CC BY
111
ваны при синтезе законов управления автопилота самолета-амфибии в режиме посадки на основе полной нелинейной математической модели.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Олейников В. А. Оптимальное управление технологическими процессами в нефтяной и газовой промышленности. - J1.: Изд-во Недра, 1982. - 216 с.
2. Краснощеченко В.И., Крищенко AM. Нелинейные системы: геометрические методы анализа и синтеза. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 520с.
3. Пшихопое В.Х. Организация репеллеров при движении мобильных роботов в среде с препятствиями // МАУ. 2008. - №2.
4. Колесников АЛ., Беляев В.Е., Попов AM. Свойство управляемости нелинейных электро-
// : алгоритмов сложных систем. Москва-Таганрог, -1997. - С. 147-179.
5. . . // -
. 7, - 2006. . 3 - 12.
6. / . . . 1987. - 711с.
7. . . -
нального управления динамическими объектами. Препринт 74-23. Изд-во института ки, , 1974.
8. Колесников АЛ. Синергетическая теория управления. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 540 .
9. IsidoriA. Nonlinear control sistems. N.Y.: Sppringer-Verlag, 1995.
10. . . -бии. - Донецк, 2009.
11. . .
взлета и посадки // 5-я международная конференция «Авиация и космонавтика» МАИ (23-26 октября, 2006г.). Тезисы докладов.
12. . . -
. . - 9. : . - ,
2006. - С *172-173.
УДК 629.7.072.1
В.В. Щербинин, ПЛ. Кравченко, Н.Ш. Хусаинов
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ БОРТОВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ С
КОРРЕКЦИЕЙ КООРДИНАТ ПО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ БЛИЖНЕЙ РАДИОНАВИГАЦИИ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Введение
Тактико-технические характеристики современных и перспективных летательных аппаратов (ЛА) требуют повышения эффективности решения навигационной задачи, заключающейся в выводе объекта в заданную точку пространства земной поверхности с установленной точностью для решения как военных, так и гра. -дываются все более совершенные алгоритмы навигации и управления.
В данной работе рассматриваются вопросы проектирования бортовой интегрированной системы навигации и управления (БИСУ) перспективного высокоскоростного ЛА и особенности ее функционирования на завершающем участке траек-
,
( ).
Для формирования комплексной оценки точности вывода объекта в заданную точку предлагается использование статистического моделирования процессов, выполняемых в подсистемах БИСУ на завершающем участке полета ЛА.
Формирование облика бортовой интегрированной системы управления и
навигации ЛА
На основании анализа комплекса бортового оборудования рассматриваемого ЛА и требований, предъявляемых к точностным характеристикам навигации и наведения, сформирован облик БИСУ, в котором можно выделить 4 базовых подсистемы (рис. 1):
Г
Рис. 1. Структурная схема БИСУ
♦ поде истема, реализующая алгоритмы автоматического управления (САУ) ЛА. В качестве математического аппарата при синтезе алгоритмов управления в данной работе использована теория оптимизированных дельтапреобразований второго порядка [1]. Ключевыми модулями подсистемы САУ ЛА являются модули оценки ошибки управления (отклонения от за) . реализованы принципы управления с построением программных траекторий (ПТ) [2]. Алгоритмы построения ПТ позволяют повысить качественные характеристики работы алгоритмов управления в экстремальных си.
навигационной системы (БИНС) обеспечивает коррекцию на каждом шаге координат местоположения ЛА, формируемых инерциальной системой навигации в соответствии с результатами выполненных коррекций;
♦ подсистема, реализующая взаимодействие с автономным искусственным радионавигационным полем и вычисление "моментального" местоположения ЛА (АСБРН) [3]. Измеренные антенным модулем дальности от ЛА до каждого радиомаяка проходят предварительную обработку и фильтрацию и используются для вычисления координат ЛА с автономным контролем целостности системы. Универсальность разработанных алгоритмов функционирования наземной и бортовой частей АСБРН заключается, в частности, в том, что для определения координат ЛА могут быть использованы один или несколько алгоритмов из достаточно широкого набора алгоритмов, различающихся по вычислительной трудоемкости, требованиям к памяти и т.п. и показавших сравнительно высокие характеристики по точности при моделирования в наземной части АСБРН;
♦ подсистема, решающая задачи комплексирования координат САУ ЛА, БИНС и АСБРН (КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ) с расчетом весовых коэффициентов по отношениям статистических оценок уровней ошибок различ-
;
♦ подсистема БИНС на основе инте грирования показаний датчиков угловых скоростей (^Сов) и акселерометров рассчитывает инерциальные
. -тем численного решения дифференциальных уравнений описания движения и внесением ошибок, имитирующих "уход" БИНС.
