Національний авіаційний університет
Національний авіаційний університет
Краснопольський Андрій Олександрович
УДК 629.7.05
АНАЛІЗ ТА СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ ЗАХОДОМ НА ПОСАДКУ ЛІТАКІВ ЦИВІЛЬНОЇ АВІАЦІЇ НА ОСНОВІ СУЧАСНОЇ НЕСТАЦІОНАРНОЇ ТЕОРІЇ КЕРУВАННЯ
05.07.09 - Динаміка, балістика та керування рухом літальних апаратів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Шевельов Анатолій Григорович – Національний авіаційний університет, професор кафедри комп’ютеризованих систем управління
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тунік Анатолій Азарійович – Національний авіаційний університет, професор кафедри системи управління
кандидат технічних наук Мелєшев Альберт Михайлович – Міжнародний науково-навчальний центр ЮНЕСКО інформаційних технологій і систем НАН України Міністерства освіти і науки України, старший науковий співробітник
Провідна установа: Авіаційний науково технічний комплекс “АНТОНОВ”, Міністерство промислової політики України, м. Київ
захист відбудеться 18 грудня 2003р. о 15 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 у Національному авіаційному університеті, за адресою, 03058, м. Київ, пр. Космонавта Комарова, 1, корп. 9, ауд. 201.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університетуза адресою: 03058, м. Київ, пр. Космонавта Комарова, 1.
Автореферат розісланий 31 жовтня 2003р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Жданов О.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дослідження характеристик стійкості і керованості руху повітряного судна, а також стійкості і якості автоматичного керування за допомогою бортової системи автоматичного керування на несталих етапах руху виявляється складним. Це пояснюється тим, що не була повною мірою розроблена теорія нестаціонарних динамічних систем, що володіє порівняно простими і досить ефективними методами дослідження, які дозволяють однозначно оцінити не тільки стійкість і якість нестаціонарної системи автоматичного керування по розробленим для цього критеріям, але й границі зміни параметрів обчислювально-управляючої системи.
Тому для керування рухом повітряних суден, доцільна постановка задачі керування як нестаціонарної. Застосування нових аналітичних методів рішення таких задач, поряд з вибором ефективних структур замкнутої системи, розширяє можливості відшукання регуляторів, що дозволяють підвищити якість руху замкнутої системи.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є застосування методів аналізу (стійкості та якості) сучасної нестаціонарної теорії керування до систем автоматичного заходу на посадку ПС за допомогою радіотехнічної системи посадки типу СП/ILS. Аналіз необхідно провести при визначенні структур таких систем, що мають місцеві зворотні зв’язки, які відповідають відомим структурам систем автоматичного керування М.В. Меєрова, але розвиненими на нестаціонарний випадок. Для вирішення цієї задачі необхідно одержати такі значення параметрів системи траєкторного керування, які в процесі руху забезпечать необхідну якість автоматичного керування. При цьому потрібно вирішити наступні задачі:
-
одержати лінеаризовані нестаціонарні диференціальні рівняння динаміки несталого руху повітряного судна;
-
перейти до зображень оригіналів лінеаризованих нестаціонарних диференціальних рівнянь динаміки несталого руху за допомогою параметричного перетворення Лапласа зміщених функцій;
-
оцінити стійкість несталого руху на підставі параметричного критерію стійкості нестаціонарних систем та визначити припустимі границі зміни параметрів системи траєкторного керування, що забезпечують стійкість керування несталим рухом;
-
визначити показники для оцінки якості автоматичного керування несталим рухом, на підставі методів оцінки показників якості нестаціонарних систем та визначити припустимі границі зміни параметрів системи траєкторного керування, що забезпечать якість керування несталим рухом;
-
провести синтез структури нестаціонарної системи автома-тичного керування, виходячи з критерію заданої якості перехідного процесу;
-
провести математичне моделювання, використовуючи повну нелінійну модель заходу на посадку – несталого режиму руху повітряного судна, з метою підтвердження аналітично одержаних результатів.
Об'єкт дослідження – несталий режим руху повітряного судна.
Предмет дослідження – автоматичне керування несталим режимом руху повітряного судна.
Методи дослідження. Для оцінки стійкості автоматично керованого руху ПС при заході на посадку, а також для визначення припустимих границь зміни параметрів нестаціонарної системи автоматичного керування, застосований спеціально розроблений для нестаціонарних систем параметричний критерій стійкості типу Гурвіца. Для визначення показників якості автоматичного керування застосований метод оцінки зверху показників якості перехідних процесів нестаціонарних систем автоматичного керування. Ці методи розроблені А.Г. Шевельовим у рамках створеної ним же теорії нестаціонарних безперервних і дискретних систем автоматичного керування. В основу розробки методу синтезу нестаціонарних систем, покладений метод, запропонований М. В. Меєровим для стаціонарних систем, що допускають великий коефіцієнт підсилення без порушення стійкості, на основі методів стаціонарної теорії, але розвинений автором дисертації на нестаціонарні системи керування рухом літака цивільної авіації.
