Синтез і аналіз оптимальної системи управління посадкою літаків на необладнані штатними радіотехнічними засобами аеродроми

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ПРОМИСЛОВОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ЦЕНТРАЛЬНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ НАВІГАЦІЇ І УПРАВЛІННЯ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИНТЕЗ І АНАЛІЗ ОПТИМАЛЬНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ПОСАДКОЮ ЛІТАКІВ НА НЕОБЛАДНАНІ ШТАТНИМИ РАДІОТЕХНІЧНИМИ ЗАСОБАМИ АЕРОДРОМИ

Спеціальність: Навігація та управління рухом

Поляков Володимир Вадимович

Київ, 2008 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна увага у всьому світі приділяється задачам навігації і управління рухом всепогодної авіації. Ускладнюються алгоритми траєкторного управління літаками включаючи безпілотні літальні апарати (БПЛА), що впливає на зростання вимог до режимів роботи бортових інформаційно-обчислювальних систем (БІОС). Однією із складних задач управління повітряним рухом (УПР) є навігаційне забезпечення безпечної посадки. У надзвичайних ситуаціях виникає необхідність у короткий термін створити умови надійної посадки літальних апаратів (ЛА) на необладнані штатними радіотехнічними засобами (РТЗ) робочі поверхні. Однією з головних проблем такого використання робочих поверхонь є навігаційне забезпечення посадки ЛА в тому числі і у складних метеорологічних умовах. Це обумовлює необхідність враховувати основні фактори, які визначають задачі розвитку систем траєкторного управління посадкою ЛА (УПЛА). Значна увага приділяється врахуванню різноманітності траєкторій заходу на посадку і приземлення. Особливо жорсткі вимоги висуваються до таких параметрів:

- максимально припустимі горизонтальна та вертикальна швидкості заходу на посадку і приземлення;

- максимальна швидкість розвороту по крену;

- мінімальна допустима висота точки прийняття рішення про посадку;

- просторові геометричні характеристики зони виконання перед посадочного маневру.

Передача функцій управління автоматиці в цьому випадку сполучена з вирішенням цілого ряду складних технічних завдань як апаратурної реалізації, так і синтезу законів автоматичного управління. Радіотехнічні систем траєкторного УПЛА використовуються для забезпечення необхідних значень фазових координат ЛА в момент контакту з робочою поверхнею. Процес посадки ЛА у цей час реалізується традиційним методом шляхом стабілізації жорстко заданої лінії зниження. Параметри глісади в значній мірі обумовлюються параметрами застосованих вимірювальних засобів.

Аналіз існуючих засобів забезпечення посадки ЛА показав відсутність надійних методів та високоточних систем посадки на робочу поверхню, яка необладнана штатними радіо- і світлотехнічними засобами. Тому важливим завданням є дослідження закономірностей процесів навігації та УПР на етапі УПЛА на робочу поверхню.

Актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю вдосконалення систем навігації і управління ЛА в зв'язку з розширенням сфери застосування ЛА й підвищенням вимог до якості і своєчасності інформаційно-навігаційного забезпечення на етапі посадки на робочу поверхню.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційних досліджень пов'язані з виконанням планових науково-дослідних робіт, що проводились у Харківському університеті Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Об'єднаному науково-дослідному інституті Збройних Сил, Державному підприємстві Міністерства оборони України "Науково-дослідному інституті радіоелектронної техніки" й знайшли відображення у відкритих частинах звітів про науково-дослідні роботи за шифрами: "Поверхня" (0101U000616), "Дослід - UMTS", "Точка" (0101U000554), "Посадка" (0101U000795), у яких здобувач був співвиконавцем.

Метою дисертаційної роботи є дослідження та визначення закономірностей процесів навігації та управління в зоні посадки на робочу поверхню, що необладнана штатними радіотехнічним засобами.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- аналіз сучасного стану й перспективних напрямків розвитку систем управління посадкою ЛА та доведення можливості використання поверхонь положень з вертикальною твірною (ППВТ) для управління посадкою ЛА за умов вимірювання відстаней до наземних орієнтирів при відсутності інформації про їх розташування;

- удосконалення структури БІОС автоматичного управління ЛА для проведення посадки на необладнані штатними радіотехнічними засобами робочі поверхні й оптимізація структур управління посадкою за критерієм максимальної точності управління;

- удосконалення технології представлення на борту ЛА графічної інформації під час виконання посадки шляхом створення математичної моделі (ММ) злітно-посадочної смуги та світлотехнічного забезпечення аеродрому в векторно-матричній формі за даними вимірів відстаней до наземних орієнтирів;

- аналіз результатів цифрового моделювання розробленої системи УПЛА та оцінка її точністних характеристик.

