Методы синергетического синтеза иерархических систем балансировки «летающих платформ»

На правах рукописи Воронков Олег Юрьевич МЕТОДЫ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ БАЛАНСИРОВКИ «ЛЕТАЮЩИХ ПЛАТФОРМ» Специальность 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка информации» (вычислительная техника и информатика) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Таганрог, 2011 г. Работа выполнена на кафедре синергетики и процессов управления Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ) Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.А. Колесников Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор И.М. Першин Пятигорский государственный технологический университет, г. Пятигорск доктор технических наук, профессор С.В. Соколов Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону Ведущая организация: ОАО «Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева» Защита диссертации состоится 24 ноября 2011 г. в 16 час. 10 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 в ТТИ ЮФУ по адресу: 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮФУ. Автореферат разослан 13 октября 2011 г. Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор А.Н. Целых ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В течение последних десятилетий перед конструкторами летательных аппаратов (ЛА), равно как перед создателями подводных, наземных и прочих видов транспорта, стоит серьёзная задача, связанная с необходимостью синтеза автопилотов для различных режимов работы машин. Автопилоты представляют собой векторные регуляторы, предназначенные для многоканального автоматического управления движущимся аппаратом без участия человека. Особенно сложными представляются случаи, когда в роли объекта управления выступает аппарат нетрадиционной компоновки. Так, в сфере авиационных ЛА в последние годы идёт интенсивное освоение новых аэродинамических схем, имеющих отличное от общепринятого расположение аэродинамических поверхностей или их полное отсутствие, нестандартное размещение движителей, новые типы таковых. Сложность подобных проектов состоит в том, что существующие наработки по аппаратам классических компоновок малопригодны для анализа динамики новых типов ЛА, формирования математических моделей их пространственного движения, а значит, и синтеза управляющих алгоритмов. Более того, за счёт применения нестандартных схем могут появляться новые режимы работы, недоступные объектам классических типов компоновки – например, режимы вертикального движения и висения у вертикально взлетающих ЛА. Следовательно, в рамках решения вопроса управления аппаратами новых аэродинамических схем, в первую очередь, требуется создание новых математических моделей функционирования таких объектов в интересующих режимах. Проблема синтеза векторных автопилотов для авиационных ЛА рассматривалась многими выдающимися учёными, которые внесли огромный вклад в её решение. Научной школой А.А. Красовского был развит метод аналитического конструирования автопилотов для разных классов летательных аппаратов с применением функционала обобщённой работы. Труды В.Н. Букова демонстрируют эффективное применение данного метода в сочетании с прогнозирующей моделью процесса управления. В последние годы в работах И.В. Мирошника, В.О. Никифорова, А.Л. Фрадкова были предложены подходы к адаптивному управлению пространственным движением. Требования к динамическим свойствам авиационных объектов непрерывно возрастают: области применения различных ЛА очень широки, и часто приходится эксплуатировать эти машины в режимах, близких к критическим. Если вести речь о компактных вертикально взлетающих аппаратах нестандартных схем, предназначенных для военных целей, ликвидации последствий техногенных катастроф, эвакуации пострадавших, такими режимами могут быть: маневрирование на сверхмалой высоте в условиях сложного рельефа местности; зависание на строго заданной высоте и сохранение горизонтального положения при постоянно смещающемся центре тяжести ввиду перемещения людей и грузов в кабине; проникновение в узкие пространства, посадка и взлёт внутри таковых. При этом на объект могут действовать значительные ветровые возмущения. Целью работы является разработка синергетического метода, предназначенного для аналитического синтеза законов векторного управления ЛА нестандартной схемы «летающая платформа» (ЛП) с целью балансировки его пространственного положения, то есть устранения крена в ту или иную сторону вне зависимости от смещений центра тяжести аппарата, а также ветровых возмущений. Направление исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи: Формирование математических моделей ЛА типа ЛП в режиме вертикального движения (верхний уровень иерархии), а также его исполнительных органов (нижний уровень иерархии) и уравнений связи между верхним и нижним уровнями (средний уровень иерархии) с целью получения иерархической системы управления ЛП в выбранном режиме полёта. Разработка метода синергетического синтеза общих законов векторного управления аппаратом в выбранном режиме (законов верхнего уровня). Разработка метода синергетического синтеза частных законов координирующего управления силовыми установками, получающими энергию от источника ограниченной мощности (законов нижнего уровня). Разработка процедуры синтеза законов иерархического управления аппаратом в выбранном режиме с динамическими наблюдателями внешних возмущений. Разработка процедуры синтеза астатических законов иерархического управления аппаратом в выбранном режиме. Компьютерное моделирование динамики синтезированной иерархической системы управления с учётом параметров конкретных технических объектов. Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы динамики твёрдого тела, аэродинамики, современной нелинейной динамики, синергетической теории управления, методы формализации моделей механики, положения теории дифференциальных уравнений и методы математического моделирования динамических систем. Исследования динамических свойств синтезированных систем управления осуществлялись в пакете прикладных программ MatLab 7.0.1. Обоснованность научных положений и достоверность результатов исследований подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований и компьютерного моделирования полученных замкнутых систем управления движением ЛП. Научная новизна результатов диссертации. Использование особенностей и подходов синергетической теории управления для синтеза стратегий управления нелинейной динамикой ЛА нестандартной аэродинамической схемы в интересующих режимах, а также нелинейной динамикой его исполнительных механизмов приведёт к появлению принципиально нового поколения регуляторов, пригодных для перспективных типов ЛА. Характерными чертами таких регуляторов будут: учёт естественных свойств управляемых процессов, в том числе нелинейностей; адаптивность к изменению внутренних параметров и действию внешних возмущений; гибкость и оперативная перенастройка при изменении приоритетов поведения; асимптотическая устойчивость движения в целом, а значит, эффективность в экстремальных режимах функционирования. На защиту выносятся следующие научные положения: Структура иерархической системы управления: нелинейные математические модели ЛА типа ЛП в режиме вертикального движения (верхний уровень иерархии) и его исполнительных органов (нижний уровень иерархии), а также уравнения связи между ними (средний уровень иерархии); Процедура синергетического синтеза алгоритмов управления динамикой ЛП в режиме вертикального движения, а также динамикой её исполнительных механизмов; Процедура синергетического синтеза алгоритмов управления динамикой ЛП с асимптотическим наблюдателем внешних гармонических возмущений; Процедура синергетического синтеза астатических алгоритмов управления динамикой ЛП. Практическая ценность работы. Результаты исследований, выполненных в диссертации, позволят создавать новые классы ЛА нетрадиционных аэродинамических схем и оснащать их эффективными автопилотами, которые обеспечат асимптотическую устойчивость, грубость переходных процессов, инвариантность к внешним возмущениям. Реализация результатов работы. Полученные в диссертации научные и прикладные результаты нашли применение в Городской общественной организации Благотворительном обществе научно-технического творчества и экологии «Ювенал» г. Таганрога при разработке нового класса лёгких многорежимных ЛА вертикального взлёта и посадки, а также в учебной программе кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского технологического института Южного федерального университета (ТТИ ЮФУ). Апробация работы. Научные и прикладные результаты диссертационной работы демонстрировались на: 54-ой (2007 г.) и 56-ой (2009 г.) научно-технических конференциях ТТИ ЮФУ; научных семинарах кафедры синергетики и процессов управления ТТИ ЮФУ; Международных автосалонах «Автоформула – 2007» и «Автоформула – 2008»; VII межрегиональном экономическом форуме «Малый бизнес: инновации и развитие» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); Форуме молодых инженеров и учёных Дона (Ростов-на-Дону, 2009 г.); Московском открытом конкурсе по изобретательству среди молодёжи (второе место); Всероссийской выставке «Научно-техническое творчество молодёжи – 2009»; X Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»; Международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям AIS’2010; 6-ой научной конференции «Управление и информационные технологии – 2010»; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (КомТех – 2011); 4-ой международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика – 2011». Публикации. Всего соискателем по теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 143 страницах, содержит 78 рисунков и 9 таблиц. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определена научная проблематика работы, обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи работы. В первой главе анализируются проблемы создания ЛА типа ЛП. Осуществляется анализ мировой обстановки на предмет всё возрастающей опасности техногенных катастроф и частой неспособности традиционных средств нейтрализовать последствия бедствий; приводятся аргументы в пользу проведения комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектировке новых аппаратов такого типа. Даётся описание прототипов, созданных в мире на сегодняшний момент, и анализируются их недостатки, после чего излагается общее описание предлагаемого вертикально взлетающего аппарата «Аэромобиль» нестандартной аэродинамической схемы (рис. 1). Рис. 1. Общий вид «Аэромобиля» В обзоре методов управления ЛА рассматриваются существующие на сегодня подходы теории управления, использовавшиеся для проектировки систем управления ЛА, и анализируются их слабые стороны. Отмечено, что одной из ключевых тенденций в управлении сложными динамическими системами, в том числе и ЛА, является использование принципов синергетической теории управления (СТУ) и метода аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР), развиваемых в ТТИ ЮФУ на кафедре синергетики и процессов управления. Представлены основные положения СТУ и АКАР, используемых в дальнейшем для решения поставленных задач управления. Отдельно даётся