Наукова новизна. У даній дисертаційній роботі вперше застосована сучасна теорія нестаціонарних лінійних динамічних об'єктів до автоматизації заходу літака на посадку. На підставі застосування нестаціонарної теорії одержані наступні результати:
-
вперше, при застосуванні параметричного критерію стійкості, а також критерію за показниками якості перехідного процесу нестаціонарної системи, були одержані області допустимих значень параметрів системи траєкторного керування, вибір яких гарантовано забезпечить якість автоматичного керування траєкторним рухом повітряного судна в режимі заходу на посадку в бічній і подовжній площині;
-
узагальнено метод синтезу структур стаціонарних систем автоматичного керування з великим коефіцієнтом підсилення, запропонований М.В. Меєровим за методами стаціонарної теорії, на основі якого розроблено метод синтезу структур нестаціонарних систем автоматичного керування за методами нестаціонарної теорії, завдяки чому одержані структурні схеми нестаціонарної системи автоматичного керування заходом літака на посадку, що дозволяють виконати якісне автоматичне керування посадкою не змінюючи коефіцієнти підсилення в блоках формування заданих величин системи траєкторного керування як це робиться зараз, і зберігаючи їх оптимальними, виходячи із заданого перехідного процесу.
Практичне значення одержаних результатів. Практичне застосування одержаних результатів полягає в тому, що використання методів аналізу та синтезу нестаціонарних систем автоматичного керування, які базуються на параметричному перетворенні Лапласа для системи автоматичного заходу на посадку при виборі її структури, що містить місцеві зворотні зв’язки, дозволяє збільшити якість стабілізації літака на заданій траєкторії. Розроблені методика структурного синтезу і розрахунку нестаціонарних систем автоматичного керування та алгоритм числового розв’язку отриманих нестаціонарних рівнянь збуреного руху літака при автоматичному заході на посадку можуть бути використані при розробці нових законів автоматичного керування. Отримані числові результати досліджень можуть бути використані при розробці алгоритмів для нових бортових цифрових комплексів керування. Також не виключена можливість модернізації аналогових комплексів тих літаків, що експлуатуються на сьогоднішній день.
Особистий внесок здобувача. В роботі [5] проведена лінеаризація вихідних нелінійних рівнянь динаміки автоматично керованого несталого руху літака в зоні випромінювання глісадного радіомаяка, та визначені області зміни параметрів системи керування на основі проведеного аналізу стійкості та якості автоматичного керування нестаціонарною системою заходом на посадку.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були оприлюднені на І-й і ІІІ-й міжнародних науково-технічних конференціях АВІА-2000 і АВІА-2001, які проходили в м. Києві.
Публікації. Результати даної дисертаційної роботи опубліковані в 6 статтях, 4 з них у фахових виданнях, в 1 доповіді та в 1 тезі доповіді.
Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 53 найменування та 5 додатків. Робота містить 162 сторінки комп’ютерного тексту, 85 рисунків 73 з яких розміщені в додатках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтована актуальність задачі аналізу та синтезу нестаціонарних систем автоматичного керування повітряними суднами незбурений стан яких – несталий, задачі про розробку методики підвищення якості автоматичного керування нестаціонарним режимом руху, шляхом структурного та параметричного синтезу штатних систем траєкторного керування. Сформульовано мету дисертаційної роботи, описані методи дослідження, відзначена новизна розробленої методики й отриманих з її допомогою результатів дослідження якості керування синтезованих систем автоматичного заходу на посадку по ІІ категорії ІКАО.
У першому розділі проводиться огляд відомих робіт щодо шляхів та методів автоматизації нестаціонарних режимів руху повітряних суден. Викладені відомості про розвиток теоретичної бази щодо аналізу нестаціонарних систем автоматичного керування. Показано, що нестаціонарна теорія є більш загальною ніж класична лінійна (стаціонарна), яка в свою чергу є частковим випадком по відношенню до першої. Основним базовим елементом сучасної нестаціонарної теорії являється інтегральне параметричне перетворення Лапласа, наступного вигляду
. (1)
де інтегрування ведеться по - момент подачі в систему вхідного впливу, t - параметр – загальний час роботи системи з моменту її включення,.
Зображення за Лапласом (1) зміщеного [3;4] диференціального рівняння представляє собою алгебраїчне рівняння комплексної змінної s, у яке як параметр входить дійсна змінна t:
або
,
де Y(t;s) – зображення вихідної функції y(t;-), F(t;s) – зображення вхідної функції f(t;-), K(t;s) – зображення початкових значень y(t;-) і її похідних при t=, – лінійний оператор, – знак операторного добутку, застосований для позначення добутку параметричних операторів A(t;s) і B(t;s) як математичної операції наступного вигляду:
Операторний добуток є асоціативним, дистрибутивним, але, у загальному випадку, не комутативним.
