автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА

кандидата технических наук
Синявская, Юлия Адольфовна
город
Москва
год
2012
специальность ВАК РФ
05.02.02
цена
450 рублей
Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА»

Автореферат диссертации по теме "Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА"

На правах рукописи

СИНЯВСКАЯ ЮЛИЯ АДОЛЬФОВНА

Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА

05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? 9 НОЯ 2012

Москва-2012

005055873

Работа выполнена на кафедре «Системы приводов авиационно-космичесю техники» Московского авиационного института (Национально исследовательского университета) «МАИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, Оболенский Юрий Геннадьевич

Официальные оппоненты:

Воронов Евгений Михайлович, доктор технических наук, профессс профессор кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ I Н.Э.Баумана

Таргамадзе Реваз Чолаевич, кандидат технических наук, заместите, начальника центра общего проектирования ФГУП «НПО им. С.. Лавочкина»

Ведущая организация: ОАО МНПК «Авионика» (г. Москва)

Защита состоится «11» декабря 2012 года в 11— часов на заседай] диссертационного совета Д 212.125.07 Московского авиационного институ (национального исследовательского университета) по адресу: 125993, А-8 ГСП-3, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, Главный административнь корпус, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московско авиационного института (национального исследовательского университета).

Автореферат разослан «9» ноября 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 21~ ""

к.т.н., доцент

А.Б. Кондратье!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной тенденцией в развитии современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), как военного так и гражданского назначения, является создание систем автоматического управления (САУ), обеспечивающих высокую точность и эффективность применения БПЛА при одновременном выполнении требований к минимизации энергетических затрат на управление полетом.

Основу методологии создания данных систем составляет системный подход к процессу проектирования, заключающийся в решении следующих задач:

• Формирование критериев качества, определяющих обликовые характеристики САУ и ее подсистем, исходя из условия выполнения требований к САУ со стороны системы более высокого иерархического уровня и исходя из учета взаимного влияния характеристик подсистем САУ и характеристик самой САУ;

• Формирование процесса проектирования на основе методов иерархической оптимизации на классах редуцированных моделей, определяемых требованиями адекватности соответствующим этапам проектирования.

Контур управления БПЛА представляет собой САУ, включающую три подсистемы: систему сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительное устройство; исполнительное устройство (ИУ) - бортовой рулевой привод (БРП); объект управления - беспилотный летательный аппарат. В свою очередь БРП также является системой, состоящей из трех подсистем: системы сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительный двигатель; исполнительного устройства, включающего источник питания, двигатель и кинематический механизм; объекта управления — аэродинамической поверхности (аэродинамического руля).

Качество САУ БПЛА в значительной степени определяется энергетическими ресурсами, необходимыми для реализации эффективного процесса управления полетом.

Вопросам энергетического обеспечения систем управления БПЛА посвящены работы Б.Н. Петрова [38], А.Г. Ужви [59] , В.А. Полковникова [42], В.А. Корнилова [19], в которых представлены алгоритмы определения энергетических характеристик БРП по априорно заданным законам движения и стационарным параметрам объекта управления (аэродинамического руля).

Однако в САУ БПЛА законы движения объекта управления (аэродинамического руля) являются следствием функционирования всей САУ, включающей БРП как подсистему, и формируются с учетом влияния

характеристик БРП (как динамических, так и энергетических) на процесс функционирования САУ.

Особенное значение системная постановка задачи проектирования имеет н начальном этапе синтеза системы, т.е. на этапе определения обликовых характеристик подсистем САУ и самой САУ, в виду того, что на данном этапе принимаются основные технические решения, связанные с комплектацией САУ и формированием технических заданий на проектирование ее подсистем.

В настоящее время системный подход широко применяется на этапе определения обликовых характеристик объекта управления (БПЛА) и САУ, что отражено в работах A.JI. Рейделя [48], Э.Е. Пейсаха [35], А.Б. Пригоникера [48], В.А. Нестерова [35] и других авторов. Однако в данных работах не учитываете: влияние энергетических затрат на управление полетом, определяемы: исполнительным устройством.

Вопросам системного проектирования следящих приводов как подсисте? комплексов бортового оборудования БПЛА посвящены работы В. Г. Терсков [58], в которых решаются задачи структурного синтеза следящих приводо: комплексов бортового оборудования БПЛА при априорно определенны: параметрах «энергетического канала» исполнительного устройства (двигателя кинематического механизма, источника питания).

Существующие методики параметрического синтеза ИУ [38, 42, 59], т.е методики оптимального выбора параметров «энергетического канала» рассматривают ИУ изолированно от надсистемы (САУ), что не дае возможность учитывать в процессе проектирования ИУ свойств самой САУ i взаимное влияние характеристик САУ и характеристик ИУ.

В силу вышесказанного на данный момент актуальной задачей являете, разработка методики и алгоритмов параметрического синтеза исполнительны: устройств на первичной стадии синтеза САУ, рассматривающих иерархическую структуру САУ и учитывающих функциональные связи ИУ с подсистемам] САУ, как в детерминированном, так и в стохастическом виде.

Цель работы:

¡.Разработка системно-оптимизационных алгоритмов проектировани электрических исполнительных устройств как подсистем контура управлени: полетом БПЛА, применимых для определения обликовых характеристик САУ i ИУ на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ.

2. Создание на базе разработанных алгоритмов интегрирование" интерактивной программной системы, позволяющей решать задачу определена обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА с электрически» следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривают "

расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА.

Задачи исследования. Основными задачами исследования являются:

• математическая постановка задачи параметрического синтеза ИУ как подсистемы САУ БПЛА на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ;

• обоснование выбора критериев качества САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма иерархической оптимизации задачи синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработка интегрированного интерактивного программного комплекса, реализующего методы и алгоритмы оптимального синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик. САУ БПЛА с ИУ в детерминированной и стохастической постановке.

Методы исследования. Математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, теория стохастических дифференциальных систем, методы системного анализа и синтеза сложных систем, технология объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования.

Объект исследования. Параметрический синтез контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации БПЛА.

Предмет исследования. Методика и алгоритмы параметрического синтеза контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации БПЛА.

Научная новизна:

• сформулирована математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ, применимая на начальной

стадии синтеза САУ, учитывающая влияние критериев качества САУ исполнительного устройства на общие характеристики САУ;

• разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения зада1 оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качест подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• разработаны алгоритмы оптимизации энергетических характерист] электрических ИУ по критерию min7Vmax(F) (Nmax- максимальная мощное!

затрачиваемая исполнительным устройством на управление; F- жесткое механической характеристики ИУ) для произвольных законов движения объек управления (аэродинамического руля) и произвольного набора нестационарш параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастичесю постановке, определяющие обликовые характеристики «энергетическо канала» исполнительного устройства;

• разработан алгоритм оптимального параметрического синте стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликов! характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критер оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностно характера параметров САУ БПЛА и ИУ и при представлении входных сигнал САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработан интегрированный интерактивный программный комплекс д решения задачи определения обликовых характеристик контура стабилизац БПЛА с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы предусматривающий расширение программной функциональности д использования на этапе определения обликовых характеристик конту наведения БПЛА в детерминированной и стохастической постановке.

