Моделі та методи забезпечення активної відмовостійкої кутової стабілізації дископодібного літального виробу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

“ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АКТИВНОЇ ВІДМОВОСТІЙКОЇ КУТОВОЇ СТАБІЛІЗАЦІЇ ДИСКОПОДІБНОГО ЛІТАЮЧОГО ВИРОБУ

05.13.03 - системи та процеси керування

ДО Куок Туан

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кулік Анатолій Степанович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри систем управління літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Кошовий Микола Дмитрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань;

- доктор технічних наук, професор Свищ Володимир Митрофанович, Державне науково-виробниче об'єднання «Комунар», радник з науки Генерального директора.

Захист відбудеться “18” червня 2010 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “17” травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін

АНОТАЦІЯ

До Куок Туан. Моделі та методи забезпечення активної відмовостійкої кутової стабілізації дископодібного літального виробу. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 ? системи та процеси керування. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2010.

Дисертація присвячена забезпеченню активною відмовостійкою кутовою стабілізацією за допомогою глибокого діагностування об'єкта автоматичної стабілізації та гнучкого відновлення його працездатності.

Отримані наступні наукові результати: моделі статично нестійкого дископодібного літаючого виробу, які відрізняються від відомих системним зображенням властивостей маловивчених аеродинамічних ефектів в новій конструкції виробу для створення підіймальної сили та управляючих аеродинамічних моментів, а також удосконалено та отримали подальший розвиток моделі та метод глибокого діагностування та гнучкого відновлення працездатності об'єкта автоматичної стабілізації в режимі реального часу, що дозволило аналітично розробляти діагностичне забезпечення для об'єктів надлишкової структури об'єкта автоматичної стабілізації та розробляти процедури відбивання позаштатних ситуацій за діагнозом об'єкту.

Підтверджена працездатність запропонованих моделей та методів результатами натурних експериментів, які проводилось на створеному в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» апаратно-програмному комплексі для льотних випробувань дископодібного літального виробу.

Ключові слова: дископодібний літаючий виріб, об'єкт автоматичної стабілізації, сервопривод, датчик кутової швидкості, активна відмовостійкість, види відмов, глибоке діагностування, гнучке відновлення працездатності.

АННОТАЦИЯ

До Куок Туан. Модели и методы обеспечения активной отказоустойчивой угловой стабилизации дискообразного летающего изделия. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 системы и процессы управления. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2010.

Диссертация посвящена обеспечению активной отказоустойчивой угловой стабилизации посредством глубокого диагностирования объекта автоматической стабилизации (ОАС) и гибкого восстановления его работоспособности. В работе проведен анализ известных разработок по созданию винтовых беспилотных летательных аппаратов, в результате которого выявлена научно-техническая проблема создания малогабаритных летательных аппаратов для эксплуатации в закрытых и открытых пространствах. Было определено, что решение этой научно-технической проблемы возможно с помощью малогабаритных летательных аппаратов дискообразного типа, в которых для создания подъемной силы и управляющих аэродинамических моментов применяется слабоизученные аэродинамические эффекты, а для определения параметров полета и отклонения аэродинамических поверхностей применимы малогабаритные датчики и сервоприводы с нестабильными параметрами и малым ресурсом.

В результате проведенных экспериментальных исследований макетного образца определены конструктивные особенности дискообразного летающего изделия (ДОЛИ): габаритные размеры и кривизна несущей аэродинамической поверхности ДОЛИ, величина зазора фокусирующего аппарата, мощность и угловая скорость электродвигателя, вращающего несущий винт и параметры этого винта, расположение и размеры управляющих аэродинамических поверхностей по всем каналам угловой стабилизации ДОЛИ. Разработаны адекватные реальным процессом физические, математические и машинные модели углового движения ДОЛИ, сформированы процедуры идентификации параметров ДОЛИ и ОАС, основанные на полученных математических моделях углового движения ДОЛИ и рекуррентном методе наименьших квадратов. С целью обеспечения критериев диагностируемости ОАС предложены аналитические средства для формирования избыточных элементов ОАС, удовлетворяющих этим критериям. Представлено исследование ОАС, как объекта диагностирования, в результате которого сформировано множество видов отказов ОАС, произведена параметризация прямых признаков отказов, а также разработаны функциональные диагностические модели (ФДМ), связывающие косвенные диагностические признаки отказа с прямыми признаками факта появления отказа, его места, класса и вида. Разработанные ФДМ представляют собой элементы иерархии ФДМ, отражающей глубину диагностирования с точностью до парируемого вида отказа.

Разработаны методы глубокого диагностирования ОАС и восстановления его работоспособности в масштабе реального времени. Эти методы позволили формировать алгоритмы оперативного диагностирования и гибкого восстановления функционального состояния ОАС в виде дихотомических деревьев обнаружения отказов, поиска места отказа, определения класса и установления вида отказа, а также гибкого управления имеющимися избыточными ресурсами восстановления работоспособность ОАС в реальном масштабе времени. Метод гибкого управления позволил обеспечивать необходимые запасы устойчивости угловой стабилизации и требуемые показатели качества функционирования всей замкнутой системы угловой стабилизации в нештатных ситуациях. Спроектирован действующий аппаратно-программный комплекс и отработана технология для проведения летных испытаний ДОЛИ в штатных и нештатных ситуациях. Представлены результаты летных испытаний разработанной системы угловой стабилизации с активной отказоустойчивостью, подтвердившие адекватность полученных моделей и конструктивность предложенных методов. Так же эксперимент показал, что применение активной отказоустойчивой угловой стабилизацией обеспечивает работоспособность ДОЛИ при возникновении однократных отказов в ОАС и увеличивает межремонтный ресурс системы угловой стабилизации ДОЛИ до 35 % по сравнению с аналогичной системой без отказоустойчивост и до 14 % по сравнению с мажоритарным управлением.