Об'єкт дослідження: процеси навігації та управління в зоні посадки на робочу поверхню, що необладнана штатними РТЗ.

Предмет дослідження: методи та засоби комплексної обробки інформації та її застосування в системах навігації та управління ЛА в зоні посадки на робочу поверхню, що необладнана штатними РТЗ.

Методи досліджень:

- метод статистичного синтезу і аналізу, дозволив представити математичну модель системи посадки ЛА в просторі станів поверхонь положень з вертикальною твірною з урахуванням динаміки його руху;

- метод теоретичного та численного аналізу, використовувався для аналізу динамічних систем та визначення спостережливості, управляємості та стійкості системи УПЛ;

- метод динамічного програмування, за допомогою якого було знайдено оптимальну функцію управління.

Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи полягає:

1. Вперше розроблена динамічна система комплексної обробки інформації для її застосування в системах навігації та управління польоту ЛА в зоні посадки на робочу поверхню, що необладнана штатними радіотехнічними засобами, яка відрізняється від раніше відомих використанням поверхонь положень з вертикальною твірною за умовами вимірів відстаней до наземних орієнтирів при відсутності інформації про їх розташуванні;

2. Дістали подальшого розвитку структури навігаційного забезпечення УПЛА, що відрізняються від відомих раніше засобами розрахунку параметрів траєкторного управління рухом ЛА у просторі поверхонь положень з вертикальною твірною й структурою БІОС для автоматичного управління ЛА за каналами курсу та глісади;

3. Вперше побудована математична модель динамічних перетворень геометричних параметрів злітно-посадочної смуги та світлотехнічного забезпечення робочої поверхні за даними поточних вимірів змінних відстаней до наземних орієнтирів у системі координат ЛА, яка надає можливість використовувати обчислювальні засоби ЛА для визначення в просторі їх взаємного положення та подальшого відображення на індикаторі, що підвищує ефективність використання обчислювальних засобів БІОС ЛА для прийняття рішення щодо здійснення посадки ЛА на необладнані штатними засобами робочі поверхні.

Практичне значення отриманих під час роботи результатів полягає у наступному:

1. Доведено, що для автоматичного управління рухом ЛА до виведення в точку прийняття рішення (ТПР) на здійснення посадки на робочу поверхню, необладнану штатними радіотехнічними засобами, з достатньою точністю ефективно використовувати активне формування опорних точок ППВТ в рухомій системі координат ЛА;

2. Рекомендовано для введення в сучасні БІОС ЛА синтезовані оптимальні структури траєкторного УПЛА, які забезпечують посадку ЛА на необладнані штатними РТЗ робочі поверхні в простих та складних метеорологічних умовах;

3. Надані пропозиції щодо процедур процесу відображення взаємного положення ЛА і робочої поверхні на індикаторі, що підвищує якість посадки в складних ситуаціях.

Матеріали наукових досліджень дисертаційної роботи реалізовані у науково-дослідних роботах: з шифром “Поверхня”, виконаної у Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба на замовлення командувача Повітряних Сил України, № держреєстрації 0101U000616, акт реалізації наукових досліджень від 16.01.2008 року та шифром "Дослід - UMTS" виконаної в Державному підприємстві Міністерства оборони України "Науково-дослідному інституті радіоелектронної техніки", акт реалізації наукових досліджень від 24.01.2008 року.

Особистий внесок здобувача.

Особистий вклад здобувача в аналіз сучасного стану та перспектив розвитку систем наведення літаків полягає у визначенні напрямків синтезу оптимальних радіоелектронних систем наведення ЛА у просторі станів.

Способи посадки ЛА на необладнані робочі поверхні були розглянуті у роботі, яка виконана у співавторстві з Баришевим І.В., Висоцьким О.В., де особисто здобувачем були проаналізовані існуючі способи посадки ЛА на робочі поверхні, які необладнані радіотехнічними засобами управління посадкою ЛА.

У запропонованій моделі системи управління висотою польоту ЛА автор розробив дискретну векторно-матричну математичну модель детермінованої системи управління поздовжнім рухом центра мас ЛА.

Здобувачем для синтезу структури каналу курсу автономної системи траєкторного управління посадкою ЛА на необладнані аеродроми (див. роботу, виконану у співавторстві з Баришевим І.В., Висоцьким О.В.) було розроблено детерміновану математичну модель, де управління ЛА здійснюється у ППВТ.

Розробка варіанту представлення на борту літального апарату злітно-посадочної смуги та світлотехнічного забезпечення автономної системи управління посадкою ЛА на необладнані аеродроми була виконана здобувачем без співавторства.

