автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационно-управляющий комплекс мобильной установки нового поколения для оперативного предпосадочного контроля аэродромных покрытий

На правах рукописи

Шелудько Виктор Николаеви1^^^^ 2—

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЛЕКС МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ПРЕДПОСАДОЧНОГО КОНТРОЛЯ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Виктор Владимирович Путав

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Михаил Петрович Романов

кандидат технических наук, доцент Николай Борисович Филимонов

Ведущая организация: ОАО «НПО «РАДАР ММС» (г. Санкт-Петербург);

Защита диссертации состоится «05» апреля 2006 г. в 15°° часов в аудитории Г-412 на заседании диссертационного совета Д.212.131.03 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) (МИРЭА) по адресу: 119454, Москва, пр. Вернадского, д.78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «03» марта 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

О. А. Тягунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и подход к ее решению. Последнее десятилетие отмечено значительным ростом аварийности воздушного транспорта как в России, так и во всем мире, особенно при посадке в экстремальных погодных условиях. Все самолеты на заключительном этапе посадки тормозят колесами, и ливень, слякоть, снег, лед, изморозь вместе с загрязнением взлетно-посадочной полосы резиновыми отложениями создают угрозу возникновения нештатной ситуации или даже аварии воздушного судна при его недостаточно эффективном торможении. Поэтому перед посадкой самолета проводят оперативную оценку фрикционных свойств поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) с помощью специализированных мобильных установок аэродромного обслуживания, прокатывая и подтормаживая с постоянным скольжением измерительное авиаколесо вдоль по всей ее длине туда и обратно (по предполагаемому следу колес авиашасси самолета) с одновременным измерением текущего коэффициента сцепления измерительного колеса с поверхностью ВПП. По результатам этих измерений командно-диспетчерский пункт (КДП) аэродрома разрешает или отклоняет посадку подлетающего судна.

Известно, что на поверхностях, характеризуемых «сухим» трением, наиболее эффективным является торможение вообще без проскальзывания колеса со значениями момента торможения, близкими к моменту «покоя» («трогания»), который соответствует максимальному значению момента трения, а значит, и наилучшему торможению. В действительности, осуществляемый самолетными автоматами процесс торможения носит периодический («срывной») характер, колеса тормозят «толчками», и статистика утверждает, что обычно торможение осуществляется автоматами торможения при среднем значении скольжения, равном 0.1-0.2, а наиболее быстродействующие современные автоматы торможения работают при среднем скольжении, равном или меньшем 0.05.

В тоже время все существующие в мире мобильные установки для измерения коэффициента сцепления прокатывают измерительное авиаколесо по поверхности ВПП с постоянным значением скольжения, задаваемым кинематически с помощью понижающего редуктора, связывающего транспортные колеса установки с измерительным колесом. При равномерном движении таких установок по ВПП измерительное колесо прокатывается принудительно равномерно с раз и навсегда кинеатически заданным постоянным скольжением, обычно равным 0.1, и поэтому в них нельзя управлять режимами торможения. Но, а это, как следует из вышесказанного, далеко не соответствует действительным режимам торможения колес авиашасси самолетов при посадке, осуществляемым самолетными автоматами торможения, следовательно, измерения, производимые с помощью таких установок, приводят к значительным

РОС НАЦИОНАЛ > А БИБЛИОТЕКА •

о*"Т^с'

ошибкам при оценке критического тормозного пути и просчетам в принятии решения о посадке воздушных судов.

Описанный кинематический принцип торможения реализуют все без исключения компании-производители мобильных средств аэродромного обслуживания, мировыми лидерами которых являются шведская компания «ASFT» (Airport Surface Friction Tester), американская компания ICC -International Cybernetics Corporation; английские компании Tradewind Scientific и Specialist Electronic Services; финская компания «Patria Industries Oyj». В России компанией «Автоваз» также делалась попытка создать такую установку на базе автомобиля «LADA AERO». Однако в настоящее время единственным сертифицированным национальным средством измерения коэффициента сцепления является аэродромная тормозная тележка АТТ-2, находящаяся в эксплуатации с 1974 года и представляющая собой двухколесный прицеп с ведущим и измерительными колесами разных диаметров.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная вопросам создания, исследования и реализации информационно-управляющего комплекса автоматической мобильной электромеханической установки нового поколения для оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления измерительного колеса авиашасси с поверхностью ВПП в экстремальных погодных условиях, является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки нового поколения для оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий, осуществляющего автоматическое управление тормозными режимами измерительного авиаколеса, близкими к действительному характеру торможения колес авиашасси воздушных судов при посадке и комплексную оперативную обработку результатов измерений, необходимую для принятия оператором объективного решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

В диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Предлагается новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и формируется облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки нового поколения.

2. Обосновывается функциональная структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную обработку результатов измерений в реальном времени.

3. Разрабатывается базовая структура системы автоматического управления электромеханического тормозного устройства измерительного авиаколеса

и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

4. Разрабатывается комбинированная адаптивная система автоматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса, подавляющая влияние нелинейных упругих деформаций и неопределенности параметров и состояния поверхности ВПП, а также обосновывается поблочная методика ее расчета.

5. Разрабатывается информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома, необходимую для принятия оператором решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории устойчивости и диссипативности систем, основанных на функциях Ляпунова; беспоисковых методов синтеза адаптивных систем управления линейными и нелинейными динамическими объектами; алгебраических методов теории систем; методов электротехники и электромеханики; методов аналитической механики и теории малых колебаний упругих систем; компьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов.

Основные научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, вытекающие из поставленной цели и решения сформулированных задач:

1. Новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки нового поколения.

2. Функциональная структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную обработку результатов измерений в реальном времени.

3. Базовая структура системы автоматического управления электромеханического тормозного устройства измерительного авиаколеса и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

4. Комбинированная адаптивная система автоматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса, подавляющая влияние нелинейных упругих деформаций и неопределенности параметров и состояния поверхности ВПП, и поблочная методика ее расчета.

5. Информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома, необходимую для принятия оператором решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выдвинут, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и создан облик реализующей его многофункциональной полностью автоматически управляемой электромеханической мобильной установки нового поколения, осуществляющей непрерывный оперативный предпосадочный контроль фрикционных свойств поверхности ВПП путем физического воспроизведения тормозных режимов колеса воздушного судна и позволяющей в реальном времени изучать профили (возможности) торможения поверхности ВПП с целью формирования оптимальных режимов работы самолетных автоматов торможения колес авиашасси при посадке.

2. Разработаны базовая система автоматического управления скольжением и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

3. На основе известного метода построения приближенных беспоисковых прямых и непрямых адаптивных систем с мажорирующими функциями выдвинута и обоснована новая структура комбинированной адаптивной систем],I управления многомассовым нелинейным упрутм механическим объектом с неполными измерениями, объединяющая достоинства прямой адаптивной системы с параметрической настройкой и непрямой адаптивной системы с сигнальной настройкой, и на ее базе разработана адаптивная система ароматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса как нелинейным упругим механическим объектом.

4 Разработана унифицированная поблочная методика расчета прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем для управления многомассовыми нелинейными упру! ими механическими объектами произвольной размерности с неопределенными параметрами и неполными измерениями. 5. Разработана информационно-измерительная система, осуществляющая измереше, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Научные результаты диссертационной работы теоретически обоснованы в рамках методов электромеханики; прямых и непрямых методов беспоисковых адаптивных систем; методов функций Ляпунова доказательством экспоненциальной диссипативности в заданной области или

в целом; методов агрегирования и декомпозиции адаптивных систем с составным управлением и наблюдателями, позволяющие обосновывать их работоспособность с помощью применения векторных функций Ляпунова. Достоверность результатов и выводов работы подтверждается также результатами экспериментального исследования в процессе компьютерной отладки систем информационно-управляющего комплекса в лабораторных и аэродромных условиях.

Значимость полученных результатов для теории и практики.

Теоретическая значимость работы:

• выдвинут и обоснован новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и созтан облик реализующей его высокоточной электромеханической мобильной установки, являющейся инструментом для объективного исследования фрикционных свойств поверхности ВПП, формирования гибких методов измерения переменных профилей распределения вдоль ВПП фрикционных свойств, характеризующих наихудшие условия торможения при посадке воздушных судов,

• разработана и исследована новая беспоисковая адаптивная комбинированная система с параметрической и сшнальной настройкой, эффективная в управлении многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами произвольной размерное]и с неопределенным описанием и неполными измерениями

Прак1ичсская полезность результатов рабо!ы:

• разработан и реализован информационно-управляющий комплекс мобильной злектромеханической установки аэродромного обслуживания нового поколения для оперативного контроля фрикционных свойств ВПП, которая послужит основой для сертификации, серийного освоения и оснащения ею всех аэропортов гражданской авиации РФ;

• разработаны поблочные методики расчета прямой, непрямой и комбинированной беспоисковых адаптивных систем управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами произвольной размерности с неопределенным описанием и неполными измерениями

Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики расчета, адаптивные структуры управления тормозными режимами, результаты исследований и испытаний использованы в десяти НИР и НИОКР, выполненных в течение 2000-2005 г.г., источниками финансирования которых являлись федеральный бюджет гранты РФФИ, мэрия Санкт-Петербруга, министерство науки и образования и министерство обороны, хоздоговорные средства холдинговой компании «Ленинец» и научно-производственной компании «Созвездие» (Санкт-Петербург).

Созданы опытные образцы информационно-управляющего комплекса, выдвинутые на государственную сертификацию в составе опытных образцов мобильной электромеханической установки аэродромного обслуживания нового поколения.

Практическая полезность результатов подтверждается актами

использования (внедрения) на предприятиях Холдинговой компании «Ленинец» и Научно-производственной компании «Созвездие», а также в Учебно-научном центре мехатронных комплексов подвижных объектов ОАО «КЭМЗ» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 8 международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Результаты НИР и НИОКР и диссертационной работы автора экспонировались на выставках в России и за рубежом - в Канаде и США, в том числе на XII ежегодной конференции - выставке NASA «Средства Обслуживания Полетов», г. Хэмптон, штат Вирджиния, США (2005 г.) и II, III и IV Международных конференциях-выставках «Материалы, оборудование и технологии, применяемые для содержания аэродромов гражданской авиации» (Санкт-Петербург, Россия, 2003-2005 г.г.).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 12 статей и 5 докладов на международных и российских научно-технических конференциях (4 статьи опубликованы в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Основное содержание изложено на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков на 50 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность создания современных методов и средств оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления колес авиашасси с поверхностью ВПП при торможении воздушного судна на посадке, определена область исследований, сформулированы цели и задачи диссертации, изложены основные результаты, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимость, отражены сведения о реализации и апробации работы.

В первой главе делается обзор состояния мирового рынка мобильных средств аэродромного обслуживания и систем обеспечения безопасности самолетов гражданской авиации в зарубежных и российских аэропортах. Выдвигается и обосновывается новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса для измерения фрикционных свойств поверхности ВПП, впервые предложенный в 1998 г. и развитый в последующих работах (публикации [1,3,9-13,15,16], приведенные в конце автореферата).

