автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Нелинейная коррекция системы управления движением беспилотного летательного аппарата для экологического мониторинга

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" имени Д.Ф. Устинова

На правах рукописи УДК 629.782.05:504.064.36

ДО КУАНГ ТХОНГ

НЕЛИНЕЙНАЯ КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 05.13.01 "Системный анализ, управление и обработка информации"'

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург. 2004 г.

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (г. Санкт - Петербург)

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Шаров Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических аук,

профессор Микеров Александр Геннадиевич

- кандидат технических наук, доиент Филатов Игорь Владиславович

Ведущая организация:

Институт проблем машине ведения Российской академии наук"

Защита состоится 27 декабря 2004 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К 212.010.02 в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устиюва по адресу 19С005, Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан 22 ноября 2004 г.

Учйный секрета

кандидат техн!

Емельянов В.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность-темы

В условиях растущего антропогенного воздействия на природу существующий экологический резерв биосферы должен использоваться особенно внимательно, должны быть научно определены режимы рационального расходования этого резерва, регулирования состояния природной среды, обеспечивающие сохранение высокого качества биосферы и способность природы к воспроизводству. Должны быть разработаны надежные методы предохранения природной среды от чрезмерных нагрузок, методы профилактики элементов блосферы. Для этого необходимо организовать систему наблюдений за состоянием природной среды с последующей его оценкой и прогнозом на будущее.

Одним и направления защиты природной среды является обеспечение достоверной и оперативной информации о состоянии экологии в обширных районах. Организация системы наблюдений за состоянием природной среды с помощью стационарных постов, катеров, непосредственного наблюдения человека не позволяет получить оперативной информации о состоянии экологии в обширных районах днём и ночью, в сложных метеорологических условиях. Выходом является наблюдение с помощью космических или летательных аппаратов. Однако только развитые, богатые государства имеют доступ к космическим аппаратам. В настоящее время Вьетнам может применять только летательные аппараты (ЛА) для экологического мониторинга.

Использование пилотируемых ЛА требует значительно большего материально-технического обеспечения (по сравнению с беспилотными) и связано с возможной потерей экипажа или его отказом от выполнения задачи в критических ситуациях. В работе преложено применять беспилотный летательный аппарат (БПЛА) самолётного типа для ведения экологического мониторинга. Применение БПЛА самолётного типа гозволяет повысить время полета или радиус действия (по сравнению с БПЛА вертолётного типа) и экономить финансовые затраты на экологический мониторинг. Кроме того, разработка БПЛА самолётного типа соответствует настоящему уровню развития науки и технологии Вьетнама.

При применении БПЛА необходимо обеспе-шть высокое качество мониторинга (высокое качество изображения наблюдаемой с помощью БПЛА местности на экране оператора). Для этого система управления БПЛА обеспечить высокую стабилизацию БПЛА в полёте, чтобы

не допустить "смаз" изображения на экране оператора. Аналогичные системы управления существуют в БПЛА военного назначения. Однако они дороги и имеют ограниченные сроки службы. В связи с этим акту-

альной задачей является поиск технических путей построения простых систем, удовлетворяющих по качеству управления БПЛА для экологического мониторинга.

Известным простым и эффективным средством улучшения качества систем автоматического управления (САУ) является нелинейная коррекция, теория и практические применения которой наиболее широко представлены в трудах российских учёных Е. П. Попова, С. В. Емельянова, Е. И. Хлыпало. Ю. А. Бордова и др.

Ниже для сокращения записи под БПЛА подразумевается БПЛА для экологического мониторинга.

Целью диссертационной работы является исследование технических путей построения системы управления движением БПЛА и способов её нелинейной коррекции.

Для достижения цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

1. Параметрический синтез системы стабилизации высоты (ССВ) БПЛА, включая определение допустимых погрешностей измерителей в ССВ БПЛА и определение допустимых отклонений параметров БПЛА и внешних условий.

2. Исследование влияния нелинейностей рулевого привода (РП) на качество ССВ БПЛА.

3. Коррекция ССВ БПЛА с целью уменьшения отрицательного влияния нелинейностей РП.

Методы исследования базируются на методах анализа и синтеза САУ. гармонической линеаризации нелинейных звеньев САУ, компьютерного моделирования.

Научна» новизна работы заключается в следующем:

- предложен новый закон стабилизации высоты БПЛА в виде модифицированного ПИД-регуляторг, сущность которого заключается зо введении в подыьтеградьное выражение ПИД-регулятора производной от высоты БПЛА;

- разработана методика оценки вредного влияния нелинейных звеньев РП на качество системы управления движением БПЛА;

- разработана методика, позволяющая уточнить параметры вынужденных колебаний кинематической передачи с люфтом с учётом изменения скорости ведущего вала при неупругом ударе соединения с ведомым валом;

- определены области параметров кинематической передачи, для которых существуют устойчивые и неустойчивые субгармонические колебания:

- проведен сравнительный анализ способов и средств нелинейной коррекции системы управления БПЛД уменьшающих вредное влияние нели-

нелинейных характеристик, на основе которого определены области применения различных способов и устройств коррекции.

Практическая ценность работы выполняемой работы определяется:

- разработкой новэго закона стабилизации высоты БПЛА;

- разработкой метэдики синтеза ССВ БПЛА;

- разработкой методики моделирования в среде Mai lab кинематической передачи с люфгом и инерционным ведомым телом; моделированием сухого трения исполнительного механизма при Л/Vp > ¿Цр(где М'тр -момент треьия покоя и Mтр - момент трения движения); моделированием сухого трения исполнительного механизма при М\р > М-^ и люфта с инерционным ведомым телом и построением диаграмм качества затухания нелинейных систем в среде Matlab:

- количественной оценкой вредного влияния нелинейных звеньев РП на качество системы управления БПЛА;

- обоснованием рекомендаций по применению наиболее подходящего способа коррекции системы для уменьшения вредного влияния нелинейных звеньев в системе.

Реализация результатов работы

Результаты работы используются во Вьетнаме для оценки возможности использования БПЛА и его бортовой системы управления для экологического мониторинга.

На основе разработанного пакета программ в среде Matlab: методика моделирования устойчивых и неустойчивых субгармонических колебаний в кинематической передаче с лофтом с учётом изменения скорости ведущего вала при неупругом ударе соединения с ведомым валом;

методика параметрического синтеза систем управлением движением БПЛА в вертикальной плоскости;

методика моделирования (в том числе статистического моделирования) система управления БПЛА в вертикальной плоскости с учётом совместного влияния характеристик типа люфта, сухого трения и ограничения в РП;

сравнительная оценка различных способов линейной и нелинейной коррекции для системы управления БПЛА в вертикальной плоскости;

разработанный шкет прикладных программ для анализа, параметрического синтеза и коррекции системь. управления движением БПЛА в вертикальной плоскости

- используются в учебном процессе по курсу "Проектирование систем управления летательными аппаратами" и курсу "Информационные каналы систем у травления" в Балтийском государственном техническом

университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова, а также в техническом университете им. Лэ Куй Дон (Вьетнам).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- Всероссийской научно - технической конференции 'Моделирование и обработка информации в технических системах" - Рыбинск, РГАТА 2004;

- научно - технических семинарах кафедры ИЗ "Кафедра систем обработки информации и управления" БГГУ в апреле и октябре 2004 г.;

Публикации

По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ.

Положения, выносимые на защиту

- ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором;

- допустимость и целесообразность использования упрощённых моделей нелинейных звеньев, а также метода гармонической линеаризации для исследования влияния нелинейных звеньев РП на качество ССВ БПЛА;

- методика определения областей параметре в кинематической передачи, для которых существуют устойчивые и неустойчивые субгармонические колебания;

- рекоме-щации по использованию нелинейных корректирующих устройств (НКУ) для уменьшения вредного влияния нелинейности в ССВ БПЛА на её качество;

- пакет прикладных программ в среде Matlab для анализа ССВ БПЛА с уточнёнными моделями нелинейных звеньев РП и синтеза НКУ.

Структура и объём диссертационной работы

Поставленные задачи определили структуру работы, которая состоит из зведения, 4 основных глав, заключения, списка используемой литературы, приложения. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 19 таблкц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимой работы, формулируются цель и задачи исследования, определяется практическая полезность, описывается структура работы.

