автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Динамика и управление парашюта-крыла

Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию

казанскии государственный технический университет

ии. а. н. туполева

1Ти—ОТ

* С4-'' ^ о '

на правах рукописи

ДЕВАКВ ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

УДК &£9. 7

ДИНАМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ПАРАШЮТА-КРЫЛА

специальность: 05.13.01 - Управление в технических

системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1994

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева.

Научный руководитель

- Заслуженный деятель науки и техники РФ и РТ, академик АНТ, доктор технических наук, профессор т. к. сиразетдинов

Официальные оппоненты:

Член-корреспондент РАН, доктор Физико-математических наук, профессор н. А, ильгамов, кандидат технических наук, доцент в. Б. живетин.

Ведшее предприятие

Научно-исследовательский институт Парашютостроения.

Зашита состоится "1994 г. в /<2 час о в на заседании специализированного совета К. 063. 043.03 Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева, 420111, Казань, ул. К. Маркса, д, 10,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета.

Автореферат разослан ____ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук _ л. А. шаиилло

обкая характеристика диссертационной работы

актуальность теш диссертации. Обычные парашюты, ииеюшие асимметричные, квадратные, крестообразные купола, не могут >еспечить значительное неленаправленное перемещение спускаемо груза в горизонтальной плоскости, вследствии чего рассеи-шие точек приземления и сами условия приземления груза в ¡ачительной степени определяются разбросом точек ввода пара-л-а и карактеристиками ветрового воздействия.

Появление в начале бО-х годов нашего века управляемых па-шютов-крыльев открыло новые возможности для точного десанти-жания грузов различного назначения, посадки и спасения ЛА и < модулей, управляемая парашютная система со спускаемый груда является сломим , многорежимшш техническим объектом, что Зусловлено как характеристиками самого парашюта, так и свойс-вами внешней среды, в которой он Функционирует, наибольшие рудности связаны с тем. что купол парашюта, стропы и элементы эдвесной системы изготовлены из тканевых материалов, не имеют гсткости, обладают проницаемостью. Парашютные системы Флисди-нируют в основном в диапазоне скоростей от единиц до десятков гтров в секунду, предназначены для использования в приземном пое атмосферы и в значительной степени подвержены влиянию втра.

Б настоящее время интенсивно развиваются численные методы сследования напряженно-деформированного состояния, аэродина-ики и динамики парашютных систем (ПС), позволяющие дополнить кспериментальные методы исследования , проводить последние олее целесообразно, научно обоснованно, с меньшими затратами.

значительный вклад в развитие численных методов исследо-ания ПС внесли X. А. Рахматуллин. с. И. Белоцерковский, И. И. Ништ, . т. Пономарев, и. А. ильгамов, о. в. Рысев, Б. в. гулин, А. Г, судаков другие, в области динамики и устойчивости ПС широко известны мена А. и. Антоненко, Ф. ф. Фатыхова, в. И. Чуркина, А. А. Вишняка, ольшой вклад в экспериментальную аэродинамику ПС внесли г. Лимонад, и. и. носарев, А. и. сойнов и другие,

вопросаии управления сложными многорежимными текническин системами в условиях неопределенности занимались н. н. Красовс кий. в. и. матросов, т, к. сиразетдинов, ф. А. Черноусько, А. Б. кур жанский. Г. Л. Дегтярев. Ю, В. Кожевников, в. Н. скинель. П. К. Семе нов. В. Н. Куршев. В. Б. Живетин и другие.