Практическая значимость:

¡.Представленные в диссертационной работе методы, алгоритмы и компле программных средств применяются в научной деятельности ОАО МШ «Авионика» для:

• определения оптимальных обликовых характеристик перспективн ЗУР;

• анализа энергетических характеристик существующих ИУ БПЛА;

• обоснования тактико-технических требований при проектировании I БПЛА;

• определения энергетических характеристик ИУ в систе\ программного управления по априорно заданным произвольным закон

движения аэродинамического руля при произвольном наборе вектора параметров аэродинамической нагрузки.

2. Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики», входящая в интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», зарегистрирована в Федеральном органе исполнительной власти по интеллектуальной собственности от имени МАИ (Свидетельство о государственной регистрации N 2012614659 от 24.05.2012 г).

3. Разработанный в диссертационной работе интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС» применяется в учебном процессе кафедры 702 «Системы приводов летательных аппаратов» МАИ в курсах «Статистическая динамика приводных систем», «Основы автоматики и теории управления» и в курсовом и дипломном проектировании по кафедре 702 МАИ.

Практическое применение результатов диссертационной работы в перечисленных выше прикладных областях подтверждено соответствующими актами о внедрении в учебный процесс кафедры «Системы приводов летательных аппаратов» МАИ и в практическую и научную деятельность ОАО МНПК «Авионика».

На защиту выносятся следующие основные положения:

• математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза исполнительных устройств в контуре управления полетом беспилотного летательного аппарата на этапе определения обликовых характеристик контура управления и исполнительного устройства, применимая на начальной стадии синтеза САУ;

• алгоритм иерархической оптимизации в задаче оптимального параметрического синтеза контура управления беспилотного летательного аппарата с исполнительным устройством в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• оптимизационные алгоритмы определения экстремального энергетического критерия в форме mjn Nmax(F) при реализации произвольных законов движения

объекта управления (аэродинамического руля) и произвольном наборе вектора нестационарных параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастической постановке;

• алгоритм оптимального параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума

функции полезности, вероятностного характера параметров САУ БПЛА и ИУ при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайны процессов;

• интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС) предназначенный для решения задачи определения обликовых характеристи контура стабилизации БПЛА (автопилота (АП)) с электрическим следящи рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающий расширени программной функциональности для использования на этапе определени обликовых характеристик контура наведения БПЛА в детерминированной стохастической постановке.

Достоверность научных положений и результатов. Достоверное! научных положений и результатов, сформулированных в диссертацш подтверждаются корректным использованием математического аппарата теори автоматического управления, системного анализа и теории стохастически дифференциальных систем, математическим моделированием на баз апробированных математических моделей, достаточной апробацией публикациями полученных результатов.

Апробация работы и публикации. Основное содержание работ: докладывалось и обсуждалось на:

• 1-й Международной конференции по автоматическому управлении Москва, Ярополец, 1993 год;

• 1-й Международной конференции по электромеханике электротехнологии, Суздаль, 1994 год;

• П-й, У-й, 1Х-Й Всероссийских научно-технических конференция "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систе летательных аппаратов", Москва, МАИ, 1996 год, 1999 год, 2012 год;

• ХШ-м, ХУ-м Международных научно-технических Семинарах «Современнь технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 20С год, 2006 год;

• Научно-технической конференции «Системы управления беспилотным космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс Москва, 2010 год.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, \ которых 2 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнаук России, 7 публикаций в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит \ списка принятых сокращений, введения, 4-х глав, заключения и списв

литературы из 69 наименований. Работа содержит 183 страницы печатного текста, 45 рисунков, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, раскрыта новизна и практическая значимость темы диссертационной работы.

В первой главе сформулирована постановка задачи системного проектирования исполнительных устройств в контуре управления беспилотного летательного аппарата как задачи оптимального структурно-параметрического синтеза САУ и ИУ; рассмотрен и обоснован выбор перечня критериев САУ и ИУ на этапе определения обликовых характеристик и обосновано формирование обобщенного критерия оптимальности в виде экстремального энергетического критерия качества и перечня сформированных ограничений; разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза автопилота с электрическим рулевым приводом в качестве подсистемы; представлены алгоритмы оптимизационных методов, решающих указанную задачу иерархической оптимизации.

Автопилот (АП) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) рассматривается как иерархическая структура, состоящая из трех подсистем: системы управления (СУ), исполнительного устройства (ИУ) — электрического рулевого привода и объекта управления (ОУ) — беспилотного летательного аппарата (рис. 1):

Рис. 1. Иерархическая структура АП БПЛА.

Где й3 (/) - вектор входных сигналов; м (/) - вектор выходных сигналов.

С точки зрения функционального назначения автопилота БПЛА и условий его функционирования, задача синтеза автопилота и его подсистем на этапе формирования обликовых характеристик САУ формулируется как задача структурно-параметрического синтеза САУ при, минимизации энергетических затрат на управление:

Определение обликовых характеристик системы управлени (автопилота) и бортового рулевого электропривода, как его подсистемь при условии удовлетворения требований к динамическим характеристика! системы управления (автопилота) и при условии минимизаци энергетических затрат на управление.

Объединение критериев АП БПЛА и критериев исполнительного устройств (электропривода) позволит выполнить оптимальный синтез модели АП и КГУ учетом их взаимного влияния, и решить не только задачу оптимальног структурно-параметрического синтеза АП, но и сформировать оптимальны законы управления исполнительным устройством с точки зрения его критерие и критериев надсистемы.

Общая математическая поставка задачи синтеза обликовых характеристи автопилота формулируется в форме оптимизационной задачи:

~Т*лп ХлпС), Р*ап(') =ех1г 1ап (0> Рап(0 ^(ОбЗ ^

Рап( оеи

при наличии ограничений на параметры и фазовые состояния АП:

• *ЛП; (0 = 7щ (*АПу (0, Рлпу (4 й3. (0), У = М; С

• Ьлп. (хАП. (0, Рлп] (0) 2 0, у = й (3

где ~1Ш хАП(1), рлп{^) - векторный критерий, включающий два подвектор;

^су *ап(0-> Рап О ' вектоРный критерий, характеризующий качество С5

1иу Хап(*)>Рал(*) ' ^кторный критерий, характеризующий качество ИУ; 3

область допустимых состояний АП; - область изменения параметров АП; _/ номер режима функционирования АП; хАП - вектор фазовых координат модел

АП, включающий три подвектора: хсу- вектор фазовых координат модел системы управления, хоу - вектор фазовых координат модели объеьп управления и Зсиу - вектор фазовых координат модели исполнительног устройства; рАП - вектор параметров модели АП, включающий три подвектор; рсу - вектор параметров модели системы управления (включае оптимизируемые параметры), роу - вектор параметров модели объект управления и рш - вектор параметров модели исполнительного устройств (включает оптимизируемые параметры).

Условия (2) представляют ограничения в виде равенств, характеризующие математическую модель АП. Условия (3) представляют ограничения в виде неравенств, характеризующие, в общем случае, динамические и энергетические ограничения на подсистемы АП и на всю модель АП в целом.