В первой главе на основе сравнительного анализа достоинств и недостатков, существующих в настоящее время типов БПЛА, предлагается использовать в комплексе экологического мониторинга БПЛА самолётного типа.

Проведенное в работе сравнение позволяет сделать вывод, что по степени сложности бортовая система управления БПЛА для экологиче-

ского мониторинга самолётного типа не уступает бортовой системе управления военных БПЛА. Система управления БПЛА состоит из системы управления продольным движением и системы управления боковым движением. В боковой плоскости для решения задачи навигации в системе управления движением БПЛА предлагается применять бесплатформенную инерционную навигационную систему со спутниковой коррекцией и системой управления конечным положением. В продольной плоскости система управления движением БПЛА выполняется в виде системы стабилизации высоты.

ССВ БПЛА может быть построена по классической схеме, состоящей из иадатчика высоты, контура угловой стабилизации (РП, датчика угловой скорости (ДУС), датчика угла тангажа), высотомера, а также контура стабилизации высоты. Её структурная схема приведена на рис. 1, где К -коэффициент подъёмной силы [1/с]; Ь - коэффициент флюгерности [1/с2]; М - коэффициент естественного демпфирования [1/с]; N - коэффициент эффективности рулей [1/с2]; V - скорость полета [м/с]; Крп(р) - передаточная функция РП; ку|, ку2, ку3, ку4 - коэффихщенты закона управления; кь к2 - коэффициенты автопилота.

Рис. 1. Структурная схема системы стабилизации высоты БПЛА с модифицированным ПИД - регулятором

Основным режимом полёта БПЛА для экологического мониторинга является программный полёт на заданной высоте. В необходимых случаях осуществляется снижение на предельно малую высоту, например,

7

снижение с высоты обзора водной (земной) поверхности на высоту взятия пробы воды. Во избежание столкновения БПЛА с волной (земной) поверхностью нельзя допускать ошибки отработки заданной высоты и перерегулирования системы в переходном процессе. Для этого ССВ БПЛА должна обеспечить:

- развязку стабилизации БПЛА по углу тангажа и стабилизации БПЛА по зысоте полёта;

- снижение влияния внешних возмущений на точнссть стабилизации высоты БПЛА;

- плавное снижение БПЛА на предельно малую Bbicoiy.

Для выполнения этих требований в работе предложен закон стабилизации высоты БПЛА в виде модифицированного ПИД-регулятора:

I

orSt)=k.Ah (t )H\„h (tnkj(kuA h 4 ))dt •

0

где kvl, kv2, kv3, kv4 - коэффициенты закона управления;

Дй(0 = k(t) - /?зад; h{t) - текущая высота БПЛА; Амд - заданная высота.

Предложенная в работе методика параметрической оптимизации позволяет получить коэффициенты системы кь кг, kV|, kV2, kv3, kv4, которые обеспечивают плавный переходной процесс в системе при максимальной точности, необходимый запас устойчивости системы по амплитуде и по фазе в линейном приближении.

Исследование зависимости ошибки ССВ БПЛА от погрешности датчиков показало следующее.

Ошибка ССВ БПЛА с ПД-регулятором в установивиемся режиме линейно зависит от погрешности ДУС тангажа, датчика угла тангажа, высотомера:

A h =-<lvi£«A h^kiksА 3»ш+к*кЛ &,„)!

где ДЬИЗМ - погрешность высотомера [м]; кв - коэффициент преобразования высотомера [В/м]; д - погрешность датчика угла тангажа [град];

ir - коэффициент преобразования датчика угла тангажа [В/град]; д q

погрешность ДУС тангажа [град/с]; ¡Cs - коэффициент преобразования

ДУС тангажа [В/град/с].

Ошибка ССВ БПЛА с (модифицированным) ПИД-регулятором линейно зависит только от погрешности высотомера

Во второй главе исследовано влияние нелинейных звеньев РП на качество системы управления данжением БПЛА.

Получение аналитической оценки влияния РП на каче-

ство управления ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором затруднено в связи с невозможностью получения передаточной функции

её линейной части. Результаты моделирования показали, что сухое трение исполнительного механизма и люфт в редукторе РП вы зывают автоколебания в ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором и в ССВ БПЛА с ПД-регулятором.

В силу малой постоянной времени исполнительного механизма РП для аналитической оценки влияния его сухого трения на качество ССВ БПЛА показана целесообразность замены звена с сухим трением звеном с зоной нечувствительности.

Передаточная функция линейной части рассматриваемой системы принята в виде:

цг (р) - Ь*р+Ыр+Ыр+Ыр-Ыр+Ъ,р +ы

аор+сьр+агр^азр+ыр1

где

6о~57,3 (¡¡к^дки'

Ьг 57,3 кЛМЛп{2 К +М

Ь2= 57,3 к,кМчкп{К1+2 К М 2 К+М^Ы кУ>

Ь,=57,3 А <1кЖ1>2 КМ +1 ь-2 N К к+Ы кг*

+цК к^КМ +£)]; Ъ<*куклК ^7,3 М )-КЫк,*2 N кг^М V Ы =к,кдК (57,3 N К кг*N АГ V V Ь£,== кл N К\ кЛ; а0 "573

аг57,3 ¡¿ТМ К 1 : «2=57,3 /, 7У£2+2 КМ+1 )+2 £ +М1: №=57,3 £ М +Ь ЧС М +£>Г. а4"=57,3 иК(КМ+Ы>

Тд -- постоянная времени двигателя; кд - коэффициент передачи двигателя; ку - коэффициент усиления усилителя в РП: ктг - коэффициент передачи тахогенератора; 1Ч - 1 /крд;

крд- коэффициент передачи редуктора;

к« - коэффициент жесткой обратной связи в РП.

9

Решив систему уравнений баланса амплитуд и баланса фаз с гомощью программы, написанной в среде Matlab, получаем линейную зависимость амплитуды автоколебаний от величины напряжения трогания.

Проведенное аналогичным образом исследование позволяет сделать вывод, что амплитуда автоколебаний в системе уменьшается с ростом коэффициента усиления усилителя РП и увеличивается с ростом скорости полёта.

Диаграмма качества затухания рассматриваемой системы представлена на рис. 2, где обозначены на горизонтальной оси скорость полёта БПЛА, на вертикальной - отношение амплитуды автоколебаний к напряжению трогания (А^и^). Из диаграммы качества затухания системы можно заметить, что для скорости, меньшей 140 м/с, линии \ < 0 лежат выше линии 4 = 0, а линии ^ > 0 - ниже линии 4 = Поэтому при скорости v < 140 м/с периодическое движение в ССВ БПЛА с учётом сухого трения исполнительного механизма представляет собой автоколебания. А при скорости v > 140 м/с периодическое движение в системе имеет нарастающую амплитуду.

Рис. 2. Диаграмма качества затухания системы стабилизации высоты БПЛА с ПД - регулятором

Результат моделирования показывает, что при скоростк полёта v > 155 м/с в системе появляется нарастающий колебательный процесс. Критическая скорость полёта составляет приблизительно 160 м/с. Следовательно, результат исследования методом приближённого расчёта отличается от результата моделирования приблизительно на 10 %. Ес-

А„/и

ли учесть, что аэродинамические параметры БПЛА определяются с точностью 10 + 20 %, то ошибка приближённого расчёта допустима.

В работе получены аналогичные результаты при оценке влияния люфта, модель которого адекватна геометрической форме, на качество ССВ БПЛА.

Результаты моделирования показывают, что при существенной инерционности ведомого вала люфт также вызывает автоколебания в ССВ БПЛА. При одинаковых значениях параметров системы амплитуда автоколебаний, вызванных люфтом при существенной инерционности ведомого вала, меньше, чем в случае люфта, модель которого адекватна геометрической форме.

Таким образом, можно применить методы гармонической линеаризации нелинейных звеньев для анализа ССВ БПЛА с сухрм трением исполнительного механизма и люфтом в кинематической передаче. Дня упрощения аналитической оценки их влияния в ССВ БПЛА предложено рассматривать сухое трение исполнительного механизма как звено с зоной нечувствительности и применить геометрическую модель люфта.

