автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Построение систем управления летательными аппаратами при посадке на подвижное основание

На правах рукописи

МЕДЫНСКИЙ Юрий Валериевич

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ ПРИ ПОСАДКЕ НА ПОДВИЖНОЕ ОСНОВАНИЕ

Специальность 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат Диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессиональною образования «Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: д.т.н., профессор Григорьев В. В.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Шишлаков В. Ф. к.т.н., Сударчиков С. А.

Ведущая организация: ОКБ «Электроавтоматика».

Защита состоится 19 декабря 2006 г. в 1550 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.227.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики» по адресу:

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, СПбГУ ИТМО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики».

Автореферат разослан 14 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Снижение самолета перед заходом на посадку, предпосадочный маневр, заход на посадку, выравнивание и приземление составляют вместе с этапами взлета совокупность ответственных и

-.■'■чгч <(1:.-х .-»'Г' " '

напряженных этапов полета, на которые по мировой статистике до сих пор приходится значительный процент аварий и катастроф. На этих этапах происходят значительные изменения режимов полета (скорости, высоты, курса и др.), конфигурации самолета (выпуск закрылков, щитков, интерцепторов и т.д.), режимов работы двигателей. При этом экипаж должен наблюдать за показаниями большого количества приборов и на основе анализа этих показаний принимать решения и управлять самолетом, двигателями, системами. Увеличение посадочных скоростей, уменьшение размеров взлетно-посадочной полосы, быстротечность процессов, требования всепогодности посадки вызывают острую необходимость в совершенствовании систем управления движением самолета при посадке.

Посадка самолета на борт авианосца обычно проводится в тяжелых метеоусловиях, при этом не только сам летательный аппарат подвержен различным стохастическим влияниям (ветер), но платформа посадки (авианосец) перемещается случайным образом. При касании летательным аппаратом подвижного основания возможно возникновение высоких перегрузок, снижающих эксплутационные характеристики самолета и способных привести к его поломке. Для уменьшения перегрузок и их контроля на передний план выходит задача прогнозирования расчетной точки посадки самолета на подвижное основание.

В настоящее время существует множество различных методик прогнозирования. В тоже время задача прогнозирования с точки зрения теории управления является не типовой и не тривиальной, требует привлечения методов высшей математики, теории случайных процессов,

теории фильтров. В самой теории управления методики долгосрочного прогнозирования практически отсутствуют.

В диссертации проводится исследование, связанное с проблемой автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание, анализируются проблемы управления движением летательного аппарата и прогнозирование' килевой качки корабля. Полученные результаты позволяют решать задачи синтеза алгоритмов прогнозирования килевой качки корабля и автоматического управления посадкой самолета на подвижное основание на основе методов ■ автоматической теории управления. Предложенный подход предусматривает использование линейных стационарных законов для управления моделями с переменными параметрами и оптимальных законов теории фильтрации для оценки и прогноза случайного скалярного временного процесса.

Перечисленные выше проблемы и трудности их решения делают актуальной научную проблему, состоящую в использовании методов теории автоматического управления для синтеза алгоритмов управления, обеспечивающих решение задачи стабилизации летательного аппарата относительно номинальной траектории посадки и компенсацию отклонений параметров движения для выполнения критерия безаварийной посадки.

Целью диссертационной работы является в разработке алгоритма синтеза автоматической бортовой системы управления летательным аппаратом при посадке на подвижное основание.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Найдена математическая модель килевой качки корабля.

2. Синтезирован алгоритм прогнозирования килевой качки корабля.

3. Синтезирован общий алгоритм автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание.

Методы исследования. В качестве основных методов исследования использовались классические подходы теории систем автоматического регулирования. Анализ динамических и точностных свойств систем

управления проводился методами математического моделирования с использованием макета МаЙаЬ (экпиНпк). Достоверность результатов подтверждается аналитически, а так же результатами моделирования.

Научная новизна работы:

- предложен алгоритм прогнозирования килевой качки корабля с использованием оптимального фильтра Калмана;

- синтезирован общий алгоритм управления продольным каналом самолета в режиме посадки на подвижное основание, который позволяет осуществлять прогноз положения расчетной точки посадки и последующую компенсацию отклонений параметров движения для выполнения критерия безаварийной посадки при наличии ветровых возмущений.

Практическая значимость и реализация результатов

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы в системах управления посадкой летательных аппаратов военной и гражданской авиации. -

Системы автоматического управления посадкой используются в гражданских и военных самолетах. Результаты данной работы могут быть использованы для усовершенствования беспилотных разведывательных летательных аппаратов, которые представляет интерес с точки зрения науки и военно-промышленного комплекса.

Апробация работы

Работа выполнена на кафедре систем управления и информатики ГОУВПО «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ХХХШ научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 3 - б февраля 2004 года (Медынский Ю. В. «Исследование точностных характеристик систем автоматического управления посадкой самолета».), XXXIV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 2-4 февраля 2005 года

(Костина О. В., Медынский Ю. В. «Построение системы автоматической посадки летательного аппарата на подвижное основание».) и 10th International Olympiad on Automatic Control, Russia, Saint-Petersburg, May 26 - 28, 2004 (Yu. V. Medynsky. Synthesis of an algorithm for forecasting the estimated point of an aircraft's touchdown onto a moving base).