Оптимизационная задача (1) с ограничениями (2) и (3) является задачей многокритериальной многопараметрической оптимизации. В процессе решения данной задачи, для каждого режима функционирования АП, будут определены оптимальные, в смысле критерия качества (1), параметры АП, включающие параметры системы управления и рулевого электропривода. В дальнейшем, данные параметры используются в качестве функциональных ограничений при проектировании подсистем АП, в частности бортового рулевого привода, на следующих этапах разработки более низкого иерархического уровня.

Многокритериальная задача (1) была сведена к однокритериальной со скалярным критерием в форме минимального значения максимальной мощности электропривода min Nmax(F)'

1 ап хап max хап{*)> Рan(t) ~~* m'n|7,„(()e3

Рлп С)«*

при наличии ограничений на параметры и фазовые состояния АП:

* ^An^) = 7Anj{x^]{t),pAnj(t),^j{t))J = 'Q-, (5)

• hAIJj (хАП. (О, pAIIj (0) ^ 0, j = й (6)

В данной оптимизационной задаче условия (хАп. (t),рАП} (0) ^ 0, у = U

включают функциональные ограничения на динамические характеристики АП, полученные на основе частных критериев J xAn(t),pAn(t) ■ Условие

существования минимума оптимизационной задачи (4)-(6) представлено системой нелинейных дифференциальных уравнений (7):

dL _6Nmax .4

.л, df. л ей, n . —

8Рлп, дРлп, М Фля,. м 8Рлп, ÖL

/лпк Хлп ' >Рлп t -*лпк ' =°. k = \,d

я _ gl £ _

Т—= ZA, *лп t >Рлп * =°. l = -ГТ~>0' i = l'n

ОД/ Ml ЧРл/Т,

где L - Лагранжиан оптимизационной задачи (4)-(6).

(7)

Для решения системы (7) используется один из декомпозиционно-координатных методов иерархической оптимизации - метод координации моделей, заключающийся в разделении процесса решения системы (4)-(6) на несколько уровней, на каждом из которых решается задача определения критерия и оптимизируемых параметров для 1-й подсистемы АП с известными оптимизируемыми параметрами подсистем более высокого иерархического уровня.

Обобщенная схема алгоритма оптимального синтеза АП с электрическим рулевым приводом в качестве подсистемы на базе метода координации моделей представлена на рис. 2. Каждый из четырех Блоков на рис. 2 реализует алгоритмы, решающие связанные подзадачи. В качестве методов нелинейного программирования используются метод Хука-Дживса и метод случайного поиска с непрерывным обучением.

Рис. 2. Обобщенная схема алгоритма оптимального синтеза АП

По окончании процесса иерархической оптимизации определяются: 1.0блнковые характеристики модели системы управления АП для каждого режима функционирования АП j в форме вектора параметров модели СУ

Pcvj (О'

2.0бликовые характеристики модели ИУ в форме вектора параметров модели ИУ риу (/).

3. Значение скалярного критерия качества N*max (F*) = min jVmax (F) >

соответствующее минимальному значению максимальной мощности, затрачиваемой исполнительным устройством для функционирования АП на всех режимах полета БПЛА.

4. Оптимальная зависимость jV*lax(F)> соответствующая значениям Nmiili и

F, при которых все заданные режимы функционирования АП могут быть выполнены с точки зрения энергетических затрат.

Вектор параметров Рцу{0' значение критерия качества

л max (F*) = min Kmiix(F) и оптимальная зависимость N*max(F) являются функциональными ограничениями, сформированными с точки зрения критериев автопилота, которые используются при проектировании подсистем исполнительного устройства (энергетического и информационного каналов).

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов для определения энергетического критерия качества (4) в форме min Nmax(F)-

Выбор в качестве энергетического критерия экстремальной оценки потребляемой мощности связан с тем, что для задач проектирования данного класса рулевых приводов, функционирующих короткий промежуток времени, можно выделить наиболее «тяжелые», с точки зрения потребляемой энергии, режимы функционирования (например, пуск и подлет к цели), где интегральный критерий качества не оценит максимальную потребляемую мощность, кроме того, именно экстремальное значение мощности min yVmax определяет массо-

габаритные характеристики «энергетического канала» ИУ. С точки зрения решения практических задач, наиболее рациональным является выбор независимых переменных критерия качества Nmax и F, т.к. на координатной

плоскости этих переменных возможно эффективное выполнение операций объединения произвольного числа различных режимов, решение нелинейных и нестационарных задачах, а также, построение алгоритмов выбора двигателя и кинематического механизма из унифицированных вариантов.

Зависимость Лгтах(_Г) представляется в виде следующей системы уравнений (Корнилов В.А. Основы автоматики и привода летательных аппаратов - М.: МАИ, 1991):

с!М(Т) <!Г

(8)

^(О

*■(/) = -

дМ{1,7) +ТЯ 1-1 8гМ((,Т)

81 а2 1=7

<Л1(0 Л 1-1

где t - временная координата точки касания требуемой фазовой траектории (ТФТ) ИУ и поверхности предельных фазовых состояний (ППФС) ИУ; F(¡г)-жесткость механической характеристики ИУ в точке касания ТФТ и ППФС; М(Т) и П(г~) - значения момента на выходном валу ИУ и скорость движения

выходного вала ИУ в момент времени t , соответственно; Тя - постоянная

времени якоря двигателя.

Таким образом, задача оптимизации формулируется как:

(/),»=!,п-,рн. (0,7=1,т

(9)

* *

где Т7 - оптимальная жесткость механической характеристики ИУ; N -

оптимальная максимальная мощность ИУ; Т*- оптимальная точка касания фазовой траектории ИУ и предельной механической характеристики ИУ; <£•(/),/= 1, л - набор законов движения аэродинамического руля; р ^ j — 1т - набор векторов параметров аэродинамической нагрузки.

Выражение для приведенного момента на валу привода М(г) в (8) имеет вид:

А*

Параметры Зп,Кт и функции Л/т/) (5(0,5(0),Мш(1) и Л/0(Г) составляют вектор нестационарных параметров объекта управления рн 1 в (9).

Условие существования минимума критерия (9) представлено следующим уравнением:

dt \ dt " dt

F2(T)

F\t)

= 0,

Для решения уравнения (10) разработан оптимизационный алгоритм, использующий прямые и градиентные методы оптимизации и алгоритмы аппроксимации табулированных законов движения руля и

нестационарных параметров и функций, составляющих вектор параметров аэродинамической нагрузки. В качестве аппроксимирующих функций используются сплайн-функции 3-го и 5-го порядков и функция

ег (ci eos--— f + cisin--

S(t) = S,Q+eT (с,<

В результате решения определяются оптимальные значения F* ,N* и

результирующая зависимость N" (F)-

N|F|

1503 1350 кш 1050 i ; i i : i i /i -VlVi«-- - te^ -+- u -J^ - • ЩХ ¡N^tF) /

750 600 <50 - 4AV> +—í- -i- 4— Д Ж Л _ ± _ i—i— stgpíi__jj.-- | ___ Nmav(F) i *\ "^írrr--1-

300 _ 1__¡.*_i_(_ — IF* F

1 50

000 0 50 1.СЮ 1 50 2.00 250 3 00 3 50 4 00 4/ 5 00

Рис.3 Критерий качества Мтах(Р*) и результирующая зависимость 1^"тйх(Р)

После решения задачи иерархической оптимизации для всех режимов функционирования АП, согласно разработанного алгоритма уточнения

параметров АП для «п» режимов функционирования АП, будут определены

*

результирующее значение энергетического критерия качества Ытах[И ) (рис.3)

*

и соответствующая зависимость Мтах(Р) (рис.3) для всех заданных режимов

функционирования АП, определяющие функциональные ограничения пр выборе либо проектировании «энергетического» канала электропривод (двигателя, редуктора, источника питания).