Результаты исследования люфта с учётом инерционности ведомого вала в кинематической передаче показали, что при определённых сэотноше-ниях между амплитудой периодом повторения Т входного сигнала, величиной зазора с, инерционностью ведущего и ведомого Т2 валоЕ возможны субгармонические колебания. Зоны субгармонических колебаний представлены на рис. 3.

Области параметров для которых существуют устой-

чивые субгармонические колебания изображены на рис. 3 сплошными линиями, а области параметров, для которых существуют неустойчивые субгармонические колебания - пунктирными линиями.

Области возникновения субгармонических колебаний не начинаются со значения нуля относительной инерционности, т. е. большом периоде повторения входного сигнала по сравнению с инерционностью ведомого вала или при нулевой инерционности ведомого вала (геометрическая форма представления люфта) субгармонические колебания невозможны.

Субгармонические колебания могут возникать при определённом от-ноиении постоянной времени ведущего вала к постоянной времени ведомого. С ростом этого отношения зона возникновения субгармонических колебаний уменьшается до полного исчезновения.

При исследовании влияния сухого трения исполнительного механизма и л-офта в редукторе на качество ССВ БПЛА показано, что люфт с учётом инерционности ведомого вала оказывает доминирующее влияние на автоколебания в системе по сравнению с сухим трением.

с/(Тит),

0 12 3 4 5 6 7

Рис. 3. Зоны субгармонических колебаний кинематической передачи

Проведенное исследование влияния насыщения в РП в работе показало, что:

- ограничение напряжения питания приводит к увеличению времени переходного процесса, к появлению колебательного переходного процесса с большой амплитудой или к потере устойчивости системы в зависимости от соотношения величины рассогласования в начале переходного процесса и уровня ограничения;

- ограничение угла поворота руля может приводить к потере устойчивости системы в зависимости от соотношения зеличины рассогласования в начале переходного процесса и уровня ограничения.

В третьей главе проводится статистическая оценка влияния момента сухого трения исполнительного механизма и люфта в редукторе на точность ССВ БПЛА, предложены методики определения допустимого диапазона изменения параметров БПЛА и внешних условий.

Результаты исследования показывают, что изменение аэродинамических коэффициентов в пределах 20 % не влияет на качесгво экологического мониторинга. Сухое трение исполнительного механизма и люфт в редукторе вызывают автоколебания в ССВ БПЛА. При большой амплитуде автоколебаний происходит "смаз" изображения, на экране оператора. Это ухудшает качество мониторинга. Если известны закон распределения момента сухого трения и закон распределения величины зазора, то

можно оценить вероятность того, что амплитуда автоколебаний превышает допустимое значение. Для решения этой задачи в работе используется метод статистического моделирования.

Для уменьшения объёма вычисления применен итерационный алгоритм получения оценок.

Для восстановления закона распределения по результатам статистического моделирования использованы ядерные оценки плотности распределения верогтностей, которые являются общими и обладают свойством достаточности.

В силу линейной зависимости амплитуды автоколебаний на выходе ССВ БПЛА от величины момента сухого трения исполнительного механизма (или величины зазора) плотность распределения вероятностей амплитуды автоколебаний имеег такую же форму, что и плотность распределения вероятностей величины момента сухсго трения (или плотность распределения вероятностей величины зазора) Если известна плотность распределения вероятностей момента сухого трения или величины зазора до вылета, то можно оценить вероятность тоге, что амплитуда автоколебания превысит допустимое значение.

Показано, что инерционность ведомого вала способствует уменьшению амплитуды автоколебаний на выходе ССВ БПЛА, что приводит к уменьшению вероятности превышения допустимого значения амплитуды автоколебаний при заданном законе распределения зазора по сравнению с геометрической моделью люфта.

В работе показано, что для корректной оценки качества системы управления БПЛА для экологического мониторинга необходим гё статистический анализ. Методика такого анализа изложена в работе.

В полёте изменяются плотность воздуха, скорость БПЛА (т.е. скоростной напор), особенно при изменении зысоты полёта. Это приводит к изменению коэффициентов К, L, М, N. Результаты моделирования показывают, что юменение коэффициентов К, L, М, N может вызывать перерегулирование системы в переходном процессе. Во избежание столшовения БПЛА с земной поверхностью необходимо ограничить допустимый диапазон измерения скоростного напора БПЛА. В работе предложена методика определения допустимого диапазона изменения скоростного напора.

В четвёртой главе проводится сравнительный анализ способов уменьшения вредногэ влияния нелинеиностей РП на качество управления ССВ БПЛА Эти вопросы рассмотрены в трудах известных учёных СМ Фёдорова, Ю.И. Топчеева, А.С Михалёва, А.Г. Микерова, В.Р. Андриевского и других. В настоящей работе они исследуются применительно к системе управления БПЛА для экологическое мониторинга.

Способстатическойкомпенсации сухого трения

Структура системы со статической компенсацией сухого трения содержит дополнительную связь, состоящую из ключа и инерционного уси-лшельного каскада. Ключ замкнут, если скорость двигателя равна нулю. Сигнал с выхода усилителя поступает через ключ на дополнительный усилитель.

Способ позволяет компенсировать часть момента сухого трения покоя и Н1 позволяет компенсировать момент сухого фения движения.

Способ позволяет подавить до 98 % амплитуды автоколебаний в исследуемой системе. При изменении отношения М-ц/М'^ способность подавления амплитуды автоколебаний ухудшается.

Способдинамическойкомпенсации сухого трения

Способ, называемый "Динамической компенсацией момента сухого трения", позволяет компенсировать момент сухого трения покоя и момент сухого тренля движения. В систему дополнительно вводится модель двигателя без сухого трения. Сигнал с модели сравнивается с сигналом тахо-генератора. Разностный сигнал усиливается усилителем Ук и суммируется с основным сигналом. В отличие от схемы, приведенной в работе Ю.И. Топчеева и ЕА Попова, здесь рекомендуется применить усилитель УЛ с переменным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления усилителя коррекции уменьшается от значения к^, когда сигнал тахогенератора равен нулю, до значения ку2, когда сигнел тахогенератора отличается от нуля.

Способ позволяет подавить до 98 % амплртуды автоколебаний в исследуемой системе. При изменении отношения способность подавления амплитуды автоколебаний незначительно ухудшается.

Способлогической компенсации сухого трения

Способ 'Логической компенсации сухого трения" заключается в формировании корректирующего сигнала на входе исполнительного механизма в виде:

к^п(ип)ис, если Ип=0 ; (иЖ, если На* О,

и*=

где иВ![ - входной сигнал исполнительного механизма; и,; - постоянный сигнал; 11с = и(ртоах; Цршах - возможное максимальное значение напряжения трогания исполнительного механизма; - сигнал скорости исполнительного механизма.

Способ позволяет подавить до 98 % амплитуды автоколебаний в исследуемой системе. При изменении ошошения М^М'-,;, способность подавления амплитуды автоколебаний почти не ухудшается.

Сравнительный анализ способов уменьшения влияния сухого трения в ССВ БПЛА показыЕает, что самым простым с точки срения ехзмотех-

нической реализации является способ статической компенсации, а самыми эффективными по способности подавления амплитуды автоколебаний - способы динамической и логической компенсации. При использовании второго и третьего способов можно подавить амплитуду автоколебаний в системе в большом диапазоне отношения момента трения движения к моменту трение покоя.

Далее в работе исследованы известные способы уменьшения влияния люфта применительно к системе управления БПЛА для экологического мониторинга.

Компенсационный способ уменьшения влияния люфта. Сущность способа заключается в том, что в момент изменения направления движения ведущего вала исполнительного механизма необхэдимо мгновенно изменить его положение на величину зазора 2с в направлении движения. Практически это осуществить невозможно в силу инерционности привода рулей.