Публикации работы. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение и список литературы, насчитывающий 49 наименований. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен аналитический обзор некоторых существующих посадочных комплексов и приведены посадочные характеристики ряда самолетов отечественного производства. Также определены основные направления автоматизации посадки летательных аппаратов:

1) Применение специальных устройств для улучшения устойчивости и управляемости самолета в соответствии с рисунком 1, контур а. При этом пилот осуществляет ручное (штурвальное) управление в соответствии с рисунком 1, контур б. Автоматизация достигается при помощи демпферов рыскания, крена и тангажа, автоматов продольного и бокового управления.

2) Введение автоматической стабилизации в соответствии с рисунком 1, контур в, на определенных режимах полета вместо ручного управления реализуется автопилотами и автоматами тяги.

3) Внедрение полуавтоматической системы директорного (командного) управления траекторией полета при отсутствии: видимости в соответствии с рисунком 1, контур г. Необходимая информация выдается в удобном для управления виде. Пилот остается непосредственно включенным в замкнутый

контур управления. Примером может служить система БСУ-ЗП. Сюда же-относятся создаваемые директорные системы взлета и посадки, ухода на 2-й круг.

4) Использование автоматических систем траекторного управления посадкой и взлетом, уходом на второй круг.

Рисунок 1 - Контуры управления самолетом

Введено в рассмотрение понятие автоматической бортовой системы управления (АБСУ) самолетом.

Вторая глава посвящена общей постановке задачи для чего: 1. Осуществляется выбор математической модели летательного аппарата.

Уравнение движения самолета в продольной плоскости имеет вид:

Д Уп = -ХуА V, - (хУ£ + дг^Да-х8АЭ + хг,ЛЪ'сг + хв1%

■ Дб = С„ДКа+СХДа + Св^вД5л+СгЛХ , (1)

где Д К/? - приращение путевой скорости (Д Кл=Ко+ Д V — путевая скорость, Уд — номинальная скорость полета), Д Ув — приращение воздушной скорости (Д Ув= Д У/т± Ж, Ж - скорость ветра), Да- приращение угла атаки, Д 9-приращение угла тангажа, Д 9 - приращение скорости изменения угла наклона траектории, Д б^г" приращение отклонения сектора газа, Д 5В-приращение отклонения руля высоты (Д5В =5В—50;50- отклонение руля высоты, 50- балансировочное значение отклонения руля высоты), Ув -воздушная скорость (Ув =Уп± Ю> ш2-угловая скорость угла тангажа, параметр, учитывающий влияние земной поверхности, коэффициенты уравнений (1) имеют следующий вид:

дМ,

т" - частная производная —-;

да

т'' - частная производная ;

88в

Н— текущая высота полета;

Су — коэффициент подъемной силы.

Эта модель описывает продольное движение самолета в режиме выравнивания, когда режим полета заведомо нестационарный. Нестационарность заключается в том, что изменяются коэффициенты модели в зависимости от изменяющейся скорости полета. В работе рассматривалось только продольное движение ОУ, как представляющее наибольший интерес ввиду сложности траектории.

2. Задание траектории посадки (глиссады).

3. Выбор номинальных режимов полета и задание точностных показателей качества АБСУ.

Показатели качества АБСУ были заданы в виде времени переходного процесса ¡п = 8,5 с и перерегулирования а = 40%. Также был задан диапазон

изменения скорости посадки V - 80 ~ 150 м/с и по результатам анализа зависимости радиуса области расположения корней от изменения угла наклона траектории выбран номинальный угол наклона глиссады 0„ = 4°.

В третьей главе формулируется критерий безаварийной посадки самолета^ для чего вводится в рассмотрение вектор отклонений ССБ от номинальной глиссады в продольном канале:

bT(t) = [AH(t),AV,(t)], (2)

где: дя - отклонение по высоте, AVr - отклонение по вертикальной скорости.

Фактические отклонения образуют в пространстве область, которую можно записать как функционал вида:

J = Ar(T)Q&(T), (3)

где: Д(Т) - значение вектора физических отклонений в РТП, Q — положительно определенная матрица размера и х и, п — размерность вектора Д(Т), Т- конечный момент времени.

Для безаварийной посадки достаточно выполнения неравенства

At(T)Q&(T)<C',, (4)

где Cg = 1, т. е. чтобы отклонения по высоте и вертикальной скорости в момент касания взлетно-посадочной полосы не превышали бы соответственно ±1,25ми ± 1 м/с.

В качестве связи критерия безаварийной посадки и качества переходный процессов АБСУ выступает «трубка» допустимых отклонений при движении по глиссаде.

В четвертой главе рассматривается задача синтеза закона управления, определяемого матрицей K(i) по заданным показателям качества с учетом линеаризованной математической модели (1) при помощи алгоритма с использованием итерационной процедура поиска решений

модифицированного уравнения Рикатти с последующим уменьшением желательного радиуса расположения корней замкнутой системы:

(Л, -В,К(1)-(г0) + а.0))1)т Р{Аъ+В0КО)-(г(1) + <хО))1)--г2О)Р,=-г1, (5) ко)=(1+в;р,в0)-'в;р1гА0-(гО)-ао))1], (6)

при номинальных значениях матриц ОУ и & = + 1Сг\ где:

Ао, Во - матрицы переменных вектора состояния и входов по управлению ОУ вход-состояние-выход при номинальных значениях вектора изменяющихся параметров, I- единичная матрица,

а(г) = а - Аг(0, где а = 1 - Хд, Аг(0)< &г(<) < г,

Хо - требуемое значение степени гладкости процессов системы,

г(0 = " запас по качеству на изменение параметров системы

X - требуемое значение степени затухания процессов системы, Р1 — матрица решения уравнения Рикатти ¡=1,2,3..., - номер итерации.

