Синтез алгоритму керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарату на етапі зльоту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Спеціальність 05.13.03 - Системи та процеси керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Синтез алгоритму керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарату на етапі зльоту

Гусинін Андрій Вячеславович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, профессор Збруцький Олександр Васильович,

Заслужений діяч науки і техніки України,

Лауреат Державних премій СРСР та України.

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, декан факультету авіаційних та космічних систем

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор

Азарсков Валерій Миколайович,

Заслужений працівник транспорту України,

Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки та Премії ім. М.К. Янгеля НАН України,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри систем управління, м. Київ

- доктор технічних наук, професор

Алпатов Анатолій Петрович

Інститут технічної механіки НАНУ та НКАУ,

завідувач відділу системного аналізу та проблем керування,

м. Дніпропетровськ

Провідна установа

Відкрите акціонерне товариство “Хартрон”,

теоретичне відділення, м. Харків

Захист відбудеться “03” липня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова 1, корп. 1, ауд. 001.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Київ-58, проспект Космонавта Комарова 1, корп. 8.

Автореферат розісланий “01” червня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор _____________ О.І. Запорожець

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Технічний розвиток різних видів транспорту, у тому числі повітряного, розширення сфери їх застосування, поява принципово нових транспортних засобів є безпосереднім відображенням постійно зростаючих потреб народного господарства. Якісний здвиг в цьому напрямку можливий лише при створенні альтернативних транспортних засобів, що характеризуються високими технічними можливостями: надійністю, безпекою, економічністю та екологічністю.

Одними з найбільш перспективних засобів на ринку повітряного транспорту, де з технічних або економічних причин використання літаків та гелікоптерів нераціонально чи неможливо, є керовані аеростатичні літальні апарати (АЛА) - дирижаблі. Будучи ефективним доповненням до існуючого повітряного транспорту, вони дозволяють транспортувати негабаритні та неділимі вантажі великої маси на дальні відстані, проводити моніторинг водної та земної поверхні, перевозити пасажирів, здійснювати розвідувальні, рятівні, рекламні та наукові заходи, а також створюють можливість експлуатації без дорогих злітно-посадкових смуг. Враховуючи важливість та перспективність даного напрямку, в багатьох країнах світу відпрацюванню питань створення дирижаблів останнім часом приділяється підвищена увага.

Серед важливих проблем льотної експлуатації дирижабля виділяється недостатня ефективність його керування на малих швидкостях польоту, коли аеродинамічне керування є практично неефективним. У зв'язку з цим, в силу аеростатичної природи створення підйомної сили дирижабля, часто виникають труднощі при здійсненні зльоту та посадки, наземному обслуговувані апарата, вводяться обмеження для безпечної експлуатації при наявності поривів вітру. Для рішення цих проблем на дирижаблях останнього покоління почали застосовувати силові установки з вектором тяги, що відхиляється. При цьому, регулювання повороту вектора тяги здійснюється льотчиком вручну. Це дозволило спростити виконання зльоту та посадки, підвищити безпеку польоту та покращити льотно-технічні характеристики апарата.

Однак, останнім часом перед аеростатичними літальними апаратами поставлені задачі, які пов'язані з необхідністю здійснення практично вертикального чи короткого зльоту та посадки, розширенням діапазону експлуатаційного перевантаження, малими швидкостями зльоту, набора висоти, зниження та посадки. Це викликає необхідность подальшого підвищення ефективності керування, маневреності та гнучкості експлуатації, що можливо тільки лише при автоматизації процесу керування. Особливо важливе значення це має при маневруванні апарата біля землі, на етапах зльоту та посадки.

У зв'язку з цим, розробка алгоритму автоматичного керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарата на етапі зльоту є актуальною науковою задачею, що має важливе практичне значення для підвищення ефективності та безпеки його експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є складовою частиною досліджень, що проводяться на кафедрі “Прилади та системи керування літальними апаратами” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) і спрямовані на подальше вдосконалення методів підвищення ефективності авіаційного транспорту. Роботу виконано відповідно до Державної програми розвитку авіаційного транспорту України на період до 2010 року, розробленої згідно з Указом Президента України від 18 жовтня 2000 року № 1143/2000 “Про рішення Ради Національної безпеки і оборони України від 27 вересня 2000 року “Про стан транспорту та авіаційної промисловості”.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є синтез алгоритму автоматичного керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарата середнього класу на етапі зльоту.