Способ коррекции системы с оптимальным выбором люфта

При применении этого способа величину лофта 2с рассматриваем в качестве реакции инерционного механизма на скачкообразное воздействие амплитудой ис. Чтобы получить близкий к оптимальному по быстродействию переходной процесс, необходимо подать на вход исполнительного механизма два последовательных импульса постоянной амплитуды, но разной голярности. Первый импульс обеспечивает разгон дзигателя, второй - торможение. В момент снятия второго корректирующего импульса входное скачкообразное воздействие полностью отработанно, т. е. люфт выбран и двигатель остановлен (Од = 0). Следовательно, корректирующий сигнал вырабатывается таким образом:

и, на интервале [ 0, /,]; -м, на интервале [ /,],

где ис - постоянный сигнал; - момент времени переключения импульса разгона на импульс торможения; 12 - время выбора люфта и выключения тормозящего импульса. I! и определяется в соответствии со следующей системой уравнений:

' а-> а!,, ■ л .

(1)

А С

и

и,1 =

кди<

1/Тд: Тд, кд - постоян-

где а - корень характеристического уравнения; а ная времени и коэффициент преобразования двигателя.

В отличие от известной схемы, позволяющей компенсировать влияние люфта, соответствующего геометрической модели, в работе предло-

жена схема, приведенная на рис. 4 , позволяющая компенсировать люфт с

учётом инерционности ведомого вала. "у

-►

г—►

Рлс. 4. Функциональная схема способа коррекции системы с

оптимальным выбором люфта и инерционным вгдомым «алом

Во время выбора люфта два вала отрабатывают величину зазора 2 с. Потому при коррекции системы для уменьшения влияния люфта с учётом инерционности ведомого вала вмгсто 2с в (1) нужно поставить С) (д < 2с; О определяется для конкретного случая).

Способ позволяет подавить до 98% (для геометрической модели люфта) и до 95 % (при существенной инерционности ведомого вала) амплитуды автоколебаний в исследуемой системе в зависимости от уровня насыщения и величины зазора. При одном и том же уровне насыщения, чем больше величина зазора, тем меньше способность подавления амплитуды автоколебаний. При одной и той же величине зазора, чем больше уровень насыщения, тем больше способность подавления амплитуды автоколебаний.

Использование корректирующего сигнала постоянной амплитуды для уменьшения влияния люфта в системе

Этот способ позволяет скомпенсировать инерционность одного или нескольких апериодических звеньев путём подачи сигнала постоянной амшшгуды на вход корректируемого звена.

uctigniu): при signal)*Sign (ua); Uk 0 , при sign <M,)=sign (ua).

где uc = const; U| -сигнал на входе исполнительного механизму-сигнал скорости исполнительного механизма.

Для геометрической модели люфта способ позволяет подавить до 50 % амплитуды автоколебаний в исслгдуемой системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний быстро уменьшается.

При существенной инерционности ведомого вала различаются два случая:

1. Если сигнал обратной связи снимается с ведущего вала, то способ позволяет подавить до 40 % амплитуды автоколебаний в исследуемой системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний уменьшается.

2. Если сигнал обратной связи снимается с ведомого вала, то способ позволяет подавить до 100 % амплитуды автоколебаний в исследуемой системе в большом диапазоне изменения величины зазора.

Демпфирование колебаний, вызванных люфтом, при помощи нелинейной местной обратной свят

При применении этого способа корректирующий сигнал имеет вид:

_ к^„иа на промежутке [о , <р\..;

где сигнал скорости исполнительного механизма; кскорсв-коэффициент скоростной обратной связи РП; [0, ф[] - интервал, на которой сигнал на входе и сигнал скорости исполнительного механизма имеет противоположные знаки; [tpj, я] - интервал, на которое сигнал на входе и сигнал скорости исполнительного механизма имеют одинаковые знаки.

Для геометрической модели люфта способ позволяет подавить до 75 % амплитуды автоколебаний в исслгдуемой системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний быстро уменьшается.

При существенной инерционности ведомого вала различаются два случая:

1. Если сигнал обратной связи снимается с ведущего вала, то способ позволяет подавить до 55 % амплитуды автоколебаний в исагедуемой системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний быстро уменьшаете.

2. Если сигнал обратной связи снимается с ведомого вала, то способ позволяет подавить до 7 5 % амплитуды автоколебаний в исследуемой

системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний уменьшается.

Применение нелинейного корректирующего устройства с ускоренным согласованием такое сигналов в системе с люфтом

В этом способе гредлагаегся испопьзовать в качестве упреждающего сигнала сумму сигналов:

МгУ^БШ СМ и Ип = Ипшч8Ш <<У/

где - сигнал на входе исполнительного механизма; - сигнал скорости исполнительного механизма; - фазовый сдвиг, вносимый исполнительным механизмом.

Сигнал на входе скорректированного исполнительного механизма имеет вид:

где

При применении модели люфта с учётом инерционности ведомого вала различаются два случая:

1. Если сигнал обратной связи снимается с ведущею вала, то способ позволяет подавить до 35 % амплитуды автоколебаний в исследуемой системе. С ростом величины зазора эффективность подавления амплитуды автоколебаний уменьшается.

2. Если сигнал обратной связи снимается с ведомого вала, то способ позволяет подавить до 100 % амплитуды автоколебаний в большом диапазоне изменения величины забора в исследуемой системе.

Для уменьшения влияния люфта в ССВ БПЛА целесообразно применить способ коррекции системы с использованием сигнала постоянной амплитуды или с ускоренным согласованием знаков сигналов. Здесь справедлива модель люфта с учётом инерционности ведомого вала. Указанные способы позволяют подавить до 100 % амплитуды автоколебаний в большом диапазоне изменения величины зазора и имеют простую схемотехническую реализацию. Из этих двух способов способ коррекции системы с использованием сигнала постоянной амплитуды имеет самую простую схемотехническую реализацию.

Способ коррекции с использованием сигнала постоянной амплитуды и способ коррекции с ускоренным согласованием знака сигналов позволяют подавить до 90 % амплитуды автоколебаний, вызванных сухим трением исполнительного механизма и люфтом в редукторе ССВ БПЛА с ПД-регулятором.

Способ коррекции с использованием сигнала постоянной амплитуды и способ коррекции с ускоренным согласованием знака сигналов позволяют подавить до 95 % амплитуды автоколебаний, вызванных сухим

18

трением исполнительного моанизма v люфтом в редукторе ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором.

Кроме звена с сухим трением и люфта в рстукторе, в РП существуют ограничение источника питания и механическое ограничение угла поворота руля. Ниже проводится сравнительный анализ способов уменьшения влияния насыщения в РП на качество переходного процесса ССВ БПЛА.

Способ уменьшения влияния ограничения источника питания в РП на качество переходного процесса ССВ БПЛА путём изменения коэффициента обратной связи по скорости изменения высоты.

При применении этого способа коэффициент обратной связи по скорости изменения высоты изменяется таким образом:

^ в остальное время ,

где 1 - время от момента начала переходного процесса до момента изменения коэффициента усиления усилителя; коэффициент усиления усилителя с переменным коэффициентом усиления; - коэффициент обратной связи по скорости изменени высоты. Значения выбира-

ются в зависимости эт уровня ограничения в системе и величины изменения заданой высоты.

Этот способ позволяет уменьшить влияние ограничения источника питания в РП на качество переодного гроцесса (исключить перерегулирование, потерю устойчивость) ССВ БПЛА с ПД-регулятором. При этом время регулирования системы увеличивается более чем на 10 %, по сравнению со случаем отсутствия ограничения в системе.

Способ уменьшения влияния насыщения в РП на качество переходного процесса ССВ БПЛА путём изменения коэффициентов жёсткой обратной связи в РП

При применении этого способа коэффициенты жесткой обратной связи изменяются таким образом

Г к,к„, при I

к„, в остальное время,

к?

где - время от момента начала переходного процесса до момента изменения коэффициента усиления усилителя; к) - коэффициент усиления усилителя с переменным коэффициентом усиления; к,,с - коэффициент жёсткой обратной РП. Значения ^ и к| выбираются в зависимости

от уровня ограничения в системе и величины изменения заданной высоты.

Этот способ позволяет уменьшить влияние ограничения источника

питания в РП и угла поворота руля на качестзо переходного процесса (исключить перерегулирование, потерю устойчивость) ССВ БПЛА с ПД-регулятором. При этом время регулирования системы увеличивается богее чем на 10 % го сравнению со случаем отсутствия ограничения в системе.