Также, для обеспечения минимальной вариации параметров самолета на заключительном этапе полета была предложена и опытным путем доказана целесообразность использования двух законов управления для различных участков полета. Представленпые результаты математического моделирования подтвердили возможность синтеза стационарного закона управления для объекта управления с переменными параметрами при диапазоне изменения скоростей от 150 м/с до 80 м/с.

Далее рассматривалось влияние ветровых возмущений на АБСУ. Проведены. анализ ветровых возмущений на соответствующих высотах и моделирование процессов в АБСУ па различных участках глиссады с учетом влияния ветровых возмущений, подтвердившие работоспособность синтезированного закона управления и выполнения заданных показателей качества.

В пятой главе решалась задача синтеза алгоритма автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание для чего:

— был представлен обзор существующих методов и систем прогнозирования;

— приведены качественные показатели прогноза;

— проведен и обоснован выбор модели процесса килевой качки корабля;

— рассмотрен алгоритм прогноза на основе фильтра Калмана и отмечены достоинства приведенного метода.

Исходя из предположения, что случайный процесс качки есть белая Гауссова последовательность, пропущенная через формирующий фильтр, модель формирования случайного процесса имеет следующее математическое описание:

G(s)= , g , (7)

s +as + d

где а = 0.06, g~0.6, d = 0.36 - параметры модели, полученные в результате анализа спектральной плотности процесса килевой качки.

Синтезированный Алгоритм прогнозирования представляет собой следующую последовательность действий:

AI (Алгоритм прогнозирования). Даны: а>0еД* — оценка резонансной частоты случайного процесса качки, G0 е R* - оценка дисперсии случайного процесса качки, а е Ä*(0...l) — коэффициент затухания случайного процесса качки, TeR* — интервал прогнозирования, xeR*(xz0,01T) — длительность одного такта ботовой ЭВМ, множество упорядоченных пар (/, У,), которое для каждого номера момента времени / (» = 0,1,2, ..„V/эг = г-/) ставит в соответствие амплитуду качки Y, е Я.

А1.1 [Построение модели ВСВ качки.] Входные данные о>а, G„, а. Выходные данные А, В, С. Построим модель качки в канонической управляемой форме:

0 1 ~0

< , в =

-2-а 1

А1.2 [Построение фильтра Калмана.] Входные данные А, В, С. Выходные данные К.

к=р„ст[ср„ст +

Р, :Р„ = л{р„-Р„СТ[СР„СТ +Е\'СРа\? +В2ВТ, 2 = М, Я =[0,01].

А1.3 [Расчет состояния модели качки.} Входные данные А, В, С, К, У,. Выходные данные X,.

Х(к +1) = Л{к)х(к)+К(к + + 1)-С(к + Х{0) = 0.

А1.4 [Расчет матрицы состояния в заданный момент.] Входные данные А,Т, т. Выходные данные А".

А1.5 [Расчет прогноза состояния.] Входные данные А", X,. Выходные данные Х„.

— А" х Х1.

Далее был проведен анализ качества прогноза на основе известных характеристик в виде ошибки прогноза, так и на основе математического ожидания ошибки прогнозирования. По результатам анализа были сделаны следующие выводы:

... - доверительный интервал прогнозирования составляет 5 с, что согласуется со значением периода корреляции случайного процесса;

- увеличить доверительный интервал прогнозирования можно за счет увеличения периода корреляции, т.е. за счет уменьшения частоты исходной модели качки.

Была обоснована целесообразность модификации глиссады и рассчитаны экстремальные вариации значения корректировочного угла наклона глиссады на участке корректировки по прогнозу. Моделирование еще раз доказало, что для синтеза законов управления номинальные значения скорости полета и угла наклона глиссады были выбраны верно и рассчитанные экстремальные вариации угла наклона траектории не оказывают существенного влияния на выполнение требуемых показателей качества и, как следствие, критерия безаварийной посадки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведено исследование, связанное с проблемой автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание. В первой главе проведен анализ существующих посадочных комплексов. Во второй главе была осуществлена обобщенная постановка задачи, в которой были заданы показатели качества переходных процессов АБСУ.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Сформулирован критерий безаварийной посадки ЛА исходя из его математической модели и заданных показателей качества.

2. Разработана методика синтеза стабилизирующих управлений для продольного канала самолета специального базирования при равнозамедленном движении при посадке (V - 80 •*■ 150 м/с) и угла наклона глиссады (в = 1 J 8 °) которая обеспечивает следующие оценки качества:

tn <8,3 с, а <40 % и гарантирует заданное качество переходных процессов при равнозамедленном движении по глиссаде.

3. Обоснована целесообразность применения двух законов управления для различных участков глиссады с учетом неравномерного изменения скорости полета при посадке, что существенно уменьшает диапазон

изменения параметров системы на заключительных П-м и Ш-м участках глиссады.