В третьей главе диссертационной работы рассматривается обобщенна стохастическая постановка задачи оптимального структурно-параметрическог синтеза АП, учитывающая влияние случайных факторов на функционировани САУ. Стохастическая постановка задачи предполагает знание априорно статистической информации о случайных факторах, влияющих на работу САУ, отличие от минимаксной поставки, когда известны лишь границы изменени неконтролируемых факторов. Минимаксная постановка задачи чаще всег применяется при решении задач синтеза оптимального управления Л/ оптимального оценивания и оптимальной фильтрации. В виду того, чт оптимальный синтез АП БПЛА выполняется с целью удовлетворени требований, предъявляемых к АП со стороны контура наведенш предполагается, что априорная статистическая информация о случайны воздействиях может быть получена.

Критерием стохастической задачи оптимального синтеза АП принимаете максимум вероятности успешного свершения событий в :

¿Ч^СУ (0.4/ (0) = ^тах^ ¡/'су (О^ИУ С)],

*АП; (0 = /лп] (*Л7у {1),РлП. (/),«,у (/)), у = 1,1

ьЛП] (*АП] С\PMij (0) 5 О, у = 17];

в =

где:

событие, означающе

*лп] (0 = /АП] {Хап. (<), Рлп] (0. Щ. Ш 7 = 1./ функционирование стохастической математической модели АП;

* ЬАП. (хАП. (/), рАП. (/)) <0,7= й] - события, означающие выполнени

требований, налагаемых на фазовые состояния и параметры стохастическо системы АП;

• а/ - минимальное значение максимальной мощности ИУ, полученное '"шах

результате решения детерминированной задачи оптимального синтеза АП п методике, описанной в главах 1 и 2;

• ДА^ - величина допуска при соблюдении требования близости текущего

значения тшЫтак к значению дг^.

Стохастическая постановка задачи оптимального синтеза АП заключается в следующем:

Определить такие реализации векторов параметров АП р*у и ИУ р^ стохастической модели АП, которые доставляли ли бы максимум критерию (11) при условии выполнения событий 0 при воздействии на систему вектора входных сигналов в форме нестационарных случайных

процессов.

Алгоритм верхнего уровня иерархической оптимизации реализуется на базе поискового метода стохастической оптимизации - неградиентного случайного поиска с непрерывной адаптацией. Генерация случайных величин выполняется на основе заданных вероятностных характеристик, генерация нестационарных случайных процессов выполняется на основе обработки их известных реализаций при применении сплайн-аппроксимации.

В результате решения поставленной стохастической задачи оптимизации определяются:

• реализация оптимального вектора параметров ИУ Р*^(1) и оценки его моментных характеристик — математического ожидания т ^у и среднеквадратического отклонения аиу, удовлетворяющие всем заданным

режимам функционирования АП;

• реализация оптимального вектора р*у(^) и оценки его моментных

характеристик - тсу и <ТСу для каждого режима функционирования АП;

. средние результирующие оценки = тт¡„^ и СТщтЛ^ Д™ всех

режимов функционирования АП, необходимые для дальнейшего проектирования подсистем исполнительного устройства.

В четвертой главе приведено описание программно-математического обеспечения для решения задач оптимального структурно-параметрического синтеза систем автоматического управления с электрическими исполнительными устройствами в качестве подсистемы, состоящего из интегрированного интерактивного программного комплекса «СИРИУС», реализующего методы и алгоритмы глав 1-3, и составляющих его программных

T J

средств, которые могут использоваться как самостоятельные программны продукты.

С целью демонстрации работы программного обеспечения приводите а пример предварительного синтеза контура стабилизации (автопилота) по канал; тангажа со следящим электрическим рулевым приводом в качестве подсистем] на этапе определения обликовых характеристик подсистем контур стабилизации по критерию минимальной экстремальной мощности, затрачиваемой приводом на управление, при условии выполнение динамических требований к автопилоту со стороны контура наведения для тре режимов полета БПЛА.

С помощью программной системы «СИРИУС» была решен детерминированная задача синтеза структуры АП для каждого режима , определено результирующее значение критерия качества min Nmax (F) для все

заданных режимов. Значение критерия качества представлено на рисунке 4.

V - ~<>Г.МЬ I * 75

Рис. 4 Критерий качества Nmax(F*) и результирующая оптимальная зависимость ,\r" (F\

max V /

Также были получены оптимальные параметры системы управления P^y(t)

оптимальные параметры эквивалентной модели рулевого привода

определяющие обликовые характеристики подсистем системы управления АП : подсистем рулевого электропривода.

После выбора электродвигателя и определения значения f оптимально-

значение передаточного числа редуктора определяется по формуле * I ^ .

\ f

V J ьв

Оптимальные значения N*mzx и F" используются в случае необходимост

проектирования уникального электродвигателя и кинематического механизма. Б случае если электродвигатель выбирается из унифицированной сери двигателей, выбирается минимальный по мощности двигатель, мощное^

которого превышает полученное оптимальное значение Л^- Для определения диапазона передаточных чисел кинематического механизма по оптимальной зависимости Ы* (Р) определяется диапазон значений ре , на основании

которого вычисляется диапазон передаточных чисел кинематического механизма

14*- 70.6? Вт. Г*-3.75

Рис. 5 Определение диапазона передаточных чисел кинематического механизма при выборе унифицированного электродвигателя

Аналогично была решена задача предварительного синтеза стохастической модели АП и рулевого привода при заданных вероятностных характеристиках входных сигналов и составляющих вектора параметров аэродинамической нагрузки. Результат представлен на рис. 6.

Рис. 6. Результирующая оптимальная зависимость А^тах )

Также были определены оптимальные реализации и вероятностные характеристики векторов параметров системы управления АП и рулевого электропривода.

Оптимальные обликовые параметры системы управления автопилота используются при дальнейшем проектировании элементов автопилота на более низком иерархическом уровне.

Параметры эквивалентной модели рулевого привода характеризуют обликовые динамические характеристики модели электропривода. Оптимальные

значения N° и оптимальная зависимость ^ определяют

шах 7 ШаХ

обликовые характеристики «энергетического» канала привода, сформированные с учетом требований к качеству контура автопилота при условии минимизации максимальной мощности, требуемой на управление летательным аппаратом для заданных режимов полета. Данные обликовые характеристики используются в качестве функциональных ограничений при проектировании подсистем привода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована оптимизационная постановка задачи системного проектирования исполнительных устройств в контуре управления БПЛА, позволяющая выполнять оптимальный структурно - параметрический синтез контура управления БПЛА и ИУ на этапе определения их обликовых характеристик, учитывающая влияние критериев качества контура управления и ИУ на общие характеристики контура управления. Полученные, в результате решения данной задачи, обликовые характеристики подсистем контура управления БПЛА формируют функциональные ограничения при решении задач проектирования данных подсистем на более низком иерархическом уровне.