Способ уменьшения влияния насыщения в РП на качество переходного процесса ССВ БПЛА путём программного изменения заданной высоты

При применении этого способа в простейшем виде заданная высота имеет вид:

где Иидь Ьзад] - задан 1ые высоты; ^ - момент начала измгнения заданной высоты по линейноуу закону; 12 - момент окончания изменения задан-" ной высоты.

В зависимости от разности высоты Ь^) - Ь:ад2 и уровня ограничения можно выбрать значение г2, чтобы уменьшить влияние ограничения источника питания в РП и угле, поворота руля на качество ССВ БПЛА с ПД-регулятором и ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором.

При применении этого способа в системе с ПД-регулятором увеличение времени регулирования меньше, чем при применении двух выше рассмотренных способов ( 4 % по сравнению с 10% при одинаковом уровне ограничения угла поворота руля 20 град).

Применение этого способа в ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором позволяет уменьшить время снижения БПЛА на за-даьную малую высоту на 35 %.

Предложенная в работе методика основе моделирования в среде Matlab позволяет оценить эффективность рассмотренных средств коррекции и подобрать оптимальные значения коэффициентов в законах управления (по критерию минимальной амплитуды автоколебаний при заданных .ограничениях на диапазон изменения трения, люфта; точности стабилизации высоты при ничении напряжения питания, ограничения угла поворота руля).

Вынесенный в приложение пакет программ моделирования системы стабилизации высоты БПЛА предоставляет исследователю удобный интерфейс. Он содержит 5 вариантов и позволяет исследовать ССВ БПЛА с учётом различных моделей нелинейных звеньев и нелинейных корректирующих устройств:

при г ч:, -и), приич^и-,

при I >и,

- линейная система;

- система с сухим трением;

- система с люфтом;

- система с насыщением;

- сухое трение и люфт.

Пример рабочего интерфейса приведен на рис. 5.

•У с1(Меис№«М га®

Величина зазора 6 Град Уровень огр-ния 1 40 В 4 » Напр-ние коррек. '30 в < Г 105 1 095 £ 09 г г 065 08 075 07 ;

/ ^

1

11 ;

V [

1 _ \ ..........

• Скор, система 5 10 15 25 30 Типе.« Очистить

Уменьшение влияния люфта с учётом инерционности ведомого вала применением сигнала постоянной амплитуды

Рис. 5. Пример интерфейса в среде Matlab

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований, проделанных в работе:

1. Проведен синтез ССВ БПЛА. В ней рекомендуется применить модифицированный ПИД-регулятор. Разработана методика оценки зависимости ошибки ССВ БПЛА от погрешности измерителей и методика определения допустимых маневров в вертикальной плоскости для БПЛА экологического мониторинга.

2. Исследовано влияние нелинейностей РП на качество системы управления движением БПЛА.

2.1. Сухое трение исполнительного механизма в РП вызывает устойчивые автоколебания в ССВ БПЛА в диапазоне скорости меньше критической. Амплитуда автоколебаний линейно зависит от величины момента сухого трения. Амплитуда автоколебаний уменьшается с ростом коэффициента усиления усилителя РП, с ростом скорости полёта - увеличивается.

2.2. Влияние люфта в кинематической передаче РП на качество ССВ БПЛА аналогично влиянию сухого трения исполнительного механизма.

2.3. Люфт РП со значительной инерционностью ведомого вала оказывает доминирующее влияние на автоколебания в системе по сравнению с сухим трением.

2.4. Определены области параметров кинематической передачи РП

где существуют устойчивые субгармонические колебания, и области параметров, где существуют неустойчивые субгармонические колебания.

2.5. Наличие ограничения на величину напряжения источника питания и угла поворота руля РП может приводить к появлению колебательного переходного процесса с большой амплитудой ЕЛИ К потере устойчивости ССВ БПЛА.

3. На основе сравнительного анализа способов нелинейной коррекции ССВ БПЛА сформулированы рекомендации по выбору способа её коррекции:

- выбрать как возможно больший коэффициент передачи прямой цепи РП.

- примерить НКУ с максимально возможной постоянной величиной корректирующего сигнала;

- использовать программное изменение высоты БПЛА.

4. Разработан новый пакет прикладных программ в срэде Matlab, позволяющий проводить анализ и синтез ССВ БПЛА с учётом уточнённых моделей нелинейных звеньев и средств нелинейной коррекции.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. До Куанг Тхонг. Бортовая система управления БПЛА экологического мониторинга // Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга: Сб. трудов БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова. СПб.: БГТУ, 2003. С. 41- 46.

2. До Куанг Тхонг. Параметрическая оптимизация контура стабилизации высоты БПЛА экологического мониторинга // Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга: Сб. трудов БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова. СПб.: БГТУ, 2003. С. 85 - 94.

3. Ле Ки Биен, До Куанг Тхонг, Шаров С. Н.. О возможности использования беспилотного летательного аппарата для мониторинга Вьетнамского заповедника Кат ба // Проб/емы транспорта. Вып. 10. Под редакцией Г. В. Анцева и А. В. Линцева. СПб.: Логос, 2004. С. 199 - 201.

4. До Куанг Тхонг. Особенности моделирования вынужденных колебаний кинематической передачи с люфтом и инерционным ведомым телом в автоматических системах управления // Материалы Всероссийской НТК "Моделирование и отработка информации в технических системах". Рыбинск.: РГАТА, 2С04. С. 92 - 96.

5. До Куанг Тхонг. Вынужденные колебания электромеханического привода с люфтом и инерционным ведомым телом // Актуальные вопросы управления в организационно - технических системах: Сб. трудов студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных БГТУ. Вып. 2. СПб.: БГТУ, 2004. С. 84 - 88.

Подписано в печать16.11.04 Формат 60 х 841/|6. Бумага документная. Печать трафаретная. Уч.-издл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 12 .

Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1.

jß244 16

• ВВЕДЕНИЕ.

1. КОМПЛЕКС ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ БПЛА.:.

1.1. Выбор БПЛА для экологического мониторинга.

1.2. Состав бортовой аппаратуры БПЛА комплекса экологического мониторинга. Требования к системе управления движением БПЛА

• 1.3. Параметрическая оптимизация параметров ССВ БПЛА для экологического мониторинга.

1.4. Определение допустимых погрешностей измерителей в ССВ БПЛА.

Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВЕНЬЕВ РП НА КАЧЕСТВО СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА.

2.1. Исследование влияния сухого трения исполнительного механизма РП на качество ССВ БПЛА.

2.2. Исследование влияния люфта в редукторе РП на качество ССВ БПЛА.

• 2.2.1. Исследование влияния люфта, модель которого адекватна геометрической форме, на качество ССВ БПЛА.

2.2.2. Исследование влияния РП с люфтом и инерционным ведомым телом на качество ССВ БПЛА.

2.2.3. Субгармонические колебания в кинематической передаче с

• люфтом и инерционным ведомым телом.

2.3. Исследование влияния сухого трения исполнительного механизма и люфта в редукторе РП на качество ССВ БПЛА.

2.4. Исследование влияния насыщения в РП на качество ССВ БПЛА.

2.4.1. Влияние ограничения источника питания РП.

2.4.2. Влияние ограничения угла поворота руля.

Выводы.

3. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗВЕНЬЕВ РП НА КАЧЕСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА.

3.1. Методика статистической оценки влияния нелинейных характеристик РП на точность СУ БПЛА.

3.1.1. Примеры статистической оценки влияния нелинейных характеристик РП на точность ССВ БПЛА.

3.2. Определение допустимых отклонений параметров ЛА и внешних условий.

Выводы.

4. НЕЛИНЕЙНАЯ КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА.

4.1. Коррекция ССВ БПЛА для уменьшения влияния сухого трения исполнительного механизма в РП.

4.1.1. Способ статической компенсации сухого трения.

4.1.2. Способ динамической компенсации момента сухого трения

4.1.3. Способ логической компенсации сухого трения.

4.2. Коррекция ССВ БПЛА для уменьшения влияния люфта в редукторе рулевого привода.

4.2.1. Компенсационный способ уменьшения влияния люфта.