В завершающей части первой главы выдвигается и обосновывается облик и состав мобильной установки нового поколения для оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления с поверхностью ВПП, реализующей новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса.

Во второе главе разрабатывается и исследуется базовая система автоматического управления тормозными режимами измерительного колеса установки и излагается методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

Функциональная схема электромеханического устройства управления торможением измерительного авиаколеса и базовая структура его системы автоматического управления изображены на рис. 1. Как видно из рисунка, в электромеханическом устройстве используются две электрические машины, одна из которых (тормозной генератор ТГ) кинематически связана с осью измерительного колеса (ИК), а другая (нагрузочный двигатель НД) соединена с осью несущих колес (НК) мобильной установки.

Якорные цепи электрических машин электрически соединены друг с другом встречно-параллельно, образуя силовой электромеханический каскад взаимной нагрузки. Во время буксирования установки с некоторой постоянной скоростью электрические машины вырабатывают встречные ЭДС е, и ед, пропорциональные угловым скоростям измерительного (ИК) и несущих (НК) колес и потокам соответствующих обмоток возбуждения ОВД и ОВГ. Система автоматического управления электромеханическим каскадом обеспечивает такие условия, что электрическая машина, сочлененная с измерительным колесом, всегда работает в генераторном режиме, создавая на оси измерительного колеса тормозной момент. При этом вторая электрическая машина с необходимостью будет работать в двигательном режиме, очевидно, что она развивая движущий момент, приложенный к несущим колесам установки, равный, за вычетом механических и электрических потерь, тормозному моменту, приложенному к измерительному колесу установки, и противоположный ему по направлению. Таким образом, в любой момент времени движения тележки она, с одной стороны, подтормаживается измерительным колесом, а с другой -«подгоняется» несущими колесами, и энергия торможения измерительного колеса возвращается, за вычетом потерь, через нагрузочный двигатель на несущие колеса установки.

Система дифференциальных уравнений базовой конфигурации трехконтурной САУ-С, принцип работы которой вытекает из рис.1, имеет следующий вид:

Мг =£АЮг _^фд(/вд)(0я

¿'Г г Д^ВД/Д г

п ЬЯ

-'-БД ВД

«„ = Р. К -*„/->; «г = рт(и,-м„); =

О)

Многоступенчатый редуктор и цепная передача

«м(0

о

щ;

и, + и, +и

пнгг^

и^ - сопи

Комбинированная адаптивная система для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом

Рис.1. Функциональная схема автоматического электромеханического устройства торможения измерительного авиаколеса, выполненного на основе двухмашинного силового каскада взаимной нагрузки, и базовая структура системы автоматического

управления скольжением (САУ-С)

В уравнениях (1) и на рис. 1 обозначено:

5 = К - юг)/сод; сог = (1 - Б) юд; сод = тм ■ Улин; Мг = *„/.; шг,шд~ угловые скорости ТГ и НД и их датчики ДСГ, ДСД

(тахогенераторы); 1Я~ ток якорной цепи и его датчик ДТ; - токи

возбуждения ТГ и НД; ДВ - датчик тока возбуждения НД; коэффициенты передачи датчиков кСТ,кса\ ивд,ит,м5,- выходные сигналы контурных регуляторов тока возбуждения НД, тока якорной цепи и скольжения Б с

передаточными функциями р„рт,ир, соответственно; м°в[- уставка номинального тока возбуждения ТГ; «°»д - уставка номинального тока Л, возбуждения НД; У^— линейная скорость мобильной установки; РТОрМ -сила торможения (сила трения ИК о поверхность ВПП); Рнорм-калиброванная нормальная сила давления ИК на поверхность ВПП; и{г)~ управление, вырабатываемое базовой САУ-С;ы°(г)- программное управление скольжением ИК; м^(5, ^норм,ЦI) = КтрЦ ,)т/^норм - Мпт (<вг,/я); Фд(/Вд)- регулируемый поток возбуждения НД; А/,„(5, ^норм, Ь, О- момент трения ИК о поверхность ВПП, являющийся нелинейной функцией скольжения 5, состояния ¿поверхности ВПП, нормальной силы .РНОрМ и

времени /; Ксцеп(5, £,/) - коэффициент сцепления (трения), характеризующий фрикционные свойства ВПП и подлежащий определению; А/п„(сог,/,) -составляющая момента трения, учитывающая механические (вязкие и вентилляторные) и электрические потери в установке (определяется аналитически и проверяется экспериментально); остальные обозначения характеризуют конструктивные параметры электрических машин и механических трансмиссий установки, коэффициенты передачи датчиков.

В завершающей части второй главы разрабатывается методика расчета контурных регуляторов базовой конфигурации САУ-С по заданным показателям ее динамики.

В третьей главе рассматриваются вопросы разработай и сравнительного исследования модальных и адаптивных электромеханических систем автоматического управления торможением измерительного авиаколеса в условиях, когда учитываются нелинейные1 упругие деформации механических трансмиссий установки (многоступенчатого редуктора и цепной передачи), а также неопределенный и нелинейный («сухое» трение) характер нагружения, препятствующие физическому воспроизведению нагрузочным каскадом в рамках разработанной во второй главе базовой конфигурации САУ требуемых (программных) характеристик торможения, близких к истинным характеристикам торможения, реализуемым самолетными автоматами торможения.

На основе известного метода построения приближенных беспоисковых адаптивных систем управления с мажорирующими функциями и опираясь на совместные разработки прямой адаптивной системы с параметрической настройкой (см. основополагающую публикацию [8] в 2001 г.) и непрямой адаптивной системы с сигнальной настройкой дня многомассового упругого объекта (см. публикации [7, 14, 17]), разрабатываются структуры адаптивных систем автоматического управления торможением, дополняющие базовую конфигурацию САУ-С, разработанную во второй главе, проводится исследование эффективности указанных адаптивных систем и анализируются их достоинства и недостатки.

Прямая адаптивная система с параметрической настройкой обладает свойствами подавления глубоких (до 10-20 крат) параметрических рассогласований объекта по сравнению с его номинальными параметрами, на которые рассчитаны модальный регулятор и стационарный наблюдатель, образующие подсистему линейного управления. Однако главный недостаток прямой адаптивной системы - ухудшение качества переходных процессов при сильных отклонениях параметров объекта из-за ухудшения работы стационарного (неадаптивного) наблюдателя упругого объекта, включенного с систему в силу недоступности измерения всех переменных состояния объекта с помощью датчиков.

Непрямая адаптивная система с сигнально настраиваемой моделью ведет себя более стабильно при изменении параметров упругого объекта в силу того, что роль наблюдателя состояния в ней играет настраиваемая модель, которая адаптируется к изменяющимся параметрам объекта, тогда как стационарный наблюдатель играет здесь лишь вспомогательную роль, участвуя в реализации процессов сигнально настраиваемой модели. Однако главный недостаток непрямой адаптивной системы, принципиально присущий всем системам с сигнальной (релейной) настройкой - меньшая глубина (до 4-6 крат) подавляемых параметрических рассогласований объекта по сравнению с адаптивными системами с параметрической настройкой.

Сравнительное исследование двух вышеуказанных структур адаптивных систем привело к необходимости выдвижения новой комбинированной системы управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом произвольной размерности с неопределенными параметрами и неполными измерениями, естественно объединяющей достоинства двух предыдущих прямой и непрямой адаптивных структур и обладающей наилучшей эффективностью в управлении. А именно, пусть рассматривается нелинейный и в общем случае нестационарный многомассовый упругий объект, описываемый системой дифференциальных уравнений вида (рис.2):

—[/у, /-1 -/у/ + ' = 1. л; '"у, = л(®/ ' = 1. я-1;

т1

ту1 - Р^п ее™ "V Р^,-, /у, =• 0, если ¡Л1у,|<

оту/ + , если ту1< р1б1.

у| = рД?/ - 9/+1), ' = 1, И - 1; (ту0 = туп = о).

Здесь в качестве переменных состояния объекта используется «-мерный вектор скоростей <а = 4 и и-1 -мерный вектор восстанавливающих сил (моментов) упругих связей ту,=р,(д,-дм\

Ч = (0р02>—>9,>•••?„)*- вектор перемещений обобщенных масс т,; д-коэффидиент упругости /-ой упругой связи; к, - управляющее воздействие, приложенное к г-ой массе с коэффициентом Ь„ / = 1,2,..,«; общий порядок многомассового упругого объекта равен т = 2п -1.

Рис. 2. Расчетная неразветвленная однолинейная цепная модель многомассового упругого механического объекта с зазорами

Для нелинейного упругого объекта (2) вводится линеаризованное в каком-либо рабочем режиме описание с постоянными усредненными параметрами вида

ю " 0 м0" (О

га у П0 0 Ш у

(3)

где П0,М0 - постоянные матрицы, имеющие структуры, соответствующие системе (1) (те же ненулевые элементы);

— О о) , /я® ~ усредненное значение неизвестной первой массы "1° ' ' ) '

т,(г), жестко соединенной с валом тормозного генератора.

Выдвигаемая в работе комбинированная адаптивная система с прямой параметрической и непрямой сигнальной настройками вырабатывает составное (модальное и комбинированное адаптивное) управление вида

«(0 = ил(0 + и.2(0 + и°(0 + и.(>), (4)

где и°(0- программная составляющая управления, а остальные составляющие раскрываются далее. Комбинированная система состоит из

следующих нижеперечисленных подсистем-блоков.

1. Эталонная модель полного порядка т имеет вид:

<0 Е„

-а*

= + Ь „»»('> А.

где - т -1 -мерная единичная матрица; 0 - т -1 -мерный нулевой

вектор; ат =(ао, а],..., ат_)) - ш-мерная строка вещественных коэффициентов

гурвицева характеристического многочлена матрицы Ам с любым заранее заданным

распределением корней; Ьм =(0, 0,..., 0, £м)т; км - коэффициент, определяемый из требуемого установившегося режима управления «жестким» движением цетра масс упругого объекта

2. Сигнально настраиваемая модель т-го порядка имеет следующий вид:

(О "0 Mo- 01

А il, 0 Щ.

+ |Д/) + Ь,н(/) + иж(0.

(6)

3. Стационарный идентификатор (наблюдатель) состояния упругого объекта (2), построенный по параметрам усредненного объекта (3) и восстанавливающий оценки скоростей и упругих сил (моментов) по любой измеренной обобщенной скорости о к объекта, имеет следующий вид:

0 Мл

У.

«г

0

У J

+ Ь0м(О + 1ст(а>* - со*),

(7)

где (ют,Шу)т - вектор оценок переменных состояния упругого объекта; I = (/], /2,..., 1т)г - вектор коэффициентов усилений обратных связей наблюдателя (7) по ошибке наблюдения <ак - тк измеренной переменной тк; ст - матрица-строка уравнения измерения, ст = (0, 0, ..., кс, 0,..., 0); кс - коэффициент передачи датчика скорости ак.