2. Разработан алгоритм иерархической оптимизации применительно к решению задачи структурно - параметрического синтеза ИУ в контуре управления БПЛА.

3.Разработаны оптимизационные алгоритмы определения энергетического критерия качества тт А^тах в форме для произвольных законов

движения объекта управления и соответствующих им векторов нестационарных параметров объекта управления. Применение данного вида энергетического критерия позволяет определить оптимальную зависимость Л^ах (Р) Для любого

количества произвольных законов движения объекта управления.

4. Разработан алгоритм решения стохастическая задачи параметрического синтеза исполнительных устройств в контуре управления БПЛА, основанный на стохастическом критерии оптимальности и вероятностном характере входных воздействий и оптимизируемых параметров системы, позволяющий рассматривать входные воздействия в виде нестационарных случайных процессов.

5. Разработан интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», решающий задачу оптимального структурно — параметрического

синтеза контура управления БПЛА с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы с энергетическим критерием качества в виде минимальной максимальной мощности, затрачиваемой исполнительным устройством на управление и выполняющим требования, предъявляемые к контуру управления со стороны системы более высокого иерархического уровня.

6. Разработано дополнительное программное обеспечение, позволяющее решать локальные задачи минимизации максимальной мощности управления:

• Программный комплекс «SC/Сепарабельный цикл», решающий задачу определения минимальной максимальной мощности (F*) = min jVmax (F) и оптимальной зависимости Для любого количества произвольных законов движения объекта управления и любого состава вектора параметров аэродинамической нагрузки. Оптимальная зависимость N^ax(F) и минимальное

значение A^lax(i7'*) используются для формирования технического задания на проектирование «энергетического» канала исполнительного устройства, либо для выбора конкретного исполнительного устройства, способного выполнить заданные законы управления с минимальными энергетическими затратами, из числа разработанных ИУ.

• Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики» (Свидетельство о государственной регистрации N 2012614659 от 24.05.2012 г), решающая задачу определения минимальной максимальной мощности N^nax(F*) = minNmax(F) и оптимальной

зависимости N^^F) по аналитическим зависимостям для гармонических

законов движения объекта управления и законов движения с постоянными моментом и угловой скоростью.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Иерархическая оптимизация в задачах проектирования систем автоматического управления // электронный журнал Труды МАИ, 2011г. № 44.

2. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Энергетический синтез мехатронных систем // журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки, выпуск N 1, 2012 г., стр. 55-60.

Публикации в других изданиях

3. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Synthesis of automatic system with servodrive as subsystem// Proceedings of the 1993 MAI/BUAA international symposium on automatic control, Moscow, Yaropolets, 1993, стр.145-159.

4. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Energetical synthesis of the electromechanical control system// Тезисы докладов I международной конференции по электромеханике и электротехнологии, Суздаль, 1994, часть II, стр. 64.

5. Синявская Ю.А. Энергетические оценки исполнительного устройства привода при реализации произвольного закона управления. // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1996, стр. 221-224.

6. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А. Системный подход к проектированию следящего рулевого привода в качестве исполнительного устройства в системе автопилота летательного аппарата. // Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1999, стр. 209-212.

7. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А. Системное проектирование рулевого привода в контуре управления беспилотного летательного аппарата. // Труды ХШ-го Международного научно-технического Семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 год, стр. 307309.

8. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А. Энергетический синтез систем аэродинамического управления беспилотных летательных аппаратов. // Тезисы докладов Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс», Москва, 2010 год, стр. 67-68.

9. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А Интегрированный интерактивный программный комплекс «Синтез рулевых исполнительных устройств»// Сборник докладов IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 2012, стр. 251-255.

Множительный центр МАИ (НИУ) Заказ от09, И 2012. г. Тираж 60 экз.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Синявская, Юлия Адольфовна

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Исследование исполнительных устройств в контуре надсистемы. Иерархическая оптимизация системы автоматического управления беспилотного летательного аппарата.

1.1. Математическая постановка задачи параметрического синтеза электрических ИУ как подсистем САУ БПЛА.

1.2. Формирование скалярного критерия качества и выбор метода решения.

1.3. Метод иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза АП и его подсистем.

1.4. Алгоритм декомпозиционно-координатного метода иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза АП с исполнительным устройством в качестве подсистемы.

1.4.1. Выбор математических моделей АП и его подсистем.

1.4.2. Определение перечня оптимизируемых параметров и области их изменения.

1.4.3. Выбор метода нелинейного программирования для решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации.

1.4.3.1. Алгоритм решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации на основе метода

Хука - Дживса.

1.4.3.2. Алгоритм решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации на основе метода случайного поиска с непрерывным обучением.

1.4.4. Общий алгоритм решения задачи оптимального синтеза АП и его подсистем.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Определение энергетического критерия качества. Сепарабельный цикл иерархической оптимизации.

2.1. Алгоритм определения энергетического критерия качества.

2.2. Аппроксимация закона движения объекта управления (аэродинамического руля).

2.2.1. Аппроксимация закона управления с помощью функций, представляющих решение дифференциального уравнения второго порядка.

2.2.2. Аппроксимация закона управления с помощью сплайн - функций.

2.3. Определение участков >0.

2.3.1. Определение интервалов ^(7) > 0 при аппроксимации в виде функций, представляющих решение дифференциального уравнения второго порядка.уз

2.3.2. Универсальный алгоритм определения интервалов F(t) >0.

2.4. Определение критериальной функции Nmax(F).

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Стохастическая постановка задачи параметрического синтеза контура управления с исполнительным устройством в качестве подсистемы.

3.1. Стохастический критерий оптимизации.

3.2. Общая стохастическая постановка задачи оптимального синтеза АП.

3.3. Алгоритм неградиентного случайного поиска с непрерывной адаптацией для решения задачи оптимального синтеза стохастической модели АП.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Программно-математическое обеспечения для решения задачи параметрического синтеза исполнительных устройств контуров управления БПЛА.

4.1. Интегрированная интерактивная система проектирования «СИРИУС» (СИнтез Рулевых Исполнительных УСтройств).

4.2. Программный комплекс «SC/Сепарабельный цикл».

4.3. Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики».

4.4. Выводы к главе 4.

Введение 2012 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Синявская, Юлия Адольфовна

Актуальность темы

Основной тенденцией в развитии современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), как военного так и гражданского назначения, является создание систем автоматического управления (САУ), обеспечивающих высокую точность и эффективность применения БПЛА при одновременном выполнении требований к минимизации энергетических затрат на управление полетом.

Основу методологии создания данных систем составляет системный подход к процессу проектирования, заключающийся в решении следующих задач:

• Формирование критериев качества, определяющих обликовые характеристики САУ и ее подсистем, исходя из условия выполнения требований к САУ со стороны системы более высокого иерархического уровня и исходя из учета взаимного влияния характеристик подсистем САУ и характеристик самой САУ.

• Формирование процесса проектирования на основе методов иерархической оптимизации на классах редуцированных моделей, определяемых требованиями адекватности соответствующим этапам проектирования.