4.2.2. Устройство для нелинейной коррекции систем с оптимальным выбором люфта.

4.2.3. Использование корректирующего сигнала постоянной амплитуды.

4.2.4. Демпфирования колебаний при помощи нелинейной местной обратной связи.

4.2.5. Применение нелинейного корректирующего устройства с ускоренным согласованием знаков сигналов в системе с люфтом.

4.3. Коррекция ССВ БПЛА с целью уменьшения сухого трения исполнительного механизма и люфта в редукторе РП с инерционным ведомым телом.

4.4. Сравнительный анализ способов уменьшения вредного влияния насыщения в РП на качество управления ССБ БГТЛА.

4.4.1. Коррекция ССВ БПЛА с целью уменьшения влияния ограничения источника питания в РП.

4.4.2. Коррекция ССВ БПЛА с целью уменьшения влияния ограничения угла поворота руля.

4.4.3. Уменьшение вредного влияния насыщения в РП на качество переходного процесса ССВ БПЛА путём программного изменения заданной высоты. ф Выводы.

В условиях растущего антропогенного воздействия на природу существующий экологический резерв биосферы должен использоваться особенно внимательно. Должны быть научно определены режимы рационального расходования этого резерва, регулирования состояния природной среды, обеспечивающие сохранение высокого качества биосферы и способность природы к воспроизводству. Должны быть разработаны надежные методы предохранения природной среды от чрезмерных нагрузок, методы профилактики элементов биосферы от пагубного воздействия.

Согласно [15, 16], экологический мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды. Таким образом, экологический мониторинг включает следующие основные направления деятельности [15]:

1) наблюдение за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды;

2) оценку фактического состояния природной среды;

3) прогноз будущего состояния окружающей природной среды и оценку этого состояния.

Очевидно, что для правильной организации управления качеством окружающей природной среды совершенно необходимым условием является организация системы мониторинга.

Для оценки состояния окружающей нас среды важна объективная оперативная информация о критических факторах антропогенного воздействия, о фактическом состоянии биосферы и прогнозы ее будущего состояния.

Существует проблема организации специальных систем наблюдений, контроля и оценки состояния природной среды (мониторинга) как в местах интенсивного антропогенного воздействия, так и в глобальном масштабе [15]. Возникла потребность в организации специальной информационной системы - системы наблюдения и анализа состояния природной среды, в первую очередь загрязнений и эффектов, вызываемых ими в биосфере.

В настоящее время существуют различные подходы и средства наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду, и за состоянием среды. Среди них стационарные станции, непосредственное участие человека в наблюдении (пеший), с помощью автомобилей, с помощью катеров, с помощью летательных аппаратов (ЛА), с помощью космических аппаратов.

Стационарную станцию наблюдения целесообразно организовать в виде поста наблюдения вблизи источников загрязнения (химические заводы, нефтяная скважина). В простом виде пост наблюдения состоит из датчиков и системы сигнализации. При появлении опасных отходов выдаётся сигнализация, например в виде звука. Однако стационарная система с ограниченным количеством постов наблюдения не позволяет наблюдать перемещение опасных отходов и осуществить его прогноз в следующий момент времени. Для организации наблюдения на большой площади требуется большое количество постов наблюдения. Что приводит к неоправданным материальным затратам.

Наблюдение непосредственно человеком невозможно на большой, трудно доступной местности, при любых погодных условиях в любое время суток. Автомобильная станция применима только там, где может проходить автомобиль. Катер невозможно применять в местах, заросших тростниками. Космический аппарат могут применять только богатые государства. Вьетнам в настоящее время не имеет искусственного спутника, поэтому в ближайшем будущем не может осуществить экологический мониторинг с помощью космического аппарата. Кроме того, космический мониторинг не позволяет применить широкий круг целевой аппаратуры.

При применении JLA для оценки качества окружающей среды можно применить пилотируемые самолёты или беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Применение пилотируемых JIA требует специальной подготовки экипажа, значительно большего материально-технического обеспечения (по сравнению с БПЛА) и связано с угрозой гибели экипажа в катастрофах. Кроме того, использование пилотируемых самолётов в зоне возникновения опасных для здоровья человека отходов требует специальных средств химической защиты экипажа. В крайних случаях экипаж может отказаться от выполнения полёта. С помощью дистанционных пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) можно осуществить только видеонаблюдение местности. В этом случае видеосигнал с камеры, установленной на ДПЛА, передаётся на пост видеонаблюдения и управления. Оператор визуально наблюдает положение БПЛА в пространстве, которое изображается на мониторе, и передаёт сигнал управления ДПЛА. При полёте ДПЛА на предельно малой высоте, в зависимости от способности оператора возможна потеря ДПЛА из-за столкновения его с водной (земной) поверхностью. Качество видеоизображения водной (земной) поверхности зависит от высоты полёта, следовательно, от квалификации оператора. Применение ДПЛА не позволяет спускаться на предельно малую высоту (1 -2 м) для взятия пробы воды.

В связи с этим одним из наиболее дешёвых и перспективных технических средств оперативного мониторинга являются беспилотные летательные аппараты, способные без риска для человека провести оперативный мониторинг в любой трудно доступной для человека местности. С помощью БПЛА можно осуществить наблюдение окружающей местности, взять пробу воды для дальнейшего химического анализа и т. д.

В настоящее время в мире накоплен большой опыт по созданию военных БПЛА, которые можно применить для экологического мониторинга.

При применении БПЛА для экологического мониторинга качество видеоизображения зависит от качества камеры и точности стабилизации БПЛА в полёте. При сильном колебании БПЛА вокруг центра тяжести расстояние от камеры до наблюдаемой поверхности быстро изменяется и происходит "смаз" изображения, что создает трудность для оператора видеонаблюдения. Для улучшения качества изображения требуется точная стабилизация, и ориентация летательного аппарата в полёте.

В связи с этим практическая задача по созданию качественной бортовой системы управления беспилотного летательного аппарата для экологического мониторинга является актуальной как для России, так и для Вьетнама.

Существуют различные факторы, ухудшающие качество мониторинга с помощью БПЛА. Такие внешние факторы, как туман, дождь непосредственно ухудшают работу датчика информации (например, видеокамеры) уменьшают дальность обнаружения целевой аппаратуры. В связи с этим, для обеспечения необходимого качества изображения на экране оператора, БПЛА должен совершать полёт на различной и, возможно, на предельно малой высоте. В этом случае требуется большая точность системы управления во избежание столкновения с водной (земной) поверхностью. Внешние факторы, ухудшающие качество мониторинга путём воздействия на систему управления БПЛА, включают в себя турбулентность атмосферы, порывы ветра. Борьба с этими факторами также возлагается на систему управления БПЛА [6]. Кроме того, в системе управления БПЛА инерционность звеньев, нелинейность всех звеньев в строгом смысле этого слова, уход характеристик звеньев ухудшают качество управления БПЛА. Для борьбы с инерционностью звеньев применяются линейные законы управления, различные линейные корректирующие устройства последовательного и параллельного действия. Уменьшить влияние ухода параметров звеньев можно путём применения отрицательной корректирующей обратной связи [33] или периодической регулировки системы.

В настоящее время существуют различные методы повышения качества управления: применение линейных и оптимальных законов управления, адаптивного управления, нелинейных корректирующих устройств (НКУ), робастного управления, нечёткой логики и т. д.

Одним из методов уменьшения влияния нелинейных характеристик звеньев на качество управления системы является применение НКУ.

Целью настоящей работы является исследование технических путей построения системы управления движением БПЛА и способов её нелинейной коррекции.

Для достижения цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

- параметрический синтез системы стабилизации высоты (ССВ) БПЛА, включая определение допустимых погрешностей измерителей в ССВ БПЛА и определение допустимых отклонений параметров БПЛА и внешних условий;

- Исследование влияния нелинейностей рулевого привода (РП) на качество ССВ БПЛА;

- коррекция ССВ БПЛА с целью уменьшения отрицательного влияния нелинейностей РП.