при проектированию! изделий с управляемым парашютом-кры лом (ПК) появляются новые для парашютной техники задачи, свя занные с разработкой алгоритмов управления, системы управле ния, а, следовательно, предъявляющие дополнительные требована к математическому описанию движения системы парашют-крыло-гру; (СПКГ). особо важен учет ориентации груза относительно ПК ка] в задаче посадки ла. так и в тех задачах управления, где измерительные устройства системы управления размешены на грузе. Существующие математические модели, базирлошиеся на расчет! напряженно-деформированного состояния пс, слишком сложны I громоздки для исследования динамики полета, а известные модели, представляющие пс как систему тведых тел. не вполне адекватно учитывают свойства подвесной системы СПКГ. линеаризадш уравнений динамики движения выполнялась только для осесиммет-ричных неуправляемых пс с целью исследования устойчивости ш движения, и полученные уравнения неудобны для исследования управляемых СПКГ и не учитывают особенности ПК.

По зарубежным материалам известны алгоритмы управления СПКГ для точной доставки грузов, базирующиеся на сложных методах оценивания состояния СПКГ и воздушной среды, требующие для своей реализации сложной и дорогой бортовой аппаратуры, либо специального наземного пункта управления, с другой стороны условия и цели применения систем точной доставки грузов как объектов повторно-одноразового использования выдвигают требования простоты и дешевизны бортового оборудования и отсутствия сложного специального оборудования у получателей груза, пусть даже за счет снижения точности доставки.

Таким образом, необходимо иметь алгоритмы управления СПКГ, решающие задачи терминального управления в условиях неопределенности внешних воздействий и начальных условий, при

жестких требованиях к сложности бортовой и наземной аппаратуры. отсутствие и недостатки некоторых типов математических моделей движения спкг, отсутствие простых и эффективных алгоритмов управления СПКГ и теоретической базы для их разработки, отсутствие разработок в области автоматических систем управления СПКГ, обусловленные новизной сферы применения ПК, определяют актуальность диссертационной работы.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка алгоритмов управления СПКГ, методов их построения, анализа, синтез системы управления ПК для точной доставки грузов, разработка, для указанных целей комплекса математических моделей, анализ условий их применения.

научная новизна заключается в следующем.

1. разработан комплекс математических моделей движения системы парашют-крьшо-груз различного уровня сложности, предназначенный для решения задач проектирования объектов с ПК и систем управления.

2. сформулированы и доказаны необходимые условия обеспечения Функционирования технического объекта в условиях неопределенности внешних воздействий.

3. разработаны алгоритмы управления системой парашют-крыло-груз (СПКГ) для точного десантирования грузов с использованием автоматического наведения на наземный маяк.

4. Разработаны алгоритмы расчета и программное обеспечение эви для моделирования движения СПКГ, используемые для анализа проектных решений, а также анализа и синтеза алгоритмов управления и системы управления парашюта-крыла (ПК).

практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработанные математические модели и программные средства позволяют анализировать проектные и конструкторские решения при проектировании объектов с пк и систем их улравле- ~ ния. Разработанные алгоритмы управления спкг практически pea-

лизуемы с помошыз предложенной системы управления. Методы построения алгоритмов управления в условиях неопределенности внешних воздействий могут быть использованы для разработки других алгоритмов управления спкг и других технических объектов.

РЕАЛИЗАЦИЯ в ПРОШШЛЕННОСТИ, Результата диссертационной работы использованы при разработке системы посадки беспилотного летательного аппарата в ОКБ "Сокол" (г. Казань), при разработке системы управления парашюта-крыла для точной доставки грузов в КБ Машиностроения (г.Коломна), о чем имеются соответствующие акты. В последнее время результаты диссертационной работы практически реализуются в экспериментальном образце системы автоматического управления ПК, изготавливаемой в КГТУ по межвузовской программе "Конверсия научно-технического потенциала вузов".

апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Научный потенциал вузов-программе "Конверсия" (г, Казань. 1993г.), всероссийской научно-практической конференции "Высшая школа России и конверсия" (г.москва, 1993 г, ), I республиканском научно-техническом семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы использования достижений науки и техники в народном хозяйстве" (г.Казань, 1989 г.), научно-технических конференциях НИИ Парашютостроения (г. Москва, 1982г., 1967г.). Результаты работы использованы в трех научно-технических отчетах по хоздоговорной тематике и одного отчета по программе "Конверсия научно-технический потенциала вузов", выполненных в КГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 научных статьи, 4 тезиса научных конференций, 4 научно-технических отчета, получены 3 авторских свидетельства.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений, списка литературы из 37 наименований, 60 рисунков. Полный объем диссертации составляет страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

во введении дано обоснование актуальности темы, краткий обзор литературы и методов исследования ПК.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ представлен комплекс математических моделей спкг различного назначения и различного уровня сложности. Основное место уделено математической модели динамики движения спкг, называемой в дальнейшем "полной", в которой последняя представляется в виде системы двух тел, соединенных через сферический шарнир, в отличие от известных моделей здесь учтены реальные свойства подвесной системы ПК, которая, как правило, ограничивает относительное угловое движение ПК и груза. Учет производится за счет внутреннего момента СПКГ, зависящего от углов и угловых скоростей относительного движения ПК и груза, что, не вызывая дополнительных вычислительных сложностей, позволяет в некоторой степени учесть свойства реальной подвесной системы. Предложена удобная Форма представления аэродинамических коэффициентов пк как-суммы двух составляющих: стационарной и динамической. При Формировании стационарной составляющей используются разложения аэродинамических коэффициентов по Формуле Тейлора, в которых учтены зависимости коэффициентов от угла атаки ПК <£ц , угла скольжения fin , управляющих воздействий в продольном SB и поперечном каналах управления:

Jcr Jocr с Рз п Г я в H ' Ш

¿'=<T£

где стационарные составляющие аэродинамических коэффициентов ПК: Су/т, Crn, ezrr 3 ГП)(П t mYn > ™>z/7 '•)

8в-(8л + 8п)/2, -

SA t " безразмерные величины подтяга левой и правой

строп управления ПК.

Количество коэффициентов разложения (1) по Формуле Тейлора" уменьшено за счет использования свойства симметрии ПК.

полная математическая модель динамики движения спкг представляет собой сложную систему из 18 нелинейных дифференциальных уравнений, которую затруднительно использовать для *

анализа алгоритмов управления и синтеза системы автоматического управления (САУ). из полной модели получена упрошенная модель динамики движения путем "замораживания" углового движения груза относительно ПК.

Несмотря на существенную нелинейность модели динамики СПКГ. на начальных этапах разработки САУ можно использовать линеаризованные уравнения динамики движения СПКГ, полученные из упрошенной модели. В качестве опорных режимов при этом использовано установившееся прямолинейное движение, при различных значениях управляющего воздействия 8в.

Для исследования эффективности и сравнения различных алгоритмов управления спкг получены кинематические уравнения движения центра масс спкг, в которых учтены статические зависимости составляющих скорости от управляющих воздействий 8в , , тяги силовой установки и установившейся скорости разворота СПКГ относительно вертикальной оси.

на основе полученных уравнений движения разработано программное обеспечение для эвн типа ЕС, IBM рс, ДВК-3.. позволяющее выполнять расчеты движения спкг по различным моделям. С помощью математических моделей динамики движения СПКГ и соответствующего программного обеспечения выполнен анализ динамических характеристик СПКГ и сравнение моделей различного уровня. Продемонстрирована адекватность полной и упрощенной моделей динамики, упрощенной модели динамики и линеаризованной мо-

дели, упрошенной модели динамики и кинематической модели в условиях, соответствующих принятым допущениям. В расчетах использовались аэродинамические характеристики ПК, полученные при продуЕках моделей ПК в ЦАГИ.

Выполнено сравнение результатов моделирования с поношью полной модели динамики и результаты летных исследований, выполненных в процессе совместных работ казанского авиационного института (ныне кгту), нии парашютостроения, мз им. п. О. Сухого, ОКБ "Сокол", ффнииау. при этом сопоставлялись параметры траекторий движения, полученные средствами внешнетраекторных измерений; параметры углового движения СПКГ, полученные при помоши бортовых средств измерения и регистрации, и аналогичные параметры движения, полученные путем численного эксперимента. Получено удовлетворительное совпадение результатов моделирования и экспериментов.