При розробці способу автономного формування траєкторії літального апарата при посадці (див. деклараційний патент, виконаний у співавторстві з Баришевим І.В., Макаровим С.А, Висоцьким О.В., Коршець О.А, Бабенко О.І.) здобувачем були розроблені рівняння системи управління посадкою ЛА по курсу у просторі станів поверхонь положень з вертикальною твірною методом пропорційних збільшень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були апробовані на Міжнародних форумах та науково-технічних конференціях, на яких був викладений наступний матеріал, включений до дисертації.

Аналіз напрямків розвитку радіоелектронних систем наведення ЛА обговорювався на міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (Харків, ХНАУ "ХАІ", 2005).

Ідея переходу від вимірювання координат ЛА у просторі до проекцій на площини курсу та глісади, після чого для управління ЛА використовувати метод поверхонь положень з вертикальною твірною, обговорювалася на другій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, ХУ ПС, 2006).

Шляхи використання та варіанти визначення поверхонь положення з вертикальною твірною для розрахунку місцезнаходження ЛА обговорювалися на десятому ювілейному міжнародному молодіжному форумові “РАДІОЕЛЕКТРОНІКА ТА МОЛОДЬ У ХХІ столітті" (Харків, ХНУРЭ, 2006).

Варіанти визначення програмних точок та результати моделювання процесу управління рухом ЛА по програмним траєкторіям обговорювалися на міжнародній науково-технічній конференції „Молодь і сучасні проблеми радіотехніки й телекомунікацій РТ-2006” (Севастополь, Севастопольський національний технічний університет, 2006).

Шляхи синтезу оптимальних структур наведення ЛА за заданою траєкторією обговорювалися на третій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, ХУ ПС, 2007).

Ідея удосконалення математичної моделі стохастичної системи управління рухом літального апарату у просторі станів поверхонь положень з вертикальною твірною обговорювалася на четвертій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, ХУ ПС, 2008).

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та переліку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 187 сторінок, у тому числі - 49 ілюстрацій з них 5 на окремих сторінках, 7 таблиць з них 1 на окремій сторінці, перелік використаних джерел із 139 найменувань на 12 сторінках, 8 додатків на 23 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

літак навігація транспорт

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета та основні задачі досліджень, сформульовані нові наукові положення, що виносяться на захист, визначена практична значимість отриманих результатів та представлені дані про їх реалізацію, наведені публікації автора і його особистий внесок.

У першому розділі проаналізований сучасний стан засобів УПЛ, розглянуті проблеми подальшої експлуатації та удосконалення діючих систем посадки та забезпечення безпеки польотів на етапі посадки ЛА, наведені вимоги щодо точності визначення координат повітряних суден при заході на посадку по категоріям ICAO (0,2-8,5 м.) та для заходу на посадку (50 м.). Визначено, що на даний час практично не існує систем УПЛ, здатних вирішити задачу посадки ЛА на робочі поверхні, які не обладнані штатними радіо- та світлотехнічними засобами управління авіації. Обґрунтована доцільність розробки нових систем траєкторного УПЛА на необладнані робочі поверхні. Розглянуті загальні принципи, які покладені в основу побудови системи УПЛА.

Пілотажна інформація етапу посадки відображається системою індикації ЛА, завдяки чому льотчик має можливість контролювати процес зниження ЛА та застосовувати ручне управління ЛА під час виникнення позаштатних ситуацій польоту і під час прийняття рішення на здійснення власне посадки.

В розділі проаналізовані радіолокаційні маяки-відповідачі (РМВ), які пропонується використовувати в якості наземних орієнтирів для визначення просторового положення ЛА у просторі станів ППВТ для вирішення задачі синтезу сучасної системи УПЛА. В якості РМВ пропоноване використання радіолокаційні відповідачі в частотному діапазоні 9,2 ГГц.

В роботі розглянуті нормовані посадочні режими ЛА, основні умовні етапи процесу посадки, а також питання застосування ППВТ в системі УПЛА для формування опорної глісади планерування ЛА у вигляді програмних точок, що дозволяє здійснити перехід від просторово-виміряних параметрів руху ЛА до параметрів на площині. В якості останніх запропоновано використовувати різниці квадратів відстаней (різницеві параметри) від ЛА до наземних орієнтирів. Для реалізації даного методу необхідно мати не менш як три РМВ із метою одержання двох ППВТ для кожної з програмних точок.

Наприкінці розділу здійснена постановка задачі подальших досліджень.

Другий розділ присвячений розробці та дослідженню дискретних ММ детермінованої системи УПЛА в просторі станів ППВТ. При цьому вирішувалась задача представлення моделі ЛА у фізичному й математичному аспектах з урахуванням динаміки його руху.