4. Проведен анализ с последующим моделированием переходных процессов в АБСУ при наличии ветровых возмущающих воздействий, показавший, что заданные показатели качества обеспечиваются при продольных компонентах ветровых возмущений ± 4 м/с. ' , : , , . „

5. Проведен и обоснован выбор модели процесса килевой качки корабля,!

6. Синтезирован алгоритм прогноза положения точки посадки на основе фильтра Калмана и отмечены достоинства приведенного метода исходя из анализа качества прогноза на основе известных характеристик в виде ошибки прогноза и математического ожидания ошибки прогнозирования.

7. Обоснована целесообразность модификации глиссады и рассчитаны экстремальные вариации значения корректировочного угла наклона глиссады.

Благодаря полученным результатам была решена задача синтеза алгоритма автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Григорьев В. В., Дудров П. В., Медынский Ю. В. Построение систем сравнения и оценки качества процессов. Н Научно-технический вестник СПбГУИТМО. № 33. - СПб. 2006. - С. 3-8.

2. Григорьев В. В., Козис Д. В., Коровьяков А. Н., Парамонов П. П., Медынский Ю. В. Обеспечение информационного подобия модели и реальной системы в навигационных комплексах. // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. № 33. - СПб. 2006. - С. 8-11.

3. Григорьев В. В., Мансурова О. К., Медынский Ю. В., Прогнозирование килевой качки корабля. // Сборник научных трудов. Социально-экономические последствия научно-технического прогресса. - СПб. 2006.-С. 90-97.

4. Medynsky Yu. V. Synthesis of an algorithm for forecasting the estimated point of an aircraft's touchdown onto a moving base. // BOAC'2004, 10th Internationa] Olympiad on automatic control. — Russia, Saint-Petersburg. 2004.-P. 12-16.

Тиражирование и броппорирование выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д.49. тел. (812)223-46-69 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПОСАДОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

1.1. Общие сведения о системах посадки самолетов.

1.2. Динамические характеристики пилота в контуре управления.

1.3. Автоматизация процесса пилотирования.

1.4. Радиотехнические системы посадки.

1.4.1. Заход на посадку по оборудованию системы посадки.

1.4.2. Заход на посадку по радиомаячной системе посадки.

1.4.3. Заход на посадку по радиолокационной системе посадки.

1.4.4. Применение светосигнальных индикаторов глиссады.

1.5. Заход на посадку на различных типах летательных аппаратов.

1.6. Автоматическое приземление.

2. ОБОБЩЕННАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2.1. Принципы выполнения посадки.

2.2. Математическая модель продольного канала самолета.

3. КРИТЕРИЙ БЕЗАВАРИЙНОЙ ПОСАДКИ САМОЛЕТА.

3.1. Выбор показателей качества системы управления.

3.2. Связь качества переходных процессов с критерием безаварийной посадки.

3.3. Выбор номинальных параметров полета.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. СИНТЕЗ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ САМОЛЕТА В ПРОДОЛЬНОМ КАНАЛЕ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Решение задачи синтеза закона управления для продольного канала самолета.

4.2.1. Алгоритм синтеза закона управления.

4.2.2. Результаты синтеза закона управления.

4.3. Анализ и моделирование возмущающих воздействий.

4.4. Выводы по четвертой главе.

5. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ САМОЛЕТА С УЧЕТОМ ПРОГНОЗА КИЛЕВОЙ КАЧКИ КОРАБЛЯ.

5.1. Обзор существующих методов и систем прогнозирования.

5.1.1. Типы прогнозов.

5.1.2. Прогнозирование как оценка состояния динамической системы. Теория фильтрации.

5.1.3. Качественные показатели прогноза.

5.1.3.1. Точность прогноза.

5.1.3.2. Доверительность прогноза.

5.1.3.3. Надежность прогноза.

5.1.4. Выводы по обзорной части пятой главы диссертации.

5.2. Расчет параметров системы прогнозирования.

5.2.1. Выбор модели качки.

5.2.2. Расчет модели качки.

5.2.3. Анализ характеристик модели качки.

5.2.4. Расчет дискретной модели качки.

5.2.5. Расчет фильтра Калмана.

5.2.6. Расчет фильтра Калмана для оценки модели качки.

5.2.7. Анализ быстродействия фильтра Калмана.

5.3. Прогнозирование.

5.3.1. Расчет состояния системы в заданный момент времени на основании значения интервала дискретности.

5.3.2. Алгоритм прогнозирования.

5.3.3. Структурная схема прогнозирования.

5.4. Анализ свойств системы прогнозирования.

5.4.1. Статистический анализ системы прогнозирования.

5.4.2. Результаты моделирования системы прогнозирования.

5.5. Система автоматической посадки с учетом прогнозирования.

5.6. Выводы по пятой главе.

Предмет исследований диссертационной работы построение систем управления летательными аппаратами при посадке на подвижное основание.

Стремление к созданию средств автоматизации управления полетом возникло вместе с зарождением авиации. Многие образцы самолетов раннего этапа развития авиации снабжались регуляторами прямого действия в виде маятников и флюгеров, воздействующих на руль высоты или другой орган управления продольным движением. Это было обусловлено плохой устойчивостью и управляемостью первых самолетов. Полет на этих аппаратах часто требовал виртуозной техники пилотирования и был опасным. Простейшие автоматы имели целью восполнить недостатки устойчивости и управляемости первых летательных аппаратов. Попытки создания средств автоматизации управления полетом в начальный период не сопровождалось достаточным анализом и расчетами и, чаще всего были неудачными.