Методы исследования базируются на методах анализа и синтеза САУ, гармонической линеаризации его нелинейных звеньев, компьютерного моделирования САУ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложен новый закон стабилизации высоты БПЛА в виде модифицированного ПИД-регулятора, сущность которого заключается во введении в подынтегральное выражение ПИД-регулятора производной от высоты БПЛА;

- разработана методика оценки вредного влияния нелинейных звеньев РП на качество системы управления движением БПЛА;

- разработана методика, позволяющая уточнить параметры вынужденных колебаний кинематической передачи с люфтом с учётом изменения скорости ведущего вала при неупругом ударе соединения с ведомым валом;

- определены области параметров кинематической передачи, для которых существуют устойчивые и неустойчивые субгармонические колебания;

- сравнительный анализ способов и средств нелинейной коррекции системы управления БПЛА, уменьшающие вредное влияние нелинейных характеристик, на основе которого определены области применения различных способов и устройств коррекции.

Практическая ценность работы выполняемой работы определяется:

- разработкой нового закона стабилизации высоты БПЛА;

- разработкой методики синтеза системы стабилизации высоты БПЛА;

- разработкой методики моделирования в среде Matlab кинематической передачи с люфтом и инерционным ведомым телом; моделированием сухого трения исполнительного механизма при M'w > моделированием сухого трения исполнительного механизма при M'w > Mw и люфта с инерционным ведомым телом и построением диаграмм качества затухания нелинейных систем в среде Matlab;

- количественной оценкой вредного влияния нелинейных звеньев рулевого привода на качество системы управления БПЛА;

- обоснованием рекомендации по применению наиболее подходящего способа коррекции системы для уменьшения вредного влияния нелинейных звеньев в системе.

Положения, выносимые на защиту:

- система стабилизации высоты БПЛА для экологического мониторинга с модифицированным ПИД-регулятором;

- допустимость и целесообразность использования упрощённых моделей нелинейных звеньев, а также метода гармонической линеаризации для исследования влияния нелинейных звеньев РП на качество системы стабилизации высоты БПЛА;

- области параметров кинематической передачи, для которых существуют устойчивые и неустойчивые субгармонические колебания;

- методика статистической оценки влияния нелинейностей системы на её точность;

- рекомендации по использованию НКУ для уменьшения вредного влияния нелинейностей в ССВ БПЛА на её качество.

Основные результаты работы докладывались на:

- всероссийской научно-технической конференции "Моделирование и обработка информации в технических системах" - Рыбинск, РГАТА 2004.

- научно-технических семинарах кафедры ИЗ "Кафедра систем обработки информации и управления " БГТУ в апреле и октябре 2004 г.

- научно-техническом семинаре, секции "Радиоэлектронные средства кораблей и судов"; НТО "Судостроителей" СПб. 2004.

По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ. Результаты работы используются во Вьетнаме для оценки возможности применения БПЛА и его бортовой системы управления для экологического мониторинга;

На основе разработанного пакета программ в среде Matlab: + методика моделирования устойчивых и неустойчивых субгармонических колебаний кинематической передачи с люфтом с учётом изменения скорости ведущего вала при неупругом ударе соединения с ведомым валом; методика параметрического синтеза систем управлением движением БПЛА в вертикальной плоскости; методика моделирования (в том числе статистического моделирования) системы управления БПЛА в вертикальной плоскости с учётом совместного влияния характеристик типа люфта, сухого трения и ограничения в РП; сравнительная оценка различных способов линейной и нелинейной коррекции для системы управления БПЛА в вертикальной плоскости, разработанный пакет прикладных программ для анализа и параметрического синтеза системы управления движением беспилотного летательного аппарата экологического мониторинга в вертикальной плоскости

- используются в учебном процессе кафедры ИЗ по курсам "Проектирование систем управления летательными аппаратами" и "Информационные каналы систем управления" в Балтийском государственном техническом университете "Военмех" им. Д.Ф. Устинова и в техническом университете им. Лэ Куи Дон.

В первой главе проведен выбор БПЛА самолётного типа для экологического мониторинга; предложен закон стабилизации высоты БПЛА в виде модифицированного ПИД-регулятора и методика синтеза ССВ БПЛА. Кроме того, получено аналитическое выражение определения ошибки ССВ БПЛА в установившемся режиме при известной систематической погрешности её измерителей.

В системе управления движением БПЛА есть РП, в состав которого входят усилитель, исполнительный механизм и редуктор. Необходимо исследовать влияние этих нелинейных звеньев на работу системы управления движением БПЛА.

Во второй главе получены результаты, имеющие не только практическое, но и теоретическое значение. Доказано, что сухое трение исполнительного механизма, люфт в редукторе вызывают автоколебания в ССВ БПЛА. Амплитуда автоколебаний линейно зависит от момента сухого трения исполнительного механизма и величины зазора. С ростом коэффициента усиления усилителя РП амплитуда автоколебаний уменьшается. С ростом скорости полёта амплитуда автоколебаний увеличивается. При совместном влиянии сухого трения исполнительного механизма и люфта, люфт оказывает доминирующее влияние на автоколебания в системе. Впервые удалось исследовать люфт с учётом инерционности ведомого вала и удара валов в момент их соединения. Впервые обозначена задача устойчивости субгармонических колебаний, показаны трудности её исследования и оценки аналитическими методами. Предложен путь численного моделирования в среде Matlab, который позволил получить численные оценки областей параметров, в которых существуют устойчивые и неустойчивые субгармонические колебания. Обнаружены новые явления (существование неустойчивых субгармонических колебаний в кинематической передаче).

В третьей главе разрабатываются методика статистического моделирования оценки влияния нелинейных характеристик звеньев на точность системы и методика определения допустимого диапазона изменения параметров БПЛА и внешних условий.

Далее в работе исследуются пути уменьшения вредного влияния нелинейных звеньев РП на работу системы. В четвёртой главе проводится сравнительный анализ методов, модернизация существующих методов нелинейной коррекции системы с целью уменьшения вредного влияния нелинейности.

Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 19 таблиц.

В дальнейшем для сокращения записи под БПЛА подразумевается БПЛА для экологического мониторинга.

В приложение вынесены обзор и сравнительный анализ БПЛА самолётного типа; пакет программ моделирования ССВ БПЛА в среде Matlab.

146 Выводы

Для уменьшения влияния сухого трения исполнительного механизма РП на качество ССВ БПЛА можно применить различные способы компенсации * сухого трения (статическую, динамическую, логическую). Они позволяют подавить более 90 % амплитуды автоколебаний, вызванных сухим трением исполнительного механизма РП в ССВ БПЛА.

Компенсационный способ теоретически позволяет подавить полностью автоколебания, вызванные люфтом, модель которого адекватна Ф геометрической форме. Однако практически применять его невозможно, т. к. невозможно мгновенно изменить положение ведущего вала на значение 2с в момент изменения направления вращения ведущего вала.

Способность устройства с оптимальным выбором люфта по подавлению амплитуды автоколебаний, вызванных люфтом в ССВ БПЛА, зависит от соотношения уровня насыщения источника питания в РП и величины зазора. Ф Чем больше уровень насыщения и чем меньше величина зазора, тем больше подавляется амплитуда автоколебаний.

Способ коррекции системы с использованием сигнала постоянной амплитуды и способ и ускоренным согласованием знака сигналов позволяют подавить до 100 % амплитуды автоколебаний, вызванных люфтом с учётом инерционности ведомого вала. Целесообразно применять способ коррекции системы с использованием сигнала постоянной амплитуды и использовать сигнал обратной связи по скорости с ведомого вала.

ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором позволяет подавить автоколебания, вызванных сухим трением исполнительного механизма и люфтом в редукторе РП, лучше чем система с ПД-регулятором.

В ССВ с ПД-регулятором путём изменения коэффициента жёсткой обратной связи в РП можно уменьшить вредное влияние, вызванное ограничением источника питания в РП и угла поворота руля.

В ССВ БПЛА с модифицированным ПИД-регулятором и с ПД-регулятором путём плавного программного изменения высоты можно уменьшить вредное влияние, вызванное ограничением источника питания в РП и угла поворота руля.

Предложенная методика на основе моделирования в среде Matlab позволяет оценить эффективность рассмотренных средств коррекции и подобрать оптимальное значение коэффициентов в законах управления (по критерию минимальной амплитуды автоколебаний при заданных ограничениях на диапазон изменения трения, люфта; точности стабилизации высоты при ограничении напряжения питания иугла поворота руля).