Рассмотрим более подробно принципы функционирования модулей навигации и управления.
Оценка местоположения ЛА средствами автоматической системы ближней радионавигации и механизм автономного контроля целостности навигационного поля
В качестве альтернативы использования существующих радионавигационных систем наземного и космического базирования рассматривается автоматическая
( ),
коррекции координат на завершающем участке траектории движения ЛА. Преимуществами АСБРН являются высокий темп обновления навигационных определений, а также скрытность, автономность, малое время развертывания и низкая .
Информационной основой для вычисления координат ЛА средствами АСБРН является искусственное навигационное поле на основе опорных радионавигационных устройств - наземных радиомаяков (РМ), которые устанавливаются в районе предполагаемой точки касания ЛА с поверхностью Земли заранее, при этом выполняется их позиционирование и топопривязка в местной или иной системе координат. До получения сигнала активации с борта радиомаяки функционируют в ре,
за счет малого энергопотребления.
В активном режиме бортовой антенный модуль с высоким темпом формирует дальномерные измерения от ЛА до каждого из маяков. На основании полученного вектора измерений и специальных правил расчета, сформированных в наземном модуле АСБРН перед пуском ЛА, бортовой модуль АСБРН определяет местоположение ЛА относительно радиомаяков АСБРН.
На АСБРН могут быть распространены типовые требования, предъявляемые к навигационным системам по размерам области действия, точности определения , , -кретных приложений и классов ЛА [3]. К отличительным особенностям функцио-, -ния наземного и бортового навигационных модулей, следует отнести:
♦
разделения доступа к радиомаякам. С учетом числа ЛА, одновременно находящихся в зоне обслуживания радиомаяков, минимальная длительность непрерывного интервала взаимодействия бортового модуля АСБРН ЛА с радиомаяками может составлять порядка единиц секунд, что фактически означает необходимость решения задач расчета координат ЛА, оценки целостности системы, комплексирования БИНС и АСБРН, на основе однократных мгновенных измерений дальностей или последовательности из малого числа измерений;
♦
координат ЛА растет, что необходимо учитывать при взвешенном ком, ;
♦ избыточное число наземных радиомаяков в общем случае может повысить точность и надежность навигационных определений, однако точность их позиционирования и топопривязки в зависимости от условий установки может существенно различаться. Поэтому при выборе "наилучшей" подгруппы радиомаяков и алгоритма решения навигационной задачи актуальной является задача учета не только геометрического фактора, но и разброса ошибок исходных данных.
АСБРН включает наземную и бортовую части (модули). Задачей наземной части АСБРН является анализ геометрической конфигурации и ошибок позицио-,
,
ЛА в бортовой части АСБРН с учетом возможного нарушения целостности наземной информационной схемы. Функционирование наземного модуля АСБРН осуществляется при наличии достаточных вычислительных и временных ресурсов. Результатами работы наземной части АСБРН являются статистические оценки ошибок навигации в рассматриваемых зонах коррекции, по величине которых может быть принято решение на запуск ЛА и/или использование АСБРН для коррек-.
АСБРН генерирует полетное задание.
Задачами бортовой части АСБРН являются автономная оценка целостности наземной информационной схемы, выявление "отк^авших" маяков, решение навигационной задачи (с учетом возможных "отказов") и коррекция координат ЛА по .
части АСБРН осуществляется в режиме жесткого реального времени в условиях ограниченности вычислительных ресурсов.