Для досягнення цієї мети у роботі вирішені наступні науково-технічні задачі:

- побудована математична модель повздовжнього руху дирижабля в області диференціальних перетворень, яка враховує особливості конструкції аеростатичного літального апарату середнього класу та керування його рухом на етапі зльоту;

- розроблена методика синтезу алгоритмів автоматичного керування рухом аеростатичного літального апарату середнього класу, що базується на застосуванні математичного апарату диференціальних перетворень функцій та рівнянь;

- виконано синтез алгоритму автоматичного керування відхиленням вектора тяги дирижабля середнього класу на етапі зльоту;

- проведена порівняльна оцінка ефективності застосування ручного та автоматичного керування відхиленням вектора тяги дирижабля середнього класу на етапі зльоту. аеростатичний рух літальний зльот

Об'єкт дослідження - процес керування аеростатичним літальним апаратом середнього класу на етапі зльоту.

Предмет дослідження - алгоритм автоматичного керування відхиленням вектора тяги дирижабля середнього класу на етапі зльоту.

Методи дослідження - математичний апарат диференціальних перетворень, теорія оптимального керування, методи математичного моделювання та динаміки польоту літальних апаратів.

Наукова новизна. До основних наукових результатів, що складають зміст вибраного напрямку досліджень, відносяться:

сформульована методологія рішення задачі керування рухом аеростатичного літального апарата середнього класу на основі диференціальних перетворень, яка дозволяє значно спростити та розв'язати задачу в області зображень з відсутнім неперервним аргументом;

вперше розроблена спектральна модель динаміки повздовжнього керованого руху аеростатичного літального апарата, яка не включає функції часу та застосування якої спрощує рішення задачі синтезу алгоритмів керування в області диференціальних зображень;

запропонована нова методика синтезу алгоритмів автоматичного керування рухом багаторежимного аеростатичного літального апарата середнього класу, що не потребує чисельного інтегрування диференційних рівнянь руху та припускає рішення у аналітичному вигляді;

розроблено новий алгоритм автоматичного керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарата середнього класу на етапі зльоту, застосування якого дозволяє підвищити ефективність керування апаратом на малих швидкостях польоту.

Практична цінність отриманих результатів. Практичне значення результатів роботи визначається підвищенням ефективності керування аеростатичним літальним апаратом на етапі зльоту внаслідок реалізації на ньому синтезованого алгоритму автоматичного керування. Достовірність отриманих результатів підтверджено моделюванням на ЕОМ, збігом їх з відомими результатами.

Основні наукові результати дисертаційної роботи впроваджені на НВП “Хартрон-Аркос” (Акт реалізації від 22.03.06), в навчальний процес Національного авіаційного університету (Акт реалізації від 17.05.06) та Національного аерокосмічного університету ім. Н.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” (Акт реалізації від 24.02.06).

Особистий внесок дисертанта. Всі результати досліджень, які приведені у дисертаційній роботі, отримані особисто автором. В роботах, які виконані у співавторстві, автору дисертації належать наступні результати: у публікаціях [2,3,5,7-11,19-21] проаналізовані основні тенденції та стан розвитку сучасного дирижаблебудування, напрямки адаптації повітроплавальних технологій нового покоління в різних галузях народного господарства та в інтересах національної безпеки України, проведено порівняння різних підходів до побудови математичних моделей динаміки руху дирижабля; у публікаціях [6,18] проаналізовані результати експериментальних досліджень з оцінки впливу повітряного гвинта на аеродинамічні характеристики дирижабля; в роботах [4,15,17] запропоновано підхід до синтезу алгоритмів керування рухом багаторежимних літальних апаратів та апробовано його при оптимізації керування процесом виведення на орбіту авіаційно-космічних систем; у публікаціях [1,12,22,25] запропоновані загальні принципи застосування диференціальних перетворень до задач керування рухом літальних апаратів, побудована спектральна модель руху аеростатичного літального апарата; у працях [13,14] обґрунтовано застосування диференціальних перетворень до задач керування рухом дирижабля з вектором тяги, що відхиляється, запропоновано методику синтезу алгоритмів керування рухом аеростатичного літального апарата; в публікаціях [16,23,24,26,27] запропоновані загальні підходи до моделювання та оптимізації керування рухом аеростатичного літального апарата на основі диференціальних перетворень, оцінено ефективність застосування автоматичного відхилення вектора тяги дирижабля на етапі зльоту.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 13 міжнародних конференціях, у тому числі: “Dynamical Systems Modeling and stability investigation (Київ, Україна, 2001 р.), AAS/AIAA Astrodynamics Specialists (Квебек, Канада, 2001 р.), 14th AIAA Lighter-Than-Air Convention and Exhibition (Акрон, США, 2001 р.), Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос” (Дніпропетровськ, Україна, 2002, 2003, 2004, 2005 рр.), 4th International Airship Convention and Exhibition (Кембридж, Великобританія, 2002 р.), Міжнародна конференція “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование авиационно-космической техники” (Київ, Україна, 2003, 2005 рр.), 3rd Aviation Technology, Integration and Operations Forum (Денвер, США, 2003 р.), 4th Aviation Technology, Integration and Operations Forum (Чикаго, США, 2004 р.), 16th Lighter-than-Air and Balloon Systems conferences (Арлінгтон, США, 2005 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 27 наукових працях, що включають 10 статей у спеціальних виданнях, перелік яких затверджено ВАК України [5-14], 13 тез доповідей [15-27] та 4 навчальних посібника [1-4].