Все программы, разработанные при исследовании, описанном в этой главе, находятся в меню "Сухое трение", "Люфт", "Насыщение" программного продукта "Программа моделирования системы стабилизации высоты БПЛА", написанного в среде Matlab, и приведены в приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационных исследований:

1. Проведен синтез ССВ БПЛА. В ней рекомендуется применять модифицированный ПИД-регулятор. Разработана методика оценки зависимости ошибки ССВ БПЛА от погрешности измерителей и методика определения допустимых маневров в вертикальной плоскости для БПЛА экологического мониторинга.

2. Исследовано влияние нелинейностей РП на качество системы управления движением БПЛА.

2.1. Сухое трение исполнительного механизма в РП вызывает устойчивые автоколебания в ССВ БПЛА экологического мониторинга в диапазоне скорости меньше критической. Амплитуда автоколебаний линейно зависит от величины момента сухого трения исполнительного механизма. С ростом коэффициента усиления усилителя РП амплитуда автоколебаний уменьшается, с ростом скорости полёта - увеличивается.

2.2. Влияние люфта в кинематической передаче на качество ССВ БПЛА аналогично влиянию сухого трения исполнительного механизма РП.

2.3. Люфт РП со значительной инерционностью ведомого вала оказывает доминирующее влияние на автоколебания в системе по сравнению с сухим трением.

2.4. Определены области параметров (Um, Т, Ть Т2, с), где существуют устойчивые субгармонические колебания, и области параметров, где существуют неустойчивые субгармонические колебания.

2.5. Наличие ограничения источника питания и угла поворота руля РП может приводить к появлению колебательного переходного процесса с большой амплитудой или к потере устойчивости ССВ БПЛА.

3. На основе сравнительного анализа способов нелинейной коррекции ССВ БПЛА выданы рекомендации по выбору подходящего способа её коррекции:

- выбор возможно большого коэффициента передачи прямой цепи РП;

- применение НКУ с постоянной величиной;

- программное изменение высоты БПЛА.

4. Разработан новый пакет прикладных протрамм в среде MATLAB, позволяющий проводить анализ и синтез ССВ БПЛА, с учётом уточнённых моделей нелинейных звеньев и средств нелинейной коррекции.

Таким образом, поставленная цель достигнута, задача решена.

1. Вестник авиации и космонавтики: Ежемес. Всероссийский аэрокосмический журн. -М. Вып. 6.2001.

2. Вестник авиации и космонавтики. Ежемес. Всероссийский аэрокосмический журн. М. Вып. 2.2002.

3. Морская радиоэлектроника. Научно — технический журнал. Вып. 2.2002. СПб.:НП - ПРИНТ.

4. Ганин С.М., Карпенко А.В., Колногоров В.В., Петров Г.Ф. Беспилотные летательные аппараты. СПб.: Невский бастион, 1999. - 160 с.

5. Бесекеркий В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. - 768 с.

6. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973. - 506 с.

7. Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления. М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

8. Ганэ В.А., Степанов В.Л. Расчёт следящих систем. Минск: Вышэй-шая школа, 1990. - 230 с.

9. Дьяконов В.П, Абраменкова И.В. MATLAB. Система символьной математики. М.: Нолидки, 1999. - 640 с.

10. Емельянов В.Ю. Методы моделирования стохастических систем управления. СПб.: БГТУ, 1997. 134 с.

11. Зельченко В.А. , Шаров С.Н. Расчёт и проектирование автоматических систем с нелинейными динамическими звеньями. М.: Машиностроение, 1986.- 174 с.

12. Зельченко В.А., Шаров С.Н. Нелинейная коррекция автоматических систем. Л.: Судостроение, 1981. - 168 с.

13. Иванов Ю.П., Синяков А.Н., Филатов И.В. Комплексирование информационно-измерительных устройств ЛА. Л.: Машиностроение, 1984.-207 с.

14. Израэль. Ю.А. Проблемы охраны природной среды и пути их решения. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 48с.

15. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. JL: Гидрометеоиздат, 1984. - 556 с.

16. Лебедев А.А., Карабанов В.А. Динамика систем управления беспилотными летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1965. - 528 с.

17. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полёта беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. - 616 с.

18. Медведев B.C., Потёмкин В.Г. Control system toolbox. М.: Диалог-мифи, 1999. - 287 с.

19. Назаров Б.И., Хлебников Г.А. Гиростабилизаторы ракет. М.: Воениздат, 1975. - 216 с.

20. Неупокоев Ф.К. Стрельба зенитными ракетами. М.: Воениздат, 1991.-343 с.

21. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1989. - 301 с.

22. Прокопенко Ю.П., Тимофеев Н.Н. Проектирование нестационарных динамических систем управления. — Л.: ЛМИ, 1980. 52 с.

23. Санников В.А., Шалыгин А.С. Математические модели стабилизации летательных аппаратов. — Л.: ЛМИ, 1989. 90с.

24. Санников В.А., Шалыгин А.С. Некоторые методы программирования и их использование для решения задачи проектирования ЛА. Л.: ЛМИ,1972.-132.

25. Справочное пособие по теории автоматического регулирования и управления / Под ред. Е.А. Санковского. Минск: Вышэйшая школа,1973. 584 с.

26. Толпегин О.А. Математические модели системы наведения летательных аппаратов. СПб.: БГТУ, 1999. - 142с.

27. Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления / Под общ. ред. Е.А. Попова. М.: Машиностроения, 1970. - 566с.

28. Нелинейные корректирующие устройства в системах автоматического управления / Под общ. ред. Е.А. Попова. М.: Машиностроение, 1971.-466 с.

29. Математические основы теории автоматического регулирования / Под ред. Б.К. Чемоданова . М.: Высшая школа, 1971. - 807 с.

30. Шаров С.Н. Основы проектирования информационно измерительных приборов систем управления движущимися объектами. - СПб.: БГТУ, 1998.-96 с.

31. Шаров С.Н. Приближённые методы анализа нелинейных систем автоматического управления. СПб.: ЛМИ 1993. - 161 с.

32. Шаров С.Н. Приближённые методы синтеза нелинейных автоматических систем и средства нелинейной коррекции. СПб.: ЛМИ 1993. - 106 с.

33. Ганэ В.А, Степанов В.Л. Расчёт следящих приводов. Минск : Вы-шэйшая школа, 1990. — 230 с.

34. Полонская Л.В. Нелинейные системы управления. Л.: ЛМИ, 1982.-88с.

35. Латухин А.Н. Боевые управляемые ракеты. М: Воениздат, 1978.- 159 с.

36. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для ВУЗОВ. М.: Высшая школа, 2001. - 575 с.

37. Шалыгин А.С. Восстановление плотности распределения вероятностей при статистическом моделировании систем управления. Л.: ЛМИ, 1982.- 113 с.

38. Статистические методы в проектировании нелинейных систем автоматического управления / Под общ. ред. Е.А. Попова. М.: Машиностроение, 1970. - 406 с.

39. Тимофеев Н.Н., Шестун А.Н. Проектирование нестационарных динамических систем управления летательных аппаратов. СПб.: БГТУ, 2001.-81 с.

40. Баханов Л.Е., Алекперов В.П. Нелинейные законы управления / Под ред. Ю.И. Топчеева. М.: Машиностроение, 1971. - 466с.

41. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближённые методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1960. - 792 с.

42. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. М.: Наука, 1973. - 583 с.

43. Методы исследования нелинейных систем автоматического управления / Под ред. Р.А. Нелепина. М.: Наука, 1975. - 447 с.

44. Методы исследования нелинейных систем управления / Отв. ред. Я. 3. Ципкин. М.: Наука, 1983. - 240 с.

45. Методы синтеза нелинейных систем автоматического управления/ Под ред. д. т. н., проф. С.М. Федорова. М.: Машиностроение, 1970. - 416 с.

46. Наумов Б.Н. Теория нелинейных автоматических систем. Частотные методы. М.: Наука, 1972. - 544 с.

47. Пупков К.А. Статистический расчёт нелинейных систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1965. - 403 с.154