В общем случае, контур управления БПЛА представляет собой САУ, включающую три подсистемы: систему сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительное устройство; исполнительное устройство (ИУ) - бортовой рулевой привод (БРП); объект управления - беспилотный летательный аппарат.

В свою очередь БРП также является системой, состоящей из трех подсистем: системы сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительное устройство; исполнительного устройства, включающего источник питания, двигатель и кинематический механизм; объекта управления - аэродинамической поверхности (аэродинамического руля).

Качество САУ БПЛА в значительной степени определяется энергетическими ресурсами, необходимыми для реализации эффективного процесса управления полетом.

Вопросам энергетического обеспечения систем управления БПЛА посвящены работы Б.Н. Петрова [38], А.Г. Ужви [59] , В.А. Полковникова [42], В.А. Корнилова [19], в которых представлены алгоритмы определения энергетических характеристик БРП по априорно заданным законам движения и стационарным параметрам объекта управления (аэродинамической поверхности).

Однако в САУ БПЛА законы движения объекта управления (аэродинамической поверхности) являются следствием функционирования всей САУ, включающей БРП как подсистему, и формируются с учетом влияния характеристик БРП (как динамических, так и энергетических) на процесс функционирования САУ.

Особенное значение системная постановка задачи проектирования имеет на начальном этапе синтеза системы, т.е. на этапе определения обликовых характеристик подсистем САУ и самой САУ, в виду того, что на данном этапе принимаются основные технические решения, связанные с комплектацией САУ и формированием технических заданий на проектирование ее подсистем.

В настоящее время системный подход широко применяется на этапе определения обликовых характеристик объекта управления (БПЛА) и САУ, что отражено в работах A.JI. Рейделя [48], Э.Е. Пейсаха [35], А.Б. Пригоникера [48], В.А. Нестерова [35] и других авторов. Однако в данных работах не учитывается влияние энергетических затрат на управление полетом, определяемых исполнительным устройством.

Вопросам системного проектирования следящих приводов как подсистем комплексов бортового оборудования БПЛА посвящены работы В. Г. Терскова [58], в которых решаются задачи структурного синтеза следящих приводов комплексов бортового оборудования БПЛА при априорно определенных параметрах «энергетического канала» исполнительного устройства (двигателя, кинематического механизма, источника питания).

Однако существующие методики параметрического синтеза ИУ [38, 42, 59], т.е. методики оптимального выбора параметров «энергетического канала», рассматривают ИУ изолированно от над системы (САУ), что не дает возможность учитывать в процессе проектирования ИУ свойств самой САУ и взаимное влияние характеристик САУ и характеристик ИУ.

В силу вышесказанного на данный момент актуальной задачей является разработка методики и алгоритмов параметрического синтеза исполнительных устройств САУ на первичной стадии синтеза САУ, рассматривающих иерархическую структуру САУ и учитывающих функциональные связи ИУ с подсистемами САУ, как в детерминированном, так и в стохастическом виде.

Цель работы

1. Разработка системно-оптимизационных алгоритмов проектирования электрических исполнительных устройств как подсистем контура управления полетом БПЛА на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ, применимых для определения обликовых характеристик САУ и ИУ.

2. Создание на базе разработанных алгоритмов интегрированной интерактивной программной системы, позволяющей решать задачу определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающей расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА.

Задачи исследования

Основными задачами исследования являются:

• математическая постановка задачи параметрического синтеза ИУ как подсистемы САУ БПЛА на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза САУ;

• обоснование выбора критериев качества САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма иерархической оптимизации задачи синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработка интегрированного интерактивного программного комплекса, реализующего методы и алгоритмы оптимального синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА с ИУ в детерминированной и стохастической постановке.

Методы исследования.

Математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, теория стохастических дифференциальных систем, методы системного анализа и синтеза сложных систем, технология объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования.

Объект исследования.

Параметрический синтез контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации и контура наведения БПЛА.

Предмет исследования.

Методика и алгоритмы параметрического синтеза контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации и контура наведения БПЛА.

Научная новизна:

• сформулирована математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза САУ, учитывающая влияние критериев качества САУ и исполнительного устройства на общие характеристики САУ;

• разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения задачи оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• разработаны алгоритмы оптимизации энергетических характеристик электрических ИУ по критерию т[пЫтак(Р) (А^тах- максимальная мощность, затрачиваемая исполнительным устройством на управление; Р- жесткость механической характеристики ИУ) для произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и произвольного набора нестационарных параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастической постановке, определяющие обликовые характеристики «энергетического канала» электрического исполнительного устройства;

• разработан алгоритм оптимального параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ БПЛА и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработан интегрированный интерактивный программный комплекс для решения задачи определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающий расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА в детерминированной и стохастической постановке.

Практическая значимость.

1. Представленные в диссертационной работе методы, алгоритмы и комплекс программных средств применяются в научной деятельности ОАО МНПК «Авионика» для:

• определения оптимальных обликовых характеристик перспективных ЗУР;

• анализа энергетических характеристик существующих ИУ БПЛА;

• обоснования тактико-технических требований при проектировании ИУ БПЛА;

• определения энергетических характеристик ИУ в системах программного управления по априорно заданным произвольным законам движения ОУ при произвольном наборе вектора параметров ОУ.

2. Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики», входящая в интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», зарегистрирована в Федеральном органе исполнительной власти по интеллектуальной собственности от имени МАИ (Свидетельство N 2012614659 от 24.05.2012 г).

3. Разработанный в диссертационной работе интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС» применяется в учебном процессе кафедры «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ в курсах «Статистическая динамика приводных систем», «Основы автоматики и теории управления» и в дипломном проектировании по кафедре.

Практическое применение результатов диссертационной работы в перечисленных выше прикладных областях подтверждено соответствующими актами о внедрении в учебный процесс кафедры

Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ и в практическую и научную деятельность ОАО МНГЖ «Авионика».

На защиту выносятся следующие основные положения:

• математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза электрических исполнительных устройств в контуре управления полетом беспилотного летательного аппарата на этапе определения обликовых характеристик контура управления и исполнительного устройства, применимая на начальной стадии синтеза САУ;

• алгоритм иерархической оптимизации в задаче оптимального параметрического синтеза контура управления беспилотного летательного аппарата с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• оптимизационные алгоритмы определения экстремального энергетического критерия в форме minNmax(F) при реализации произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и произвольном наборе вектора нестационарных параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастической постановке;

• алгоритм оптимального параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ БПЛА и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», предназначенный для решения задачи определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА (автопилота (АП)) с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающий расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА в детерминированной и стохастической постановке.

Достоверность научных положений и результатов.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата теории автоматического управления, системного анализа и теории стохастических дифференциальных систем, математическим моделированием на базе апробированных математических моделей, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.

Апробация работы и публикации.

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на:

• 1-й Международной конференции по автоматическому управлению, Москва, Ярополец, 1993 год;

• 1-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии, Суздаль, 1994 год;

• П-й, У-й, 1Х-й Всероссийских научно-технических конференциях "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов", Москва, МАИ, 1996 год, 1999 год, 2012 год;

• ХШ-м, ХУ-м Международных научно-технических Семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 год, 2006 год;

• Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс», Москва, 2010 год.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 2 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России, 7 публикаций в сборниках трудов конференций.

