Метод совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе в режиме посадки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Крееренко, Ольга Дмитриевна

• Крееренко, Ольга Дмитриевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крееренко, Ольга Дмитриевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 ПРОБЛЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПО ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЕ В РЕЖИМЕ ПОСАДКИ.

1.1. Особенности управления торможением ЛА на посадке.

1.2. Математическое описание движения ЛА по ВПП.

1.2.1. Системы координат.

1.2.2. Математические модели движения ЛА по ВПП.

1.3. Методы и средства определения коэффициента сцепления.

1.4. Обзор методов синтеза законов управления для нелинейных моделей объектов управления.

1.5. Проблема совмещенного синтеза законов управления.

1.6. Постановка общей задачи совмещенного синтеза законов управления движением ЛА по ВПП на посадке.

1.7. Выводы по главе.

Глава 2 СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ БАЗОВЫХ ЗАКОНОВ

УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов.

2.2. Синергетический синтез базовых законов управления траекторией движения и торможением ЛА на ВПП.

2.2.1. Математическая модель.

2.2.2. Синтез регуляторов.

2.2.3. Моделирование.•.

2.2.3.1. Ограничение управляющих воздействий.

2.2.3.2. Моделирование при различных параметрах регулятора угла поворота носового колеса.

2.2.3.3. Моделирование при различных отклонениях ЛА от оси ВПП.

2.3. Выводы по главе.

Глава 3 СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ.

3.1. Аналитическое конструирование нелинейных динамических регуляторов с наблюдателями состояния.

3.2. Синтез динамического регулятора с наблюдателем коэффициентов сцепления.

3.2.1. Математическая модель.

3.2.2. Синтез наблюдателей коэффициентов сцепления.

3.2.3. Моделирование.

3.3. Синергетический синтез астатических регуляторов коэффициентов сцепления.

3.3.1. Модель.

3.3.2. Синтез регулятора.

3.3.3. Моделирование.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ ШАССИ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ.

4.1. Постановка задачи идентификации коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения.

4.2. Описание подхода к выбору вида нейросети для решения задачи идентификации.

4.3. Расчетные формулы.

4.4. Алгоритм программы.

4.4.1. Схема и основные элементы алгоритма идентификации.

4.4.2. Параметры интегрирования и параметры настройки нейросетей.

4.4.3. Режимы работы программы.

4.4.4. Использование нескольких образцов исходных данных.

4.4.5. Структура используемых ИНС и результатов идентификации.

4.4.6. Зондирование ИНС - получение табличных зависимостей.

4.5. Исходные данные.

4.6. Результаты идентификации.

4.6.1. Сопоставление результатов оценки сопротивления колес, вызванного слоем осадков, с расчетами по рекомендациям ИКАО ( NPA-14).

4.6.2. Сопоставление результатов идентификации коэффициента торможения с ранее полученными данными и с данными из NPA-14.

4.6.3. Графики результатов повторения экспериментов на математической модели.

4.7. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе в режиме посадки»

Актуальность проблемы.

Повышение безопасности полетов в авиации является важнейшей проблемой разработчиков современных летательных аппаратов (ЛА), эксплуатантов воздушного транспорта и системы организации воздушного движения. Наиболее ответственными этапами полета ЛА являются взлет и посадка. Так, на этапе посадки, продолжительность которого составляет около 4% от общего времени полета, происходит 36% авиапроисшествий, имеющих наиболее тяжелые последствия. Мировая статистика авиационных происшествий на этапе посадки по пассажирским и транспортным самолетам демонстрирует, что большая часть таких происшествий и катастроф происходит при выкатывании самолетов за пределы взлетно-посадочной полосы (ВПП) и столкновении их с наземными объектами. Эти случаи составляют примерно четверть всех инцидентов и аварий на воздушном транспорте и 96% всех событий, произошедших на ВПП, в том числе 80% всех катастроф. На состоявшемся в США 61-м международном семинаре Всемирного фонда безопасности полетов представитель Фонда Эрл Уинер отметил, что с 1995 по 2007 годы произошли 393 происшествия на ВПП (96 процентов из них связано с отклонением воздушных судов при движении по ВПП). Отказные ситуации в авиационных системах, человеческий фактор и внешние воздействия чаще всего приводят к авиационным происшествиям. Указанные причины могут действовать как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

Большинство разрабатываемых и используемых в настоящее время мероприятий по снижению риска выкатываний, относятся к организационным и обучающим.