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури з 120 найменувань, 3 додатків, 31 рисунків та 11 таблиць - усього 132 сторінок. Основний текст дисертації викладено на 117 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету та завдання дослідження. Наведено основні наукові результати, їх практична цінність, відомості щодо реалізації та апробації результатів роботи, стисло описана структура дисертації.

У першому розділі проведено маркетингове дослідження кон'юнктури світового ринку дирижаблебудування, обґрунтовано доцільність створення перспективних аеростатичних літальних апаратів, здійснено аналіз сучасного стану та світових тенденцій розвитку дирижаблів, оцінено можливості та проблеми адаптації повітроплавальних технологій нового покоління в інтересах України.

Аналіз ситуації, що склалася на світовому ринку дирижаблебудування, показує доцільність застосування дирижабельної транспортної системи у якості ефективного доповнення до існуючого повітряного транспорту. Дирижабельна транспортна технологія має низку переваг, а саме: а) можливість безаеродромної експлуатації;

б) низька собівартість льотного часу; в) велика дальність перельоту без проміжних зупинок; г) висока безпека транспортування; д) можливість багатоцільової експлуатації дирижабля; е) низькі вимоги до підготовки наземного обслуговуючого персоналу. За даними закордонних експертів, вже сьогодні світова потреба в дирижаблях різної вантажопідйомності та призначення складає приблизно 1300 одиниць.

Виконано аналіз стану і світових тенденцій розвитку дирижаблебудування. Показано, що сьогодні дирижаблебудування розвивається у двох основних напрямках: створення м'яких та напівм'яких дирижаблів малого та середнього об'єму, а також розробка жорстких транспортних дирижаблів великої вантажопідйомності. При цьому, треба відмітити зріст інтересу до середніх та великих дирижаблів для застосування в ключових напрямках економіки - в будуванні, в паливно-енергетичному комплексі, при транспортуванні вантажів, у лісній промисловості, у металургії, для телекомунікаційних та військових цілей.

Проведений аналіз наявного в Україні науково-технічного потенціалу показує, що в Україні є всі можливості для створення конкурентоспроможної повітроплавальної техніки різного призначення. Це дає підставу зробити висновок про доцільність направити зусилля на розробку та створення ключових повітроплавальних технологій, а також на вирішення основних задач та проблем для практичної реалізації проектів сучасних дирижаблів. Аналіз проблематики створення керованих аеростатичних літальних апаратів в України показує, що до розгортання повномасштабного проектування необхідно провести поглиблену проробку ряду основних науково-технічних задач та проблем, від рішення яких залежить компоновка дирижабля та успіх його застосування, у тому числі підвищити ефективність керування аеростатичним літальним апаратом на малих швидкостях польоту. Це приводить до необхідності розробки відповідних алгоритмів автоматичного керування. Проведено аналіз можливості застосування для рішення цієї задачі відомих методів оптимального керування. Складність їх використання обумовлена необхідністю інтегрування диференціальних рівнянь та значним обсягом обчислювань, що є небажаним при реалізації алгоритмів у реальному часі. Серед відомих методів моделювання та оптимізації процесів керування розглянуто операційний метод диференціальних перетворень. Цей метод був запропонований академіком НАН України Г.Є. Пуховим та набув подальшого розвитку в роботах Ронто Н.І., Семагіної Е.П., Баранова В.Л., Уруського О.С., Гусиніна В.П., Засядько А.А. та інших авторів при рішенні різних задач динаміки, синтезу та оптимізації. Метод диференціальних перетворень дозволяє розв'язати задачу в області зображень з відсутнім неперервним аргументом і звести складну задачу синтезу замкнутих законів термінального керування до рішення системи нелінійних рівнянь без чисельного інтегрування рівнянь руху літального апарату.

Виходячи з аналізу можливості застосування відомих методів рішення задач оптимального керування сформульовано методологію рішення задачі керування рухом аеростатичного літального апарата середнього класу на основі диференціальних перетворень, яка дозволяє значно спростити синтез алгоритму керування. Запропонована методологія полягає у послідовному виконанні наступних етапів вирішення поставленого завдання:

- побудова спектральної моделі динаміки повздовжнього керованого руху аеростатичного літального апарата середнього класу в області диференціальних зображень з відсутнім неперервним аргументом;

- розробка методики синтезу алгоритмів автоматичного керування рухом багаторежимного аеростатичного літального апарата середнього класу на основі диференціальних перетворень, що не потребує чисельного інтегрування диференційних рівнянь руху та припускає рішення у аналітичному вигляді;

- синтез алгоритму автоматичного керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарата середнього класу на етапі зльоту, застосування якого дозволяє підвищити ефективність керування апаратом на малих швидкостях польоту;

- проведення порівняльної оцінки ефективності застосування ручного та автоматичного керування відхиленням вектора тяги дирижабля середнього класу на етапі зльоту.