Використовуючи поняття рівнянь простору станів, які широко застосовуються для синтезу та аналізу різноманітного роду систем, в роботі вдалось успішно вирішити задачу синтезу закону управління для курсового каналу дискретної детермінованої системи на підставі використання різностей квадратів відстаней до об'єктів системи відносно РМВ:

(1)

Де:

- відстані відповідно від ЛА та програмної точки до -го і -го РМВ в момент часу .

Вихідні рівняння вектору станів каналу курсу системи для розглянутих дальномірних вимірів є нелінійними, тому була проведена їх лінеаризація методом малих збурювань функцій управління та вихідних параметрів і отримана ММ дискретної детермінованої системи УПЛА по курсу у просторі ППВТ:

(2)

Де:

- перехідні матриці станів розміру ;

- перехідна матриця управлінь розміру та .

Рівняння динаміки каналу глісади системи УПЛА отримані на підставі вимірів бортового радіовисотоміру дійсної висоти польоту ЛА , порівняння її з висотою заданої програмної точки глісади планерування та обчисленні кутів нахилу траєкторії :

(3)

Шляхом розширення вектору простору станів системи (2) станом системи (3), динаміку системи УПЛА по програмній траєкторії у просторі ППВТ описано різницевим рівнянням другого порядку:

(4)

Де:

- вектор станів системи для моменту часу .

Складові вектору станів, можна розглядати як осі координат багатомірного простору станів системи. З бігом часу вектор станів змінює своє значення та положення, а його кінець описує в просторі станів траєкторію руху об'єкту управління (ОУ). Ця траєкторія залежать від початкового стану та управляючих впливів. В розділі отримані вирази, які характеризують умови спостережливості, управляє та стійкості системи при повній інформації про параметри стану. Результати досліджень спостережливості дозволили точно визначити поведінку вектору станів у часі. Доведена стійкість системи.

В роботі застосований такий вид управляємості, коли із заданої точки простору станів здійснюється перехід в іншу задану точку по програмній траєкторії без обмеження на управління. Такий перехід припускає виконання рівності:

(5)

Для виконання рівності (5) при заданої необхідно й достатньо, щоб:

Що і доведено в роботі.

Основним науковим результатом досліджень, проведених в розділі, є синтезування функції управління ЛА на етапі посадки. В роботі пропонується метод управління, оснований на пропорційних збільшеннях параметрів вектору станів по двом каналам спостережень відносно ЛА та програмних точок. Цей метод виключає необхідність визначення взаємного розташування засобів вимірювання та їх координат, а також не передбачає контролю за положення лінії візування ЛА - програмна точка.

Наведені вище співвідношення системи УПЛА отримані для ОУ, представленого у вигляді матеріальної точки.

Для вирішення задачі синтезу системи траєкторного управління (управління рухом центру мас) ЛА представлений в роботі також як розподілений у просторі ОУ.

Складені ММ повздовжнього й бокового руху ЛА, рівняння систем автоматичного управління (САУ) для режимів ручного, директорного та автоматичного управління та ММ кінематичних ланок. Отримані динаміки систем управління курсом (для режиму плоского розвороту ЛА).

(6)

Та глісадою ЛА (управління висотою польоту через контур перевантаження):

(7)

Де:

, , , і - кути ковзання, вихилення, атаки, тангажа і швидкісний кут тангажа (кут кабрування);

, - кутові швидкості обертання ОУ;

- висота польоту ЛА та програмної точки в момент часу.

- перехідні матриця станів і управлінь відповідних каналів;

- функція управління системою (5) у просторі ППВТ.

Управління по каналах курсу і глісади в даній системі є незалежним та здійснюється одночасно у дискретні моменти часу шляхом виводу ЛА на лінію магнітного курсу посадки з подальшим зниженням по глісаді до ТПР. Досліджувались питання спостережливості та управляємості системи відповідно до загальних вимог спостережливості та управляємості. Результати експерименту доводять, що система УПЛА повністю спостережлива по обом каналам. Канал глісади має одну неуправляєму моду, що не впливає на ефективність роботи системи.

Для візуального контролю льотчиком процесу посадки в складних метеорологічних умовах та вночі виникає необхідність визначення відносного положення ЛА та злітно-посадочної смуги (ЗПС) й відображення на приборах індикації ЛА. Злітно-посадочна смуга має прямокутну форму та може однозначно визначатися чотирма точками на площині. В роботі була одержана матриця перетворення координат, за допомогою якої можливо відобразити на індикаторі ЗПС та світлотехнічне обладнання:

Де:

, і - відповідно значення кутів крену, рискання та тангажу ЛА;

- висота польоту ЛА.