4. Модальная составляющая управления (4) имеет следующий вид

ujt)= kT(wT, m£)T=\q (\-ьА^m^+...+кыот^Ц1») -ьк^Шу , (8)

где все линейные обратные связи (кроме, может быть, измеренной скорости соА формируются из оценок, вырабатываемых наблюдателем (7); кт = = (/fci, к2,..., £т) = (к[, к^) - вектор-строка коэффициентов усилений линейного (модального) управления.

5. Закон сигнальной (релейной) настройки настраиваемой модели (6) имеет вид

М') = ho + £ bjfpj (™yj ) s'Sn {р ¿(0} (9)

j=l

где знак sign {•} обозначает поэлементное применение знаковой функции sign к элементам вектора {■}.

6. Сигнальная адаптивная составляющая управления (4) вычисляется по уравнению:

Mf(f) = -b>2(i) (10) или, с учетом структуры столбца Ь„, имеющего один нижний ненулевой элемент кт, и уравнения (9), будет выражаться в виде

Г d

ul(t)=-km h0 + Y,hjfPA™yj) j=>

Адаптивное управление (10), (11) можно подвергнуть "сглаживанию" (усреднению)

й"аг(0 = -ЬмМО ; diag {Т,}Г *(/) + I» (О = U г (О , (12) или, учитывая структуру столбца Ьм,

= - *« V» (О; + (13)

В выражениях (6), (9), (11) обозначено: £(0 = [(саТ,1Пу)-(соТ,ту)|Г- т-

мерный вектор ошибки оценок наблюдателя (7) и настраиваемой модели (6); Ъ-тх т-мерная матрица формирования независимой динамики настраиваемой модели, L>0; h0,hy, j = \,d - положительные

коэффициенты усилений; d - число вводимых мажорирующих функций (¿?<и-1);Р - шхш -мерная матрица из уравнения Ляпунова вида

(AM-L)TP + P(AM-L) = -G; G=Gt>0 (I4)

Р>0, / (mSJ) - мажорирующие функции, парирующие влияние зазоров; р^ -/я-мерная нижняя строка матрицы Р; [uz(0]m - нижний элемент столбца uz(t) из выражения (9); тт - малая постоянная времени из диагональной матрицы уравнения фильтров 1-го порядка (12); ц(/)- «усреднение» разрывной функции и,(0 (ш-мерная вектор-функция); ц,„(0 - ее нижний элемент.

7. Параметрическая адаптивная составляющая управления (4) имеет следующий вид:

ua(t) = k;(0diag{/->(coT + Ы0(и°(0 + "лМ =

1 (15)

где к д (i) = [к а: (')> к\2(0] ~ "»-мерная строка настраиваемых коэффициентов, а т = 2п -1, kb(t) - настраиваемый входной коэффициент адаптивного закона (15),

, 1 I I (16)

йлЩур, % = <Иа8^1,т£2>....,т£1.1}

- соответственно, /я-мерная и (и-1)-мерная диагональные матрицы, составленные из мажорирующих функций роста вида

/р((йг) = 1, г = (ту1) = = 0,1,3,5,...; / = 1,и -1

8. Уравнения параметрической настройки адаптивного закона (15) выражаются дифференциальными уравнениями вида

ктА1 (0 - -<На8{у,}; 5(е)и - к А] (г);

к;2(0 = -«На8{7,}р1 Ша8{/-Л 1;-'б(ё)шу -Ша8{р,}^1кА2(/) (18)

М) = -УьШЛ0+«л(0)-Мь(0, где ъ,Ъ„ы\Гк Уу,/ = г*.Р* ~ положительные коэффициенты усилений алгоритмов настройки; цепи настраиваемых коэффициентов кА,(/), А6(/) несут, в основном, функции подавления параметрических рассогласований, а цепи настраиваемых коэффициентов кА2(г) с мажорирующими функциями рассчитаны на подавление существенного влияния нелинейностей (зазоров) в упругих связях;

8(ё) = Амртё, ё = (ют,1Пу)т -*м, (19)

где ё - /я-мерный вектор ошибок - разностей между переменными состояния наблюдаемого (7) и эталонного (5) движений; рт - т-мерная строка положительных весовых коэффициентов линейной комбинации ошибок (19); км - последний элемент столбца Ьм эталонной модели (5).

Функциональная схема предлагаемой комбинированной адаптивной системы с сигнально-настраиваемой моделью и сигнально-параметрическим законом управления для многомассового упругого объекта показана на рис. 3.

Построенная комбинированная адаптивная система может быть упрощена, если исключить из нее стационарный наблюдатель (7). Тогда для реализации уравнений сигнальной и параметрической адаптации векторы ошибок ё(0» 2(0

£(0 = [мт,т;]Г -(йт,ш;)т; ё(0 = 0»\т*)т-хм (20)

всюду заменяются на скалярную ошибку по выходу вида:

[у-ст(«тт^)т] = ш*-ю* , (21)

где в нашем частном случае - А-ая измеряемая датчиком скорость

упругого объекта (2), ^ - выходная переменная; ст - т х 1 -мерная матрица уравнения измерения, а переменные наблюдателя (7) всюду заменяются на переменные настраиваемой модели. При этом матрицы Р, Ь заменяются на

векторы соответствующих размерностей и выбираются с учетом некоторых дополнительных соображений. Такое упрощение, разумеется, несколько ослабляет эффективность комбинированной системы, так как процессы сигнальной адаптации (9)-(11) реализуются уже не по вектору оценок состояния, объекта, вырабатываемому наблюдателем (7), а по измеряемому выходу (21) объекта, а модальная составляющая (8) управления (4) должна быть организована не по оценкам наблюдателя (7), а по переменным сигнально настраиваемой модели (6) (что предпочтительнее и в случае сохранения стационарного наблюдателя).

В качестве следующего шага упрощения рассматриваемой комбинированной адаптивной системы возможно одновременное исключение стационарного наблюдателя и модального управления (8). При этом как показывают исследования, эффективность комбинированной адаптивной системы сохраняется. Таким образом, модальный регулятор в адаптивной системе желателен только в случае «незначительных» изменений параметров и «слабого» влияния нелинейностей, когда можно, наоборот, исключить адаптивные составляющие (10) и (15) управления (4), ограничившись одним модальным управлением (8) со стационарным наблюдателем (7) для подавления линейных упругих деформаций механического объекта с постоянными параметрами.

В третьей главе излагается также общая методика поблочного расчета комбинированной адаптивной системы, представленной уравнениями (3) -(21), проводятся расчеты конкретной комбинированной адаптивной системы автоматического управления торможением для случая нелинейного двухмассового упругого объекта с зазором и «сухим» трением, произведено исследование ее эффективности при варьировании параметров упругого резонанса, влиянии нелинейностей типа люфта в упругой связи (зазора) и сухого трения в активной нагрузке на измерительное колесо, переменного состояния поверхности ВПП.

На рис.4 показаны некоторые результаты аэродромных исследований режимов измерения опытного образца электромеханической мобильной установки. Показывается, как отрабатывается режим подтормаживания измерительного авиаколеса при постоянно заданном скольжении, равном 0,1 на участке длиной примерно 50-60 м.

Сверху вниз на каждом рисунке показаны кривые изменения: 1 -коэффициента трения (ед.); 2 - скорости буксировки по ВПП (км\час); 3 -скольжения измерительного колеса (ед.); 4 - тока возбуждения нагрузочного двигателя (А). Сравниваются результаты работы электромеханического устройства торможения:

(а) - с базовой САУ-С и (б)^-(г) - с комбинированной адаптивной САУ-С в следующих ее модификациях:

(б) - по полной структуре комбинированной системы, построенной в соответствии с уравнениями (2)^(21) (т=3) (см. рис.3);

(в) - при отключении в комбинированной адаптивной системе модального регулятора;

(г) - при исключении из комбинированной адаптивной системы стационарного наблюдателя и модального регулятора.

Рис.3. Функциональная схема комбинированной адаптивной системы с сигнально-параметрической настройкой для управления для мнсгомассовым нелинейным упругим механическим объектом произвольной раэиерносш

Из сравнения рисунков видно, что стабильность отработки постоянной программной установки скольжения гораздо выше при торможении с комбинированной адаптивной САУ-С (случаи (б), (в) и (г)), чем с базовой САУ-С (случай (а)). В то же время сами переходные процессы с различными модификациями (б), (в) и (г) комбинированной адаптивной системы заметно не разнятся, поэтому вполне можно ограничиться случаем упрощенной комбинированной адаптивной системе (случай (г)), не содержащей стационарного наблюдателя и модального регулятора.

В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки информационно-измерительной системы и микроконтроллерной и компьютерной реализации информационно-управляющего комплекса, а также вопросы организации сертификационных испытаний опытных образцов мобильней установки по Программе и Методике, утвержденной Межгосударственным авиационным комитетом (МАК).

Информационно-измерительная система создаваемого

информационно-управляющего комплекса является наиболее важной и универсальной его частью, так как выполняет главную задачу любой мобильной установки измерения коэффициента сцепления, именно компьютерную обработку информации в максимально исчерпывающей и в то же время достаточно компактной форме, удобной для оперативной экспертной оценки и принятия объективно обоснованного решения о возможности посадки воздушного судна или необходимости направления подлетающего самолета на другой аэродром.

От развитости, гибкости, полнота функций (опций) и удобств, предоставляемых пользователю (оператору установки), уровня и глубины компьютеризации информационно-измерительной системы комплекса зависит место позиционирования создаваемой мобильной установки на отечественном и мировом рынке подобных современных мобильных средств аэродромного обслуживания.

Основные функции информационно-измерительной системы комплекса предполагают удовлетворение многообразным требованиям, предъявляемым к подобным установкам и выработанным Международной организацией гражданских аэропортов (International Civil Aviation Organization - ICAO) и другими ведомствами.

Подробный перечень функций, согласованный с требованиями ICAO, изложен в документе «Сертификационные требования (базис) к создаваемой электромеханической мобильной установке», разработанном и утвержденном Советом Комиссии по сертификации аэродромов и оборудования МАК (полный текст документа приведен в Приложении к диссертации).

колеса!

На кавдои рисунке сверху вниз показаны кривые' коэффициента сцепления; скорости буксировки по ВПП; скольжения колеса; тока возбущения электромеханического каскада

чет"' рл-.,— р.-..!!-'

ч1'

а) с базовой САУ скольжения

рмивуд «иг щч^ъвш |

б) с комбинированной адаптивной системой скольжения полной структуры

\\

в) с комбинированной адаптивной системой скольжения при отключении модального регулятора

„'/-, .'Vи 11'

1

Чс комбинированной адаптивной системой скольжения при исключении стационарного наблюдателя

Рис.4. Экспериментальные переходные процессы в электромеханическом тормозном устройстве

Перечисленные ниже функции определяют алгоритмическую структуру информационно-измерительной системы комплекса и в полном объеме реализованы в диссертации, а именно, разработанная информационно-измерительная система комплекса обеспечивает:

1. Текущее измерение коэффициента сцепления (КС).

2. Индикацию в процессе подготовки к проведению измерения коэффициента сцепления (КС) и индикацию в процессе измерения КС.