Ключевые слова: дискообразное летающее изделие, объект автоматической стабилизации, сервопривод, датчик угловых скоростей, активная отказоустойчивость, виды отказов, глубокое диагностирование, гибкое восстановление работоспособности.

АВSТRACT

Do Quoc Tuan. Models and methods for active fault-tolerant angular stabilization disk-like flying product. Manuscript.

Thesis for a candidate degree by specialty 05.13.03 - systems and processes of control. - National Aerospace University “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2010.

The thesis is dedicated to providing active fault-angle stabilized with deep diagnostic facility for flexible automatic stabilization and restoration of its efficiency. Statically unstable disk-like flying product models different from the known model of the system image Koand effect properties in the new product design for a hoisting force and control aerodynamic moments. Methods and models of profound diagnostics and flexible resumption efficiency automatic stabilization object in real time improved in this work.This allowed analytically develop diagnostic software for excessive structure objects of automatic stabilization object and develop procedures of abnormal situations reflection by object diagnosis. Confirmed the efficiency of the proposed models, methods and tools results of field experiments conducted in established in the National Aerospace University "KhAI" hardware-software complex of disk-like flying product.

Key words: flying disk-shaped product, automatic stabilization object, servomotor, active fault tolerance, failure mode , spacecraft, angular velocity sensors, view of the refusal, diagnosing deep, ensuring of flexible reconstruction recovering of work ability.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. В ведучих мирових державах використання безпілотних літальних апаратів масштабно розширюється внаслідок їх суттєвих переваг в порівнянні з пілотованими літальними апаратами при вирішені різноманітних задач як в воєнній, так і в цивільній сферах. Аналіз тенденцій розвитку ринку таких апаратів свідчить, що ведучі авіаційні компанії світу активно займаються створенням та впровадженням малогабаритних літальних апаратів (МЛА), які мають властивості гелікоптерної аеродинамічної схеми. Ці МЛА дозволяють здійснювати політ в просторі та зависання над визначеною точкою поверхні на тривалий інтервал часу, а також використання їх як на відкритому просторі, так і в закритих приміщеннях. Остання умова обмежує можливість використання типової гелікоптерної схеми через небезпеку виникнення аварійної ситуації у випадку зіткненні несучого гвинта МЛА з різноманітними перешкодами при виконанні моніторингового завдання. Ці та інші обставини обумовлюють актуальність створення нових маневрених МЛА з захищеним несучим гвинтом, до яких відноситься дископодібний літаючий виріб (ДПЛВ) і пошуку принципів та способів їх автоматичного управління.

В ДПЛВ для створення підіймальної сили та ефективних управляючих аеродинамічних моментів використовують як відомі аеродинамічні ефекти, так і мало вивчені, на основі ефекту Коанда. Поєднання цих ефектів в виробі, з одного боку, спрощує його конструкцію і дозволяє підвищити маневреність, а з іншого породжує необхідність вирішення низки нових задач забезпечення управління, в частості таких, як стабілізація виробу відносно центру ваги. Крім зазначених складностей має місце необхідність моделювання та розробки методів відбивання аварійних ситуацій системи стабілізації ДПЛВ в режимі реального часу шляхом забезпечення працездатності в умовах невизначеності функціонування об'єкта автоматичної стабілізації (ОАС), до складу якого входять: блок датчиків кутової швидкості (ДКШ), цифрові інтегратори сигналів, виконавча система з блоками малогабаритних сервоприводів (СП) по кожному каналу стабілізації та безпосередньо сам, не маючий в повному обсязі вивчених аналогів, ДПЛВ. Малогабаритні СП та ДКШ мають нестабільні функціональні характеристики. Але забезпечення блоків, до складу яких входять ДКШ та СП, властивостями активної відмовостійкості дозволить отримати якісну інформації при проведенні льотних випробувань для вирішення задач ідентифікації параметрів ОАС та безпосередньо аеродинамічних характеристик ДПЛВ. Це, в свою чергу, дозволить здійснювати відомими методами синтез алгоритмів кутової стабілізації ДПЛВ. Саме тому розробка моделей та методів кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу в умовах невизначеності, обумовлених наявністю різноманітних маловивчених аеродинамічних ефектів та видами відмов об'єкту автоматичної стабілізації є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі систем управління літальними апаратами Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» в 2007-2010 рр, згідно з планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за держбюджетними темами Д301-30/00 "Теоретичні основи синтезу і математичне моделювання інтелектуальних систем управління аерокосмічними об'єктами за наявності збурень" (ДР № 0100У002191), Д301-11/2009 «Розробка концепції моделей та методів відмовостійкого управління об'єктами аерокосмічної техніки» (ДР №0109U002003), за грантом Президента України “Розробка системи управління сільськогосподарського безпілотного літального апарату вертикального зльоту та посадки тороїдального типу з властивостями активної відмовостійкості” (ДР № 0107U2215) та гозпдоговором за темою «Дослідження принципів побудови БІНС та підвищення їх точності» з НВП ХАРТРОН-АРКОС, (м. Харків, №301-14/05), в межах яких автором було частково розроблено моделі та методи забезпечення активною відмовостійкою кутовою стабілізацією літальних апаратів в умовах невизначеності.