Для представлення ЗПС та світлотехнічного забезпечення на борту ЛА необхідно застосувати матрицю M до всіх вогнів ЗПС і точок відповідним кутам самої ЗПС:

Де:

M - матриця перетворення, отримана вище;

V - вектор координат вогнів ЗПС або точок відповідним кутам самої ЗПС;

V' - вектор координат вогнів ЗПС або точок відповідним кутам самої ЗПС відносно ЛА.

У третьому розділі вирішена задача оцінки параметрів стану стохастичної системи УПЛА та приведені результати синтезу структури оптимального управління по критерію максимальної точності управління.

Розглянуті статистичні характеристики розширеного вектора станів:

Вектора збурювань та вектора помилок вимірювань . Отримано рівняння опису зміни у часі ступені невизначеності стану стохастичної системи, яке характеризує міру відхилення її випадкового стану від математичного очікування. Для проведення оцінок параметрів вектора станів системи управління застосовано теорію оптимальної калмановської фільтрації, зокрема, методику побудови дискретного фільтра Калмана. За критерій оптимальності приймається один із критеріїв, який можна одержати на основі використання функції правдоподібності:

Де:

- - мірний вектор.

Оптимальна оцінка параметрів станів визначається як деякий функціонал від даної функції:

При цьому оптимальна оцінка являє собою умовне очікування:

Прийняття цієї оцінки забезпечує мінімум виразу:

Де:

- помилка оцінки.

Рівняння дискретної оптимальної фільтрації параметра станів для моментів часу записано у вигляді:

(8)

Де:

- матриця передачі фільтра;

- перехідна матриця збурювань.

Записане співвідношення для визначення матриці передачі фільтра:



А також дисперсійних матриць пророкування та фільтрації стохастичної системи УПЛА.

Задача синтезу оптимальної системи управління в загальному випадку представлена наступним способом. Для дискретної системи управління задаються різницеві рівняння, обмеження, крайові умови, рівняння спостереження, критерій оптимальності, характеристики випадкових впливів і параметрів. Потрібно знайти управління як функцію від обміряних значень, тобто потрібно знайти припустиму, з погляду фізичної реалізації, векторну функцію і відповідний вектор станів , щоб траєкторія ОУ у просторі станів задовольняла визначеному критерію оптимальності.

Проведений у розділі аналіз вибору вихідних умов рішення задачі оптимального управління показав, що доцільно в якості критерію оптимальності для послідовностей з дискретним часом і вибраним простором станів використовувати мінімізацію функціонала Больца:

(9)

Де:

- задана з точністю до вектора параметрів;

- скалярна функція кінцевого стану послідовності ;

- вектор із скалярним виходом;

і - дійсний та кінцевий момент часу.

Рішення задачі синтезу управління на основі функціонала, є достатньо складним. Тому в роботі застосовано спрощення пошуку мінімуму функціоналу за рахунок представлення функції у вигляді:

 (10)

Де:

і - задані, позитивні функції.

Широке використання має випадок, коли всі три функції , , виражаються квадратичними формами виду:

(11)

Функціонал з урахування виразів (10) та (11) є класичним квадратичним функціоналом (функціоналом Летова-Калмана) та у подальшому широко використовується в роботі. Докладний аналіз даного функціонала якості довів, що він представляє собою компромісний критерій між помилкою системи й управляючим зусиллям. Він призначає штраф як за надмірні помилки, так і за зайве управління. Тому зроблений висновок про те, що задача управління є варіаційною та потребує мінімізації функціонала системи. При цьому необхідно вирішувати "двохточечну" крайову задачу, у якій частина умов задана в початковий момент, а інша частина - у кінцевий момент часу.

В розділі розглянута задача управління для детермінованої та стохастичної систем. Синтез управління стохастичною оптимальною системою розподілений на задачу оптимальної оцінки і задачу синтезу оптимальної системи при неповній інформації.

Для знаходження оптимальної функції управління застосований метод динамічного програмування Беллмана.

Доведено, що рішення рівняння Беллмана знаходиться у виді квадратного тричлена, вважаючи бажаний стан системи нульовим (початок координат - мірного евклідова простору), що спрощує розуміння суті розв'язуваної задачі управління:

(12)

В наслідок рішення рівняння (12) оптимальна функція управління для стохастичної системи має вигляд:

(13)

В розділі приведені результати обчислення оптимального управління для однокрокової задачі (знаходження значення функції управління на кожному окремому кроці дискретності по переводу ЛА із заданого стану в необхідний) за умови відсутності яких-небудь обмежень на управляюче зусилля. Показано, що помилка системи в кожен момент часу визначається помилкою пророкування:

На цей момент часу, збуренням системи і для наступного моменту часу.

Результати даного розділу свідчать про адекватність та працездатність синтезовананих оптимальних структур траєкторного УПЛА та можливість використовувати їх для побудови сучасних БІОС автоматичного управління ЛА.