Расширение диапазонов изменения параметров полета, увеличение скорости и максимальной высоты, невозможность достижения приемлемых летно-технических характеристик только за счет собственно конструкций современных летательных аппаратов, многофункциональность и всережимность, неуклонное повышение требований к точности управления создали условия, при которых современные перспективные пилотируемые летательные аппараты немыслимы без высокосовершенных систем автоматического управления. Автоматизируется управление всеми этапами полета, начиная взлетом и заканчивая приземлением, автоматизируется выполнение определенных последовательностей операций, определенных программ.

Расширение функционального назначения систем автоматического управления полетом сопровождается резким усложнением этих систем. Современные системы управления пилотируемых летательных аппаратов, как правило, являются многоканальными и многоконтурными, реализуют большое число алгоритмов управления, выполняют логические функции, обладают в той или иной мере самонастройкой или адаптивностью. Эти системы включают аналоговые и цифровые вычислительные устройства, используются бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ). На современные системы управления возлагаются функции управления не только в номинальных режимах, но и в определенных аварийных ситуациях. Системы, как правило, должны осуществлять самоконтроль, автоматическое отключение оказавших звеньев и обеспечивать высокий уровень надежности и безопасности.

Свойства пилотируемых летательных аппаратов как объектов автоматического управления также усложняются. Это вызвано возрастанием нестационарности и нелинейности характеристик, повышением размерности моделей. Все это делает проектирование современных систем управления летательных аппаратов сложной и трудоемкой задачей и требует привлечения последних достижений теории регулирования и вычислительной техники.

Снижение самолета перед заходом на посадку, предпосадочный маневр, заход на посадку, выравнивание и приземление составляют вместе с этапами взлета совокупность ответственных и напряженных этапов полета, на которые по мировой статистике до сих пор приходится значительный процент аварий и катастроф. На этих этапах происходят значительные изменения режимов полета (скорости, высоты, курса и др.), конфигурации самолета (выпуск закрылков, щитков, интерцепторов и т.д.), режимов работы двигателей. При этом экипаж должен наблюдать за показаниями большого количества приборов и на основе анализа этих показаний принимать решения и управлять самолетом, двигателями, системами. Увеличение посадочных скоростей, уменьшение размеров взлетно-посадочной полосы, быстротечность процессов, требования всепогодности посадки вызывают острую необходимость в совершенствовании систем управления движением самолета при посадке.

Обеспечение всепогодности функционирования имеет огромное значение, как для гражданской, так и военной авиации. Поэтому требование снижения минимума влияния погоды следует, по-видимому, поставить на первое место среди других требований, предъявляемых к современным системам посадки.

Посадка самолета на борт авианосца обычно проводится в тяжелых метеоусловиях, при этом не только сам летательный аппарат подвержен различным стохастическим влияниям (ветер), но и платформа посадки (авианосец) перемещается случайным образом. При касании летательным аппаратом подвижного основания возможно возникновение высоких перегрузок, снижающих эксплутационные характеристики самолета и способных привести к его поломке. Для уменьшения перегрузок и их контроля на передний план выходит задача прогнозирования расчетной точки посадки самолета на подвижное основание.

В настоящее время существует множество различных методик прогнозирования. В тоже время задача прогнозирования с точки зрения теории управления является не совсем типовой и тривиальной, требует привлечения методик высшей математики, теории случайных процессов, теории фильтров. В самой теории управления методики долгосрочного прогнозирования практически отсутствуют.

Одной из задач работы был синтез алгоритма автоматической бортовой системы управления (АБСУ) летательным аппаратом, позволяющего совершать посадку при широком диапазоне скоростей - от 150 м/с до 80 м/с. Другая задача заключалась в возможности прогноза качки корабля на море для избежания перегрузок на конструкцию самолета и экипаж при посадке.

Диссертационная работа организована следующим образом:

В первой главе рассмотрены основные этапы автоматизации полета и параметры некоторых существующих систем посадки, а также приведены посадочные характеристики ряда самолетов отечественного производства.

Во второй главе посвящена общей постановке задачи для чего:

1. Осуществляется выбор математической модели летательного аппарата.

2. Задание траектории посадки (глиссады).

3. Выбор номинальных режимов полета и задание точностных показателей качества АБСУ.

Показатели качества АБСУ были заданы в виде времени переходного процесса tn = 8,5 с и перерегулирования а = 40%. Также был задан диапазон изменения скорости посадки V = 80 ~ 150 м/с и по результатам анализа зависимости радиуса области расположения корней от изменения угла наклона траектории выбран номинальный угол наклона глиссады 0О = 4°.

В третьей главе формулируется критерий безаварийной посадки самолета, для чего вводится в рассмотрение вектор отклонений ССБ от номинальной глиссады в продольном канале:

AT(t) = [AH(t),AVy(t)], где: АН - отклонение по высоте, AVy - отклонение по вертикальной скорости.

Для безаварийной посадки достаточно, чтобы отклонения по высоте и вертикальной скорости в момент касания взлетно-посадочной полосы не превышали бы соответственно ±1,25 ми ± 1 м/с.