Мета й задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи полягає в забезпеченні активної відмовостійкості кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу за допомогою глибокого діагностування об'єкта автоматичної стабілізації та гнучкого відновлення його працездатності. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1) проаналізувати відомі розробки по створенню гвинтових безпілотних літальних апаратів та визначити актуальні задачі по забезпеченню активною відмовостійкою кутовою стабілізацією дископодібного літаючого виробу;

2) розробити графічні, фізичні, математичні, машинні та макетні моделі дископодібного літаючого виробу, як об'єкту кутової стабілізації;

3) провести дослідження з параметричної ідентифікації математичних моделей об'єкту кутової стабілізації;

4) розробити діагностичні моделі об'єкта автоматичної стабілізації та сформувати метод діагностування з точністю до виду відмови, що відбивається;

5) розробити метод відновлення працездатності об'єкта автоматичної стабілізації за допомогою ситуаційного використання надмірних засобів;

6) розробити апаратно-програмний комплекс та технологію для проведення льотних випробувань дископодібного літаючого виробу в штатних та позаштатних ситуаціях.

Об'єкт досліджень - процеси кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу в штатних та позаштатних режимах.

Предмет досліджень - моделі та методи активної відмовостійкої кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу.

Методи досліджень. В основу досліджень дисертаційної роботи покладено принципи та методи системного аналізу. При розроблянні моделей та методів ідентифікації параметрів кутової стабілізації дископодібним літаючим виробом в режимі кутової стабілізації використовувались методи теорії автоматичного управління, методи ідентифікації. При вирішенні задачі забезпечення активною відмовостійкістю системи кутової стабілізації було використано системний підхід, що полягає у вирішенні двох взаємозв'язаних задач: глибокому діагностуванні елементів системи автоматичного управління (до виду відмови), що забезпечується застосуванням сигнально-параметричного підходу, та гнучкому відновленні їх працездатності у режимі реального часу шляхом раціонального використання наявних надлишковостей.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в такому:

- вперше розроблено моделі статично нестійкого дископодібного літаючого виробу, які відрізняються від відомих системним відображенням властивостей аеродинамічних ефектів в новій конструкції виробу для створення підіймальної сили та управляючих аеродинамічних моментів, що дозволяє аналітично синтезувати закони кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу в штатних та позаштатних ситуаціях;

- удосконалено моделі та метод глибокого діагностування об'єкта автоматичної стабілізації в режимі реального часу, які відрізняються від відомих можливістю діагностування з точністю до відбивального виду відмови об'єкта автоматичної стабілізації надлишкової структури, що дозволяє аналітично розробляти діагностичне забезпечення для об'єктів надлишкової структури;

- дістав подальшого розвитку метод відновлення працездатності об'єкта автоматичної стабілізації, який відрізняється від відомих можливістю відбивання позаштатних ситуацій за діагнозом функціональних елементів, що дозволяє розробляти процедури відбивання позаштатних ситуацій за діагнозом об'єкту.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені моделі та методи є науково-методичною основою для забезпечення активною відмовостійкістю ОАС. Використання моделей та методів розроблених в результаті дисертаційних досліджень, дозволяє технічно обґрунтовано забезпечити активну відмовостійкість системи кутової стабілізації ДПЛВ шляхом використання сигнально-параметричного підходу для алгоритмічного вирішення задач мікропроцесорного діагностування з глибиною до виду відмови, що відбивається, та алгоритмічного відновлення їх працездатності в режимі реального часу шляхом гнучкого використання наявних та введених видів надмірностей ОАС. Забезпечення властивостями активної відмовостійкості дозволяє зберігати працездатність ОАС в умовах невизначеностей, обумовлених наявністю різноманітних аеродинамічних ефектів, що призводять до статичної нестійкості ДПЛВ, та приладового обладнання з нестабільністю функціональних характеристик, а також подовжити міжремонтний ресурс системи кутової стабілізації ДПЛВ до 35 %, в порівнянні з аналогічною системою без властивостей відмовостійкості, та до 14 % в порівнянні з мажоритарним управлінням Також практичне значення отриманих результатів дослідження підтверджується актами впровадження розроблених моделей та методів на НВП «Хартрон-Аркос», м. Харків (акт впровадження від 18 грудня 2009 р.) та в навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», м. Харків (акт впровадження від 21 січня 2010 р.).

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: розроблені графічні, фізичні, частково математичні та машинні моделі об'єкту управління та його конструктивні особливості [7, 17], а також основні закони стабілізації [8, 10, 19] та типове алгоритмічне забезпечення по кожному каналу стабілізації [23]; розроблене програмно-математичного забезпечення систем стабілізації ДПЛВ та оцінка його працездатності на апаратно-програмному комплексі дослідження ДОЛІ з відмовостійкою кутовою стабілізацією [1, 21]; розроблені аналітичні залежності, що використовуються при корегуванні сигналів вимірювачів параметрів руху ДПЛВ [2, 15]; дослідження методів компенсації видів відмов в відмовостійкому блоці акселерометрів [11, 18], відмовостійкому блоці датчиків кутової швидкості [12, 16] та усього об'єкту автоматичної стабілізації [4, 20]; моделі та метод діагностування видів відмов, визначення місця відмови і гнучкого відновлення їх працездатності [3]; експериментальне дослідження моделей та методу активної відмовостійкої кутової стабілізації ДПЛВ на дослідницькому експериментальному апаратно-програмному комплексі [13]; аналітичні співвідношення, що дозволяють визначати кількість надлишкових вимірювачів параметрів руху та їх розташування в блоці для площинного [5] та просторового руху ДПЛВ [6, 22].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на засіданнях кафедри систем управління літальних апаратів Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського «ХАІ». Частково результати дослідження викладалися на науково-технічних конференціях: міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні», м. Харків, 2008 р.; 10-й міжнародній науково-технічній конференції з системного аналізу та інформаційних технологій «САІТ-2008», м. Київ, 2008 р.; міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки», м. Харків, 2008 р.; 13-й українській конференції з автоматичного управління «Автоматика-2008», м. Одеса, 2008 р.; 10-й ювілейній міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос» м. Дніпропетровськ, 2008 р.; 4-й міжнародній науково-практичній конференції «Розвиток наукових досліджень», м. Полтава, 2008 р.; 7-й міжнародній науково-технічній конференції «Гіротехнології, навігація, управління рухом та конструювання аерокосмічної техніки», м. Київ, 2009р.; 11-й міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос», м. Дніпропетровськ, 2009 р.; міжнародній науково-практичній конференції «Розвиток наукових досліджень», м. Полтава, 2009 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні», м. Харків, 2009р.