При разработке алгоритмов функционирования АСБРН рассмотрен и реализован набор различных методов вычисления вектора координат ЛА в трехмерном пространстве по дальномерным измерениям при известной конфигурации опорных
. -дачу при наличии трех радиомаяков (по трем измерениям дальностей при наличии
дополнительной "подсказки" для выбора одного правильного решения из двух, получаемых в ходе решения системы уравнений) или четырех радиомаяков (в этом случае решение будет единственным, если, конечно, система уравнений не являет). ( , -тов) позволяет использовать большее количество радиомаяков (случай с избыточ-
), , ,
определения координат ЛА. Методы построения прямой решающей функции (корреляционно-экстремальный и нейросетевой) дают схожие по точности результаты с итерационными алгоритмами, однако характеризуются высокими требованиями к вычислительным ресурсам наземной и/или бортовой вычислительной системы.
В разработанной схеме автономного контроля целостности АСРН рализовано последовательное применение следующих способов оценки и анализа измеренных дальностей от ЛА до РМ.
Первый этап - анализ аппаратного отказа РМ ("работает" / "не работает"). Выполняется на основе оценки факта наличия или отсутствия сигнала от каждого РМ наземной схемы АСРН. Наиболее простой способ анализа работоспособности РМ и контроля целостности системы в целом.
Второй этап - независимый фильтрационный анализ каждой измеренной дальности от ЛА до РМ с целью повышения сглаживания измеренных дальностей (уменьшения влияния шумов измерений) и отсечения импульсных помех (процедура "ЗАХВАТ"). Данный подход требует накопления некоторой начальной статистики, поэтому "выдача" первой дальности до РМ происходит с некоторой задерж-( ).
Третий этап - проверка дальностей до каждого РМ на попадание в границы , .
Четвертый этап - обнаружение и изоляция отказавших РМ, измеренные дальности до которых попадают в область решения, но их использование может привести к существенной ошибке вычисления координат ЛА. Для разработанного и используемого на данном этапе алгоритма автономного контроля целостности в случае конфигурации из четырех радиомаяков минимально необходимое количество N РМ в конфигурации для обнаружения отказов кратности не выше q по приведенному выше алгоритму можно оценить как N = q + 3, а минимально необходимое количество N РМ в конфигурации для изоляции отказов кратности не выше q по приведенному выше алгоритму, можно оценить как N = 2^q + 3. Минимально необходимое количество N РМ для изоляции отказа кратности не выше q и обнаружения отказа кратности не выше ^ + 1) можно оценить как N = 2щ + 4. В основу алгоритма контроля целостности АСРН при N > 4 положена схема переборов подгрупп, состоящих из Р = 4 радиомаяков и формирование результата контроля на основе совместного анализа полученных ответов для подгрупп.
В общем случае оценка точности определения координат ЛА зависит от большого количества факторов, в числе которых следует, в первую очередь, отметить точность позиционирования и топопривязки радиомаяков, точность измерения дальностей от РМ до ЛА в процессе полета, геометрический фактор конфигурации РМ и взаимного расположения группы РМ и ЛА, степень избыточности ин-, , -ского аппарата вычисления координат. Поэтому наиболее достоверным вариантом анализа конфигурации РМ и формирования оценок точности решения навигационной задачи является статистическое моделирование. Результатом такого моделиро-
вания служат оценки точности определения координат ЛА с использованием АСБРН на завершающем участке траектории.
Подсистема цифрового управления движением ЛА на завершающем участке
траектории
Синтез алгоритмов управления движением ЛА на завершающем участке траектории выполнен на основе теории оптимизированных дельта-преобразований второго порядка с использованием модели движения одного из перспективных .
Блок-схема модели системы автоматического цифрового управления ЛА может быть представлена в виде, приведенном на рис. 2.
I А
ХУгкор ХУгзар.
Построение программных траектории
Формирование
ошибон
управления
Е Е
Рис. 2. Укрупненная блок-схема подсистемы цифрового управления ЛА
Подсистема САУ состоит из 3 независимых каналов управления: по тангажу (высоте), рысканию (направлению) и крену.
На рис. 2 использованы следующие обозначения: ХУ2т1 - заданная точка траектории движения ЛА на /'-м шаге моделирования; Е/ - вектор ошибки управления; с / - вектор-параметр Д-преобразования, применяемый для адаптации веса кванта модуляции Г'/+1 и в значительной мере определяющий уровень управляющих воздействий на рулевые приводы ЛА (^1+1,0) для следующего шага [4].