В четвертой главе рассматривается задача синтеза АБСУ по заданным показателям качества с учетом линеаризованной математической модели ССБ вход-состояние-выход при помощи алгоритма, предложенного в [10], где используется итерационная процедура поиска решений модифицированного уравнения Рикатти с последующим уменьшением желательного радиуса расположения корней замкнутой системы для чего в разделе 4.1 по методике, предложенной в [10] были выбраны номинальные параметры полета.

Также, для обеспечения минимальной вариации параметров самолета на заключительном этапе полета была предложена и опытным путем доказана целесообразность использования двух законов управления для различных участков полета. Представленные результаты подтвердили возможность синтеза стационарного закона управления для объекта управления с переменными параметрами при диапазоне изменения скоростей от 150 м/с до 80 м/с, что превосходит результаты, представленные в [3,49].

В разделе 4.4. рассматривалось влияние возмущений на АБСУ. Проведены анализ ветровых возмущений на соответствующих высотах и моделирование процессов в АБСУ на различных участках глиссады, подтвердившие работоспособность синтезированного закона управления и выполнения заданных показателей качества.

В пятой главе в отличие от работ [3, 49] и предыдущего раздела решается задача синтеза алгоритма автоматического управления посадкой ССБ с учетом прогноза килевой качки корабля для чего:

- был представлен обзор существующих методов и систем прогнозирования;

- приведены качественные показатели прогноза;

- проведен и обоснован выбор модели процесса килевой качки корабля;

- рассмотрен алгоритм прогноза на основе фильтра Калмана и отмечены достоинства приведенного метода.

Исходными данными для расчета прогнозирующего устройства служат параметры качки, длительность 1 такта бортовой ЭВМ, требуемый интервал прогнозирования, информационный сигнал качки. Измерительное устройство, не входящее непосредственно в систему прогнозирования выдает оценку таких параметров текущего процесса качки, как период качки, амплитуда и коэффициент затухания. На основании этих параметров строится модель качки и в соответствии с нею оптимальный фильтр Калмана. Далее полученный фильтр применяется к информационному сигналу процесса качки. Спустя некоторый интервал сходимости фильтра последний выдает оптимальную в смысле минимума дисперсии ошибки оценку текущего состояния процесса качки. Далее на основании заданного интервала прогнозирования и длительности такта бортовой ЭВМ определяется матрица состояния качки в заданный момент времени. По найденной матрице состояния и текущей оценке качки находится непосредственно прогноз качки в заданный момент времени в будущем.

Был проведен анализ качества прогноза на основе известных характеристик как в виде ошибки прогноза, так и на основе математического ожидания ошибки прогнозирования. По результатам анализа были сделаны следующие выводы:

- доверительный интервал прогнозирования составляет 5 с, что согласуется со значением периода корреляции случайного процесса;

- увеличить доверительный интервал прогнозирования можно за счет увеличения периода корреляции, т.е. за счет уменьшения частоты исходной модели качки.

Была обоснована целесообразность модификации глиссады и рассчитаны экстремальные вариации значения корректировочного угла наклона глиссады на участке корректировки по прогнозу. Моделирование еще раз доказало, что для синтеза законов управления номинальные значения скорости полета и угла наклона глиссады были выбраны верно и рассчитанные экстремальные вариации угла наклона траектории не оказывают существенного влияния на выполнение требуемых показателей качества и, как следствие, критерия безаварийной посадки.

Новизна научных решений:

Предложенный в диссертации подход позволяет синтезировать алгоритм автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание. В основе синтеза лежит использование двух стационарных законов управления для обеспечения минимальной вариации параметров полета на заключительном этапе посадки, что дает возможность осуществить корректировку траектории в соответствии с прогнозом положения точки посадки. Полученный алгоритм превосходит аналоги [3, 49], т.к. применим для более широкого диапазона скоростей и включает в себя процедуру прогноза положения точки посадки.

Практическая значимость:

Предложенный в диссертации подход позволяет решать задачи автоматического управления посадкой летательных аппаратов на подвижное основание и применим как в военной, так и в гражданской авиации.

Апробация работы:

• Доклад на XXXIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 3 - 6 февраля 2004 года (Медынский Ю. В. «Исследование точностных характеристик систем автоматического управления посадкой самолета».);

• Доклад XXXIV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 2 - 4 февраля 2005 года (Костина О. В., Медынский Ю. В. «Построение системы автоматической посадки летательного аппарата на подвижное основание».);

• Доклад на 10th International Olympiad on Automatic Control, Russia, Saint-Petersburg, May 26 - 28, 2004 (Yu. V. Medynsky. Synthesis of an algorithm for forecasting the estimated point of an aircraft's touchdown onto a moving base).

Публикации работы:

По материалам диссертации опубликованы 4 работы: [45,46,47,48]

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 49 наименований. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

В третьей главе был сформулирован критерий безаварийной посадки JIA исходя из его математической модели и заданных показателей качества, а также выбраны номинальные параметры полета для упрощения задачи синтеза закона управления. В четвертой главе была разработана методика синтеза стабилизирующих управлений для продольного канала самолета специального базирования при равнозамедленном движении при посадке (V = 80 + 150 м/с) и угла наклона глиссады (0 = 1 ° + 18 Результаты цифрового моделирования показали, что при этом обеспечиваются следующие оценки качества: tn< 8,3 с, с < 40 % и подтвердили теоретические положения возможности синтеза стационарного закона управления для системы с изменяющимися параметрами (ССБ) во всем диапазоне заданных скоростей полета и угла наклона глиссады при посадке и гарантирующего заданное качество переходных процессов при равнозамедленном движении по глиссаде. К тому же была обоснована целесообразность применения двух законов управления для различных участков глиссады с учетом неравномерного изменения скорости полета при посадке. Полученные результаты превосходят решения, представленные в работах [3, 49], т.к. принятый подход существенно уменьшает диапазон изменения параметров системы на заключительных II-м и Ш-м участках глиссады. Проведенный анализ с последующим моделированием переходных процессов в АБСУ показали, что заданные показатели качества обеспечиваются при продольных и поперечных компонентах ветровых возмущений ±4 м/с.