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Иерархическая оптимизация в задачах проектирования систем автоматического управления // электронный журнал Труды МАИ, 2011г. № 44.

2. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Энергетический синтез мехатронных систем // журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки, выпуск N 1, 2012 г., стр. 55-60.

Публикации в других изданиях

3. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Synthesis of automatic system with servodrive as subsystem// Proceedings of the 1993 MAI/BUAA international symposium on automatic control, Moscow, Yaropolets, 1993, стр. 145-159.

4. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Energetical synthesis of the electromechanical control system// Тезисы докладов I международной конференции по электромеханике и электротехнологии, Суздаль, 1994, часть II, стр. 64.

5. Синявская Ю.А. Энергетические оценки исполнительного устройства привода при реализации произвольного закона управления. // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1996, стр. 221-224.

6. Корнилов В. А. , Синявская Ю.А. Системный подход к проектированию следящего рулевого привода в качестве исполнительного устройства в системе автопилота летательного аппарата. // Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1999, стр. 209-212.

7. Корнилов В. А. , Синявская Ю.А. Системное проектирование рулевого привода в контуре управления беспилотного летательного аппарата. // Труды ХШ-го Международного научно-технического Семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 год, стр. 307-309.

8. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А. Энергетический синтез систем аэродинамического управления беспилотных летательных аппаратов. // Тезисы докладов Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс», Москва, 2010 год, стр. 67-68.

9. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А Интегрированный интерактивный программный комплекс «Синтез рулевых исполнительных устройств»// Сборник докладов IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 2012, стр. 251-255.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из списка принятых сокращений, введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Работа содержит 183 страницы печатного текста, 45 рисунков, 8 таблиц.

Содержание работы

В первой главе сформулирована постановка задачи системного проектирования электрических исполнительных устройств в контуре управления полетом БПЛА (на примере контура стабилизации) как задачи оптимального структурно-параметрического синтеза САУ и ИУ при решении задачи определения обликовых характеристик САУ и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза; рассмотрен и обоснован выбор перечня критериев САУ и ИУ на этапе определения обликовых характеристик и обосновано формирование обобщенного критерия оптимальности в виде энергетического критерия качества и перечня сформированных ограничений; разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза контура стабилизации с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ; разработаны алгоритмы оптимизационных методов, решающих указанную задачу иерархической оптимизации; разработана архитектура интерактивного программного обеспечения, реализующего метод иерархической оптимизации.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов определения энергетического критерия качества в форме min Nmax(F) [19].

В методиках, представленных в работах [38, 42, 59], для решения задачи минимизации максимальной мощности ИУ используются зависимости Nmax от других независимых переменных (передаточного числа редуктора q, максимального приведенного момента Мтах и др.). Однако, с точки зрения решения практических задач, наиболее рациональным является выбор независимых переменных Nmax и F, т.к. на координатной плоскости этих переменных возможно эффективное выполнение операций объединения произвольного числа различных режимов, решение нелинейных и нестационарных задачах, а также, построение алгоритмов выбора двигателя и кинематического механизма из унифицированных вариантов.

В виду того, что законы движения объекта управления формируются в результате работы контура управления и представляют собой произвольные табулированные функции времени, алгоритмы вычисления энергетического критерия качества min Nmax (F) реализуют алгоритмы аппроксимации табулированного закона аналитическим законом либо в виде функции, представляющей решение дифференциального уравнения второго порядка, либо в виде сплайн-функций, в зависимости от характера табулированного закона, в отличие от методик, решающих множество «точечных» задач [38, 42, 59]. Разработаны оптимизационные алгоритмы вычисления значения энергетического критерия качества Nmax(F ) и результирующей оптимальной зависимости №тах(Г), соответствующих произвольному количеству заданных режимов функционирования контура управления (контура стабилизации БПЛА).

В третьей главе диссертационной работы рассматривается обобщенная стохастическая постановка задачи оптимального структурно-параметрического синтеза контура стабилизации, учитывающая влияние случайных факторов на функционирование САУ.

Стохастическая постановка задачи предполагает знание априорной статистической информации о случайных факторах, влияющих на работу САУ, в отличие от минимаксной постановки, когда известны лишь границы изменения неконтролируемых факторов [29,30]. Минимаксная постановка задачи чаще всего применяется при решении задач синтеза оптимального управления ЛА, оптимального оценивания и оптимальной фильтрации. В виду того, что оптимальный синтез контура стабилизации БПЛА выполняется с целью удовлетворения требований, предъявляемых к контуру стабилизации со стороны контура наведения, предполагается, что априорная статистическая информация о случайных воздействиях может быть получена.

Стохастическая постановка задачи оптимального синтеза контура стабилизации заключается в определении оптимальных реализаций оптимизируемых параметров при удовлетворении стохастического критерия оптимальности и при воздействии на систему вектора входных сигналов в форме нестационарных случайных процессов.

Алгоритм верхнего уровня иерархической оптимизации реализован на базе поискового метода стохастической оптимизации - неградиентного случайного поиска с непрерывной адаптацией. Генерация случайных величин выполняется на основе заданных вероятностных характеристик, генерация нестационарных случайных процессов выполняется на основе обработки их известных реализаций при применении сплайн-аппроксимации .

В четвертой главе приведено описание программно-математического обеспечения для решения задач оптимального структурно-параметрического синтеза систем автоматического управления с электрическими исполнительными устройствами в качестве подсистемы, состоящего из интегрированного интерактивного программного комплекса «СИРИУС», реализующего методы и алгоритмы глав 1-3, и составляющих его программных средств, которые могут использоваться как самостоятельные программные продукты.

В качестве демонстрации разработанных алгоритмов приводится пример предварительного синтеза упрощенной структуры автопилота по каналу тангажа со следящим электрическим приводом в качестве исполнительного устройства для трех заданных режимов полета БПЛА, выполненный с помощью интегрированной интерактивной программной системы «СИРИУС».

Заключение диссертация на тему "Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА"

4.4. Выводы к главе 4

Интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», реализующий методы и алгоритмы, представленные в главах 1-3, является программным комплексом, представляющим разработчику систем управления возможность решения задачи оптимального структурно-параметрического синтеза контура управления с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы в детерминированной и стохастической постановке.