3. Измерение, индикацию и документальную регистрацию осредненных по заданному участку покрытия значений КС, полученных при неоднократном выполнении измерений в одинаковых условиях (место и состояние покрытия,

скорость измерения) с погрешностью не более — 0,02 ед КС во всем диапазоне измерений.

4. Измерение, индикацию и документальную регистрацию текущих значений скорости движения в диапазоне 60.. .70 км/ч с погрешностью не более +1 км/ч.

5. Измерение и документальную регистрацию пройденного расстояния при измерении КС в диапазоне от 0 до 10 км с погрешностью не более ± 1% во всем диапазоне измерений.

6. Измерение скорости начала аквапланирования, т.е. регистрацию значения скорости при движении автомобиля с отрицательным ускорением от 160 км/ч до 60 км/ч на мокрых поверхностях, соответствующей достижению КС значения 0,2 ед.

7.Вычисление и регистрацию на карте местоположения измерения КС с отклонением не более ± 5 м.

8. Передачу информации по требованию потребителя непосредственно в процессе измерения с регистрацией текущего времени с помощью радиомодема.

9. Регистрацию, архивирование и возможность воспроизведения всего объема накопленных результатов измерения и обработанной информации за период времени не менее чем 1 года.

10. Формирование и документирование экспертной информации, необходимой для принятия диспетчером решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

Далее в четвертой главе изложены также вопросы цифровой реализации разработанного информационно-управляющего комплекса, ориентированного на применение:

• бортового 16-ти разрядного микроконтроллера С 164 CI фирмы Infineon Technologies для реализации управляющей части комплекса;

• малогабаритного панельного PC-совместимого промышленного компьютера ТРС 650 Т или ТРС 126 ОТ фирмы Advantech с цветным сенсорным экраном ЖК-дисплея 6,4" или 12,1 " соответственно для реализации всех перечисленных выше функций информационно-измерительной системы создаваемого комплекса.

На базе бортового микроконтроллера осуществляются все текущие измерения и вычисление значений коэффициента сцепления 360 раз в секунду (через каждые 0,05 м при скорости движения 60 км/час) и реализованы базовая и адаптивная системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения.

На базе применяемого панельного компьютера выполнен переносной компьютерный пульт управления и индикации (ПУИ), который является основным инструментом оператора, осуществляющего управление режимами измерения мобильной установки.

На рис. 5 показано изображение виртуальной кнопочной панели управления процессом измерений на сенсорном цветном экране ПУИ, появляющегося при включении электропитания установки. Функции изображений кнопок управления поясняются соответствующими надписями на экране.

После окончания измерительного заезда оператор может просмотреть полученную и обработанную информационно-управляющим комплексом информацию и передать ее на КДП аэродрома (рис.6, 7). Набирая различные дагы (день, месяц, год) можно извлечь из памяти любой протокол с глубиной до 50000 км. заездов по ВПП, т.е. более 5000 замеров туда и обратно по ВПП (2-3 года интенсивной работы мобильной установки).

Кроме того, оператор может вызвать электронную карту аэродрома с визуализацией маршрута измерения (рис.8). Маршрут вычисляется ПУИ по показаниям СР8-приемника с точностью ±5м.

Рис 5 Сенсорная виртуальная панель управления режимами измерения и протоколами

- к-о «с=о 286 227 о ММ* я II т II г "ЛИ К- К- о о 41 О лээ ш т»(ть: к=о.а?о овчая III тр*тк; КгО 297

■■ - о МО О 1 < т АИШИЛ ЛЕА> шш о 35 А в О.4 <ЛУЖН>

■■ " о ло О ХЗ <птл при 3> ЯШ о А А» о з < мокрое покмтир)

НВ о о 13 то о,а <ль* ПРИ - ю> и о 3 ло а.6 <ВЛАЖНОЕ ПОКРЫТИЕ»

о 2 «о О . 25 < СИЕГ ПРИ -3> о 6 АО О 7 <СИХОЕ ПОКРЫТИЕ)

эвш • о 23 «о О 3 < СНЕГ ПРИ -го> ■в о 7 АО 1 <СНХОЕ ПОКРЫТИЕ)

о з то О . 33 (СНЕГ ПРИ -хз>

Рис 6. Протокол результатов измерений в виде столбцовых диаграмм

13 .ОЭ.20 ВРЕМЯ НАЧАЛА ЗАПИСИ 11.99 . ОЗ

7

О .9 90

О .в во

О .7 70 О .6 60 О .5 50 0.4 40 О 3 ЗО О .2 20 О 1 Ю

?0 140 210 2вО

|К<КОЭФФИЦИЕНТ СЦЕПЛЕНИЯ)

ЗЗО 42 О 49 О 8<СК0ЛЬЖЕНИЕ>

630 ТОО и. н и< СКОРОСТЬ)

Рис.7 Протокол результатов измерения скорости, коэффициента сцепления и скольжения (сверху вниз) в виде графиков

Рис 8. Электронная карта с нанесенным маршрутом (аэропорт «Пулково»)

В завершающей части четвертой главы рассматриваются вопросы создания опытного образца информационно-управляющего комплекса в составе опытного образца мобильной установки, а также организационные мероприятия по разработке и сертификации мобильной установки (составление и утверждение в Государственной службе гражданской авиации РФ Технического задания на создание серийной мобильной установки нового поколения; составление и утверждение в МАК Программы и методики государственных сертификационных испытаний) и приводятся некоторые результаты сертификационных испытаний на ВПП аэродрома «Пулково» (Санкт-Петербург) в 2004-2005 г.г.

Представленная в диссертации разработка информационно-измерительного комплекса стала основой для серийного освоения в составе электромеханической мобильной установки нового поколения, которая призвана заменить находящуюся в эксплуатации с 1974 г. и морально устаревшую штатную установку АТТ-2 во всех более чем 500-х сертифицированных аэропортах гражданской авиации РФ.

Заключение. В диссертационной работе осуществлена заявленная цель и решены следующие задачи:

1. Выдвинут и обоснован новый принцип электромеханического торможения измерительного авиаколеса и разработан облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки аэродромного обслуживания нового поколения.

2. Разработаны принципы построения и функциональная структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную оперативную обработку результатов измерений д ля принятия решения о безопасней посадке.

3. Разработаны базовая структура системы автоматического управления скольжением (С АУ-С) и методика ее расчета.

4. Опираясь на подход к построению прямых и непрямых приближенных беспоисковых систем, предложена новая комбинированная адаптивная система с сигнально-настраиваемой моделью, прямой параметрической и непрямой сигнальной адаптацией для управления многомассовым нелинейным упругим объектом и на ее базе разработана адаптивная САУ элеюромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса Разработана поблочная методика расчета построенной комбинированной адаптивной системы.

5. Разработана информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДД аэродрома.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Путов В.В., Шелудько В.Н. Автоматизированная система контроля фрикционных свойств взлетно-посадочной полосы с электромеханическим имитатором скоростных и тормозных режимов колес авиашасси // Сборник научных трудов Оптимизация и адаптация в управлении производственными и подвижными объектами. СПб., 1998. С. 70-73 (Известия СПбГЭТУ. Вып. 519)

2. Путов В В., Шелудько В.Н. Автоматизированная компьютерная система управления лазерным технологическим комплексом // Доклады Международной электронной н-т конференции «Перспективные технологии автоматизации - 99» , - Вологда ВОГТУ, 1999. - с. 4-5

3. Путов В.В., Шелудько В.Н., Низовой A.B., Должикова Н.В. Автоматизированный комплекс предпосадочного контроля взлетной полосы в экстремальных условиях // Труды X научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». - СПб.: Изд-во СПбГТУ. - 1999.-С. 176-182

4. Путов В.В., Шелудько В.Н. Адаптивные приводы многокоординатных стартов лазерных технологических комплексов // Сборник трудов Первой электронной международной научно-технической конференции «Автоматизация и информатизация в машиностроении». - Тула; 2000.-С. 136-137

5. Путов В.В., Шелудько В.Н., Гайдым Д.А., Должикова Н.В. Компьютерная система проектирования и исследование адаптивных систем управления с мажорирующих функциями для нелинейных электромеханических объектов // Материалы межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» - Вологда: - 2000. - С. 87-88

6. Путов В.В., Шелудько В.Н., Гайдым Д.А., Должикова Н.В. Программный комплекс проектирования и исследования беспоисковых адаптивных систем управления сложными механическими объектами // Сборник трудов Первой международной конференции по мехатронике и робототехнике. «МиР 2000». -Спб.: НПО Омега БФ Омега, 2000.-С. 259-262

7. Путов В.В., Шелудько В.Н., Гайдым Д.А., Должикова Н.В. Исследование адаптивных алгоритмов с мажорирующими функциями в задачах принудительного гашения многорезонансных упругих деформаций средствами программного комплекса // Мат. XI междунар. науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника» - СПб: Изд-во СПбГЭТУ, 2000. 82-88 с.

8. Путов В.В., Шелудько В.Н. Адаптивные системы управления нелинейными механическими объектами с многорезонансными упругими деформациями.// Мехатроника, №3, 2001. -С. 11-19.

9. Путов В.В., Шелудько В.Н., Путов A.B. Компьютерная система управления и автоматизации мобильной установкой измерения фрикционных свойств взлетно-посадочной полосы// Межд. научно-технической конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах». Пенза: 2004.

10. Путов В.В., Шелудько В.Н., Низовой A.B., Путов A.B. Мобильная автоматизированная установка нового поколения для измерения

коэффициента сцепления взлетно-посадочной полосы// 15-ая научно-практическая конференция «Экстремальная робототехника. СПб.: 2004.

11. Пугов В.В., Шелудько В.Н., Низовой A.B., Пугов A.B. Автоматизированная мобильная электромеханическая установка нового поколения для измерения фрикционных свойств взлетно-посадочной полосы// Авиакосмическое приборостроение №5.-2004.-С. 27-37

12. Путов В.В., Шелудько В.Н., Низовой В. А., Путов A.B., Русяева T.J1. Электромеханическая мобильная установка нового поколения для оперативного предпосадочного контроля аэродромов гражданской авиации // 1-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ"2004). Владимир. :2004.

13. Пугов В.В., Шелудько В.Н. Система автоматического управления режимами измерения коэффициента сцепления поверхности взлешо-посадочных полос аэродромов гражданской авиации //Управление и информационные технологии - 2004:Сбдокл. 2 всерос. науч. конф., том 2, Пятигорск, 21-24 сент.2004/ГЬпигорск. гос. техн. Ун-т. Пятигорск, 2004. с.88-94

14. Путов В.В., Шелудько В.Н., Козлов Ю.К., Лебедев В.В. Новое поколение адаптивных систем наведения и стабилизации подвижных объектов различного назначения: мобильные роботы, артиллерийские системы, установки аэродромного обслуживания II 16-ая научно-практическая конференция «Экстремальная робототехника. СПб.: 2005

15. Путов В.В., Шелудько В.Н. Новое поколение мобильных установок автоматизированного контроля качества аэродромных и автодорожных покрытий: исследование, сертификация, серийное освоение // 16-ая научно-практическая конференция «Экстремальная робототехника. СПб.: 2005

16. Путов В.В., Шелудько В.Н., Путов AB. Мобильная электромеханическая установка нового поколения для измерения коэффициента сцепления взлешо-посадочных полос аэродромов гражданской авиации // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (МАУ2005). Уфа.:2005.