Одним из основных современных документов, определяющих пути обеспечения безопасности для пилотов, авиакомпаний, разработчиков самолетов, обучающих организаций, в части идентификации, понимания и снижения риска при выкатывании самолетов за пределы ВПП на этапе посадки является рекомендательный циркуляр Федерального Авиационного Агентства США (ЕАА) АС N0:91-79. Данный циркуляр разработан БАА в сотрудничестве с разработчиками и эксплуатантами самолетов и определяет основные ключевые элементы безопасности для предупреждения выкатываний за пределы ВПП:

-обучение, тренировка и тестирование летных экипажей для выполнения процедур на этапе посадки; - правильная идентификация пилотами рисков при выполнении посадки для построения необходимой стратегии с целью снижения опасности при выполнении посадки; -разработка эксплуатантами соответствующих летных процедур и неукоснительное выполнение этих процедур летными экипажами. В соответствии с АС 91-79 следующие факторы повышают риск выкатывания за пределы ВПП:

1. Нестабилизированный заход на посадку перед касанием ВПП;

2. Превышение скорости захода на посадку;

3. Касание ВПП при посадке с запаздыванием;

4. Ошибка пилотами в оценке посадочной дистанции при посадке на мокрую или загрязненную ВПП, или при изменении внешних условий в момент посадки.

Поэтому, как отмечается в ряде исследований, действенным вкладом в решение проблемы будет разработка и внедрение автоматизированных систем автоматического реагирования на потенциальную опасность выкатывания и/или предупреждения экипажа. Оснащение ЛА такой системой обеспечит качественно новый уровень безопасности при посадке и информационной поддержки экипажа, основанный на оценке конкретной ситуации, прогнозе ее развития и формировании необходимых рекомендаций экипажу.

На основании этого можно сделать вывод, что обеспечение безопасности полетов, особенно на этапе торможения на взлетно-посадочной полосе, а также обеспечение минимальной посадочной дистанции и оптимального соотношения режимов торможения и проскальзывания остаются важной и актуальной научно5 технической задачей, требующей решения на современном уровне развития науки об управлении с применением новых перспективных подходов и методов синтеза законов управления.

Изучению процессов управления сложными динамическими системами, какими являются современные летательные аппараты, посвящено большое число работ, результаты которых отражены в ряде изданий [1, 2, 3, 4]. В настоящее время в практическом приложении для синтеза законов управления летательными аппаратами используются, в основном, подходы и методы современной теории управления, применимые для линеаризованных матмоделей летательных аппаратов. Отсутствие применимых на практике методов синтеза законов управления для нелинейных многомерных многосвязных объектов управления затрудняло использование нелинейных моделей, описывающих движение летательного аппарата. Методы синтеза нелинейных регуляторов, имеющиеся на сегодняшний день, в основном представляют собой объемные вычислительные процедуры, применение которых для объектов высокого порядка представляется весьма затруднительным. Вседствие этого в процессе синтеза регуляторов нелинейная модель подвергалась процедуре упрощения посредством линеаризации, а также игнорирования тех нелинейных членов уравнений, влияние которых мало и несущественно. Таким образом, процедура линеаризации приводила к потере некоторых динамических характеристик ЛА, и синтезируемый регулятор не учитывал часть важных динамических свойств летательного аппарата.

Движущийся по ВПП летательный аппарат как объект управления (ОУ) представляет собой многоуровневую нелинейную динамическую систему, включающую подсистемы "самолет-шасси-ВПП". В связи с этим, методы синтеза законов управления, основанные на линейной идеологии классической теории управления, активно применявшиеся до недавнего времени и надежно зарекомендовавшие себя на довольно широком спектре объектов управления, не способны учесть в полной мере естественные свойства рассматриваемого динамического объекта, взаимосвязь и взаимозависимость входящих в него подсистем.