во второй главе анализируются условия применения пк для решения двух технических задач: обеспечения посадки беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на заданную площадку, точной доставки грузов удаленным получателям и в чрезвычайных ситуациях, Как показывает практический опыт, дистанционное управление СПКГ наземным оператором требует высокой квалификации оператора и осуществимо лишь при хорошей видимости и удалении от оператора не более 500-1000 м. Поэтому признано целесообразным использование полностью автоматического управления с наведением на наземный маяк в задаче точной доставки грузов.

Условия применения ПК для решения указанных задач характеризуются неопределенностью начальных условий движения СПКГ и неопределенностью поля скоростей ветра в приземном слое атмосферы. Это определило подход к методам выбора и анализа алгоритмов управления - обеспечение гарантированного решения поставленной задачи при неопределенности внешних воздействий.

пусть качество функционирования технического объекта характеризуется набором Функционалов (V, й), 1 = ГГт, определенных на множестве возмушаюпшх (ц,, .. .,и,) и управляющих

и=сигиг.и3.....ил) воздействий из Функциональных пространств

и И2и соответственно.

Теорема. Для гарантированного обеспечения нормального функционирования объекта, которое определяется выполнением требований

4 121 • 1=ГГт. (2>

в условиях неопределенности возмущавших воздействий Уе Л«/ на заданном множестве управляющих воздействий необходимо

выполнение следующих условий:

(3)

(4)

Таким образом, если то существует неопределен-

ность функционала Ij, в интервале СIV11, X , неустранимая с помощью управляющего воздействия Ü.

случай >1?' рассмотрен в лемме.

Лемма. Для того, чтобы при любом возмущающем воздействии W6 Д^для каждого значения функционала 1*из некоторого интервала Iii ,TL з существовало управление ucSLv, обеспечивающее значение Функционала I^(W, и) = I^ , необходимо выполнение следующих условий:

_ max min li>Ai ■ (5)

ueüv We&vv/

_ min max I^l j. . (6)

ÜcÄv vvesiw

отсюда следует важный вывод: при выполнении неравенств (5),(б) существуют необходимые условия для достижения любого значения I* из интервала [I-L , I 3.

Далее была рассмотрена задача автоматизированной посадки

ХГ'= max min lL(W.U) I^j,

mm max IL (W,Ш 4< i2-L öeSiy WaSiw

i--iTE

БПЛА с ПК под управлениеи наземного оператора, удерживающего БПЛА на заданной глиссаде с помощью оптического или телевизионного визирующего устройства, с поможью леммы получен рекомендуемый диапазон углов наклона глиссады, достижимый при заданных диапазонах изменения скорости ветра и управляющего воздействия - составляющих скорости системы ПК-БПЛА. построены зоны начальных условий, при движении из которых имеются необходимые условия посадки БПЛА на площадку заданных размеров. Эффективность предложенных алгоритмов управления посадкой БПЛА с определением зон начальных условий по необходимым условиям обеспечения посадки оценена при помощи кинематической модели движения и соответствующего программного обеспечения, позволяющего имитировать управляемое движение системы в графическом виде на экране дисплея.

Во-многих случаях использования систем точной доставки груза у получателей грузов имеется в наличии или они могут быть обеспечены несложной радиопередающей аппаратурой типа аварийной радиостанции или радиобуя. Кроме того получатель груза может иметь либо специальные пиротехнические осветительные средства, либо подручные материалы для костра. Все это определило еы6ор принципа управления системами точной доставки грузов на базе ПК - самонаведение на наземный источник оптического (теплового) излучения, либо на радиомаяк с измерением углового положения'источника излучения бортовыми средствами.