17. Путов В.В., Шелудько В. Н., Козлов Ю. К. Прямые и непрямые адаптивные системы с сигнальной настройкой, построенные на основе метода мажорирующих функций // Известия «АиУ».СПб:СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- №1.-2005.- с.3-9

Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично или при его личном участии в сотрудничестве с научной группой, руководимой проф. В.В. Путовым.

Подписано в печать 27.02.06. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ 4.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СГ16ГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

í

¿M&e/L

-43 11

i

Введение.

1. Обзор мирового рынка мобильных средств аэродромного обслуживания. обоснование нового способа электромеханического торможения. облик мобильной электромеханической установки нового поколения

1.1. Обзор мирового рынка мобильных средств аэродромного обслуживания.

1.2. Состояние мирового рынка авиаперевозок.

1.2.1. Рост аварийного авиатранспорта.

1.2.2. Исследование рынков и возможности продвижения на них технологии электромеханического нагружения материалов для выявления фрикционных свойств взлетно-посадочных полос.

1.3. Обоснование нового способа электромеханического торможения измерительного авиаколеса. Повышение эффективности измерений и расширение функциональных возможностей установки.

1.3.1. Анализ действительных тормозных режимов колес самолетов на посадке.

1.3.2. Критика существующего способа измерения при торможении измерительного колеса с постоянным скольжением.

1.3.3. Сущность нового способа электромеханического торможения измерительного авиаколеса.

13.4. Преимущества электромеханического способа подгормаживания измерительного колеса с переменным скольжением.

1.4. Облик и состав автоматической мобильной электромеханической установки нового поколения для оперативного контроля фрикционных свойств ВПП.

1.5. Выводы по первой главе.

2. Разработка и методика расчета базовой электромеханической системы автоматического управления скольжением измерительного авиаколеса.

2.1. Построение базовой структуры системы автоматического управления скольжением измерительного авиаколеса с помощью электромеханического устройства торможения, выполненного на базе двухмашинного каскада взаимной нагрузки

2.2. Нелинейная математическая модель базовой системы автоматического управления скольжением электромеханического устройства торможения измерительного авиаколеса.

2.3. Методика расчета базовой САУ-С, основанная на формулах подчиненного управления.

2.3.1. Предварительные замечания. Принцип подчиненного управления.

2.3.2. Методика расчета трехконтурной базовой САУ-С электромеханического устройства торможения.

2.3.3. Методика расчета двухконтурной базовой САУ-С электромеханического устройства торможения.

2.4. Некоторые результаты моделирования базовой системы управления скольжением электромеханического устройства торможения.

2.5. Выводы по второй главе.

3. Прямая, непрямая и комбинигованная адаптивные системы управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами с неполными измерениями.

3.1. Предварительные замечания. Математическая модель многомассового упругого объект произвольной размерности. Постановка задач управления.

3.2. Прямая адаптивная система управления с эталонной моделью, стационарным наблюдателем и параметрической настройкой для многомассового нелинейного упругого механического объекта.

3.3. Непрямая адаптивная система управления с сигнально настраиваемой моделью и стационарным наблюдателем для многомассового нелинейного упругого механического объекта.

3.4. Комбинированная адаптивная система с эталонной и сигнально-настраиваемой моделями, стационарным наблюдателем и составным модальным, прямым параметрически настраиваемым и непрямым сигнальным управлением для многомассового нелинейного упругого механического объекта.

3.4.1. Предварительные замечания. Достоинства и недостатки построенных прямой и непрямой адаптивных систем.

3.4.2. Построение полной структуры комбинированной беспоисковой адаптивной системы с сигнально-параметрической адаптацией.

3.4.3. Упрощенные модификации полной комбинированной адаптивной системы с сигнально-параметрической адаптацией. 3.5. Методика поблочного расчета прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем с параметрической и сигнальной настройками для многомассовых нелинейных упругих механических объектов произвольной размерности с неполными измерениями.

3.5.1. Предварительные замечания.

3.5.2. Методика поблочного расчета прямой адаптивной системы с параметрической настройкой для управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом.

3.5.3. Методика поблочного расчета непрямой адаптивной системы с сигнальной настройкой для управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом.

3.5.4. Поблочная методика расчета комбинированной адаптивной системы с сигнально-параметрической настройкой для управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом.

3.6. Построение прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим устройством торможения.

3.6.1. Предварительные замечания.

3.6.2. Расчетные уравнения базовой САУ-С с двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом и подчиненным управлением. у 3.6.3. Расчет прямой адаптивной системы управления с параметрической настройкой для двухмассового нелинейного упругого электромеханического устройства торможения.

3.6.4. Расчет непрямой адаптивной системы управления с сигнально настраиваемой моделью для двухмассового нелинейного упругого электромеханического устройства торможения.

3.6.5. Расчет комбинированной адаптивной системы с сигнально-параметрической адаптацией для двухмассового нелинейного упругого электромеханического устройства торможения.

3.7. Математическое и экспериментальное исследование адаптивных систем управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим устройством торможения измерительного авиаколеса.

3.7.1. Исследование трехконтурной и двухконтурной следящих систем с подчиненным управлением и П-регуляторами без учета и с учетом упругих свойств электромеханического объекта.

3.7.2. Исследование эффективности модального управления с наблюдателем в управлении двухмассовым линейным упругим электромеханическим объектом с постоянными параметрами.

3.7.3 Исследование непрямой адаптивной системы с сигнальной настройкой и наблюдателем для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом с неопределенными параметрами и неполным измерением.

3.7.4 Исследование прямой адаптивной системы с параметрической ^ настройкой и наблюдателем для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом с неопределенными параметрами и неполным измерением.

3.7.5. Исследование комбинированной адаптивной системы.

3.8. Выводы по третьей главе.

4. Разработка информационно-измерительной системы. Микроконтроллерная и компьютерная реализация информационно-управляющего комплекса. Организационные мероприятия по конструированию, изготовлению и сертификации опытных образцов

4.1. Принципы разработки информационно-измерительной системы комплекса.

4.2. Разработка бортового электрошакафа управления и автоматизации электромеханического устройства торможения.

4.2.1. Разработка электрической схемы управления торможением.

4.2.2. Микроконтроллерная система управления установкой.

4.2.3. Разработка микроконтроллерного управления установкой и связи с компьютером оператора.

4.3. Разработка переносного компьютерного пульта дистанционного управления и индикации для дистанционного управления процессами измерения.

4.3.1. Основные функции пульта управления и индикации, реализующего информационно-измерительную систему.

4.3.2. Описание пользовательского интерфейса программы и ее возможностей по управлению установкой.

4.3.3. Описание системы определения местоположения установки на базе GPS приемника.

4.3. Бортовая микроконтроллерная реализация базовой и адаптивной системы автоматического управления торможения измерительным колесом авиашасси.

4.4. Вычисление коэффициента сцепления в электромеханическом способе торможения измерительного колеса.

4.4.1. Основные соотношения для коэффициента сцепления и момента сцепления

4.4.2. Аналитический метод расчета текущих значений

Л коэффициента сцепления.

4.4.3. Экспериментальный метод расчета текущих значений коэффициента сцепления.

4.5. Некоторые вопросы организации разработки и сертификации опытных образцов информационно-управляющего комплекса в составе опытных образцов электромеханической мобильной установки нового поколения.

4.6. Выводы по четвертой главе

Актуальность проблемы и подход к ее решению. Последнее десятилетие 20 и начало 21 веков отмечено значительным ростом аварийности воздушного транспорта как в России, так и во всем мире, особенно при посадке в экстремальных погодных условиях. Во всем мире воздушные судна при посадке тормозят колесами, и проблема их безопасной посадки в экстремальных погодных условиях в странах с неустойчивым климатом решается путем оперативного предпосадочного измерения фрикционных свойств поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) с помощью ^ специализированных мобильных установок аэродромного обслуживания и последующей ориентировочной оценки критического тормозного пути, на основе которой и принимается решение о безопасной посадке подлетающего воздушного судна. Необходимость обеспечения гарантированной безопасности посадки самолетов гражданской авиации, особенно в условиях ненадежного состояния покрытия взлетно-посадочной полосы (ВПП) и в экстремальных ситуациях вынужденной посадки, предъявляют высокие требования к универсальности и оперативности аэродромных установок, предназначенных для предпосадочного контроля фрикционных свойств поверхности ВПП, гибкости программирования режимов работы и точности измерений. Особенно эти требования возрастают в случаях, когда необходимо брать ответственность за принятие решения о возможности безаварийной посадки воздушного судна в условиях критического состояния ВПП, близкого к предельным (граничным) режимам с точки зрения удержания контроля путевого управления воздушного судна при посадке.

Предпосадочное измерение свойств сцепления поверхности ВПП с колесами воздушных судов при их торможении на посадке осуществляется в ^ настоящее время в аэропортах всего мира прокаткой по полосе с задаваемым кинематически постоянным скольжением измерительного колеса с помощью буксируемых мобильных средств аэродромного обслуживания.

Во всем мире техническая эволюция устройств такого назначения преодолела большой путь, начав со сравнительно простых деселерометров и громоздких неуклюжих машин диагонального торможения, и остановилась на современных самоходных или буксируемых установках, осуществляющих непрерывную прокатку измерительного колеса. При этом во всех современных мобильных установках для измерения коэффициента сцепления с поверхностью ВПП измерительное колесо кинематически связывается с транспортными (ведущими) колесами мобильной установки с помощью редуктора, чем обеспечивается его принудительное торможение с постоянным скольжением, равным, например, 0,1. Предполагается, что такому значению скольжения соответствуют действительные режимы торможения колес воздушного судна на посадке. Однако, ни пилоты не могут, ни автоматы торможения колес не позволяют обеспечить режимы торможения колес с постоянным значением скольжения, поэтому расчеты прогнозируемых величин тормозного пути, опирающиеся на результаты измерений в таких установках, могут значительно отличаться от истинных величин, тогда как просчеты здесь недопустимы, так как могут привести к аварии и гибели людей.

Мировыми лидерами разработки мобильных установок аэродромного обслуживания, реализующими принцип механического подтормаживания измерительного колеса авиашассии с постоянным сколъэюением, являются шведская компания «ASFT» (Airport Surface Friction Tester), американская компания ICC - International Cybernatics Corporation; английские компании Tradewind Scientific и Specialist Electronic Services; финская компания «Patria Industries Oyj». В России с 1974 года для используется аэродромная тормозная буксируемая тележка АТТ-2, представляющая собой весьма простую и оригинальную реализацию принципа механического подтормаживания в виде двухколесного прицепа с ведущим и измерительными колесами разных диаметров и разработанная ФГУП «ГПИ и НИИ Гражданской авиации «Аэропроект» (Москва).