описание подхода к построению асимптотического наблюдателя координат состояния системы и видов декомпозиции процессов управления; приводится структура иерархической системы управления (рис. 2). Рис. 2. Функциональная декомпозиция задачи синтеза (иерархическое управление) Во второй главе излагается математический аппарат, требующийся для выполнения аналитического синтеза управляющий алгоритмов. Описываются системы координат, в которых допустимо рассматривать динамику тела в воздушной среде; иллюстрируется процесс формирования базовой нелинейной математической модели пространственного движения ЛА; эта модель преобразуется так, чтобы соответствовать физическим свойствам «Аэромобиля». Далее приводятся нелинейные математические модели «Аэромобиля» в режиме вертикального движения (верхний уровень иерархии) и системы синхронизации его силовых установок (нижний уровень иерархии), включённые в иерархическую систему управления. Модель верхнего уровня иерархии представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений шестого порядка: (1) Здесь – сумма сил, создаваемых двигателями по вертикальной оси, – сумма моментов, создаваемых двигателями относительно продольной оси, – сумма моментов, создаваемых двигателями относительно боковой оси, – вертикальная скорость, – угловая скорость относительно продольной оси, – угловая скорость относительно боковой оси, – высота полёта, – угол крена, – угол тангажа, – масса аппарата, – момент инерции аппарата относительно продольной оси, – момент инерции аппарата относительно боковой оси, – ускорение свободного падения, – аэродинамические коэффициенты сопротивления. Модель нижнего уровня иерархии является системой нелинейных дифференциальных уравнений шестнадцатого порядка: (2) Здесь – проекция напряжения статора -го двигателя на ось абсцисс, – проекция напряжения статора -го двигателя на ось ординат, – угловая скорость ротора -го двигателя, – потокосцепление ротора -го двигателя, – проекция тока статора -го двигателя на ось абсцисс, – проекция тока статора -го двигателя на ось ординат, – сопротивление обмотки статора, – сопротивление обмотки ротора, – индуктивность обмотки статора, – индуктивность обмотки ротора, – взаимная индуктивность, – число фаз статора, – число пар полюсов, – момент инерции ротора, – момент сопротивления на валу -го двигателя, – выходное напряжение источника энергии, – выходное напряжение источника энергии в точке холостого хода, – внутреннее активное сопротивление источника энергии, – ток нагрузки. В третьей главе на основе положений СТУ и метода АКАР формируется метод синергетического синтеза управляющих воздействий для случая отсутствия ветровых возмущений.

Похожие:

	Рабочая программа по дисциплине дс системный анализ в таможенном деле (практикум) Охватывает широкий спектр разнородных проблем – от анализа экономической ситуации до разработки методик и моделей синтеза социально-экономических...		Реферат по математике. На тему: «основные методы решения систем уравнений с двумя переменными» I: методы решения систем линейных уравнений стр. 3-7
	Тема: Старые методы для решения новых систем уравнений Тип урока Изучить методы решения систем уравнений, одно из которых является уравнение i-ой степени, а другое ii-ой степени		C остояние и проблемы использования информационных систем субъектами хозяйственной деятельности При этом важно определить эффективность информационных систем и их компонент. Необходимо выделить набор соответствующих критериев,...
	Нефтепродуктами с плавучих сооружений, морских ледостойких стационарных... Сдп. Все более широкий спектр судов оснащаются сдп: от пассажирских, транспортно-буксирных судов до плавучих буровых и нефтегазодобывающих...		Методы анализа и синтеза проектных решений Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Реферат з курсу “Введение в численные методы” Тема: “прямые методы... Наиболее распространенными методами применительно к большим системам являются итерационные методы, использующие разложение матрицы...		Ульяновский государственный технический университет «Программная инженерия» магистерская программа «Методы и средства разработки программных систем» на кафедре «Информационные системы»...
	Проблемы исследования институциональной конкурентоспособности иерархических и сетевых структур		Методика синтеза адаптивных распределенных систем управления температурными... Специальность: 05. 13. 01 – Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)
	Вильсон А. Дж. Энтропийные методы моделирования сложных систем Полученные модели относятся к классу поведенческих и могут использоваться при решении задач управления, диагностирования качественных...		Ii международная заочная научно-практическая конференция «Современное... Концепции современного естествознания являются основополагающей естественно-научной дисциплиной при подготовке экономистов, юристов,...
	История компании Primavera Базовая настройка Oracle Primavera P6 Professional и иерархических структур (eps, obs и других справочников)		Рабочая программа учебного предмета: «Информатика и икт» Системный анализ – это целенаправленная творческая деятельность человека, на основе которой обеспечивается представление объекта...
	Рабочая программа учебного предмета: «Информатика и икт» Системный анализ – это целенаправленная творческая деятельность человека, на основе которой обеспечивается представление объекта...		Российской Федерации Самарский государственный архитектурно-строительный... Информационные системы” являются информационные системы и сети, их математическое, информационное и программное обеспечение, способы...