У четвертому розділі вирішена задача оцінки комплексних точностних характеристик роботи системи, для чого синтезована структура, яка дозволяє отримувати спроможні, незміщені, ефективні оцінки точностні управління в умовах дії перешкод і несприятливих факторів та судити про якість функціонування законів управління у просторі ППВТ. Специфіка рішення поставленої в дисертаційній роботі задачі полягає в тому, що виведення ЛА здійснюється в деяку область, обмежену сферою радіусу з центром в ТПР. Проведені дослідження отриманих оптимальних структур методом цифрового моделювання на ЕОМ. На основі отриманих результатів в розділі проведений аналіз й класифіковані найбільш суттєві зовнішні та внутрішні несприятливі фактори, які впливають на роботу системи УПЛА.

Аналіз результатів фільтрації підтвердив основні положення теорії лінійної фільтрації. Проаналізовано поведінку квадратичного тричлена якості та його складових, а також їх вплив на помилки управління по каналах курсу та глісади стохастичної системи управління. Дослідження критерію якості в екстремальних випадках для стохастичної задачі показали, що задача синтезу оптимального управління при неповній інформації визначається двома етапами: оптимальною оцінкою й синтезом закону оптимального управління. При цьому мінімум критерію якості залежить від невизначеності початкового стану, збурювань системи й помилок фільтрації. У ході експериментів визначено, що дисперсії помилок фільтрації обох каналів системи управління, починаючи з першого кроку фільтрації, монотонно зменшуються, та вже після четвертого кроку (канал курсу) і сьомого кроку (канал глісади) становлять близько 20% дисперсії помилок вимірювань. Підвищення інтенсивності помилок збурювань системи внаслідок зростання зовнішніх збурювань та помилок визначення початкового стану об'єктів системи управління, а також збільшення помилок вимірювання призводить до зростання дисперсій оцінок фільтрації та погіршенню точності управління по кожному з каналів системи управління. Застосування оптимальної фільтрації в сполученні з оптимальним регулятором для стохастичної системи зменшує помилку управління по кожному з каналів в чотири рази.

В розділі розглянуті всі можливі варіанти початкового стану ЛА, геометрії розташування системи РМВ, а також робота системи при оперативній зміні траєкторії посадки для різних варіантів програмних траєкторій посадки. Отримано результати, які доводять працездатність системи УПЛА.

Визначено, що:

- помилки управління практично не залежить від взаємного розташування об'єктів системи управління. Навіть при умові, що фіксована траєкторія посадки складається з двох програмних точок глісади планерування, помилки управління по каналах курсу та глісади становлять одиницям метрів. Значення величин помилок і обумовлене лише інерційністю моделі твердого ЛА та спрощеними видами застосованих типових законів управління САУ, що ніяк не впливає на визначення принципової можливості УПЛА за такими законами;

- застосування синтезованих структур управління не вносить помилок управління до загальних значень величин та ;

- оперативна зміна траєкторії посадки для управління посадкою різних типів ЛА не впливає на працездатність системи управлінні;

- при віддаленні системи РМВ від ЛА помилка управління зростає, що порозумівається допущеннями, прийнятими при лінеаризації рівнянь системи. Максимальна точність управління досягається при знаходженні ЛА на середині однієї з ліній баз РМВ;

- при зниженні ЛА по глісаді планерування точність управління каналу глісади системи УПЛА зростає та в розрахунковій точці посадки становить максимальне значення.

По результатам цифрового моделювання на ЕОМ процесу роботи системи УПЛА, вирішена задача визначення ймовірності виведення ЛА в ТПР, обмежену сферою радіусом , яка визначається розмірами еліпсоїду розсіювання. Де F - залежність ймовірності виведення ЛА в ТПР від дисперсій помилок початкового стану та помилок вимірювань після застосування фільтрації.

На рис. 2 представлена залежність ймовірності виходу ЛА в задану радіусом область розташування ТПР (при оптимальній фільтрації та без неї, для ) вважаючи, що в еліпсоїді розсіювання знаходиться 99% виходів ЛА в ТПР, при цьому число точок експерименту рівнялось 1000.

Результати експериментальних досліджень свідчать про працездатність системи УПЛА в умовах впливу несприятливих факторів та про достатність точності роботи даної системи для забезпечення нормального заходу на посадку ЛА на задану необладнану штатними РТЗ робочу поверхню.

Рис. 1. - Залежність ймовірності виведення ЛА в ТПР від дисперсій помилок початкового стану та помилок вимірювань:

Рис. 2. - Залежність ймовірності виводу ЛА в ТПР від радіуса сфери, яка обмежує цей район:

Наприкінці розділу запропонована структура побудови БІОС автоматичного управління ЛА для реалізації синтезованих структур УПЛА, а також розглянуті питання практичного використання та вироблені рекомендації з бойового застосування розробленої системи УПЛА.