Однако, к сожалению, сам принцип кинематического подтормаживания измерительного колеса недостаточно гибок с точки зрения создания предпосылок к глубокой автоматизации технологии измерения фрикционных свойств ВПП. Равномерный характер торможения измерительного колеса, реализуемый в рамках описанного кинематического принципа, далеко не соответствует действительному характеру торможения колес авиашасси самолетов, осуществляемого с помощью автоматов торможения. На поверхностях с «сухим» трением колеса при торможении в действительности пробуксовывают толчками, торможение имеет неравномерный «срывной» характер с частотой прерывания, обеспечиваемой самолетными автоматами торможения. Это приводит к значительным ошибкам при оценке критического тормозного пути и, следовательно, к значительным просчетам в принятии решения о посадке воздушных судов в экстремальных погодных условиях.

Итак, существующие способы оценки фрикционных свойств полосы основаны на прокатывании измерительного колеса авиашасси по поверхности ВПП с заданной линейной скоростью и заданным постоянным проскальзыванием ,и их главным недостатком является то, что нормативный коэффициент сцепления, характеризующий фрикционные свойства ВПП, определяется исходя из предположения о постоянстве значения проскальзывания, соответствующего либо "юзу" колеса, либо минимальной величине коэффициента сцепления колес авиашасси с ВПП на всем пути пробега, которая также предполагается постоянной, хотя в действительности является сложной функцией, зависящей от величины скольжения, линейного замедления самолета и состояния поверхности ВПП. Таким образом, вычисленная по известным способам нормативная величина коэффициента сцепления может оказаться завышенной, что при реализации посадки приведет к значительным просчетам, а в режимах, близких к предельно низким значением коэффициента сцепления, и в экстремальных ситуациях, возможны аварии.

Таким образом, диссертационная работа, посвященная вопросам создания и исследования информационно-управляющего комплекса автоматической мобильной электромеханической установки нового поколения для оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления измерительного колеса авиашасси с поверхностью аэродромного покрытия ВПП в экстремальных погодных условиях, является актуальной.

В новой установке для измерения коэффициента трения применяется электромеханическое устройство, обеспечивающее автоматически управляемое торможение измерительного колеса относительно транспортных колес с любым наперед задаваемым оператором значением коэффициента проскальзывания в диапазоне от 0 до 1,0 (от торможения без скольжения до торможения юзом). Если в известных в мире установках торможение измерительного колеса носит равномерный характер, что принудительно обеспечивается редукторным устройством, повторяющим с пониженной скоростью характер движения транспортных колес, вращающихся равномерно с постоянной угловой скоростью, то в предлагаемой установке электромеханическое устройство торможения автоматически с помощью микроконтроллерной системы управления обеспечивает любой периодический «срывной» или почти равномерный характер торможения с любым усредненным значением коэффициента проскальзыванияв диапазоне от 0 до 1,0 с точностью ± 0,01. Кроме того, все известные в мире установки основаны на непосредственном измерении силы момента торможения, приложенной к измерительному колесу (или пропорциональной ей величины) с помощью тензо-, пьезо-, или магнитоэлектрических датчиков, имеющих нестабильные и невысокие показатели точности и низкую надежность. В предлагаемой установке сам способ электромеханического торможения предоставляет возможность косвенного измерения силы (момента) торможения путем измерения тока в электромеханическом устройстве торможение, а измерители тока (калиброванные шунты, датчики Холла) имеют высокую точность и долговечность, превышающую срок службы самой установки, который определяется межремонтным периодом, превышающим 10-20 тысяч часов непрерывной работы.

Наконец, предлагаемая установка в силу самого принципа электромеханического торможения создает предпосылки для осуществления гибкого и глубокого автоматического регулирования тормозными режимами измерительного колеса и полной автоматизации процесса измерения на основе современных методов теории автоматического и интеллектуального управления. При этом с помощью бортового микроконтроллера на базе измерений электрическими датчиками неэлектрических величин обеспечивается точное автоматическое вычисление и регистрация мгновенных значений тормозного момента, величины проскальзывания и линейной скорости оси измерительного колеса, определяется искомое текущее расчетное значение коэффициента трения на отрезке не более 0,1 м. с точностью ±0,01 и формируется экспертная оценка показателей фрикционных свойств ВПП, которые протоколируются и передаются в диспетчерскую службу аэродрома на любом виде носителя компьютерной информации, в том числе, если это необходимо, дистанционно в реальном времени (по радиоканалу).

В ряде работ [78, 81, 88-90, 94-109] заложены научные основы создаваемой установки, создан облик и принципиальная компоновка мобильной установки для экспериментального исследования тормозных режимов колес воздушных судов в реальных условиях посадки, основанной на электромеханическом способе подтормаживания измерительного авиаколеса, преодолевающем указанные недостатки механического принципа подтормаживания. В рамках предлагаемой установки обеспечиваются возможности гибкой автоматизации и имитации режимов торможения, близких к истинным режимам торможения воздушного судна, и проведения на базе этой установки широкого спектра исследований влияния на результаты измерений фрикционных свойств поверхности ВПП таких главных факторов, как: мгновенного характера и усредненной величины скольжения колеса авиашасси; нелинейной зависимости коэффициента сцепления от величины нормальной составляющей силы нажима на колесо; режимов работы автоматов торможения, широкие возможности имитации которых реализуются в предлагаемой установок

В соответствии с международными сертификационными требованиями к указанным установкам для измерения коэффициента сцепления, регламентируемыми Международной организацией гражданских аэропортов ICAO (International Civil Aviation Organization), научной группой совместно с Межгосударственным Авиационным Комитетом (МАК), и ФГУП «Государственный проектно-изыскательский научно-исследовательский институт Гражданской авиации (ГПИ и НИИ ГА) «Аэропроект» (г. Москва) разработано техническое задание на создание серийной мобильной установки нового поколения для измерения фрикционных свойств поверхности ВПП, утвержденное Государственной службой Гражданской авиации РФ.

В то же время проблема создания высокоэффективного информационно -управляющего комплекса мобильной установки аэродромного обслуживания как сложным электромеханическим объектом выдвигают задачи разработки современной бортовой системы автоматического управления процессом имитации тормозных режимов авиаколеса с одновременным подавлением динамических факторов и влияния нагрузки, нарушающих идентичность управляемых процессов действительному характеру торможения при посадке воздушного судна и, как следствие, искажающих истинные результаты прогноза критического тормозного пути пробега самолета при посадке. К таким факторам относятся собственная динамика электромеханического каскада, нелинейные упругие деформации звеньев механической конструкции, редукторной и цепной передачи, нелинейность в виде сухого трения и неопределенность параметров фрикционных свойств поверхности ВПП в экстремальных погодных условиях, (увлажнение, водяной слой, снеговой

- покров, обледенение, слякоть, «снеговая каша», изморозь, загрязнение аэродромного покрытия резиновыми отложениями и т.д.).

Таким образом, целесообразно задачи построения информационно -управляющего комплекса увязать с задачами разработки эффективных систем автоматического управления классом объектов с многорезонансными нелинейными упругими деформациями, априорно неопределенным и (или) сложным описанием, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами и внешними возмущениями и решать их в данной работе в рамках беспоискового адаптивного подхода, получившего в ф последнее время значительное теоретическое и теоретико-прикладное развитие.

В отечественной и зарубежной научно-технической литературе результаты в области адаптивных систем получены усилиями многих российских и зарубежных ученых, в числе которых в библиографии к диссертации названы Андриевский Б.Р., Борцов Ю.А., Буков В.Н., Воронов A.A., Вукобратович М., А., Громыко В.Д., Гелиг А.Х., Емельянов C.B., Земляков С.Д., Красовский

A.A., Кирчански Н., Коровин С.К., Леонов Г.А., Лохин В.М., Манько C.B., Мирошник И.В., Никифоров В.О., Овсепян Ф.А., Путов В.В., Поляхов Н.Д., Петров Б.Н., Полушин И.Г., Романов М.П., Рутковский В.Ю., Срогович В.Г.,

Солодовников В.В., Санковский Е.А., Слукин Н.М., Тимофеев A.B., Терехов

B.М., Уткин В.И., Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Цыпкин Я.З., Шумский В.М., Шрамко Л.С., Якубович В.А., Ядыгин И.Б., Annaswany A.M., Carrol R., Ercberger H., Fu К., Gonsales R., Hiza J., Lindorff D., Li W., Ljung T., Li К., Landau T.D., Naraendra K.S., Ortega R., Slotine J.-J.E., Stocich D., Tang Y., Valavani L.S. [2-35,47-54].

В опубликованных последнее время работах B.B. Путова, [1, 7, 8, 13, 15, 16, 45, 54, 81 и др.], в том числе совместно с автором диссертации [69, 99, 100, 101, 109] на которые опирается автор в своих исследованиях, задачи адаптивного управления нелинейными и нестационарными объектами в условиях так называемой функционально-параметрической неопределенности, когда неизвестны не только параметры, но и само строение нелинейных правых частей дифференциальных уравнений, объектов, решаются в рамках нового подхода. В этом подходе выдвигается некоторый класс приближенных беспоисковых адаптивных систем, в построении которых используются не сами 4 нелинейные функции правых частей уравнений нелинейных объектов, которые считаются неизвестными, а некоторые оценочные функции, названные автором подхода мажорирующими функциями [45,46].

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки нового поколения для оперативного предпосадочного измерения коэффициента сцепления аэродромных покрытий, осуществляющего автоматическое управление тормозными режимами измерительного авиаколеса, близкими к действительному характеру торможения колес авиашасси воздушных судов при посадке и комплексную оперативную обработку результатов измерений, необходимую для принятия оператором объективного решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

В диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Предлагается новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и формируется облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки нового поколения.

2. Обосновывается структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего базовые и адаптивные системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную обработку результатов измерений в реальном времени.

3. Разрабатывается базовая структура системы автоматического управления электромеханического тормозного устройства измерительного авиаколеса и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

4. Разрабатывается комбинированная адаптивная система автоматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса, подавляющая влияние нелинейных упругих деформаций и неопределенности параметров и состояния поверхности ВПП, а также обосновывается поблочная методика ее расчета.

5. Разрабатывается информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома, необходимую для принятия оператором решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории устойчивости и диссипативности систем, основанных на функциях Ляпунова; беспоисковых методов синтеза адаптивных систем управления линейными и нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их точных и приближенных с мажорирующими функциями нелинейных математических моделях; алгебраических методов теории систем; методов электротехники, электромеханики и электромашинных каскадов взаимной нагрузки; методов аналитической механики и теории малых колебаний упругих систем; компьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов.

Основные научные результаты, выиосимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, вытекающие из поставленной цели и решения сформулированных задач: л 1. Новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки нового поколения.

2. Функциональная структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего базовые и адаптивные системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения, и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную обработку результатов измерений в реальном времени.

3. Базовая структура системы автоматического управления электромеханического тормозного устройства измерительного авиаколеса и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

4. Комбинированная адаптивная система автоматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса, подавляющая влияние нелинейных упругих деформаций и неопределенности параметров и состояния поверхности ВПП, и поблочная методика ее расчета.

5. Информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, Ч вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома, необходимую для принятия оператором решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выдвинут, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и создан облик реализующей его многофункциональной полностью автоматически управляемой электромеханической мобильной установки нового поколения для непрерывного оперативного предпосадочного контроля фрикционных свойств поверхности ВГТП на основе физического воспроизведения тормозных режимов колеса воздушного судна, позволяющей гибко и оперативно в реальном времени изучать профили (возможности) торможения поверхности ВПП с целью формирования оптимальных режимов работы самолетных автоматов торможения колес авиашасси при посадке.

2. Разработаны базовая система автоматического управления скольжением и методика расчета ее контурных регуляторов по заданным динамическим показателям.

3. На основе известного метода построения приближенных беспоисковых прямых и непрямых адаптивных систем с мажорирующими функциями выдвинута и обоснована новая структура комбинированной адаптивной системы управления многомассовым нелинейным упругим механическим объектом с неполными измерениями, объединяющая достоинства прямой адаптивной системы с параметрической настройкой и непрямой адаптивной системы с сигнальной настройкой, и на ее базе разработана адаптивная система автоматического управления электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса как двухмассовым нелинейным упругим механическим объектом.

4. Разработана унифицированная поблочная методика расчета прямой, непрямой и комбинированной адаптивных систем для управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами произвольной размерности с неопределенными параметрами и неполными измерениями.

5. Разработана информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Научные результаты диссертационной работы обоснованы в рамках методов электромеханики и электромашинных каскадов взаимной нагрузки; работоспособность построенных прямой, непрямой и комбинированной беспоисковых адаптивных систем теоретически обоснованы в рамках метода функций Ляпунова доказательством экспоненциальной диссипативности в заданной области или в целом и показано, что применение мажорирующих функций позволяет расширить границы областей, в которых сохраняется их работоспособность (диссипативность решений), а также указаны приемы агрегирования и декомпозиции адаптивных систем с составным управлением и наблюдателями, позволяющие обосновывать их работоспособность с помощью применения векторных функций Ляпунова. Достоверность результатов и выводов работы подтверждается корректным использованием указанных выше методов исследования, а также результатами экспериментального исследования в процессе компьютерной отладки систем информационно-измерительного комплекса в лабораторных и аэродромных условиях.

Значимость полученных результатов для теории и практики.

Теоретическая значимость работы:

• выдвинут и обоснован новый способ электромеханического торможения измерительного авиаколеса и создан облик реализующей его высокоточной электромеханической мобильной установки, являющейся инструментом для объективного исследования фрикционных свойств поверхности ВПП, формирования гибких методов измерения переменных профилей распределения вдоль ВПП фрикционных свойств, характеризующих наихудшие условия торможения при посадке воздушных судов;

• разработана и исследована новая беспоисковая адаптивная комбинированная система с параметрической и сигнальной настройками и мажорирующими функциями, эффективная в управлении многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами произвольной размерности с неопределенным описанием и неполными измерениями.

Практическая полезность результатов работы: разработан и реализован информационно-управляющий комплекс мобильной электромеханической установки аэродромного обслуживания нового поколения для оперативного контроля фрикционных свойств ВПП, которая послужит основой для сертификации, серийного освоения и оснащения ею всех аэропортов гражданской авиации РФ; разработаны поблочные методики расчета прямой, непрямой и комбинированной беспоисковых адаптивных систем управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами произвольной размерности с неопределенным описанием и неполными измерениями.

Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики расчета, адаптивные структуры управления тормозными режимами, результаты исследований и испытаний использованы в десяти НИР и НИОКР, выполненных в течение 2000-2005 г.г., источниками финансирования которых являлись федеральный бюджет, гранты РФФИ, мэрия Санкт-Петербруга, министерство науки и образования и министерство обороны, хоздоговорные средства холдинговой компании «Ленинец» и научно-производственной компании «Созвездие» (Санкт-Петербург).

Созданы опытные образцы информационно-управляющего комплекса, выдвинутые на государственную сертификацию в составе опытных образцов мобильной электромеханической установки аэродромного обслуживания нового поколения.

Практическая полезность результатов подтверждается актами использования (внедрения) на предприятиях Холдинговой компании «Ленинец» и Научно-производственной компании «Созвездие», а также в Учебно-научном центре мехатронных комплексов подвижных объектов ОАО «КЭМЗ» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 8 международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Результаты НИР и НИОКР и диссертационной работы автора экспонировались на выставках в России и за рубежом - в Канаде и США, в том числе на XII ежегодной конференции - выставке NASA «Средства Обслуживания Полетов», г. Хэмптон, штат Вирджиния, США (2005 г.) и II, III и IV Международных конференциях-выставках «Материалы, оборудование и технологии, применяемые для содержания аэродромов гражданской авиации» (Санкт-Петербург, Россия, 2003-2005 г.г.).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 12 статей и 5 докладов на международных и российских научно-технических конференциях (4 статьи опубликованы в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Основное содержание изложено на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков на 50 страницах.

4.6. Выводы по четвертой главе

• 1. Излагаются основные принципы построения информационно-измерительной системы, предполагающим удовлетворение всем требованиям, предъявляемым к подобным установкам и выработанным Международной организацией гражданских аэропортов (International Civil Aviation Organization - ICAO) и другими ведомствами. Разрабатывается подробный перечень функций, согласованный с требованиями 1С АО и изложенный в документе «Сертификационные требования (базис) к создаваемой электромеханической мобильной установке», разработанном и утвержденном Советом Комиссии по сертификации аэродромов и оборудования МАК (полный текст документа приведен в Приложении к диссертации). Указывается, что перечисленные в нем функции определяют алгоритмическую структуру информационно-измерительной системы комплекса и в полном объеме реализованы в диссертации.

2. Изложены вопросы цифровой реализации разработанного информационно-управляющего комплекса, ориентированного на применение:

• бортового 16-ти разрядного микроконтроллера С 164 CI фирмы Infineon Technologies для реализации управляющей части комплекса;

• малогабаритного панельного PC-совместимого промышленного компьютера ТРС 650 Т или ТРС 126 ОТ фирмы Advantech с цветным сенсорным экраном ЖК-дисплея 6,4" или 12,1 " соответственно для реализации всех перечисленных выше функций информационно-измерительной системы создаваемого комплекса.

3. Излагается подробное описание пользовательского интерфейса программы компьютерного пульта управления и индикации с сенсорным цветным экраном, сопровождаемое иллюстрациями всех экранных реализаций, инициируемых оператором в процессе управления процессом измерений мобильной установки, оперативного визуального изучения, документирования и дистанционной передачи результатов измерений и экспертной информации, необходимой для принятия командно-диспетчерской службой аэродрома решения о разрешении посадки подлетающего воздушного судна или об ее отклонении.

4. Рассматриваются вопросы цифровой реализации базовой и адаптивных систем автоматического правления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим устройством торможения измерительного авиаколеса на основе 16-ти разрядного модульного микроконтроллера С164 CI бортового исполнения фирмы Infineon Technologies (Siemens).

Показано, что даже самый сложный из вариантов построения полной структуры комбинированной адаптивной системы управления двухмассовым упругим электромеханическим объектом с учетом электромагнитной инерции обмотки возбуждения и якорной цепи может быть реализован на указанном микроконтроллере в текущем времени с достаточным (более чем двухкратным) запасом по быстродействию.

5. Предлагается методика вычисления коэффициента сцепления в рамках предложенного электромеханического способа торможения измерительного авиаколеса и приводятся все необходимые формульные соотношения для программной реализации измерений, распределенной между бортовым микроконтроллером и панельным компьютером переносного пульта управления и индикации.

6. В завершающей части главы рассматриваются вопросы создания опытного образца информационно-управляющего комплекса в составе опытного образца мобильной установки, а также организационные мероприятия по разработке и сертификации мобильной установки. Представленная в диссертации разработка информационно-измерительного комплекса стала основой для его серийного освоения в составе электромеханической мобильной установки нового поколения, которая призвана заменить находящуюся в эксплуатации с 1974 г. и морально устаревшую штатную установку АТТ-2 во всех более чем 500-х сертифицированных аэропортах гражданской авиации РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлена заявленная цель и решены следующие задачи:

1. Выдвинут и обоснован новый принцип электромеханического торможения измерительного авиаколеса и разработан облик реализующей его мобильной электромеханической тормозной установки аэродромного обслуживания нового поколения.

2. Разработаны принципы построения и функциональная структура информационно-управляющего комплекса мобильной электромеханической установки, включающего системы автоматического управления электромеханическим устройством торможения и информационно-измерительную систему, осуществляющую комплексную оперативную обработку результатов измерений для принятия решения о безопасной посадке.

3. Разработаны базовая структура системы автоматического управления скольжением (САУ-С) и методика ее расчета.

4. Опираясь на подход к построению прямых и непрямых приближенных беспоисковых систем, предложена новая комбинированная адаптивная система с сигнально-настраиваемой моделью, прямой параметрической и непрямой сигнальной адаптацией для управления многомассовым нелинейным упругим объектом и на ее базе разработана адаптивная САУ электромеханическим тормозным устройством измерительного авиаколеса. Разработана поблочная методика расчета построенной комбинированной адаптивной системы.

5. Разработана информационно-измерительная система, осуществляющая измерение, вычисление, визуализацию, протоколирование текущих значений коэффициента сцепления, вычисление координат и визуализацию на карте маршрута измерения, формирование и передачу по радиоканалу компьютерной экспертной информации на КДП аэродрома.

1. Путов В.В. Адаптивное управление динамикой сложных мехатронных систем// Мехатроника, №1, 2000 г. С.20-26

2. Справочник по теории автоматического управления/ Под ред. Красовского А.А.- М: Наука, 1987.- 712 с.

3. Фрадков A.JI. Адаптивное управление в сложных системах: беспоисковые методы.-М.: Наука, 1990.-296 с.

4. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением.- JL: Энергоатомиздат, 1984.-216 с.

5. Андриевский Б.Р., Стоцкий А.А., Фрадков А.Л. Алгоритмы скоростного градиента в задачах управления и адаптации// Автоматика и телемеханика.-1988.- N12.- С. 3-39.

6. Slotine J.-J.E.,Li W. Composite Adaptive Control of Robot Manipulators// Automática.-1989.- Y.25, N4.- P. 509-519.

7. Путов В.В. Адаптивные структуры с преднамеренно вводимыми нелинейностями для управления подвижными объектами// Вопросы спецрадиоэлектроники. Сер. РЛТ.-1989.- Вып. 22.- С. 28-40.

8. Путов В.В. Адаптивные системы с алгоритмами настройки высшего порядка вуправлении нелинейными объектами// Структуры сложных систем и алгоритмы управления: Сб. науч. статей.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.-С. 147-159 (Вопросы теории САУ, вып.8).

9. Narendra K.S., Annaswany А.М. new adaptive law for robust adaptation withoutpersistens exitation//IEEE Trans. Aut. Control.-1987.- N2.- P.134-145.