Другий розділ присвячено математичному моделюванню руху аеростатичного літального апарату на основі диференціальних перетворень. Проаналізовано існуючі форми запису рівнянь руху аеростатичного літального апарата, які відрізняються різним тлумаченням приєднаних мас та моментів інерції. При складанні математичної моделі динаміки руху дирижабля, яка розглядається у якості вихідної для побудови спектральної моделі повздовжнього руху, використано підхід, який розроблено та всебічно апробовано для підводних човнів.

Основними (тейлоровськими) диференціальними перетвореннями називаються функціональні перетворення вигляду:

де - оригінал, що являє собою неперервну й обмежену разом із усіма своїми похідними функцію аргументу , що нескінченне число разів диференціюється; та - рівноцінні позначення диференціального зображення оригіналу, що представляє дискретну функцію цілочислового аргументу ; - масштабна стала, що має розмірність аргументу (), на якому розглядається функція; - символ відповідності між оригіналом і його диференціальним зображенням .

Розглянуто основні властивості диференціальних перетворень та методи визначення функцій за їх диференціальними спектрами.

В загальному вигляді вихідна математична модель руху аеростатичного літального апарата може бути представлена векторним диференційним рівнянням:

де - n-мірний вектор стану, - m-мірний вектор керування,
- безперервна та безперервно диференціюєма по сукупності змінних вектор-функція узагальненої сили, - час, граничне значення Т якого в одних задачах задається, а в інших - не фіксуємо.

Застосувавши диференціальне перетворення (1) до математичної моделі (2) отримуємо спектральну модель повздовжнього руху аеростатичного літального апарату на етапі зльоту:

Отримана спектральна модель має вигляд рекурентного виразу та дозволяє по диференціальному спектру керування знайти диференціальний спектр вектору стану .

Застосування диференціального перетворення (1) дозволило виключити з подальшого розгляду математичну модель повздовжнього руху аеростатичного апарату у формі векторного диференціального рівняння (2) та замінити її спектральною моделлю у вигляді рекурентного виразу. Розроблена спектральна модель має універсальний характер та може бути застосована для рішення задач динаміки дирижаблів різної компоновки. Відмітимо, що оскільки диференціальні перетворення (1) є точним операційним методом, то спектральна модель не має методичних помилок та потенційно дозволяє отримати точне рішення диференціального рівняння (2). Обґрунтована адекватність запропонованої спектральної моделі повздовжнього руху дирижабля.

У третьому розділі виконано синтез алгоритму автоматичного керування рухом дирижабля на етапі зльоту. Запропоновано методику синтезу алгоритмів керування, що базується на математичному апараті диференціальних перетворень функцій та рівнянь. Методика не вимагає для своєї реалізації чисельного інтегрування диференціальних рівнянь, допускає аналітичні перетворення, зводе проблему синтезу алгоритмів керування до рішення кінцевої системи нелінійних рівнянь відносно параметрів керування, що значно скорочує об'єм обчислень у процесі одержання рішення. Суть запропонованої методики полягає у наступному.

Процес зльоту АЛА є багаторежимним та характеризується різними режимами керування вектором тяги, різкими змінами маси в момент скидання баласту, можливою відмовою двигунів. Тому увесь процес зльоту може бути розбито на r заданих часових інтервалів , усередині яких параметри АЛА та режими роботи його двигунів не мають різких змін:, де - час зльоту дирижабля. Припускаємо, що всі ці зміни у формі заданих стрибків відбуваються на межах заданих часових інтервалів.

Керування, використовуючи в кожний момент часу t інформацію про поточний стан , забезпечує приведення дирижабля з довільного початкового стану в кінцеве (4) при впливі збурень. Синтез оптимального керування із зворотнім зв'язком виду (7) може бути виконаний і іншими методами, зокрема методом динамічного програмування. Однак, в цьому випадку зіштовхуємося з проблемою розмірності, котра полягає у вимозі дуже великого об'єму пам'яті ЕОМ навіть для задач невеликої розмірності.