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 23 друкованих працях, серед яких 9 статей в наукових виданнях, включених до Переліку ВАК України, серед них одна стаття без співавторів, 3 патенти на корисну модель і 11 тез доповідей у збірках наукових праць конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація мас вступ, чотири розділи, висновки й додаток. Повний обсяг дисертації становить 201 сторінку, у тому числі: 110 рисунків, з яких 72 - на 41-й окремій сторінці, і 4 таблиці, з яких 3 на 3-х окремих сторінках, список з 133 використаних літературних джерел на 14 сторінках, 1 додаток на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить ключову інформацію про зміст дисертаційної роботи, розкриває актуальність вибраної теми, зв'язок роботи з іншими науковими програмами, планами і темами, відображає основну мету і задачі дисертаційного дослідження, а також об'єкт, предмет та методи досліджень, розкриває наукову новизну одержаних результатів та їхнє наукове і практичне значення; містить відомості про апробацію та публікації основних результатів дисертаційного дослідження.

У першому розділі проведено аналіз стану і тенденцій розвитку та використання існуючих і перспективних гвинтокрилих безпілотних літальних апаратів, який дозволив визначити необхідність та актуальність створення гелікоптерних МЛА. Крім того, використання сучасних МЛА в населених пунктах обумовлює необхідність здійснювати зліт з будь-якої поверхні, а також їх нечутливість до зіткнення з вертикальними та горизонтальними перешкодами. Такі властивості має ДПЛВ з захищеним несучим гвинтом, в якому, для створення підіймальної сили та ефективних управляючих моментів, використовується різноманітні, маловивчені аеродинамічні ефекти. Поєднання в ДПЛВ цих факторів робить МЛА статично нестійким, що обумовлює необхідність створення системи попереднього забезпечення стійкості ДПЛВ та забезпечення активною відмовостійкістю ОАС, який входить до складу системи кутової стабілізації ДПЛВ.

В результаті систематизації методів забезпечення відмовостійкості ОАС визначено неможливість застосування традиційних методів резервування та мажоритирування його складових елементів, через зростання вагових та габаритних характеристик ОАС і підвищення його енергетичних та економічних показників. Крім того, обмеженість існуючих методів технічного діагностування полягає у неможливості їхньої реалізації під час польоту ДПЛВ та неспроможності діагностування ОАС із заданою глибиною і подальшого відновлення його працездатності. Виходячи з проведеного аналізу стану розробок із забезпечення відмовостійкості ОАС, зроблено висновок про актуальність забезпечення ОАС властивістю активної відмовостійкості з використанням сигнально-параметричного підходу, заснованого на глибокому діагностуванні технічного стану ОАС і його гнучкому відновленні в масштабі реального часу, що дозволяє зберігати повну або часткову працездатність системи кутової стабілізації ДПЛВ при наявності відмов. Для досягнення мети дисертаційного дослідження визначено та структуровано задачі, що відображають послідовність вирішення задач, пов'язаних з розроблянням моделей та методів, спрямованих на забезпечення активною відмовостійкістю системи кутової стабілізації ДПЛВ. Основні результати розділу опубліковані в роботах [8, 9, 19, 22].

Другий розділ присвячено розробці повного ряду моделей ДПЛВ, необхідних для подальшого синтезу системи кутової стабілізації в штатних та позаштатних режимах функціонування.

В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень було отримано графічну та фізичну моделі ДПЛВ, які відображають особливості створення підіймальної сили та стабілізуючих аеродинамічних моментів МЛА нової аеродинамічної схеми (рис.1). В цій схемі несучий гвинт 1, що приводиться до обертання двигуном постійного струму, створює основну підіймальну силу та обертаючий потік повітря, який проходячи щілину 2, фокусується і попадає на зігнуту поверхню 3, та створює над нею розрідження, що призводить до появи додаткової підйомної сили , а в цілому . Для стабілізації курсу ДПЛВ та компенсації реактивного моменту двигуна несучого гвинта передбачені аеродинамічні органи управління (рулі напрямку та спрямовуючі поверхні), частка з яких є керованими, а решта ні. Стабілізація кутів крену та тангажу здійснюється за допомогою сервоприводів (СП) 4, та аеродинамічних поверхонь 5, які розміщено по нижньому ободу літального апарату.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Фізична модель ДПЛВ

Подібне розташування керуючих аеродинамічних поверхонь та засобів створення підіймальної сили забезпечує розміщення центру ваги ДПЛВ вище центру тиску для підвищення маневреності. Цей факт обумовлює статичну нестійкість таких МЛА, що визначає необхідність здійснення попередньої кутової стабілізації з метою його подальшого експериментального дослідження.

Для стабілізації кутового положення ДПЛВ в штатному режимі було сформовано номінальну систему кутової стабілізації з таких підсистем як ОАС і пристрій автоматичної стабілізації (ПАС), з'єднаних згідно з принципом управління по відхиленню. ОАС включає блок СП, ДПЛВ, як об'єкт кутової стабілізації та блок ДКШ. ПАС це мікропроцесорний пристрій з потрібним апаратним інтерфейсом.