В пятой главе была решена задача синтеза алгоритма автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание для чего был приведен и обоснован выбор модели процесса килевой качки корабля, рассмотрен алгоритм прогноза положения расчетной точки посадки на основе фильтра Калмана и отмечены достоинства приведенного метода. Произведен анализ качества прогноза на основе известных характеристик в виде ошибки прогноза, так и на основе математического ожидания ошибки прогнозирования. По результатам анализа были сделаны следующие выводы:

- доверительный интервал прогнозирования составляет 5 с, что согласуется со значением периода корреляции случайного процесса;

- увеличить доверительный интервал прогнозирования можно за счет увеличения периода корреляции, т.е. за счет уменьшения частоты исходной модели качки.

Также была обоснована целесообразность модификации глиссады и рассчитаны экстремальные вариации значения корректировочного угла наклона глиссады. Моделирование еще раз доказало, что для синтеза законов управления номинальные значения скорости полета и угла наклона глиссады были выбраны верно и рассчитанные экстремальные вариации угла наклона траектории не оказывают существенного влияния на выполнение требуемых показателей качества и, как следствие, критерия безаварийной посадки.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

- метод решения задач автоматического управления самолетом в режиме посадки на подвижное основание;

- алгоритм прогнозирования килевой качки корабля;

- алгоритм автоматического управления летательным аппаратом, который существенно уменьшает диапазон изменения параметров системы на заключительных участках глиссады и позволяет компенсировать перегрузки при посадке на подвижное основание.

Дальнейшее развитие представленного в диссертационной работе подхода, по мнению автора, должно состоять:

- в усовершенствовании метода решения задач автоматического управления самолетом в режиме посадки на подвижное основание с учетом больших диапазонов изменения параметров полета;

- в разработке новых алгоритмов прогнозирования килевой качки корабля, направленных на увеличение доверительного интервала и точности прогноза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведено исследование, связанное с проблемой автоматического управления летательным аппаратом в режиме посадки на подвижное основание. В первой главе рассмотрены основные этапы автоматизации полета и параметры некоторых существующих систем посадки, а также приведены посадочные характеристики ряда самолетов отечественного производства.

Вторая глава посвящена общей постановке задачи для чего:

1. Была выбрана математической модели летательного аппарата.

2. Была задана траектория посадки (глиссады).

3. Были выбраны номинальные режимы полета и рассчитаны точностные показателей качества АБСУ.

Показателями качества АБСУ являлись время переходного процесса tn = 8,5 с и перерегулирование а = 40%. Также был задан диапазон изменения скорости посадки V = 80 ~ 150 м/с и по результатам анализа зависимости радиуса области расположения корней от изменения угла наклона траектории выбран номинальный угол наклона глиссады 0О = 4°.

1. Красовский А. А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. - М.: Наука, 1973. - 558 с.

2. Эшли X. Инженерные исследования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1980.-424с.

3. Бушуев А. Б., Григорьев В. В., Литвинов 10. В. Алгоритмы синтеза бортовой системы управления самолетом в режиме посадки. Под ред. Сабинина Ю. А. Управление электро-механическими и оптико-механическими объектами на базе ЭВМ. - Л.: ЛИТМО, 1986. - 130 с.

4. Бессекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1972. - 767 с.

5. Бабаков Н. А., Воронов А. А., Воронова А. А., Дидук Г. А., Дмитриев Н. Д., Ким Д. П., Макаров И. М., Менский Б. М., Попович П. Н., Рахманкулов В. 3. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1997. 302 с.

6. Акопов М.Г., Бекасов В.И., Евсеев А.С. и др. Системы оборудования летательных аппаратов: Учебник для студентов высших технических учебных заведений 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1995.-496 с.

7. Бушуев А. Б., Григорьев В. В., Литвинов Ю. В. Синтез управлений по заданным оценкам качества для дискретных систем с изменяющимися параметрами. Автоматика и телемеханика, №11,1984.

8. Белгородский С. Л. Автоматизация управления посадкой самолетов. -М.: Транспорт, 1972.

9. Чистяков В. П. Курс Теории вероятностей. М.: Агар, 1976. - 256 с.

10. Богачев А. В., Григорьев В. В., Дроздов В. Н., Коровьяков А. Н. Аналитическое конструирование регуляторов по корневым показателям. А и Т № 8, 1978.

11. Григорьев В. В., Черноусов В. В. и др. Прогнозирование случайных процессов с помощью управляющей ЭВМ. Оптико-механическая промышленность №7,1980.

12. Григорьев В. В., Богачев А. В. и др. Автоматизированное проектирование дискретных регуляторов. Л.:, ЛДНТП, 1981.