Запропонована методика синтезу замкнених алгоритмів термінального керування (7), котра, на відміну від відомих, заснована на диференціальних перетвореннях (1) та не потребує для своєї реалізації чисельного інтегрування диференціальних рівнянь руху. Синтез оптимальних алгоритмів керування із зворотнім зв'язком виконується методом замкнення оптимального програмного керування для довільного поточного стану . На першому етапі синтезу розглядається незбурений рух дирижабля та для кожної ділянки зльоту обирається програмне керування в класі аналітичних функцій, де - вектор вільних параметрів, - локальний часовий аргумент. Диференціальні перетворення (1) функції визначають при та її диференціальний спектр у вигляді:

По рекурентному виразу (9) та диференціальному спектру керування (8) формуємо диференціальний спектр вектора стану. Використовуємо властивість диференціальних перетворень (1), згідно якої алгебраїчна сума всіх компонент (дискрет) диференціального спектра будь-якої аналітичної функції в точці дорівнює нульовій дискреті диференціального спектру функції в точці або значенню оригіналу функції в цій же точці:

Дана гранична умова в неявній формі визначає q компонент вектору вільних параметрів i-ої ділянки зльоту у вигляді функцій від та .

Компоненти векторів вільних параметрів, що залишилися, визначаємо із умов оптимальності функціоналу (5), який за допомогою диференціальних перетворень (1) та з урахуванням диференціальних

З необхідних умов оптимальності функції (13) отримуємо систему рівнянь для визначення (n-q)г невідомих компонент векторів вільних параметрів

Система нелінійних рівнянь (12) та (14) в неявній формі визначає компоненти вектора вільних параметрів як функції від вектора довільного початкового стану.

В результаті виконання першого етапу синтезу в неявній формі встановлюється нелінійний зв'язок оптимального програмного управління з вектором початкового стану , моменту часу та інтервалу Т.

На другому етапі синтезу розглядається збурений рух дирижабля. У цьому випадку керування обчислюється з системи рівнянь (12) та (14) для поточних значень часу t та стану x(t). Таким чином, безперервне в часі рішення системи рівнянь (12) та (14) дозволяє сформувати замкнений алгоритм термінального керування виду (7). При цьому, у замкненому контурі керування використовується лише поточне значення керування, яке в наступний момент часу перераховується за системою рівнянь (12) та (14). Цим забезпечується “гнучка” адаптація та оптимізація траєкторії руху дирижабля до дії невідомих збуджуючих факторів.

Таким чином, запропонована методика синтезу алгоритмів керування рухом дирижабля з використанням математичного апарату диференціальних перетворень функцій та рівнянь полягає у виконанні наступних операцій:

задання програмного керування у вигляді функцій часу та вільних параметрів;

обчислення диференціального спектру вектору керування;

формування диференціального спектру вектору стану;

формування вектору стану у кінці кожної ділянки руху;

складання рівнянь спряження початкових та кінцевих умов ділянок;

визначення компонент вектору вільних параметрів з рівнянь спряження початкових та кінцевих умов ділянок як функції довільного початкового вектору стану;

диференціальні перетворення функціоналу;

визначення компонент вектору вільних параметрів, що залишилися невідомими, з необхідної умови оптимальності функціоналу;

формування замкнутого закону термінального керування.

За цією методикою виконано синтез алгоритму керування відхиленням вектору тяги дирижабля на етапі зльоту. За критерій якості прийнято функціонал, який враховує прагнення максимізувати горизонтальну швидкість апарату в кінці кожної ділянки зльоту.

У четвертому розділі порівнюється ручне та автоматичне керування відхиленням вектора тяги дирижабля шляхом моделювання на ЕОМ динаміки руху апарата на етапі зльоту. Вплив близькості землі на аеродинамічні характеристики дирижабля враховано емпіричними залежностями, які отримані шляхом обробки експериментальних даних досліджень моделі дирижабля в аеродинамічній трубі.

З результатів моделювання, видно доцільність, з точки зору підвищення маневреності, застосування відхилення вектору тяги дирижабля при виконанні зльоту. Так, злітна дистанція, яка необхідна для підйому на нормовану висоту Н=15,2 м, значно зменшується із збільшенням кута відхилення вектора тяги на кабрирування порівняно з горизонтальним направленням вектору тяги ().

Порівняння злітних характеристик дирижабля при ручному відхиленні вектора тяги на кут та еквівалентному автоматичному керуванні відхиленням вектора тяги () по синтезованому алгоритму проводилось за умови досягнення на нормованій висоті Н=15,2 м заданої вертикальної швидкості =2,5 м/с. При цьому, алгоритм керуваннямає вигляд:

Отримані результати показують що застосування автоматичного керування відхиленням вектора тяги забезпечує на заданій висоті більшу на ~ 25% горизонтальну швидкість ніж при ручному керуванні.

На рис. 3 приведені аналогічні характеристики при злеті дирижабля з одним двигуном. В цьому випадку застосування автоматичного керування відхиленням вектора тяги також виявляється більш ефективним - забезпечує на заданій висоті більшу на ~ 9% горизонтальну швидкість ніж при ручному керуванні.

