CC BY
47
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Загидуллин Р.Ш. LabView в исследованиях и разработках. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005.- 352 с.
2. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков ГМ. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabView. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.
3. Блюм П. LabView: стиль программирования: Пер. с англ. / Под ред. Михеева П. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 400 с.
. . ., . . .
Синютин Евгений Сергеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образоваетльного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347900, ул. Петровская, 81.
Тел.: 88634311143.
Siniutin Evgeniy Sergeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
81, Petrovskaya Street, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: +78634311143.
УДК 629.73.05
O^. Воронков
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ «АЭРОМОБИЛЕМ» В РЕЖИМЕ БАЛАНСИРОВКИ
Актуальность работы состоит в необходимости создания вертикально взлетающего аппарата «Аэромобиль» типа «летающая платформа» в 1^елях повышения эффективности операций по спасению людей из зон бедствий, где вертолёты и иные современные средства не справляются с задачами. Научная новизна работы заключена в применении синергетических подходов к разработке иерархической системы балансировки пространственного положения аппарата, к координирующему энергосберегающему управлению электродвигателями, получающими энергию от турбогенераторной установки ограничен.
«Летающая платформа»; вентилятор в кольце; синергетическая теория управления; функциональная декомпозиция; энергосберегающее управление.
O.Yu. Voronkov
SYNERGETIC SYNTHESIS OF HIERARCHIC CONTROL SYSTEM OF “AIRMOBILE” IN THE BALANCING MODE
The actuality of the work consists in the necessity of “flying platform" type “Airmobile " vertical take-off vehicle creation with a view of effectiveness increase in the sphere of people rescue operations in those disaster areas where helicopters & other modern means don't cope with a task. The scientific newness of the work consists in synergetic approach application to the design of the hierarchic system of the vehicle's spatial position & to the active energy-save control over the electric engines that get energy from the turbogenerator unit of bounded power.
“Flying platform"; fan in the coil; synergetic control theory; functional decomposition; energy-save control.
Летательный аппарат «Аэромобиль» относится к типу «летающая платформа». Под этим типом понимаются аппараты вертикального взлёта и посадки, использующие для создания подъёмной силы работу вентиляторов малого диаметра, , , , -ключено в создании дополнительной тяги и защите вентиляторов от соударений с посторонними предметами [6].
«»
, -
ростях полёта (около 150 км/ч) в дополнение к основной силе тяги вентиляторов. Внутри фюзеляжа расположено четыре электродвигателя с вентиляторами (два ), . -дольное управление аппаратом осуществляется путём дифференциального изменения тяги пары передних и пары задних вентиляторов, а поперечное - путём дифференциального изменения силы тяги боковых вентиляторов, расположенных справа и слева.
Аппарат управляется как командными органами с рабочего места экипажа ( ), (
).
принципах синергетической теории, развиваемой в ТТИ ЮФУ на кафедре синергетики и процессов управления под руководством проф. А.А. Колесникова. В этой системе также решается задача оптимального распределения энергии между источниками питания и силовыми установками [1].
Непременным условием устойчивости аппарата, диктуемым аэродинамической схемой и диапазоном скоростей, является пространственное положение, близкое к горизонтальному. В связи с этим допустимо сформулировать понятие режима балансировки. Этот режим является выделением из любого режима полёта компо-, -жения независимо от распределения нагрузки по площади фюзеляжа. Частным случаем режима балансировки представляется режим висения, т.е. полёта с нулевой горизонтальной скоростью [4]. Математические описания режимов балансировки и « ». -гетической системы балансировки пространственного положения аппарата.
При синтезе регуляторов для сложных технических объектов широко применяется функциональная декомпозиция процессов управления, представляющая собой разбиение общей цели управления на ряд частных задач, расположенных на разных уровнях иерархии. В результате формируется иерархическая система управления, блок-схема которой показана на рис. 1.
На верхнем уровне иерархии формируются управляющие стратегии общего , , преобразуются в задающие воздействия нижнего уровня, на котором синтезируются частные управляющие воздействия [3].
Математическая модель «Аэромобиля» в режиме балансировки выглядит так:
и1 и 2 и3 ■ ■ •
Х1 =---, X2 =----, Хз =----, Х4 = Х1, Х5 = Х2 , Хб = Х3. (1)
т 1Х 1г
Здесь Х1 = Уу - вертикальная скорость, Х2 = соХ - угловая скорость относительно продольной ОСИ, Х3 = 0)г - угловая скорость относительно поперечной оси, Х4 = У - высота, Х5 = $ - угол тангажа, Хб = у - Уг°л крена, и1 = Еу -равнодействующая сил по вертикальной оси, и2 = МХ - равнодействующая мо-
ментов по продольной оси, и з = М - равнодействующая моментов по боковой оси, т - масса аппарата, Iх, Iг - моменты инерции относительно продольной и поперечной осей [4].
Рис. 1. Блок-схема иерархической системы балансировки «Аэромобиля»
Технологическими инвариантами (целями управления) являются стабилиза-
* * *
ции высоты х4 = х4 , угла тангажа Х5 = х5 , угла крена х6 = х§ . В соответствии с
правилами метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), являющегося основным методом синергетической теории управления [2], синтезируются алгоритмы управления верхнего уровня:
—
т
+ ^4 Т т4
\ г
, и 2 — - 1
4 )
^2 + ^5
т2
'5
и 3 — - 1
^3 +.^6
т3 т
6
(3)
Здесь ^{ —1,6 - агрегированные макропеременные.