Данный интегрированный интерактивный программный комплекс позволяет:

• выполнять структурный синтез контуров управления с возможностью ввода структур любой степени сложности и с возможностью их модификаций в процессе исследования (линейные структуры, нелинейные структуры и структуры в виде СПС); выполнять редуцирование полной модели контура управления с целью:

- уменьшения числа независимых оптимизируемых параметров, связи оптимизируемых параметров эквивалентной редуцированной модели и параметров, характеризующих динамические требования к контуру управления, с последующим переходом к полной математической модели контура управления;

• использовать интерактивные возможности программного обеспечения для выбора метода нелинейного программирования при реализации верхнего уровня иерархической оптимизации в зависимости от размерности математической модели контура управления и внесения изменений в выбор параметров метода оптимизации;

• использовать возможность интеграции для встраивания данного программного комплекса в программный комплекс, реализующий процессе проектирования системы более высокого иерархического уровня;

• использовать программные продукты, входящие в комплекс «СИРИУС» и оформленные также в виде независимого программного обеспечения, для решения локальных задач оптимального определения энергетических характеристик электрических исполнительных устройств по критерию минимальной максимальной потребляемой мощности в виде шт А^тах (Р), представляющему возможность рассмотрения любого количества произвольных законов движения объекта управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработана методика оптимального параметрического синтеза САУ с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы, основанная на системном подходе к процессу проектирования и оптимизационном характере процесса проектирования в детерминированной и стохастической постановке, применяемая на этапе определения обликовых характеристик подсистем САУ.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Сформулированная оптимизационная математическая постановка задачи параметрического синтеза электрических исполнительных устройств в контуре управления БПЛА позволяет выполнять параметрический синтез контура управления БПЛА и ИУ на этапе определения их обликовых характеристик, учитывая влияние критериев качества контура управления и исполнительного устройства на общие характеристики контура управления. Полученные в результате решения данной задачи обликовые характеристики подсистем контура управления БПЛА формируют функциональные ограничения при решении задач проектирования данных подсистем на более низком иерархическом уровне, что позволяет на каждом последующем этапе проектирования использовать модели подсистем более высокого порядка.

2. Преобразование многокритериальной постановки задачи проектирования к многопараметрической однокритериальной задаче путем сведения критериев в ранг функциональных ограничений с формированием скалярного критерия качества системы, отражающего наиболее значимые критерии на данном этапе проектирования, позволяет учитывать произвольный набор критериев контура управления и исполнительного устройства, адекватных текущему этапу проектирования.

3. Алгоритм иерархической оптимизации, применительно к решению задачи параметрического синтеза ИУ в контуре управления БПЛА, позволяет разделить оптимизационный процесс на несколько вложенных уровней, понижая размерность каждой оптимизационной подзадачи и сокращая время поиска оптимального решения.

4. Разработанные оптимизационные алгоритмы определения энергетического критерия качества тт./Утах в форме т1пА^тах(^) для произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и соответствующих им векторов нестационарных параметров аэродинамического руля в детерминированной и стохастической постановке позволяют /определить оптимальную зависимость А^тах (Т7) для любого количества произвольных законов движения объекта управления, характеризующих всевозможные режимы функционирования контура управления БПЛА. *

Значение критерия качества 7Vmax (F ) и результирующая оптимальная * зависимость Nmax(F) являются функциональными ограничениями при проектировании подсистем ИУ, сформированными с учетом требований, предъявляемых к контуру управления, подсистемой которого данное исполнительное устройство является.

5. Сформулированная стохастическая постановка задачи параметрического синтеза исполнительных устройств в контуре управления БПЛА, основанная на стохастическом критерии оптимальности и вероятностном характере входных воздействий и оптимизируемых параметров системы, позволяет рассматривать входные воздействия контура управления в форме нестационарных случайных процессов, что соответствует характеру управляющих воздействий систем управления высокоманевренных БПЛА.

6. Разработанный интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», реализующий методы и алгоритмы, представленные в диссертационной работе, позволяет решать задачу оптимального структурно - параметрического синтеза контура стабилизации БПЛА с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы с энергетическим критерием качества в виде минимальной максимальной мощности, затрачиваемой исполнительным

• использовать интеграционные возможности комплекса «СИРИУС» для встраивания его в программный комплекс, решающий задачу проектирования системы более высокого иерархического уровня.

7. Разработанное дополнительное программное обеспечение позволяет решать локальные задачи минимизации максимальной мощности управления:

• Программный комплекс «SC/Сепарабельный цикл», решающий задачу определения минимальной максимальной * * мощности Nmax (F ) = min Nmax (F) и оптимальной * зависимости Nmax (F) для любого количества произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и любого состава вектора параметров объекта управления (аэродинамического руля). Оптимальная зависимость Nmax(F) и минимальное значение Nmax(F ) используются для формирования технического задания на проектирование энергетического канала исполнительного устройства, либо для выбора конкретного исполнительного устройства, способного выполнить заданные законы управления с минимальными энергетическими затратами из числа существующих ИУ.

• Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики», решающая задачу определения минимальной максимальной * * мощности А'тахС^ ) = -^тах С^) и оптимальной зависимости Л^тах(.Р) п0 аналитическим зависимостям для гармонических законов движения объекта управления и законов движения с постоянными моментом и угловой скоростью.

8. В качестве дальнейшего развития представленных в диссертационной работе алгоритмов возможно:

• использование разработанного программного обеспечения как подсистемы комплекса параметрического синтеза на более высоком иерархическом уровне (например, контур наведения БПЛА);

• разработка алгоритма проектирования с использованием интегрального энергетического критерия на более высоком иерархическом уровне;

• расширение алгоритма определения экстремального энергетического критерия качества в случае рассмотрения нелинейной модели «энергетического канала» ИУ.

Библиография Синявская, Юлия Адольфовна, диссертация по теме Машиноведение, системы приводов и детали машин

1. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1974 .

2. Алберг Дж. и др. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Мир, 1972.

3. Аппроксимация и интерполяция функций.// Сборник трудов ЦАГИ, 1975.

4. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.: Наука, 1973 .

5. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике. М.: Радио и связь, 1984.

6. Вентцелъ Е.С. Теория вероятностей. -М.: КноРус, 2010.

7. Волковович В.А. Многокритериальные задачи и методы их решения.// Кибернетика и вычислительная техника. N 1. Киев: Наукова думка, 1969.

8. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М.: Наука, 1971 .

9. Гладков Д.И. Оптимизация систем неградиентным случайным поиском. -М.: Энергия, 1984.

10. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982 .11 .Емельянов С.В., Борисов В.И. Модели и методы векторной оптимизации.// Техническая кибернетика. Т.5. М.: ВИНИТИ, 1973.

11. Зангвилл В.И. Нелинейное программирование. Единый подход. М.: Сов. Радио, 1973.

12. Казаков И.Е., Гладков Д.И. Методы оптимизации стохастических систем. М.: Наука, 1987 .

13. Калман P.E., Фабл П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971.

14. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1975.

15. Корнейчук Н.П. Аппроксимация с ограничениями. М.: Наука, 1982.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970.

17. Козлов В.И. Системы автоматического управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1979.

18. Корнилов В.А. Основы автоматики и привода летательных аппаратов. -М.: МАИ, 1991.

19. ЪЪ.Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Иерархическая оптимизация в задачах проектирования систем автоматического управления// электронный журнал «Труды МАИ», 2011г. № 44.

20. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Энергетический синтез мехатронных систем // журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки, выпуск N 1, 2012 г., стр. 55-60.

21. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977.

22. Терское В.Г. Системное проектирование следящих приводов комплексов бортового оборудования ЛА. М.: МАИ, 1986.

23. Ужей А.Г. Выбор двигателя и редуктора исполнительного механизма силового следящего привода, Учебное пособие М.: Издательство МАИ, 1982.

24. Ульм С.Ю. Методы декомпозиции для решения задач оптимизации. Таллинн, Валгус, 1979.

25. Фиакко А., Мак-Кормик Дж. Нелинейное программирование: методы последовательной безусловной оптимизации. М.: Мир, 1972.

26. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. М.: Мир, 1967.

27. Химмельблау Д Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.