Следствием чего является необходимость применения нового синергети-ческого подхода к синтезу законов управления. Синергетика представляет собой новую прогрессивную интегральную науку. Объектом изучения синергетики являются нелинейные динамические системы, точнее, процессы самоорганизации, протекающие в таких системах, а также процессы когерентного поведения. Причем, природа изучаемых нелинейных динамических систем может быть самой различной. В работах [1, 5, 6] предложены методы синергетической теории управления, в основу которых положен принцип целевой или, так называемой, направленной самоорганизации. В процессе управления, основанном на синер-гетическом подходе, непредсказуемое поведение системы по алгоритму диссипа-тивной структуры преобразуется в направленное движение сначала к некоторому желаемому инварианту в пространстве состояний системы, затем вдоль этого инварианта. Аттракторы (их еще называют синергиями) представляют собой некоторые притягивающие множества в пространстве состояний системы, к которым устремляются все фазовые траектории изображающей точки (ИТ). Согласование естественных свойств управляемых процессов, а также требований задачи управления самым лучшим образом происходит на аттракторах. Управление, основанное на синергетическом подходе, сводится к тому, что все фазовые траектории замкнутой системы «объект управления-регулятор» устремляются к образовавшимся в пространстве состояний объектов управления искусственным аттракторам или синергиям. Синергетический подход в теории управления привел к появлению принципиально новых методов синтеза автоматических законов управления, позволяющих получать алгоритмы управления для нелинейных динамических систем различной природы [1, 5, 7]. Такие динамические свойства летательного аппарата как нелинейность, многомерность и многосвязность могут быть учтены в полном объеме и всесторонне на основе синергетической концепции управления [1].

Одним из наиболее перспективных методов синергетического синтеза является метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов

АКАР), активно разрабатываемый и развиваемый профессором 7

A.A. Колесниковым и возглавляемой им научной школой, доказавший свою эффективную работоспособность на целом ряде нелинейных объектов управления различной природы [1].

Для синтеза алгоритмов функционирования систем управления летательными аппаратами при движении по ВПП на посадке в диссертационной работе предлагается метод совмещенного синтеза законов управления движением JIA.

Проблема совмещенного синтеза автопилотов рассматривалась многими выдающимися учёными, которые внесли огромный вклад в её решение [2, 8, 9, 10]. Под синтезом управлений в реальном времени, или «совмещенным синтезом», обычно понимают основанный на оптимизации синтез регуляторов или алгоритмов управления, который осуществляется практически одновременно с формированием самих управляющих воздействий [8]. В справочнике по теории автоматического управления [2] A.A. Красовский отмечал, что на базе ЭВМ (электронно-вычислительной машины) можно создать управляющую систему, осуществляющую синтез оптимальных управлений и само управление практически одновременно в процессе функционирования объекта (совмещенный синтез управления). A.A. Красовским разработаны пять вариантов алгоритмов управлений с прогнозирующей моделью, оптимальных в смысле минимума функционала обобщенной работы (ФОР). Труды В.Н. Букова демонстрируют эффективное применение метода совмещенного синтеза для формирования облика многопараметрических адаптивных оптимальных систем управления JTA. На сегодняшний день этот подход является решающим в главной проблеме современной теории автоматического управления (СТАУ) - оптимизации управления «в большом» с достижением наилучшего конечного результата.

В качестве метода идентификации ненаблюдаемых переменных предлагается метод синтеза асимптотических наблюдателей. Асимптотический наблюдатель предназначен для оценки внешнего неизмеряемого возмущения - изменения коэффициента сцепления пневматиков тормозных колес с контактной поверхностью - по имеющейся априорной информации об объекте управления, а также путем обработки текущей информации - вектора состояния объекта управления.