10. Путов B.B., Шелудько B.A. Адаптивные системы управления нелинейными механическими объектами с многорезонансными упругими деформациями. // Мехатроника, № 3, 2001. С. 11-19.

11. П.Коськин Ю.П., Путов В.В. Проблемы и перспективы развития электромеханотроники III Мехатроника, №5, 2000. С. 5-9.

12. Путов В.В., Лебедев Г.Н., Кривочкин Р.В. Адаптивно-нейронный подход в задачах управления колебаниями транспортируемых подвешенных грузов.// «Приборы и системы»- М.: Научтехлитиздат 2001, № 9 с. 1-7.

13. В.В. Путов. Развитие беспоисковых адаптивных методов и их приложения к задачам управления сложными механическими объектами//Авиакосмическое приборостроение № 5.-2003.

14. М.Путов В.В., Кривочкин Р.В., Козлов Ю.К., Лебедев В.В. Демпфирование колебаний подвешенных грузов, транспортируемых подвижными объектами// Мехатроника, автоматизация и управление №6.-2002.-С.13-16

15. Путов В.В. Адаптивное управление динамическими объектами: беспоисковые системы с эталонными моделями: Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.- 92 с

16. Путов В.В. Адаптивное и модальное управление механическими объектами с упругими деформациями: Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002.- 112 с

17. Сратович В.Г. Адаптивное управление.- М.: Наука, 1981.- 384 с.

18. Landau T.D. Adaptive control systems: the Model Reference approach.- N.Y.: Marcel Dekktr, 1979.- P. 406.

19. Ljung L. System identification: Theory for the user.- New Jersey: Prentice-Hal 1,1987.

20. Фомин B.H., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. М.: Наука, 1981.- 448 с.

21. Петров Б.Н., Рутковский Б.Ю., Земляков С.Д. Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами. -М.: Наука, 1980. 224 с.

22. Ortega R.,Tang Y.Robustness of Adaptive Controllers a Survey// Automatica.-1989.-Y.25,N5.-P.651-677.

23. Буков B.H. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом.-М.:Наука.-1987.- 232 с.

24. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления.-М.: Наука.-1981.-368 с.

25. Гелиг А.Х., Леонов Г.А., Якубович В.А. Устойчивость нелинейных систем с неединственным состоянием равновесия.- М.: Наука.-1978.- 400 с.

26. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н. Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами.- М.: Мир.-1989.- 376 с.

27. Тимофеев A.B. Построение адаптивных систем управления программным движением.- Л.: Энергия, 1980.- 88 с.

28. Narendra K.S., Valavani L.S. Direct and indirect adaptive control//Automatica.-1979.-Y.15,N6.-P.653-664.

29. Ядыкин И.Б., Шумский В.М., Овсепян Ф.А. Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 240 с.

30. Поляхов Н.Д., Путов В.В. Адаптация и идентификация автоматических систем: Учебн.пособие/ЛЭТИ.- Л., 1984.- 80 с.

31. Тимофеев A.B. Адаптивные робототехнические комплексы.- Л.: Машиностроение, 1988.- 332 с.

32. Емельянов СВ., Коровин С.К., Сизиков В.И. Принципы построения и общие методы синтеза бинарных систем управления неопределенными нелинейными объектами//ДАН СССР.-1985.- Т.281, N4.- С. 810-814.

33. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника.- М.: Мир.-1989.- 622 с.

34. Емельянов СВ. Бинарные системы автоматического управления.- М.: МНИИПУ, 1984.-314 с.

35. Лурье А.И. Аналитическая механика.- М.: Физматгиз, 1961.- 824 с.

36. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний.- М.: Наука.-1980.-280 с.

37. Тимошенко СП., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле.- М.: Машиностроение.- 1985.- 472 с.

38. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 216 с.

39. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем.- М.: Гостехиздат. 1956.

40. Управление вентильными электроприводами постоянного тока / Е. Д. Лебедев, В. Е. Неймарк, М. Я. Пистрак, О. В. Слежановский. М.: Энергия, 1970. 200 с.

41. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О. В. Слежановский, Л. X. Дацковский, И. С. Кузнецов и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

42. Демидов С. В., Полищук Б. Б. Быстродействующий тиристорный электропривод с питанием от высокочастотного источника. М.: Энергия, 1977. 152 с.

43. Дронов Е.А., Зинин Г.Н., Слипенко Г.К., и др. Повышение динамических характеристики электрогидравлических приводов наведения скоростных зенитных автоматов // Оборонная техника,, №, С. 15-17

44. Путов В.В. Методы построения адаптивных систем управления нелинейными нестационарными динамическими объектами сфункционально-параметрической неопределенностью: Дисс. д-ра техн. Наук/СПбГЭТУ. СПб., 1993. 590 с.

45. Полушин И.Г. Построение алгоритмов адаптивного управления нелинейным многостепенным механическими объектом: Дисс. к-та техн. наук / СПбГЭТУ. СПб., 1995ю-174с.

46. Солодовников В.В., Шрамко JI.C. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями.- М.: Машиностроение, 1972.- 270 с.

47. Петров E.H., Рутковский В.Ю., Крутова И.Н., Земляков С.Д. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления.-М.: Машиностроение, 1972.-260 с.

48. Санковский Е.А., Громыко В.Д., Слукин Н.М. Вопросы построения оптимальных самонастраивающихся систем управления.- Минск: МВЗРУ, 1971.-240 с.

49. Земляков С.Д., Рутковский В.Ю. Условия функционирования многомерной самонастраивающейся системы управления с эталонной моделью при постоянно действующих параметрических возмущениях// ДАН СССР.-1978.- Т. 241. N2.- С. 301-304.

50. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Построение децентрализованного адаптивного управления взаимосвязанными электромеханическими объектами// Изв. ЛЭТИ:Сб.науч.тр./ Ленингр. электротехн. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина).-Л., 1983.- Вып. 331.-С. 10-18.

51. Путов В.В. Адаптивный подход в управлении взаимосвязанными механическими объектами// Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр./ Ленингр. электротехн. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина).- Л., 1987.- Вып. 384,

52. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения.- М.: Наука, 1982.-332 с.

53. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивостию- М.: Наука, 1967.- 224 с.

54. Красовский H.H. Некоторые задачи теории устойчивости движения.- М.: Физматгиз, 1959.-212 с.

55. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости.- М.: Наука, 1967.-472 с.

56. Калман Р., Файлб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем.- М.:Мир, 1969.-400 с.

57. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами.- М.: Наука, 1976.-424 с.

58. Ercberger Н. Analysis fnd dising of model following systems by state space techniquts/ZProc. JACC-1968.- P.578-580.

59. Метод векторных функций Ляпунова в теории устойчивости/ Под ред.А.А.Воронова и В.М. Матросова.- М.: Наука, 1987.- 312 с.

60. Фурасов В.Д. Устойчивость движения, оценки и стабилизация.- М.: Наука, 1977.-248 с.

61. Барбашин Е.А. Функции Ляпунова.- М.: Наука, 1970.- 240 с.

62. Руш Н., Абегс П., Лалуа М. Прямой метод в теории устойчивости.- М.: Мир,1988.-300 с.

63. Кунцевич В.М., Лычак М.М. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова.- М: Наука, 1977.

64. Зубов В.И. Лекции по теории управления.- М.: Наука, 1975. 496 с.

65. Путов В.В., Лебедев В.В., Козлов Ю.К. О задаче управления двухкоординатным подвесом // Сб. трудов второй междунар. электронной научн.-техн. конф. «Автоматизация и информатизация в машиностроении» (АИМ 2001). Тула: Изд-во ТулГТУ, 2001.- С.286-28 с.

66. Путов В.В., Козлов Ю.К., Лебедев В.В. Методы повышения эффективности систем наведения и стабилизации наземных подвижных объектов // Докл. XII н-т конф. «Экстремальная робототехника»,-СПб.:Изд-во СП6ГЭТУ.-2002 С. (в печати)

67. Путов В.В., Кривочкин Р.В., Козлов Ю.К., Лебедев В.В. Задачи успокоения средствами управления колебаний подвешенных грузов, транспортируемых подвижными объектами// СПб.: Изд-во СП6ГЭТУ.-2002.

68. Путов В.В. Козлов Ю.К. , Кривочкин Р.В. Управление трехкоординатным подвесом // Сб. трудов XII межд. Науч.-техн. конф. «Экстремальная робототехника».- СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002.-С.274-280

69. В.В. Путов, Ю.К. Козлов, В.В. Лебедев Разработка высокоэффективных систем наведения и стабилизации подвижных объектов и мобильных робототехнических комплексов// 15-ая научно-практическая конференция «Экстремальная робототехника. СПб.: 2004.

70. В.В. Путов, Ю.К. Козлов, В.П. Казаков, A.B. Путов Адаптивные электромеханические системы наведения и стабилизации специальныхобъектов и мобильных робототехнических комплексов // Известия «АиУ».СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- №1.-2004.

71. Зубов В.И. Аналитическая динамика системы тел. Л.: Изд-во ЛГУ.-1983.- 344 с.

72. Зубов В.И. Динамика управляемых систем.- Высшая школа-1982,- 288 с.

73. Меркин Д. Р. Введение в теорию устойчивости движения. М.: Наука, 1976.320 с.

74. Hiza J.C., Lie С.С. Analiticfl syntesis of class model- reference time varing control.-IEEE Trans., 1963.-y.68.

75. Попов В.М. Гиперустойчивость автоматических систем. М.: Наука, 1970.-456 с.

76. Путов В.В., Козлов Ю.К., Низовой A.B., Дашаев Ш.А. Автоматизированная мобильная установка предпосадочного контроля фрикционных свойств взлетно-посадочной полосы// Доклад на 14 конференции «Экстремальная робототехника» ЦНИИ РТК. СПб.: 2003.

77. Microcomputer Components C166-Familyos Hidh Performance CMOS 16-dit CMOS Single Chip Microcontrollers C164CI. Infineon technologies. http:/www.del/semicondactory.com

78. Шелудько В.Н., Путов В.В. Автоматизированная компьютерная система управления лазерным технологическим комплексом // Доклады Международной электронной н-т конференции «Перспективные технологии автоматизации 99» - Вологда ВОГТУ, 1999. - с. 4-5

79. Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» -Вологда: 2000. - С. 87-88

80. Шелудько В.Н., Путов В.В. Адаптивные системы управления нелинейными механическими объектами с многорезонансными упругими деформациями. // Мехатроника, №3, 2001. -С. 11-19.

81. В.Н. Шелудько, В. В. Путов, A.B. Низовой, A.B. Путов Автоматизированная мобильная электромеханическая установка нового поколения для измерения фрикционных свойств взлетно-посадочной полосы// Авиакосмическое приборостроение № 5.-2004.- С. 27-37

82. В. В. Путов, Ю. К. Козлов, В. Н. Шелудько Прямые и непрямые адаптивные системы с сигнальной настройкой, построенные на основе метода мажорирующих функций // Известия «АиУ».СПб:СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- №1.-2005.- с.3-9