Предложен метод построения зон начальных условий при неопределенности ветрового воздействия, Пусть существуют алгоритмы определения нижней и верхней границ области начальных условий в цилиндрической системе координат начало ко-

торой расположено в месте установки маяка, а ось у вертикальна по отношению к плоскости Земли. Положение границ области зависит от характеристик площадки приземления, определяемых вектором к, векторов возмушаюших М/бД^и управляющих 17 £ 52. и воздействий, летно-технических характеристик СПКГ:

' К,чр-, у), |=Ьт . для верхней границы, (7)

г.л(и.«.к.^.г), 1=1.п, для нижней границы (8)

Имеются ограничения на размеры зоны начальных условий. определяемые техническими характеристиками ЛА - носителя груза. Необходимыми условиями доставки груза на заданную площадку являются:

г^ (»р . у) ч< г< с <р . У) ,

, г) >, гг< У),

о ч< гтг, у1 ч< у « уа.

где г. (, у) =тт тах_ г-^ .

а V

ги (ю . у) =шах т1п г: а .

и

ги , гг - ограничения, определяемые характеристиками носителя.

Получены аналитические выражения, связывающие размеры плошадки, ориентацию СПКГ по отношению к ветру, ограничения на маневренные характеристики, характеристики ветра с начальными условиями при некоторых простых алгоритмах управления:

-наведении на маяк с различными углами упреждения в горизонтальной плоскости,

-наведении на маяк с нулевыми углами упреждения в горизонтальной и вертикальной плоскостях,

-выполнении разворотов над маяком. С помошью этих выражений по предложенному, методу построены зоны начальных условий для отдельных простых алгоритмов и их комбинация.

По результатам сравнения зон начальных условий выбран комбинированный алгоритм, представляющий собой сочетание еле-

дуюших простых алгоритмов:

-наведение на маяк с нулевым углом упреждения в горизонтальной плоскости,

-наведение на маяк в горизонтальной плоскости с углом упреждения 180е,

-наведение на. маяк с нулевыми углами упреждения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Для подтверждения работоспособности алгоритма с помощью кинематической модели движения спкг построены траектории движения при различных начальных условиях и неблагоприятном ветре.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена задаче синтеза системы управления пк для точной доставки грузов, с этой целью получены линеаризованные уравнения кинематики движения СПКГ на конечном этапе наведения, определена структура автомата управления, с помошью корневых методов синтеза линейных систем выбраны параметры автомата управления, обеспечивающие заданное качество переходных процессов.

в боковом канале управления используется закон управления:

где Тгсд в 0 или т°>

-угол упреждения, представляющий собой угол между проекциями на горизонтальную плоскость продольной оси ПК (в направлении движения) и радиуса-вектора, соединяющего СПКГ и маяк,

Кн -постоянный коэффициент усиления. В продольном канале на последнем этапе наведения используется закон управления:

где 3 -угол визирования маяка в вертикальной плоскости,

"5 ьад"заданный угол визирования, определенный заранее по диапазону изменения скорости ветра и летным характеристикам СПКГ,

6 во "Управляющее воздействие в продольном канале, соответствующее "5}оэ, _ Кв-коэффициент усиления, зависящий от.$во. выполнены расчеты процессов наведения на маяк по предложенному алгоритму с использованием полной модели динамики движения, подтвердившие работоспособность системы управления, для повышения точности наведения на последнем этапе предложен алгоритм оценивания скорости ветра по бортовым измерениям угла визирования "5 и высоты полета.

