутреннего контура wnf с использованием уравнения (6.8) и собственной частоты внешнегоконтура с использованием wn c = wn j /Wc.Расчет коэффициентов усиления. Расчет коэффициентов усиления k pj , k dj ,k pc и k i c с использованием уравнений (6.7), (6.9), (6.12) и (6.13).6.6.2. Èòîãè ïðîöåññà ïðîåêòèðîâàíèÿ àâòîïèëîòàïðîäîëüíîãî äâèæåíèÿВходные параметры. Коэффициенты передаточной функции a q1 , a q2 , a q3 , aV1 иaV2 ; номинальная воздушная скорость Va и предельное отклонение руля высоты d max.eНастраиваемые параметры. Предельный угол тангажа eqmax ; коэффициентызатухания zq, zh, zV и xV2 ; частота собственных колебаний wnV и разделение полосы пропускания для контура регулирования высоты Wh и для контура регулирования воздушной скорости углом тангажа WV2 .Расчет собственных частот.
Расчет собственной частоты контура тангажа wn qс использованием уравнения (6.21). Расчет собственной частоты контура регулирования высоты с использованием соотношения wn h = wn q /Wh и контура воздушной скорости, использующей воздействия на угол тангажа, wnV 2 = wn q /WV2 .Расчет коэффициентов усиления. Расчет коэффициентов усиления kpq и k dq сиспользованием уравнение (6.22). Расчет коэффициента усиления по постоянному току контура тангажа с использованием уравнения (6.23). Расчет kph и k i h сиспользованием уравнений (6.25) и (6.24).
Расчет коэффициентов усиленияkpV 2 и k iV 2 с использованием уравнений (6.28) и (6.27). Расчет коэффициентовусиления kpV и k iV с использованием уравнений (6.30) и (6.29).Замечания и ссылкиЧасти процесса проектирования, которые вкратце были описаны в этойглаве, можно найти в [29]. Аналогичные методы, использующие корневой годограф, приводятся в [1, 2, 5, 6].
Стандартный метод цифровой реализацииПИД-контроллеров приведен в [28]. Простые схемы, препятствующие насыщению, описываются в [28, 30].6.7. Опытно-конструкторская разработка1316.7. Îïûòíî-êîíñòðóêòîðñêàÿ ðàçðàáîòêàВ этом задании используются упрощенные модели проектирования для настройки коэффициентов усиления ПИД-контуров для бокового и продольногоавтопилота.
Для этого необходимо будет создать с помощью Simulink некоторые вспомогательные модели, которые реализуют модели проектирования.Конечным шагом будет внедрение контуров управления в полной имитационной модели. Модели Simulink, которые помогут в этом процессе, содержатсяна веб-сайте этого учебника.6.1.
Разработайте сценарий Matlab, который бы рассчитывал коэффициенты усиления для контура стабилизации угла крена. Допустим, что максимальное отклонение элерона составляет d max= 45 градусов, предел насыщения доamaxстигается для величины ступеньки f= 15 градусов, а номинальнаявоздушная скорость Va = 10 м/с. Воспользуйтесь файлом Simulink roll_loop.mdlна веб-сайте для настройки значений zf и k i j , чтобы получить приемлемые рабочие характеристики.6.2. Дополните свой сценарий Matlab для расчетов коэффициентов усиления контура выдерживания курса. Файл Simulink course_loop.mdl реализуетконтур удержания курса с помощью контура стабилизации угла крена, используемого в качестве внутреннего контура. Настройте разделение полосы пропускания и коэффициент затухания zc для получения приемлемых рабочих характеристик для ступенчатых входных сигналов при курсовом угле в 25градусов.6.3.
Дополните свой сценарий Matlab для расчетов коэффициентов усиления контура стабилизации бокового скольжения. Воспользуйтесь моделью Simulink sideslip_loop.mdl на веб-сайте для настройки значения zв.6.4. Дополните свой сценарий Matlab для расчетов коэффициентов усиления контура выдерживания угла тангажа. Допустим, что максимальное отклонение элерона составляет d max= 45 градусов и что предел насыщения достигаeется для размера ступеньки eqmax = 10 градусов. Воспользуйтесь файломpitch_loop.mdl Simulink на веб-сайте для настройки значения zq.6.5.
Дополните свой сценарий Matlab расчетом коэффициентов усиленияконтура выдерживания высоты полета, используя в качестве входных данныхугол тангажа. Воспользуйтесь моделью Simulink altitude_from_pitch_loop.mdlна веб-сайте для настройки значения zh и разделения полосы пропускания.6.6. Дополните свой сценарий Matlab для расчетов коэффициентов усиленияконтура удержания воздушной скорости, используя в качестве входных данныхугол тангажа. Воспользуйтесь моделью Simulink airspeed_from_pitch_loop.mdl навеб-сайте для настройки значения z и разделения полосы пропускания.132Глава 6. Проектирование автопилота, используя последовательные замыканияконтура обратной связи6.7.
Дополните свой сценарий Matlab для расчетов коэффициентов усиления контура удержания воздушной скорости, используя в качестве входныхданных величину открытия заслонки двигателя. Воспользуйтесь моделью Simulink airspeed_from_throttle_loop.mdl на веб-сайте для настройки значения zи wn.6.8.
Завершающим этапом проектирования является реализация автопилотов бокового и продольного движений в имитационной модели. Изменитесвою имитационную модель так, чтобы летательный аппарат стал ее подсистемой. Для того чтобы программу автопилота можно было легко переносить вовстроенную программу, написанную, например, в C/C++, напишите функциюавтопилота с помощью сценария Matlab. Пример того, как организовать своюимитационную модель, дан в модели Simulink model mavsim_chap6.mdl навеб-сайте. Основные элементы программы автопилота также приводятся навеб-сайте этого учебника.
Для внедрения автопилота продольных движенийпотребуется использовать конечный автомат, применяя, например, операторswitch.ÃËÀÂÀ 7ÄÀÒ×ÈÊÈ ÌÁËÀВажным вопросом при разработке и внедрении небольших летательных аппаратов является проектирование небольших, легких твердотельных датчиков.Благодаря технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) стало возможным использование небольших, но точных датчиков, таких как акселерометры, датчики угловой скорости и датчики давления при разработке всеболее мелких и все более дееспособных автономных летательных аппаратов.В сочетании с разработкой небольших систем глобального позиционирования(GPS), мощных в вычислительном отношении микроконтроллеров и аккумуляторных батарей МБЛА менее чем за 20 лет перешли со стадии радиоуправляемых (РУ) с земли пилотом летательных аппаратов на стадию автономныхсистем.
Цель этой главы — описать бортовые датчики, обычно используемыена МБЛА, и указать, что именно они измеряют. Акцент будет сделан на датчиках, используемых для дистанционного наведения, навигации и управлениялетательным аппаратом. Датчики приборно-измерительной аппаратуры, такиекак камеры, и их использование будут описаны в гл. 13. На борту МБЛА чащевсего используются следующие датчики:•••••акселерометры,датчики угловой скорости,датчики давления,магнитометры,приемники GPS.В следующих разделах главы будут описаны эти датчики, приведены их характеристики чувствительности и предложены модели, которые описывают ихповедение для целей анализа и моделирования их работы.7.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
