Фролова Людмила Евгеньевна. Синтез автопилота беспилотного летательного аппарата заданного класса на основе многоуровневой системы критериев оптимальности

Краткое описание

Фролова Людмила Евгеньевна. Синтез автопилота беспилотного летательного аппарата заданного класса на основе многоуровневой системы критериев оптимальности : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.05 / Фролова Людмила Евгеньевна; [Место защиты: Рыбин. гос. авиац.-технол. акад.].- Рыбинск, 2008.- 160 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/769

Государственное образовательное учереждение высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева»
СИНТЕЗ АВТОПИЛОТА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЗАДАННОГО КЛАССА НА ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ КРИТЕРИЕВ ОПТИМАЛЬНОСТИ
Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
На правах рукописи

0420095І УВІ
Фролова Людмила Евгеньевна
Научный руководитель канд. техн. наук, доцент Кизимов А. Т.
Рыбинск - 2008

2
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень сокращений 5
Введение 6
Г лава 1. Обобщенная структура пилотажной системы 10
1.1 Постановка задачи управления беспилотными летательными аппаратами 10
1.2 Общая структура пилотажной системы 12
1.3 Измерение и оценивание параметров движения летательного аппарата 15
1.4 Математические модели основных элементов пилотажной
системы 17
1.4.1 Классическая математическая модель летательного аппарата 17
1.4.1.1 Уравнения пространственного движения 17
1.4.1.2 Вычисление внешних и внутренних сил 20
1.4.1.3 Вычисление аэродинамических моментов 22
1.4.2 Модели датчиков 23
1.4.2.1 Модели датчиков угловых скоростей и линейных ускорений 23
1.4.2.2 Модель баровысотомера 24
1.4.2.3 Датчик углов ориентации 25
1.4.3 Модель исполнительных механизмов 28
Выводы 29
Глава 2. Исследования БПЛА заданного класса как объекта управления 30
2.1 Математические модели беспилотного летательного аппарата 30
2.1.1 Нелинейная математическая модель летательного аппарата 30
2.1.2 Линеаризованная модель летательного аппарата 35
2.2 Анализ структуры каналов летательного аппарата 51

з
2.3 Декомпозиция линеаризованной математической модели 53
летательного аппарата
Выводы 62
Глава 3. Выбор и обоснование оптимальных структур каналов автопилота беспилотного летательного аппарата 64
3.1 Критерии оптимальности 64
3.2 Методика структурно-параметрического синтеза оптимальной пилотажной системы БПЛА 67
3.3 Структурный синтез каналов автопилота беспилотного летательного аппарата 69
3.3.1 Продольный канал 69
3.3.1.1 Управление рулем высоты 69
3.3.1.2 Управление дроссельной заслонкой 83
3.3.2 Боковой канал 88
3.3.2.1 Управление элеронами 88
3.3.2.2 Управление рулем напрвления 92
3.4 Обоснование и выбор оптимальных структур автопилота 100
3.4.1 Управление рулем высоты 100
3.4.2 Управление дроссельной заслонкой 101
3.4.3 Управление элеронами 101
3.4.4 Управление рулем направления 102
3.5 Синтез системы автоматического управления, инвариантной к турбулентной атмосфере 102
Выводы 106
Глава 4. Исследование характеристик контуров управления и стабилизации летательного аппарата 107
4.1 Исследование законов управления БПЛА в среде MATLAB 107
4.1.1 Непрерывные законы управления 107
4.1.1.1 Управление рулем высоты 108

4
4.1.1.2 Управление дроссельной заслонкой 111
4.1.1.3 Управление элеронами 113
4.1.1.4 Управление рулем направления 115
4.1.2 Дискретные законы управления пилотажной системы БПЛА
4.1.2.1 Дискретное управление высотой цу
4.1.2.2 Дискретное управление скоростью ^д
4.1.2.3 Дискретное управление углом крена ^21
4.1.2.4 Дискретное управление направлением движения 123
4.1.3 Учет влияния погрешностей и шумов датчиков ^25
4.1.4 Доработка регуляторов высоты и крена с учётом влияния турбулентности атмосферы. ^26
4.1.4.1 Анализ и доработка регулятора крена ^27
4.1.4.2 Анализ и доработка регулятора высоты по тангажу ^34

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании теоретических исследований построен оптимальный ав¬топилот, обеспечивающий необходимое качество пилотирования в различных условиях полёта и отвечающий требованиям малоразмерной беспилотной авиации.
По результатам выполненных теоретических исследований и прове¬денных экспериментов можно сделать следующие обобщенные выводы:
- линеаризованная модель и передаточные функции, полученные на ос¬нове нелинейной математической модели движения БПЛА с введёнными в вектор состояния траекторными углами атаки, скольжения, крена и вектора скорости ветра, наиболее полно описывают БПЛА как объект управления, так как позволяют учесть влияние ветровых воздействий;
- для обеспечения требуемого качества угловой стабилизации в турбу¬лентной атмосфере к проблеме синтеза автопилота нужно подходить и с точки зрения обеспечения заданных запасов устойчивости, и с точки зрения обеспе¬чения необходимых фильтрующих свойств БПЛА в частотном диапазоне тур¬булентной составляющей атмосферы;
- для отбора структур и параметрической оптимизации каналов авто¬пилота БПЛА необходима многоуровневая система критериев оптимальности, так как система автоматического управления БПЛА должна удовлетворять многим требованиям, часто противоречивым;
- на основе разработанной системы критериев оптимальности и в соот¬ветствии с предложенной методикой выполнен структурно-параметрический синтез каналов автопилота БПЛА заданного класса;
- проведённое компьютерное моделирование и результаты лётных ис¬пытаний малоразмерного БПЛА комплекса «Типчак» подтвердили правиль¬ность и эффективность предложенного подхода к созданию оптимальной пи¬лотажной системы для БПЛА заданного класса.