Також було оцінено вплив зустрічного вітру w=5 м/с на кліренс дирижабля при зльоті. Підтверджено, що застосування автоматичного керування відхиленням вектора тяги по синтезованому алгоритму керування розширює маневрові характеристики дирижабля навіть при умовах впливу поривів вітру порівняно з ручним керуванням відхиленням вектора тяги.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальне наукове завдання розробки алгоритму автоматичного керування відхиленням вектору тяги аеростатичного літального апарату середнього класу на етапі зльоту, застосування якого дозволяє підвищити ефективність керування апаратом на малих швидкостях польоту.

У рамках досягнення цієї мети були отримані наступні результати:

Сформульована методологія рішення задачі керування рухом аеростатичного літального апарата середнього класу на основі диференціальних перетворень, яка дозволяє значно спростити та розв'язати задачу в області зображень з відсутнім неперервним аргументом.

Вперше розроблена спектральна модель динаміки повздовжнього руху аеростатичного літального апарата, яка не включає функції часу та застосування якої спрощує рішення задачі синтезу алгоритмів керування в області диференціальних зображень.

Запропонована нова методика синтезу алгоритмів автоматичного керування рухом багаторежимного аеростатичного літального апарата середнього класу, що базується на математичному апараті диференціальних перетворень та, на відміну від відомих, не потребує чисельного інтегрування диференціальних рівнянь руху та припускає рішення в аналітичному вигляді.

Розроблено новий алгоритм автоматичного керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарату середнього класу на етапі зльоту, застосування якого дозволяє підвищити ефективність керування апаратом на малих швидкостях польоту.

Проведена порівняльна оцінка ефективності керування відхиленням вектора тяги дирижабля на етапі зльоту. Підтверджено, що застосування на дирижаблі автоматичного керування відхиленням вектора тяги згідно синтезованого алгоритму в порівнянні з ручним керуванням підвищує маневреність дирижабля, покращує його злітні характеристики, забезпечує більш крутий набір висоти та можливість здійснення практично вертикального та короткого зльоту. При цьому, забезпечується більший кліренс при зльоті та приведення дирижабля в задані термінальні умови з досягненням у кінці зльоту на ~20-25% більшої горизонтальної швидкості.

Проведено маркетингове дослідження кон'юнктури світового ринку дирижаблебудування. Показано доцільність застосування дирижабельної транспортної системи у якості ефективного доповнення до існуючого повітряного транспорту. Визначені галузі застосування сучасних дирижаблів у різних сферах народного господарства та в інтересах національної безпеки України. Показано, що в Україні є всі можливості для створення сучасних дирижаблів.

7. Теоретичні результати, що отримані в дисертаційній роботі, впроваджені на НВП “Хартрон-Аркос” при виборі алгоритмів термінального керування багаторежимними літальними апаратами, в навчальний процес Національного авіаційного університету та Національного аерокосмічного університету “ХАІ”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Баранов в.л., Гусинін В.П., Гусинін А.В., Жуков І.А., Алексєєва Л.О. Диференціальні перетворення в задачах керування рухом літальних апаратів: Навч. посіб. - К.: НАУ, 2003. - 158 с.

Кулик М.С., Казак В.М., Гусинін В.П., Гусинін А.В. Дирижаблі. Частина I. Історія, конструкції, проекти: Навч. посіб. - К.: НАУ, 2005. - 184 с.

Кулик М.С., Казак В.М., Гусинін В.П., Гусинін А.В. Дирижаблі. Частина II. Аеростатика, аеродинаміка та динаміка керованого польоту: Навч. посіб.
- К.: НАУ, 2006. -234 с.

Гусынин В.П., Гусынин А.В., Крашаница Ю.А. Двухступенчатые авиационно-космические системы горизонтального старта: Учеб. пособ. - Х.: Нау „ХАИ”, 2003. - 133 с.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Технические аспекты дирижабля нового поколения “Zeppelin NT” // Авіаційно-космічна техніка та технологія. - Х.: НАУ “ХАІ”. - 2000. - Вип.21. - С. 113-118.

Гусынин В.П., Гусынин А.В., Козаченко Г.Г. Исследование в аэродинамической трубе взаимовлияния корпуса дирижабля и несущего винта //Авіаційно-космічна техніка та технологія. - Х.: НАУ “ХАІ”. - 2002. - Вип.27.- С. 13-19.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Технические особенности современных проектов транспортных дирижабельных систем//Механіка та машинобудування. - 2002.
- № 1. - С. 41_49.

Гусинін А.В. Тенденції розвитку сучасного дирижаблебудування за кордоном.
I. Дирижаблі напівжорсткої і жорсткої схем//Наукові вісті НTУУ “КПІ”. - 2002. 
- №4. - С. 95_102.