♦ Комплексирование координат БИН С и АСБРН для использования в системе автоматического управления (САУ) ЛА наряду с очевидными преимуществами по точности позиционирования ЛА, характеризуется сле-
, -
:
♦ скачкообразное изменение ошибок координат ЛА в пространстве является сильным внешним возмущающим фактором, который оказывает влияние на качественные характеристики алгоритма управления;
♦
точке приземления с предельно высокой точностью необходимо исполь-
зование либо алгоритмов компенсации возмущающего воздействия и возврата ЛА на исходную траекторию движения, либо методов формирования новых программных траекторий (ПТ), форма и управление на которых может отличаться от исходной траектории, но конечная точка будет совпадать с заданной точкой приземления;
♦ поскольку для обеспечения макси мальной точности решения навигационной задачи и минимизации влияния ошибок автономной БИНС на участке движения после коррекции точка (или точки) коррекции должны располагаться как можно ближе к точке приземления, компенсация возмущения при движении ЛА должна осуществляться за минимальное
;
♦
на исходную заданную траекторию движения при больших отклонениях от нее может потребовать значительных энергетических ресурсов, ограниченных на пассивном участке траектории движения.
В процессе управления движением ЛА с использованием коррекции координат могут быть построены программные траектории двух типов:
♦ программная траектория первого типа - строится в момент коррекции координат ЛА по информации от АСБРН;
♦ программная траектория второго типа - строится в момент пересечения касательной к графику ошибки и линии визирования цели в соответствующей плоскости управления при выполнении некоторых дополнитель-
, -
ки и ошибки.
В момент построения программной траектории ошибка управления по данному направлению сбрасывается в "0".
По каждой из двух плоскостей управления этот анализ (и построение ПТ) вы. -
ния интенсивности управляющих воздействий с целью повышения точности управления. Количество новых построенных ПТ определяется количеством вы.
Для обеспечения плавности переходных процессов во время отработки новой программной траектории запрещается введение новых координат коррекции в контур САУ ЛА.
Проектирование схемы взаимодействия подсистем БИСУ
Проектирование схемы взаимодействия подсистем БИСУ связано с опреде-
,
, ( ) .
В качестве основных процессов на схеме взаимодействия (рис. 3) можно вы-( ):
♦
по информации от ДУСов и акселерометров. Считывание показаний с датчиков и их интегрирование выполняется модулем интегрирования и формирования координат с некоторым постоянным шагом (порядка 100 ) -. -чиков угловых скоростей и акселерометры имитируются путем численного решения дифференциальных уравнений, описывающих движение ЛА в пространстве, при этом шаг интегрирования составляет 1 мс. Для имита-
ции "ухода" БИНС в программной модели в инерциальные координаты, получаемые на каждом шаге интегрирования, вводится случайная ошибка. Знак ошибки генерируется однократно для всего "пролета", а величина ошибки представляет собой случайную величину с разбросом (сиг), ;
Рис. 3. Схема взаимодействия подсистем и процессов в модели БИСУ
♦
" " . -
ния дальностей от ЛА до радиомаяков используется модель генератора дальностей и генератора искажений измерений дальностей. Интервал между очередным измерением дальности по каждому РМ определяется кон-
структивными особенностями антенного модуля и составляет порядка 70 мс, измерения по всем маякам выполняются синхронно и (с учетом некоторых допущений, которыми на данном этапе можно пренебречь) одновременно в режиме жесткого реального времени. Таким образом, кортеж из N дальностей (где N - количество маяков в конфигурации) выдается на " " 70 . ,
не смог сформировать измерение дальности, соответствует особое (фиксированное, заранее предопределенное) выдаваемое значение;
♦ формирование воздействий на рули управления в рамках САУ ЛА. Процесс является процессом жесткого реального времени, вызывается с по-
0,2 ;
♦ коррекция координат, построение программных траекторий, оценка ошибки управления. Процедуры, реализуемые в данном процессе, представляют собой "верхний" логический уровень управления и коррекции ЛА. Процесс является процессом жесткого реального времени, вызывается с постоянным временным шагом;
♦ расчет "навигационных" координат ЛА в подсистеме АСБРН по информации о дальностях от ЛА группы радиомаяков. Вызов модуля оценки целостности информационной схема и расчета координат ЛА носит асинхронный (нере^лярный) характер и осуществляется при наличии "неиспользованных" дальностей с выхода процедуры "ЗАХВАТ". Расчет координат ЛА (вместе с оценкой целостности информационной схемы) не является процессом жесткого реального времени и может прерываться рассмотренными выше процессами. Длительность расчета навигационных координат на борту ЛА существенно зависит от количества радиомаяков, заданного алгоритма расчета, наличия отказов радиомаяков. Поэтому в рамках программной модели длительность выполнения данного процесса характеризуется только верхней границей времени;
♦ комплексирование координат. Вызов соответствующего модуля также носит асинхронный (нере^лярный) характер, выполняется только при наличии "неиспользованного" выхода с АСБРН. Процесс может преры-
, , -мое с высокой точностью время выполнения и имеет малую (по сравнению с другими процессами) трудоемкость.