З метою подальшого синтезу контурів кутової стабілізації, спираючись на отримані графічні, фізичні та вербальні моделі, було розроблено сукупність математичних та машинних моделей ДПЛВ.

Математичні моделі у вертикальному, повздовжньому та боковому рухах ДПЛВ, як об'єкта управління, отримані за допомогою використання законів збереження кількості та моменту кількості руху в зв'язаній системі координат з урахуванням ряду гіпотез: ДПЛВ є твердим тілом; наявність малих збурюючих дій; параметри ДПЛВ не змінюються на протязі усього часу польоту; відсутність кутів ковзання і атаки та ін. Відповідно до зазначених припущень за допомогою аналітичних перетворювань та методів лінеаризації було сформовано систему лінеаризованних диференційних рівнянь з постійними коефіцієнтами, з якої отримано для кожного каналу руху вісім передавальних функцій за керуючим та збуреним впливами. Так, передавальна функція ДПЛВ за керуючим впливом для короткоперіодичного руху по тангажу, має вигляд:

, (1)

де ;;;;;; ; ; ; ; ; ; ; ; , , , , , значення проекції підіймальної сили та сили лобового опору при наявності кутової швидкості обертання за тангажом, куту тангажу та відхилення відповідного аеродинамічного органу управління; момент демпфування каналу тангажу; керуючий момент органів стабілізації куту тангажу; момент, що виникає при зміні частоти обертання двигуна; , , моменти, що виникають з-за відсутності збігання центрів ваги і тиску; вага ДПЛВ; момент інерції ДПЛВ відносно вісі Oz зв'язаною з ДПЛВ системою координат.

Машинні моделі ДПЛВ для кутових рухів були розроблені за допомогою методу Ейлера і отримані в формі рекурентних рівнянь та дискретних передавальних функцій. Так, для кутових рухів ДПЛВ по тангажу, маємо:

, (2)

де ; ; ; ; ; .

Отримання чисельних машинних моделей каналів кутового руху ДПЛВ, здійснювалося шляхом визначення оціночних значень коефіцієнтів цих моделей. Для реалізації процедури оцінювання було використано рекурентний методу найменьших квадратів з елементами калібрування машинних моделей за результатами експериментальних досліджень. Адекватність чисельних машинних моделей перевірялась шляхом порівняння реакції на вхідний вплив машинної моделі та ДПЛВ в відповідному кутовому русі. Результати перевірки адекватності отриманих моделей показали, що для машинної моделі (2) з параметрами параметрами ; , , , , , інтервальна точність не перевищує 7% (рис.2).

Таким чином, результатом досліджень є ряд адекватних моделей, який складається з: графічної, фізичної та вербальної моделі ДПЛВ; восьми математичних моделей кутового руху ДПЛВ у вигляду передавальних функцій за керуючими та збурюючими впливами; чотирьох машинних моделей кутового руху та вісім дискретних передавальних функцій. Основні результати другого розділу опубліковані в роботах [7-10, 19, 23].

Завдавальний вплив	Реакція об'єкту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реакція моделі	Абсолютна похибка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Результати експериментального дослідження ДПЛВ в кутовому русі за тангажом

Третій розділ присвячено формуванню діагностичних моделей ОАС та розробці методу його діагностування з точністю до виду відмови, що відбивається, а також розробці методу гнучкого відбивання цих відмов, шляхом ситуаційного використання надмірних засобів.

Для забезпечення активної відмовостійкої кутової стабілізації ДПЛВ запропоновано ОАС, який уявляє собою сукупність відмовостійкого блоку СП (ВБС), ДПЛВ та відмовостійкий блок ДКШ (ВБД) (рис.3). Крім того в дисертаційній роботі було зроблено припущення, що в ДПЛВ мають місце відмови, пов'язанні з аеродинамічними поверхнями, що створюють необхідні моменти стабілізації. В відповідності до введеної структури ОАС, види відмов керуючих поверхонь ДПЛВ включено до видів відмов ВБС.

На рис.3 введено наступні позначення: : , зовнішні збурення; , , множини видів відмов ВБС, ДПЛВ та ВБД, відповідно; вектор управляючих впливів, який формує ПАС; вектор моментів стабілізації, які виникають в наслідок відхилення аеродинамічних поверхонь; вектор кутової швидкості обертання корпусу ДПЛВ відносно центру ваги; вектор вимірювань ВБД.

Рис.3. Узагальнена функціональна схема відмовостійкої системи кутової стабілізації

Вибір типу функціональних діагностичних моделей (ФДМ) залежить від типу вирішуваної задачі й обмежень, що накладаються на часові, кількісні і якісні характеристики процесу діагностування. Для ОАС перевага віддається ФДМ із довільною динамікою, які називаються ML-моделями. Опис ML-моделі, що зв'язує прямі ознаки відмови з його непрямими ознаками в просторі стану, має наступний вигляд:

(4)

де , , - частинні похідні матриць стану, керування і виходу за узагальненим діагностичним параметром ; - матриця, власні числа якої визначають динаміку ML-моделі; - вектор змінних стану, одержаний на виході еталонної моделі, роль якої виконує спостерігач Люенбергера; - власні значення матриці , обрані на підставі нерівності: .

Для кожної задачі діагностування побудовані відповідні ФДМ, об'єднані в ієрархію діагностичних моделей, нижній рівень якої займають ФДМ для визначення виду відмови, а верхній рівень - ФДМ для безпосереднього виявлення відмови ОАС. На підставі розроблених ФДМ здійснено оцінку сигнальної і структурної здатності до діагностування ОАС щодо визначення в ньому часу виникнення відмови, пошуку її місця, класу і виду, що дозволило встановити той факт, що ОАС без надлишкових елементів не здатний до діагностування з глибиною до виду відмови.