Гусинін А.В. Тенденції розвитку сучасного дирижаблебудування за кордоном. II. Дирижаблі м'якої схеми//Наукові вісті НTУУ “КПІ”. - 2002. - № 5. - С. 99-104.

В. П. Гусынин, А. В. Гусынин, В.н. Казак, А.и. Лысенко. Анализ направлений адаптации воздухоплавательных технологий нового поколения в интересах национальной безопасности Украины//Адаптивні системи автоматичного управління. - 2002. - № 5 (25). - С. 55-64.

Гусынин В.П., Гусынин А.В., Козаченко Г.Г. Проект транспортного дирижабля “D-20”//Авіаційно-космічна техніка та технологія. - Х.: НАУ “ХАІ”. - 2003. - Вип. 1 (36) - С. 30-42.

Баранов в.л., Гусынин В.П., Гусынин А.В. Спектральная модель движения аэростатического летательного аппарата//Проблеми інформатизації та управління. - К.: НАУ. - 2004. - № 1. - С. 100-107.

Gusynin A.V. Application of differential transformations for the modeling motion of aerostatic vehicles and for the synthesis of control algorithms// Proceedings of NAU.
 - 2005. - №2 (24). - С. 83_88.

Гусинін В.П., Гусинін А.В. Застосування керованого вектора тяги на дирижаблях//Вісник НАУ. - 2005. - № 3(25). - С. 95_84.

Gusynin V.P., Gusynin A.V. Control Optimization of the Multimode Aerospace System Ascent based on differential transformation//Proceeding of the 4th Aviation Technology, Integration and Operations Forum (September 20-22, 2004). - Chicago (USA), 2004. - P. 367-372.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Системоаналоговое моделирование процесса управления дирижаблем с отклоняемым вектором тяги//Труды конференции “Dynamical Systems Modeling and stability investigation” (22-25 мая 2001 г.). - Киев (Украина), 2001. - С. 164.

Gusynin V.P., Baranov V.L., Gusynin A.V. Synthesis of Control of the Ascent into Orbit of Multimode Aerospace Systems//Proceeding of the AAS/AIAA Astrodynamics Specialists Conference (July 30-August 2, 2001).-Quebec (Canada), 2001.- P. 408-418.

Gusynin V.P., Gusynin A.V., Kozachenko G.G., Khomitskyy I.M., Demyanchuk T.Y. The wind tunnel investigation of a hybrid airship model //Proceedings of the 14th AIAA Lighter-Than-Air Convention and Exhibition (July 15-19, 2001). - Akron (USA), 2001. - P. 16-26.

Гусынин А.В. Стратосферные аэростатические платформы - альтернатива спутниковым системам//Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції “Людина і космос” (5-7 червня 2002 р.). - Д.: НЦАОМУ, 2002. -
С. 489

Gusynin V.P., Gusynin A.V., Kozachenko G.G. Project D-20: A Development Status//Proceeding of the 4th Airship Convention and Exhibition (28-31 July, 2002). - Cambridge (England), 2002. - P. 80-97.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Проект дирижабля для транспортировки грузов массой до 20 т//Матеріали V міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос” (16-18 квітня 2003 р.). - Д.: НЦАОМУ, 2003. - С. 219-220.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Применение дифференциальных преобразований к задачам управления дирижаблем с отклоняемым вектором тяги//Труды IV международной научно-технической конференции “Гиротехнология, навигация, управление движением и конструирование авиационно-космической техники” (21-23 апреля 2003 г.). - К.: НТУУ „КПІ”, 2003. - С. 51-55.

Gusynin V.P., Gusynin A.V. The systemanalog simulation of the control airship process with application of differential transformation//Proceedings of the 3rd Aviation Technology, Integration and Operations (ATIO) Forum (November 17-19, 2003). - Denver (USA), 2003. - P. 63-70.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Моделирование и оптимизация управления движением аэростатического летательного аппарата на основе дифференциальных преобразований//Матеріали VI міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос” (14-16 квітня 2004 р.). - Д.: НЦАОМУ, 2004. - С. 139.

Gusynin V.P., Gusynin A.V. Spectral model of the airship dynamics//Conference proceedings of the AIAA 5th ATIO and 16th Lighter-than-Air and Balloon Systems conferences (September26 -28, 2005). - Arlington (USA), 2005. - P. 80-87.

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Оценка эффективности управления вектором тяги дирижабля на этапах взлета и посадки//Матеріали VII міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос” (13-15 квітня 2005 р.). - Д.: НЦАОМУ, 2005. - С. 125

Гусынин В.П., Гусынин А.В. Оценка эффективности управления вектором тяги дирижабля на этапах взлета и посадки при наличии ветровых возмущений//Труды V Международной научно-технической конференции “Гиротехнологии, навигация и управление движением” (21-22 апреля 2005 г.). - К.: НТУУ „КПІ”, 2005. - С. 60-64.