Рассмотренные в статье принципы построения бортовой интегрированной системы управления и навигации, а также алгоритмы функционирования отдельных подсистем БИСУ реализованы в рамках программной модели бортового ин-формационно-адгоритмического обеспечения, которые представляют собой часть программного комплекса моделирования решения задачи навигации и наведения для перспективных ЛА. Проведенные с использованием данного программного комплекса эксперименты подтвердили работоспособность и эффективность предложенных подходов и позволили сформировать рекомендации и правила по их применению для различных вариантов исходных данных при решении задач навигации, наведения и посадки высокоскоростных маневренных ЛА.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кравченко П.П. Основы теории оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации: Монография. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008.
2.
войск / Б.Г.Гурский, М.А.Лющсшов, Э.П.Спирин: Под ред. В.Л.Солунина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.
3. Щербинин В.В., Кравченко П.П., Хусаинов Н.Ш. Методология разработки информационно-алгоритмического обеспечения перспективных систем посадки на малооборудо-ванные и необорудованные аэродромы по информации от автономной системы ближней радионавигации //Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск "Интеллектуальные САПР". - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2006. - № 2.
4. Кравч енко П.П., Хусаинов Н.Ш. Синтез алгоритмов системы управления летательного аппарата на основе теории оптимизированных дельта-преобразований второго порядка // Известия ТРТУ. Специальный выпуск "Материалы ХЫХ научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. -№ 1(36). - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. - С.66-71.
УДК 62 - 501.462
А.Р. Гайдук
К ПРОБЛЕМЕ СИНТЕЗА ИНВАРИАНТНЫХ МНОГОМЕРНЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ
Введение
Задача управления многомерными объектами была поставлена в тридцатых годах прошлого века ИЛ. Вознесенским [1], как задача автономного (независимо) .
..
воздействиям систем управления [2]. Этим задачам посвящены многочисленные публикации [3 - 9], поскольку с практической точки зрения целесообразно придавать системам управления сложными объектами свойство инвариантности.
Основная сложность решения задачи синтеза многомерных систем автоматического управления (МСАУ) связана с их многомерностью, т.е. наличием несколь-, , согласованно. Если синтезируется инвариантная к внешним воздействиям МСАУ, то задача осложняется условиями разрешимости задачи синтеза инвариантных САУ [8].
Анализ известных решений задачи синтеза МСАУ приводит к выводу, что указанные сложности обусловлены использованием обратных связей и для обеспечения требуемых вход-выходных соотношений, и для придания устойчивости. В то же время известно, что для автономного или связного управления и инвариантности необходимы определённые значения передаточных нулей, а для устойчивости - .
В работе [7] было предложено разделить средства решения этих задач: для обеспечения автономности или связности использовать управление по воздействиям (прямые связи), а для устойчивости - обратные связи. Разработанный на основе этого подхода метод является полностью аналитическим и позволяет построить , , переходном и в установившемся режиме.
Ниже излагается метод синтеза инвариантных к воздействиям МСАУ, мини, -менным и прямые связи по измеряемым воздействиям.