Забезпечення виконання критеріїв здатності до діагностування для кожного блоку ОАС має певні особливості в формуванні додаткових контрольних крапок, введенням додаткової структурної надлишковості та ін. Так, ВБД належить до об'єктів діагностування з невідомими входами, отже єдиним шляхом забезпечення виконання критерію структурного діагностування є введення структурної надлишковості. Цю надлишковість необхідно вводити так, щоб виконувались наступні умови: кількість ДКШ (N) в ВБД повинна визначатись наступним рівнянням: , де кількість ступенів свободи при кутовому русі (); розташовувати осі чутливості ДКШ в ВБД необхідно таким чином, щоб виконувались умови: і , де L кількість лінійно незалежних строк матриці коефіцієнтів. В свою чергу ВБС є об'єктом з вимірювальними входам та виходами, отже забезпечення критеріїв сигнальної та структурної здатності до діагностування досягається введенням певним образом додаткових контрольних точок та надлишкових потенціометрів зворотного зв'язку.

Після забезпечення структурної та сигнальної здатності до діагностування, вирішувалась задача розробки методу діагностичного забезпечення ОАС і містить у собі розробку алгоритмів виявлення відмови ОАС, пошуку місця відмови, визначення класу і виду відмови, а також розробку процедури класифікації відмов у ОАС. Вхідними даними при розробці методу діагностування ОАС є результати дослідження ОАС, як об'єкта діагностування, а саме: ієрархія ФДМ, множина вихідних сигналів і вимоги до вхідних сигналів, що забезпечують повну здатність до діагностування ОАС при вирішенні задач діагностування. Для вирішення кожної задачі діагностичного забезпечення було сформовано діапазони припустимих змін показників якості; розроблено класифікаційні процедури обробки непрямих діагностичних ознак відмов, що дозволило поступово знімати невизначеності, які пов'язані з моментом часу появи відмови, її місцем, класом та видом. Так, наприклад, на рівні встановлення факту появи відмови використовується предикатні рівняння в шкалі порядків: , де - двозначний предикати; - символ двозначного предикату; - символ - кон'юнкції; де - діапазон зміни показника якості функціонування ОАС; - нижня межа зміни показника якості функціонування ОАС; - верхня межа зміни показника якості функціонування ОАС. При ОАС відсутня відмова, при у ОАС відмова присутня.

Для реалізації процедур діагностування функціонального стану ОАС було використано синтезоване дихотомічне дерево в вузлах якого знаходяться признаки, які формуються використанням відповідних предикатних рівнянь. На рис.4 наведено фрагмент дихотомічного дерева пошуку виду відмови в ВБД, та введено наступні позначення: , , де значення допуску; аналітичні залежності, які формуються з відповідних ФДМ.

Після визначення параметрів відмови вирішується задача гнучкого відбивання цієї відмови в масштабі реального часу без переривання функціонування ОАС. Вирішення задачі забезпечення гнучкого відновлення працездатності ОАС, що містить в собі декомпозицію множини видів відмов, парируваних сигнальним підстроюванням, реконфігурацією апаратури або алгоритмів стабілізації; визначення припустимих меж відхилення параметрів, які забезпечують компенсування виду відмови; розробку моделей гнучкого відновлення працездатності ОАС; побудову продукційної моделі бази знань і формування алгоритмів гнучкого відновлення працездатності ОАС. Вхідними даними для розробки методу відновлення працездатності ОАС є результати визначення його функціонального стану та параметрів відмови (вид, кратність, наявність засобів відновлення та ін.). Аналіз розробленого ОАС показав, що для відновлення його працездатності можливе використання таких засобів: сигнальне та параметричне підстроювання, реконфігурація апаратури та алгоритмів стабілізації.

Рис. 4. Фрагмент дихотомічного дерева

Для кожного з елементів ОАС отримані інструментальні засоби гнучкого відновлення їх працездатності шляхом використання наявних видів надмірностей. Так алгоритми сигнального та параметричного підстроювання, які сформовано за допомогою функцій Ляпунова (параметричне підстроювання є складовою частиною реконфігурації алгоритмів стабілізації) використовуються для компенсації так званних малих відмов (дрейфи та зміни коефіцієнтів передачі), а реконфігурацією апаратури при виникненні повної відмови того чи іншого елементу. Особливість методу відновлення працездатності ОАС реконфігурацією апаратури полягає у використанні лише працездатних елементів надлишкових блоків, у той час як не працездатний виключається з контуру стабілізації та від ланок живлення. Крім того реконфігурація апаратури в більшості випадків супроводжується зміною алгоритмів стабілізації кутового положення.

Для реалізації сценаріїв відновлення працездатності ОАС розроблено продукційну модель бази знань, в основі конструкції якої використовуються дихотомічні дерева. Ознаки у вузлах формуються з використанням предикатних рівнянь, що відображають приналежність виду відмови до парируваної чи не парируваної множини відмов. (рис.5). На рис. 5 наведено фрагмент дихотомічного дерева визначення засобів відновлення працездатності ВБС,в вузлах якого знаходяться наступні предикатні рівняння: ; , де , множини відмов, що відбиваються реконфигурацією апаратури та сигнальним підстроюванням, відповідно.

Рис.5. Фрагмент дихотомічного дерева визначення засобу відновлення

автоматичний стабілізація аеродинамічний управляючий

Основні результати розділу опубліковані в роботах [1-6, 11-21].

В четвертому розділі наведено результати експериментального дослідження відмовостійкого ОАС на створеному апаратно-програмному комплексі, що дозволяє: вводити множину видів відмов у ОАС, діагностувати відмови з глибиною до виду, що відбиваються, та гнучко відновлювати його працездатність використанням надлишкових засобів відновлення в режимі реального часу. Крім того в цьому розділі проведено дослідження з параметричної ідентифікації ДПЛВ та всієї системи кутової стабілізації.