Для идентификации параметров математической модели шасси летательного аппарата (коэффициента сопротивления качению и коэффициента сцепления между контактными поверхностями ВПП и колес шасси) разработана процедура идентификации, основанная на искусственных нейронных сетях (ИНС). Идентификация параметров на основе ИНС включает два этапа:

1) обучение нейросетей на основе предварительных результатов летных испытаний ЛА;

2) функционирование нейросетей в режиме моделирования, т.е. восстановления коэффициентов сцепления по информации о векторе состояния ОУ. Информация о состоянии поверхности ВПП, полученная в результате идентификации с использованием исскуственных нейронных сетей (семейство кривых трения (см. Главу 4)), наряду с информацией, полученной из других источников (визуальный контроль наземными службами, замеры коэффициента сцепления специальными средствами, оценка летчиками состояния ВПП) предназначена для предварительной настройки асимптотического наблюдателя.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода совмещенного синтеза законов управления движением летательных аппаратов по взлетно-посадочной полосе на этапе торможения на основе синергетического подхода.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью предполагается проведение следующих исследований, направленных на решение прикладных задач совмещенного синтеза систем управления ЛА:

1. Формирование нелинейной математической модели движения ЛА по ВПП: модели собственно летательного аппарата, модели сил и моментов от шасси, модели тормозных колес, модели трения (зависимости коэффициента сцепления колес шасси с поверхностью ВПП от проскальзывания).

2. Разработка процедуры синергетического синтеза базовых законов векторного управления для модели ЛА, движущегося по ВПП в режиме посадки:

- регуляторов торможения (проскальзывания) для тормозных колес шасси;

- закона управления траекторией движения ЛА по ВПП.

3. Разработка процедуры синергетического синтеза законов управления движением JIA по ВПП в процессе торможения с асимптотическими наблюдателями состояния контактной поверхности (коэффициента сцепления).

4. Разработка процедуры синергетического синтеза астатических законов управления торможением JIA на ВПП, компенсирующих внешнее неизме-ряемое воздействие.

5. Разработка процедуры идентификации коэффициентов математической модели шасси на основе нейронных сетей.

6. Компьютерное моделирование: разработка алгоритмов и програмнного комплекса для синтеза нелинейных систем управления торможением самолета на посадке, а также исследования динамических свойств синтезированных систем; разработка программного обеспечения для реализации прикладной задачи идентификации с использованием искусственных нейронных сетей с учетом параметров конкретного объекта управления.

Методы исследования. В диссертационном исследовании для решения поставленных задач использовались методы механики твердого тела, нелинейной динамики, синергетической теории управления, динамики полета летательных аппаратов, теории дифференциальных уравнений, аэромеханики и методы математического моделирования динамических систем. Синтез нелинейных систем управления торможением самолета на посадке в условиях неопределенности состояния взлетно-посадочной полосы осуществлялся в пакете прикладных программ Maple, исследование динамических свойств синтезированных систем - в компьютерной среде моделирования MATLAB/Simulink.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Основное содержание диссертации изложено на 169 страницах, содержит 124 рисунка и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Крееренко, Ольга Дмитриевна

4.7. Выводы по главе

1. Сформулирована постановка задачи идентификации коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения; дано обоснование выбора ней-росети для решения задачи идентификации, позволившие приступить к разработке алгоритма идентификации, основаного на применении ИНС.

2. Разработан алгоритм идентификации, алгоритм управления режимами работы программы для полного или частичного обучения ИНС (когда одна из ИНС обучается, а другая заморожена), выработана последовательность подстановки образцов исходных данных (для сухой, покрытой уплотненным снегом и покрытой слякотью ВПП) в программу для обучения ИНС, что явилось предпосылкой для создания програмного комплекса в среде Ма^аЬ^тиНпк.

3. Выполнено сопоставление полученных результатов с расчетами по рекомендациям нормативных документов (ИРА-14), проведено компьютерное моделирование процессов интенсивного и импульсного торможений с целью повторения летных экспериментов на математической модели для различных состояний поверхности ВПП. Установленные при идентификации функциональные зависимости обеспечивают приемлемую сходимость результатов математического моделирования с данными из летных испытаний (графики черного и красного цвета на рис. 4.20-4.30).