13. Натансон И. П. Краткий курс высшей математики. СПб.: Лань, 1999. -736 с.

14. Выягодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Большая медведица, 2000. - 864 с.

15. Вероятностные разделы математики. Учебник для бакалавров технических направлений. Под ред. Максимова Ю.Д. СПб.: Иван Федоров, 2001.-592с.

16. Случайные процессы. Том 3. Оптимальная фильтрация, экстраполяция и моделирование. Учеб. пособие для ВУЗов. Под ред. Сизых В.В. М.: "Радио и связь", 2004. - 408 с.

17. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. Под ред. Леондеса К.Т. М.: "Мир", 1980 - 408 с.

18. Медич Д. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. М.: "Энергия", 1973. - 387с.

19. Беленький А.Г. Прогнозирование состояния динамических сложных систем в условиях неопределенности. СПб.: Вычислительный центр РАН, 1999.-70с.

20. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматической посадки. -М.: "Машиностроение", 1975.-216 с.

21. Мирошник И.В., Бобцов АЛ. Линейные системы автоматического управления. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. - 245 с.

22. Блохин В. И., Белинский И. А и др. Аэропорты и воздушные трассы. -М.: Транспорт, 1984. 160 с.

23. Кан С.Н., Свердлов И.А. Расчет самолета на прочность. 5-е изд. - М.: Машиностроение, 1966. - 519 с.

24. Боднер В.А. Теория автоматического управления полетом. М.: Наука, 1964.-698 с.

25. Боднер В.А., Козлов М.С. Стабилизация летательных аппаратов и автопилоты. Под ред. В.А. Боднера. - М.: Оборонгиз, 1961. - 508с.

26. Григорьев В. В., Дроздов В. Н., Лаврентьев В. В., Ушаков А. В. Синтез дискретных регуляторов при помощи ЭВМ. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд, 1983. - 245 с.

27. Трофимов А. И., Егупов Н. Д., Дмитриев А. Н Метолы теории автоматического управления, ориентированные на применение ЭВМ. М.: Энегроатомиздат, 1997. 653 с.

28. Брайсон А., Хо Ю-ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972.-544с.

29. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1966. 576 с.

30. Смуров М.И. Об одном методе построения области допустимых отклонений самолёта в момент приземления. В кн.: Автоматизированные системы УВД в ГА. Л.: Изд-во ОЛАГА, 1978, с.76-79.

31. Калачев Г.С. Показатели маневренности, управляемости и устойчивости самолетов. М.: Оборонгиз, 1958. - 132 с.

32. Блохин В. И., Баканов Е. А., Богатырь В. Т. и др. Основы авиационной техники и оборудование аэропортов. // Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1985. - 255 с.

33. Пашковский И.М. Устойчивость и управляемость самолета. М.: Машиностроение, 1975. - 328 с.

34. Доброленский Ю.П. Динамика полёта в неспокойной атмосфере. М.: Машиностроение, 1969,226 с.

35. Борисенко М.М. Вертикальные профили ветра и температуры слоях атмосферы. // Сборник научных трудов ГГО, 1974. 204.С.

36. Пентюхов В. И., Мищенко Е. В., Чашников А. М. Математическое моделирование автоматического управления СВВП в турбулентной атмосфере. Воронеж: Воронежский ГТУ, 2005. - 124 с.

37. Автопилот АП-15: Инструкция по эксплуатации автопилота и описание поверочной аппаратуры ПАА-15. М.: Оборонгиз, 1959. - 388 с.

38. Автопилот АП-15: Учебное пособие. М.: Оборонгиз, 1959. - 196 с.

39. Автопилот АП-5: Инструкция по техническому обслуживанию (для техника по автопилоту). -М.: Оборонгиз, 1953. 171 с.

40. Автопилот АП-6Е. Техническое описание для транспортных самолетов. -М.: Оборонгиз, 1961.-150 с.

41. Ольман Е.В., Соловьев Я.И., Токарев В.П. Автопилоты М.: Оборонгиз, 1946.-472 с.

42. Рудис В.И. Полуавтоматическое управление самолетом. М.: Машиностроение, 1978. - 152 е., ил. (АП)

43. Савченко Н.М., Анненков Н.П. Бортовая система управления БСУ-ЗП. М.: Транспорт, 1974. - 212 с.

44. Анцелиович Л.Л. Надежность, безопасность и живучесть самолета: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности. // "Самолетостроение". -М.: Машиностроение, 1985. 296 с.

45. Григорьев В. В., Дудров П. В., Медынский Ю. В. Построение систем сравнения и оценки качества процессов. // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 33. Технологии управления. Гл. ред. В.Н. Васильев. СПб: СПбГУИТМО 2006.

46. Григорьев В. В., Мансурова О. К., Медынский 10. В. Прогнозирование килевой качки корабля. // Сборник научных трудов. Социально-экономические последствия научно-технического прогресса. СПб. 2006.

47. Medynsky Yu. V. Synthesis of an algorithm for forecasting the estimated point of an aircraft's touchdown onto a moving base. // BOAC'2004, 10th International Olympiad on automatic control. Russia, Saint-Petersburg. 2004.

48. D. Seto, E. Ferreira, T. F. Marz Development of a Baseline Controller for Automatic Landing of an F-l 6 Aircraft Using Linear Matrix Inequalities (LMIs) Pittsburgh: Technical report, Software Engineering Institute, 2000.