Для доказу працездатності отриманих моделей та методів забезпечення активною відмовостійкістю ОАС в лабораторних умовах було розроблено апаратно-програмний комплекс до складу якого входить діючий макетний зразок ДПЛВ, програми тримірної візуалізації, ВБД, ВБП, мікропроцесорна система, а також відповідні процедури, що реалізують розроблений метод ідентифікації статично нестійкого МЛА в режимі відмовостійкої кутової стабілізації (рис.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Апаратно-програмний комплекс дослідження ДПЛВ

На рис. 7 наведено результати перевірки працездатності інструментальних засобів діагностування функціонального стану ВБД, з якого видно, що в момент часу t=1,8 с, програмним генератором відмов випадковим образом було введено відмову третього ДКШ зміна коефіцієнту передачі на 20 %. За 2 секунди система визначила характеристики відмови (наявність відмови, місце, клас та вид) та гнучко відбила цю її під час польоту макетного зразку ДПЛВ. Подібним чином було перевірено працездатність отриманих алгоритмів по всій множинні видів відмов (32 види), шляхом генерації цих відмов у льотних випробуваннях, як випадковим генератором, так і введенням їх через інтерфейс оператора. При цьому такі відмови як дрейфи та зміна коефіцієнтів вводилися для кожного елементу в діапазоні 0ч50% від номінального значення. Результати експериментального дослідження ОАС з активної відмовостійкістю, що містять у собі діагностування і відновлення ОАС при наявності дрейфів, зміні коефіцієнтів передачі, обривах сигнального проводу і проводів постачання напруги, підтверджують результати теоретичних досліджень дисертаційної роботи, адекватність розроблених математичних та машинних моделей штатного та позаштатного режимів функціонування ОАС, а також працездатність методів та алгоритмів глибокого діагностування і гнучкого відновлення ОАС у режимі реального часу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.Діагностування та відбивання виду відмови в ВБД

Крім того дослідження показали, що наявність властивості активної відмовостійкості в ОАС дозволяє підвищити міжремонтний ресурс системи кутової стабілізації ДПЛВ до 35% в порівнянні з аналогічною системою без відповідних властивостей, та до 14 % в порівнянні з мажоритарним управлінням.

Доведено, що розроблені моделі та методи забезпечення активною відмовостійкістю ОАС дозволяють зберігати працездатність системи кутової стабілізації ДПЛВ при виникненні однократних видів відмов, а в деяких ситуаціях двократних та трикратних видів відмов в складових частинах ОАС.

На комплексі перевірявся розроблений метод ідентифікації параметрів ДПЛВ, який дозволив отримати оціночні значення коефіцієнтів всього ряду машинних моделей та аеродинамічні параметри ДПЛВ, як об'єкту кутової стабілізації. Оцінка адекватності моделей здійснювалась двома методами: співвідношення помилки до лінії регресії та за значенням інтервальної помилки. Лінія регресії показує, що результати моделювання з високою ступеню точності співпадають з результатами експерименту, максимальне значення інтервальної помилка не перевищує 7 %.

Основні результати розділу опубліковані в роботах [1, 2, 3, 11-13, 20-22].

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено науково-прикладну задачу розробки моделей та методів кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу в умовах невизначеності, обумовлених наявністю різноманітних, маловивчених аеродинамічних ефектів та видами відмов об'єкту автоматичної стабілізації. Основні результати дослідження:

1. Проведено аналіз відомих розробок по створенню гвинтових безпілотних літальних апаратів, в результаті якого виявлена необхідність вирішення комплексної науково-прикладної задачі управління дископодібним літаючим виробом в умовах невизначеностей, обумовлених наявністю маловивчених аеродинамічних ефектів та видами відмов об'єкту автоматичної стабілізації.

2. Визначені конструктивні особливості макетного зразку дископодібного літаючого виробу, які дозволяють створювати необхідну підіймальну силу та керуючі аеродинамічні моменти: габаритні розміри та кривизну несучої аеродинамічної поверхні літаючого виробу, а також значення зазору апарату, що фокусує повітряний потік.

3. Розроблені адекватні реальним процесам фізичні, математичні та машинні моделі кутових рухів дископодібного літаючого виробу, за допомогою яких визначені параметри, що впливають на його керованість, стійкість та спостережливість.

4. Сформовані процедури ідентифікації параметрів отриманих машинних моделей в режимі кутової стабілізації, що базуються на математичних моделях кутових рухів дископодібного літаючого виробу та рекурентному методі найменших квадратів. Використання цих процедур дозволило здійснити параметричну ідентифікацію, об'єкту автоматичної стабілізації з точністю 7%, не розвиваючі зворотні зв'язки контурів стабілізації.

5. Запропоновані аналітичні засоби для визначення кількості надмірних вимірювачів та їх розташування в блоці, які дозволили сформувати конструкції вимірювачів, здатних задовольняти критерії сигнальної та структурної здатності до діагностування та відновлювати вимірювання в реальному масштабі часу в позаштатних ситуаціях, викликаних видами відмов вимірювачів.

6. Проведено дослідження об'єкту автоматичної стабілізації, як об'єкту діагностування, внаслідок якого сформовано множину його видів відмов, здійснена параметризація прямих ознак відмов, а також розроблено функціональні діагностичні моделі, які пов'язують не прямі діагностичні ознаки відмов з прямими ознаками факту появи відмови, її місцем, класом та видом. Розроблені діагностичні моделі є елементами ієрархії діагностичних моделей, що віддзеркалює глибину діагностування з точністю до виду відмови, що відбивається.