У додатках наведено призначення груп вогнів й типова схема розміщення світлотехнічного обладнання на аеродромі ССП-1, тактико-технічні характеристики радіолокаційних відповідачів та бортових радіовисотомірів, склад радіоелектронного обладнання й системи індикації та управління ЛА, технічні характеристики тахометрів, моделюючий структуру детермінованої системи управління та програма моделювання радіотехнічної системи УПЛА.

Наприкінці роботи наведені акти реалізації наукових досліджень в науково дослідних роботах за шифрами "Поверхня" та "Дослід - UMTS". В цих роботах автор був співвиконавцем й провів аналіз можливостей сучасних засобів УП ЛА, шляхів підвищення точності систем посадки на необладнані штатними радіотехнічними засобами робочі поверхні, довів можливість використання криволінійної траєкторії посадки при траєкторному управлінні ЛА й визначив структуру системи УПЛА у надзвичайних ситуаціях.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання вдосконалення систем навігації і управління ЛА при посадці на необладнані штатними радіотехнічними засобами робочі поверхні. Вирішення даного завдання полягає у синтезі нових структур оптимального УПЛА в умовах дії випадкових факторів за вимірами сигналів прийнятих від РМВ з невизначеними координатами.

Отримані результати дозволять здійснювати автоматичне УПЛА на необладнані штатними РТЗ робочі поверхні.

Практичне значення наукових досліджень конкретизовано у вигляді отриманих моделей, їх всебічної перевірки, як теоретично, так і за допомогою моделювання на ЕОМ.

Це дозволило виявити якісні та кількісні параметри структур оптимального УПЛА в СМУ.

Основні підсумки та результати роботи:

Обґрунтовано на підставі аналізу функціональних можливостей засобів УПЛА доцільність розробки нових систем траєкторного управління посадкою ЛА на необладнані робочі поверхні на основі комплексної обробки координатної часової інформації на борту ЛА;

Розглянуті та вирішені задачі синтезу в рухомій системі координат математичної моделі дискретної детермінованої системи УПЛА у просторі станів ППВТ, яка ефективна для будь-якого типу ЛА та параметрів глісади планерування. Для розробленої моделі отриманий закон управління по методу пропорційних збільшень. Отриманий закон управління працює при відсутні безпосередніх вимірів положення глісади та курсу посадки. Отримані результати доводять замкнутий контур системи управління стійкий, а система спостережлива. Складено детерміновані дискретні моделі замкнених контурів управління висотою польоту (глісадою) та боковим рухом (курсом) ЛА як твердого тіла;

Розглянуті та вирішені задачі оцінювання параметрів стану і синтезу оптимальної структури як для детермінованої так і для стохастичної системи УПЛА у просторі станів ППВТ. Проведені дослідження критерію якості для детермінованої задачі в екстремальних умовах довели, що при наявності сильних обмежень на управління мінімум критерію якості визначається початковим станом та параметрами формування програмних точок траєкторії;

Визначена структура БІОС управління рухом ЛА із застосуванням структур оптимального УПЛА у просторі ППВТ, яка дозволяє забезпечити стійке та безперервне управління рухом ЛА для забезпечення його безаварійної посадки на необладнану штатними РТЗ робочу площу із виконанням вимог щодо точності управління посадкою по каналах курсу та глісади;

У межах комплексної обробки інформації під час виконання посадки визначені процедури технології представлення графічної інформації на борту ЛА шляхом створення математичної моделі системи «ЛА - робоча поверхня - світло-технічне забезпечення» динаміка якої залежить від вимірів відстаней до РМВ;

Проведені експериментальні дослідження системи управління методом цифрового моделювання на ЕОМ обґрунтовують працездатність детермінованої системи УПЛА на необладнані робочі поверхні, а також вплив факторів невизначеності початкових об'єктів системи, помилок вимірювань та інтенсивності зовнішніх збурювань на оптимальний фільтр та оптимальний регулятор в замкненому контурі;

В цілому застосування розроблених законів управління в системі УПЛА на необладнані робочі при площі використанні існуючих зразків РМВ, дозволяє:

- забезпечити рух ЛА по програмній траєкторії посадки до ТПР у самих несприятливих тактичних та метеорологічних умовах із середньоквадратичною помилкою управління (точність якої наближена до точності штатних аеродромів, =10 м при ймовірності виведення в ТПР не менш 0,9), величина якої не перевищує помилок діючих систем УПЛА, тобто забезпечити нормальний захід на посадку ЛА;

- виключити необхідність визначення місцезнаходження запропонованих РМВ, що дозволяє уникнути передачі відповідної інформації на борт ЛА с землі;

- отримати можливість оперативної зміни параметрів програмних траєкторій для забезпечення посадки за оптимальними для заданого типу ЛА;

- використовувати при розробці перспективних систем УПЛА запропоновану структурну схему САУ та структуру БІОС управління ЛА в умовах посадки на необладнані штатними РТЗ робочі площі.