получены расчетные формулы для пересчета бортовых измерений углов, выполненных в связанной системе координат ПК, в систему координат с осями, параллельными земной поверхности, выполнено упрощение этих Формул для их адаптации к возможностям бортового вычислительного устройства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан комплекс математических моделей движения системы парашют-крыло-груз (СПКГ) различного уровня сложности и различного назначения. Математическая модель динамики движения СПКГ разработана на основе модели динамики парашютной системы, представленной в виде системы двух твердых тел, соединенных через сферический шарнир, с целью модификации этой модели для учета реальных свойств подвесной системы парашюта-крыла (ПК), ограничивающей относительное угловое перемещение ПК и груза, введен внутренний момент СПКГ, зависящий от величин углов и угловых скоростей, определяющих относительное движение ПК и груза. Кроме того предложена структура представления аэродинамических сил и моментов ПК, учитывающая его симметрию. Из модели динамики движения СПКГ получена упрощенная модель, в которой груз не имеет степеней свободы относительно ПК. Выполнена линеаризация уравнений упрошенной модели динамики движения СПКГ с целью использования полученных линейных

уравнений для синтеза системы управления, получены уравнения кинематики движения центра масс спкг, предназначенные для анализа алгоритмов управления, в которых использованы статические зависимости параметров движения"от управляющих воздействий.

2. выполнен анализ сфер применимости моделей различного уровня, а также выполнены численные расчеты, подтвердившие адекватность моделей различного уровня в условиях, соответствующих принятым допущениям. Проведено сравнение результатов численного моделирования динамики движения СПКГ с результатами летных исследований.

3, Предложены методы разработки алгоритмов управления СПКГ в условиях неопределенного ветрового воздействия, базирующиеся на необходимых условиях гарантированного обеспечения Функционирования технического объекта в условиях неопределенности внешних воздействий. Сформулированы и доказаны эти необходимые условия,

Ч-. разработаны алгоритмы управления спкг для точного десантирования грузов с использованием автоматического наведения на наземный маяк в условиях неопределенности ветрового воздействия и начальных условий.

5. Выполнен синтез системы автоматического управления СПКГ, обеспечивающей автоматическое наведение на наземной маяк.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. деваев В, и. К задаче определения области посадки планирующего летательного аппарата //Нежвуз. сб. Оптимальные задачи авиационной техники. Казань, КАИ, 1986. с.35-40.

2. деваев В. м. К задаче управления посадкой летательного аппарата в условиях неопределенного ветрового воздействия/уиз-вестия вузов. Авиационная техника. 1990. н г. с. 26-30,

3. исследование динамики торможения системы планирующий парашют-груз, деваев в. и. - в кн. :Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Казанского авиационного института (секции: аэродинамики, динаники и устойчивости, автоматическо-

го управления и надежности) Казань. 31 марта-г 1 апреля 1983 г. Казанский авиационный институт, Казань, 1984, с. 51-60. Рукопись деп. В ВИНИТИ 14. 02. 85, Н 1234-85Деп.

4. деваев в. и. , Сиразетдинов т. К. система управления для точного десантирования грузов в мирных условиях, научно-техническая конференция "Научный потенциал вузов - программе "Конверсия", Казань, 27-29 января 1993 г. , Тезисы докладов, казанский государственный технический университет, Казань. 1993, С. 29.

5. деваев В. м., Сиразетдинов т. к. Система управления для точного десантирования грузов. Всероссийская научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия", Москва, 22-26 ноября 1993 г.■ Тезисы докладов, Госкомитет РФ по высшему образованию, Москва, 1993, С. 61-62.

Деваев В, И,, сиразетдинов т. к. Расчет изогнутого крыла конечного размаха// Известия вузов. Авиационная техника, 19е9. Н 1. С. 44-49.

7. Деваев в. м. к задаче управления техническим объектом в условиях неопределенных возмущений. I республиканский научно-технический семинар молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы использования достижений науки и техники в народном хозяйстве", Казань, 1989, Тезисы докладов, Казанский авиационный институт, 1989, С. 39-40.

8. Авторское свидетельство N 249037,

9. Авторское свидетельство N 1545465 на изобретение "Парашютная система".

ю. Авторское свидетельство N 4722509 на изобретение "Способ управления планирующим парашютом".

г