7. Розроблено метод глибокого діагностування об'єкту автоматичної стабілізації, який дозволив формувати алгоритми оперативного діагностування його функціонального стану у вигляді дихотомічного дерева в вузлах якого використовуються бінарні признаки, що є рішеннями двозначних предикатних рівнянь, де умовами є характеристики діагностичних функціональних моделей для кожної окремої задачі діагностування.

8. Сформовано метод відновлення працездатності об'єкту автоматичної стабілізації за результатами його глибокого діагностування шляхом гнучкого управління наявними надлишковими ресурсами в реальному масштабі часу. Метод гнучкого управління дозволяє забезпечити необхідні запаси стійкості кутової стабілізації та необхідні показники якості функціонування всієї замкненої системи кутової стабілізації.

9. Розроблено апаратно-програмний комплекс та технологію для проведення льотних випробувань дископодібних літаючих виробів в штатних та позаштатних ситуаціях. Цей комплекс дозволив провести серію льотних випробувань по формуванню обліку системи кутової стабілізації для різноманітних ситуацій, а також провести серію випробувань розробленої системи кутової стабілізації з активною відмовостійкістю, які підтвердили адекватність отриманих моделей та конструктивність запропонованих методів.

10. Встановлено, що використання активної відмовостійкої кутової стабілізації забеспечує працездатність дископодібного літаючого виробу при появі однократних видів відмов в об'єкті автоматичної стабілізації та збільшує міжремонтний ресурс системи кутової стабілізації дископодібного літаючого виробу до 35 % в порівнянні з аналогічною системою кутової стабілізації без активної відмовостійкості до на 14 % в порівнянні з мажоритарною схемою.

11. Синтезовані моделі впроваджені в НВП ХАРТРОН-АРКОС та навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» та можуть використовуватися при розробці систем управління об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кулик А.С. Диагностирование бесплатформенной инерциальной навигационной системы беспилотного летательного аппарата с глубиной до места отказа / А.С. Кулик, С.Н. Фирсов, До Куок Туан, О.Ю. Златкин // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - Вып. 1 (28).- С. 75 - 81.

2. Кулик А.С. Повышение точности инерциальной навигационной системы летательного аппарата / А.С. Кулик, С.Н. Фирсов, До Куок Туан, О.Ю. Златкин // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - Вып. 2(29). - С. 50 - 54.

3. Фирсов С.Н. Построение отказоустойчивого измерительного блока акселерометров бесплатформенной навигационной системы беспилотного летательного аппарата / С.Н. Фирсов, До Куок Туан, О.Ю. Златкин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - Вып. 1 (48). - С. 5 - 10.

4. Кулик А.С. Восстановление измерений навигационной системы в режиме реального времени / А.С. Кулик, С.Н. Фирсов, До Куок Туан, О.Ю. Златкин // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - Вып. 5 (52).- С. 28 - 33.

5. Фирсов С.Н. Обеспечение глубокого диагностирования блока акселерометров при плоскостном движении летательного аппарата / С.Н. Фирсов, До Куок Туан // Авиационно-космическая техника и технология. 2009. - Вып. 3 (60).- С. 33 - 38.

6. Фирсов С.Н. Диагностируемость блока акселерометров при пространственном движении летательного аппарата / С.Н. Фирсов, До Куок Туан // Авиационно-космическая техника и технология. 2009. - Вып. 4 (61).- С. 14 - 20.

7. Фiрсов С.М.. Безпілотний літальний апарат вертикального зльоту та посадки для завдань АПК / С.М. Фiрсов, І.В. Бичкова, До Куок Туан // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка «Проблеми енергозабнспечення та енергозбереження в АПК». - Вип. 73. - Х., 2008.- С. 89 - 90.

8. Фірсов С.М. Особливості конструкції та системи автоматичного керування безпілотного літального апарату нетрадиційної аеродинамічної схеми вертикального зльоту та посадки / С.М. Фірсов, До Куок Туан, Р.М. Гуш, О.В. Данченко // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка «Проблеми енергозабнспечення та енергозбереження в АПК». - Вип. 87.- Х., 2009. - С. 123 - 125.

9. До Куок Туан Комплексное решение задачи синтеза САУ малого беспилотного летательного аппарата типа вертикального взлета и посадки / До Куок Туан // Збірник наук праць Харківського університету повітряних сил. - Вып. 4 (22). Х., 2009 - С. 12 19.

10. Пат. №46179 Україна, МКІ B 64 С 21/00. Система керування безпілотними літальними апаратами: Пат. 46179 Україна, МКІ B 64 С 21/00 / А.С. Кулік, С.М. Фірсов, Г.Г. Гусарова, До Куок Туан (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковський “ХАІ”. - №45149; Заявл. 22.06.09; Опубл. 10.12.09, Бюл №23. - 5 с.:ил.

11. Пат. 47348 Україна, МКІ G 01 С 21/00. Відмовостійкий блок акселерометрів: Пат. 47348 Україна, МКІ G 01 С 21/00/ А.С. Кулік, С.М. Фірсов, О.Ю. Златкін, І.М. Бандура, Д.В. Давидов, І.В. Федорчук, До Куок Туан (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковський “ХАІ”. - №47348; Заявл. 17.08.09; Опубл. 25.01.2010, Бюл №2. - 5 с.:ил.

12. Пат. 47328 Україна, МКІ G 01 С 21/00. Безплатформна інерціальна навігаційна система: Пат. 47328 Україна, МКІ G 01 С 21/00/ А.С. Кулік, С.М. Фірсов, І.В. Федорчук, Д.В. Давидов, О.Ю. Златкін, До Куок Туан (Україна); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковський “ХАІ”. - №47328; Заявл. 10.08.09; Опубл. 25.01.2010, Бюл №2. - 5 с.:ил.

...