4. Разработанный алгоритм и программный комплекс для идентификации коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения на базе искусственных нейронных сетей позволил исключить из программы сертификационных летных испытаний самолетов на загрязненных или покрытых осадками ВПП отказные ситуации для систем ЛА, представляющие повышенную сложность и опасность для экипажа, и заменить их математическим моделированием. Например, испытания на покрытой слякотью взлетно-посадочной полосе с отказавшим двигателем или с предельным боковым ветром, которые включены в нормативные документы и являются обязательными для сертификации ЛА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрен синергетический подход к проблеме совмещенного синтеза законов управления движением летательного аппарата с текущей идентификацией его параметров, в частности при движении ЛА по ВПП на этапе торможения. Конкретные результаты диссертации состоят в следующем:

- разработан синергетический метод синтеза базовых законов векторного управления для модели ЛА, движущегося по ВПП: регуляторов торможения (проскальзывания) для тормозных колес шасси, а также закона управления траекторией движения ЛА по ВПП, позволяющие улучшить стратегию поведения ЛА на ВПП и решать задачу управления комплексно;

- разработана процедура синергетического синтеза законов управления движением ЛА по ВПП в процессе торможения с асимптотическими наблюдателями состояния контактной поверхности (коэффициента сцепления), позволяющая стабилизировать значение проскальзывания вне зависимости от состояния ВПП, обеспечить плавные режимы регулирования и уменьшить износ исполнительных механизмов системы торможения, в отличие от существующих систем антиюзовой автоматики (импульсной, квазимодулирующей и полностью модулирующей), работающих циклично;

- разработана процедура синергетического синтеза астатических законов управления торможением ЛА на ВПП, также позволяющая стабилизировать значение проскальзывания и компенсировать внешние неизмеряемые возмущения;

- разработана процедура идентификации коэффициента сопротивления качению и коэффициента торможения математической модели шасси самолета при различных состояниях поверхности ВПП на основе искусственных нейронных сетей, которая, помимо получения зависимостей коэффициента сцепления, необходимых для предварительной настройки наблюдателя, позволяет заменить математическим моделированиеми часть сертификационных летных испытаний самолета Бе-200ЧС-Е на покрытой слякотью ВПП, представляющих повышенную сложность и опасность для экипажа.

Полученные результаты создали теоретическую и методологическую основу для нового поколения систем управления летательных аппаратов при движении по ВПП на этапе посадки в режиме торможения, формирующих эффективную динамику торможения ЛА в зависимости от заданных режимов скольжения и воздействий внешней среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крееренко, Ольга Дмитриевна, 2012 год

1. Колесников A.A. Синергетическая теория управления. М.: Энергоатомиз-дат, 1994.-344 с.

2. Справочник по теории автоматического управления./ Под ред. A.A. Кра-совского. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 711с.

3. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969.-408с.

4. Теория систем автоматического управления./ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов.- Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб, Изд-во «Профессия», 2003. - 752с.

5. Современная прикладная теория управления. Ч. II: Синергетический подход в теории управления / Под. ред. A.A. Колесникова. Москва-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

6. Современная прикладная теория управления. Ч. III: Новые классы регуляторов технических систем / Под. ред. A.A. Колесникова. Москва-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

7. Современная прикладная теория управления. Ч. I: Оптимизационный подход в теории управления / Под. ред. A.A. Колесникова. Москва-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

8. Основы теории управления : учеб. пособие /Ю.Ю. Громов, В.О. Драчёв, О.Г. Иванова, Ю.С. Сербулов, К.А. Набатов. Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - 240 с.

9. Теория автоматического управления (аналитические методы) Подчукаев В.А. -М.: Физматлит, 2004. -392 с.

10. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 232 с.

11. Колесников A.A., Кобзев В.А. Динамика полета и управление: синергетический подход. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.

12. Бочкарев А.Ф. Андреевский В.В. Аэромеханика самолета М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.13