Анотація

Гусинін А.В. Синтез алгоритму керування відхиленням вектора тяги аеростатичного літального апарата на етапі зльоту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.13.03. - системи та процеси керування - Національний авіаційний університет, Київ, 2007.

Дисертація присвячена питанням розробки перспективних керованих аеростатичних літальних апаратів - дирижаблів. Сформульована методологія рішення задачі керування рухом дирижабля середнього класу на основі диференціальних перетворень, яка дозволяє значно спростити та розв'язати задачу в області зображень з відсутнім неперервним аргументом. Розроблена спектральна модель динаміки повздовжнього керованого руху дирижабля, яка не включає функції часу та застосування якої спрощує рішення задачі синтезу алгоритмів керування в області диференціальних зображень. Запропонована нова методика синтезу алгоритмів автоматичного керування рухом багаторежимного аеростатичного літального апарата, що не потребує чисельного інтегрування диференціальних рівнянь руху та припускає рішення у аналітичному вигляді. Розроблено новий алгоритм автоматичного керування відхиленням вектора тяги дирижабля середнього класу на етапі зльоту, застосування якого дозволяє підвищити ефективність керування апаратом на малих швидкостях польоту.

Ключові слова: динаміка, оптимізація, керування, дирижабль, диференціальні перетворення.

Аннотация

Гусынин А.В. Синтез алгоритма управления отклонением вектора тяги аэростатического летательного аппарата на этапе взлета. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.03. - Системы и процессы управления - Национальный авиационный университет, Киев, 2007.

Диссертация посвящена вопросам разработки перспективных управляемых аэростатических летательных аппаратов - дирижаблей. В работе решена задача повышения эффективности управления дирижаблем на малых скоростях полета. Проведено маркетинговое исследование конъюнктуры мирового рынка дирижаблестроения, проанализировано состояние и мировые тенденции развития перспективных дирижаблей, определены области их использования в разных сферах народного хозяйства и в интересах национальной безопасности Украины, выполнен анализ проблем и возможностей создания дирижаблей в Украине. Сформулирована методология решения задачи управления движением дирижабля среднего класса на основе дифференциальных преобразований, позволяющая значительно упростить и решить задачу в области изображений с отсутствующим непрерывным аргументом. Разработана спектральная модель динамики продольного движения дирижабля, которая не включает функции времени и применение которой упрощает решение задачи синтеза алгоритмов управления в области дифференциальных изображений. Предложена новая методика синтеза алгоритмов автоматического управления движением многорежимного аэростатического летательного аппарата среднего класса, базирующаяся на математическом аппарате дифференциальных преобразований функций и уравнений. Данная методика допускает аналитические преобразования, сводит проблему синтеза замкнутых законов терминального управления к решению конечной системы нелинейных уравнений относительно параметров управления, не требует для своей реализации численного интегрирования дифференциальных уравнений траекторного движения аэростатических летательных аппаратов. Разработан новый алгоритм автоматического управления отклонением вектора тяги дирижабля среднего класса на этапе взлета, который позволяет повысить эффективность управления аппаратом на малых скоростях полета. Проведена сравнительная оценка эффективности управления отклонением вектора тяги дирижабля на этапе взлета путем моделирования на ЭВМ динамики движения аппарата. Показано, что применение на дирижабле автоматического управления отклонением вектора тяги по синтезированному алгоритму улучшает его летные характеристики по сравнению с ручным управлением. Оценена эффективность автоматического управления при взлете дирижабля с одним работающим двигателем и при воздействии порывов ветра.

Ключевые слова: динамика, оптимизация, управление, дирижабль, дифференциальные преобразования.

The summary

Gusynin A.V. Algorithm synthesis by thrust vector control of the aerostatic vehicle at rising stage. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 05.13.03 - systems and control processes.
- National Aviation University, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to questions of perspective control aerostatic vehicles (airships) development. The methodology of task solution of middle type aerostatic vehicle movement, based on differential transformation is formulated. The spectral model of dynamics of longitudinal movement of the aerostatic vehicle is developed. The spectral model allows for elimination of viewing time function and essentially simplifies a problem of control algorithm synthesis of vehicle movement in the image field. The procedure of automated control algorithms synthesis by multimode aerostatic vehicle movement, which excludes the necessity of the numerical integration of the equations of the airship motion trajectory and assumes the solution in analytical form, is offered. Algorithm of automated control by airship thrust vector at rising stage, which allows to raise the effectiveness of vehicle control at low airspeed is developed.

Key words: dynamics, optimization, control, airship, differential transformation.

Размещено на Allbest.ru/

...