, , компоновочной схемы «Аэромобиля» и аэродинамических параметров его вентиляторных установок. Общий вид описанных уравнений:
О
В *
г \
и 2 и 3 иї + — + — + т^
1х
у
О2
°7 Су §П
Ґ \ и 2 и3
иї - — + у- + т%
1х
V
Хк
(4)
О 7 Су §П
г
в
в
8
8
3
3
ґ \ Ґ
\
Здесь = 1м - диаметр вентилятора, Гв = 0,7 - относительная тяга вентилятора, Хк = 0,96 - коэффициент концевых потерь, (77 = 0,318 - коэффициент заполнения вентилятора, Cy0 = 0,7 - аэродинамический коэффициент [6].
Система синхронизации силовых установок «Аэромобиля» предназначена для управления двигателями с целью оптимального перераспределения энергии между ними и минимизации энергопотерь. Математическая модель размещена на нижнем уровне и сформирована в соответствии с эквиприоритетными принципами
.
одной силовой установки, в роли которой выступает асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором:
Здесь Хі = юг - угловая скорость ротора, x2 = ШГ - потокосцепление ротора, xз = і¡¡х - проекция тока статора на ось абсцисс, Х4 = і^ - проекция тока статора на ось ординат, ^ - сопротивление обмотки статора, Яг - сопротивление обмотки ротора, Ls - индуктивность обмотки статора, Ьг - индуктивность обмотки ротора, Ьт - взаимная индуктивность, р - число пар полюсов, / - момент инерции рото-
2
ра, Мс - момент сопротивления на валу двигателя, к = LsLr - Lm [2].
В ходе управления двигателем выделяется два инварианта: технологический (стабилизация угловых скоростей роторов хі = х*) и энергетический (минимизация энергопотерь за счёт поддержания оптимальных потокосцеплений роторов
*
Х2 = Х2). Энергетический инвариант имеет вид [5]:
(5)
/
\ 0,25
0,5 к1
с а
^ к2 + к3О
/
Значения коэффициентов кі, і = 1,3:
314а ш2
У^ГНОМ
АР
стном
В этом случае алгоритмы управления имеют вид:
ф3 хз І^т^г + ^‘т^гх4 ^‘т^г „
і--------;--Х3 — Х1Х4------------------------------Х2
kL,.
LrХ2
Lr
2 2
^4 — х4 Ъ-т^г + LrRs „ , „ ... , LmRrx3х4 , „ „
+ Х4 + Хі Х3 + + Хі Х2
-+Фз,
и2 =
\
4
кЬг
Lrx2
к
и
(7)
- + Ф4.
Здесь (Р3, (р^ - внутренние управления.
Графики моделирования синтезированной иерархической системы балансировки пространственного положения «Аэромобиля» приведены на рис. 2 и рис. 3.
Вертикальная скорость у Угл. скорость отн. продольн. оси у Угл. скорость отн. попе речи, оси
Рис. 2. Моделирование динамит «Аэромобиля» (верхний уровень иерархии)
Рис. 3. Моделирование динамит двигателя (нижний уровень иерархии). Для остальных трёх двигателей графит моделирования аналогичны
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Воронков Ю.С., Воронков ОМ. Лёгкий многорежимный летательный аппарат. Патент РФ №2348568 от 29.06.2007.
2. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических систем. Ч.Ш. / Под ред. А.А. Колесникова. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
к
3
к
3. Колесников А.А., Мушенко А.С. Синергетическое управление процессами пространственного движения летательных аппаратов // Авиакосмическое приборостроение. - 2004. - № 2.
4. Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолётов с вертикальным взлётом и посадкой. - М.: Машиностроение, 1970.
5. Попов AM. Синергетический синтез законов энергосберегающего управления электромеханическими системами. - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2003.
6. Шайдаков В. И. Аэродинамика винта в кольце: Учебное пособие. - М.: Изд-во Московского авиационного института, 2006.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.В. Тютиков.
Воронков Олег Юрьевич
Технологический институт федерального государственного автономного образоваетльного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: +78634318090.
Voronkov Oleg Yurievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634318090.
УДК 621.37
A.O. Киреев, A.B. Светлов
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ
Ограниченные энергетические ресурсы беспроводных сенсорных сетей являются основным сдерживающим фактором их развития. Стандартные средства измерения не позволяют получить прецизионные количественные измерения энергопотребления узлов беспроводных сенсорных сетей в реальном времени. Проведен анализ параметров энергопотребления беспроводных сенсорных сетей. Определена структура и схемотехническая реализация датчика тока с программным управлением. Разработана распределенная система энергетического мониторинга узлов беспроводных сенсорных сетей.
Распределенная система; энергопотребление; энергетический мониторинг; беспроводные сенсорные сети; датчик тока; управляемый измерительный резистор.
A.O. Kireev, A.V. Svetlov
DISTRIBUTED SYSTEM OF ENERGY MONITORING FOR WIRELESS
SENSOR NETWORKS
The finite energy resources are the principal constraint of wireless sensor networks. The standard electronic instrumentation can't get the precision quantitative real-time measurements of wireless sensor networks power consumption. The analysis of power consumption parameters for wireless sensor networks is performed. The structure of current sensor based on controlled instrument resistor is proposed. Distributed system of energy monitoring for wireless sensor networks is designed.
Distributed system; power consumption; energy monitoring; wireless sensor networks; current sensor; controlled current-sensing resistor.