Розроблені закони управління у просторі станів поверхонь положення з вертикальною твірною, які, при подальших наукових дослідженнях в області УПР, можливо застосовувати в системах управління для наведення ОУ та їх автоматичного супроводження;

Мета досліджень щодо розробки нових систем траєкторного управління посадкою ЛА та створення нових законів оптимального управління на основі використання ППВТ досягнута і всі поставлені завдання вирішені повністю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Торопчин Ф.Я. Сучасний стан та перспективи розвитку систем наведення у Повітряних Силах. Аналіз дискретних систем самонаведення винищувачів на надманеврені цілі у просторі станів / Ф.Я. Торопчин, О.А. Коршець, В.В. Поляков // Збірник наукових праць - Х.: ХУ ПС. - 2005. - Вип. 1. - С. 23-26.

2. Баришев І.В. Способи посадки літаків на необладнаний аеродром / І.В. Баришев, В.В. Поляков, О.В. Висоцький // Научно-технический журнал Авиационно-космическая техника и технология - Х.: НАУ „ХАИ”. - 2006. - Вып. 6 (32). - С. 61-66.

3. Баришев І.В. Векторно-матрична форма представлення дискретної моделі системи управління висотою польоту ЛА / І.В. Баришев, В.В. Поляков, О.В. Висоцький // Системи управління, навігації та зв'язку - К.: ЦНДІНУ. - 2007. - Вып. 4. - С. 76-80.

4. Баришев І.В. Математична модель каналу курсу автономної системи траєкторного управління посадкою літаків на необладнані аеродроми / І.В. Баришев, В.В. Поляков, О.В. Висоцький // Системи озброєння і військова техніка - Х.: ХУ ПС. - 2007. - Вип. 4 (12). - С. 61-64.

5. Поляков В.В. Варіант представлення на борту літального апарату злітно-посадочної смуги та світлотехнічного забезпечення автономної системи управління посадкою літаків на необладнані аеродроми / В.В. Поляков // Системи обробки інформації. - Х.: ХУ ПС. - 2008. - Вип. 3 (70). - С. 120-122.

6. Пат. 32957 Україна, МПК В 64 С 13/00. Спосіб автономного формування траєкторії літального апарата при посадці / Баришев І.В., Поляков В.В., Висоцький О.В. та ін., власник Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба - № u200800324, заявл. 09.01.08, опубл. 10.06.08, Бюл. №11.

7. Коршец Е.А. Анализ современного состояния и перспективных направлений развития радиоэлектронных систем самонаведения истребителей / Е.А. Коршец, В.В. Поляков, В.И. Барышев // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні”. - Х.: ХНАУ "ХАІ". - 2005. - С. 312.

8. Поляков В.В. Управління посадкою літаків на аеродроми з імовірною структурою радіолокаційних вимірювачів / В.В. Поляков, О.А. Коршець, О.Г. Лебедєв // Матеріали другої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (лютий 2006). - Х.: ХУ ПС. - 2006. - С. 69-71. літакі навігація транспорт

9. Поляков В.В. Траекторное управление движением летательных аппаратов в пространстве поверхностей положения с вертикальной образующей / В.В. Поляков, Е.А. Коршец, О.В. Висоцкий // Материалы десятого юбилейного международного молодежного форума “РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И МОЛОДЕЖЬ В ХХІ веке”. - Х.: ХНУРЭ. - 2006. - С. 75.

10. Коршец Е.А. Управление летательными аппаратами при движении по программным траекториям / Е.А. Коршец, В.В. Поляков // Материали международной научно-технической конференции „Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006”. - Севастополь: Севастопольский національний технічний університет. - 2006. - С. 42.

11. Коршець О.А. Синтез оптимальних алгоритмів управління для самонаведення винищувачів за заданою траєкторією / О.А. Коршець, В.В. Поляков, О.В. Висоцкий // Матеріали третьої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (березень 2007). - Х.: ХУ ПС. - 2007. - С. 136-137.

12. Висоцкий О.В. Математична модель стохастичної системи управління рухом літального апарату у просторі станів поверхонь положень з вертикальною твірною / О.В. Висоцкий, В.В. Поляков, О.Г. Лебедєв // Матеріали четвертої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (квітень 2008). - Х.: ХУ ПС. - 2007. - С. 63-64.

Размещено на Allbest.ru

...