Параметрична комплексна функція A(t;s) названа формальною характеристичною функцією, а при рівності нулю формальним характеристичним рівнянням, що виходить на основі формального застосування перетворення Лапласа (1).
У розділі показано, як по формальному характеристичному рівнянню може бути оцінена стійкість та проаналізована якість всіх можливих перехідних процесів в нестаціонарній системі.
Зроблено висновок щодо можливості використання сучасної лінійної нестаціонарної теорії керування до автоматизації нестаціонарних режимів руху повітряних суден.
Другий розділ присвячено розробці методики синтезу структури нестаціонарної автоматичної системи керування заходом на посадку на прикладі відомої системи траєкторного керування СТУ-154.
Для бічного та подовжнього каналів отримані рівняння збуреного руху, що характеризують незбурений стан польоту літака при заході на посадку. За системами параметричних рівнянь динаміки збуреного руху повітряного судна у відхиленнях в зображеннях за Лапласом (1), отримані структурні схеми нестаціонарної системи автоматичного керування рухом літака при заході на посадку, окремо для бічного і подовжнього каналу.
У розділі указано про те, що мається можливість прикладними методами змінити структуру системи так, щоб вона, знову отримана, допускала можливість збільшувати коефіцієнт підсилення без порушення стійкості.
Позначаючи степінь полінома знаменника передаточної функції ланки, що охоплюється через n, а степеня поліномів чисельника і знаменника передаточної функції корегуючого пристрою – відповідно через n1 і n2 одержано
2+n1-n2n (2)
Умову (2) названо умовою Меєрова, це необхідна, але не достатня умова стійкості системи. Для того щоб система допускала великий коефіцієнт підсилення і при цьому залишалася стійкою, необхідно і достатньо, щоб вироджене рівняння, яке виходить із характеристичного рівняння замкнутої системи задовольняло умовам стійкості та виконувалась умова (2). В розділі доведено, що ті ж самі умови повинні виконуватись і для нестаціонарних систем, також наведено доказ для оцінки стійкості зміщеного параметричного виродженого рівняння.
Бічний канал. В розділі наведена структурна схема нестаціонарної системи автоматичного керування, що повинна забезпечити задану якість стабілізації на траєкторії. Передаточна функція корегувального блоку має вигляд ідеального ланки [3], що диференціює, оскільки обрана з умови (2), дійсно n=3, n1 =1,n2=0, отже 2+1-03, тому
,
де – коефіцієнт передачі, який необхідно визначити з умови якості перехідного процесу.
Для синтезованої системи одержано вираз:
,
де.
З наведеної залежності видно, що компенсація можлива лише в перехідному процесі по куту крену, тобто зміна значення на збільшення або зменшення, буде залежати від поточної кутової швидкості крену.
Характеристичне рівняння системи керування бічним рухом має вигляд:
де.
За умови, вищенаведене характеристичне рівняння вироджується в рівняння вигляду:
. (3)
Рівняння (3) названо виродженим і по ньому визначається стійкість системи. Оскільки рівняння являється нестаціонарним, то для аналізу необхідно використовувати методи нестаціонарної теорії. Припустимі границі зміни параметра визначено з умов експоненціальної стійкості:. Прийнято відстань від торця злітно-посадочної смуги до маяка. Припущено, що початкове віддалення, у цьому випадку границі зміни лінійно в часі змінюються в межах. Визначено нижню границю для коефіцієнта :
Для значень показників якості перехідного процесу: відносної статичної похибка, часу регулювання з виродженого рівняння (3) одержано зміщене рівняння наступного вигляду:
.
Для граничних віддалень до КРМ p рівняння отримано
Для визначення значення налагоджувального параметра корегувального блоку вибрано дальність близьку до оптимальної, а саме. Для цієї дальності визначено границі параметра :. З отриманих результатів вибрано.
Зроблено висновок, що в систему траєкторного керування повітряного судна необхідно подавати не кут , а величину рівну сумі:
або
Зроблено порівняння та висновок по перехідним процесам штатної та синтезованої системи.
Подовжній канал. В розділі наведена структурна схема нестаціонарної системи автоматичного керування, що повинна забезпечити задану якість стабілізації на глісаді. Передаточна функція корегувального блоку має вигляд ідеального ланки [1;4], що диференціює, оскільки обрана з умови (2)
,
де – коефіцієнт передачі, який необхідно визначити з умови якості перехідного процесу.
Для синтезованої системи одержано наступний вираз:
,
де.
З наведеної залежності видно, що компенсація можлива лише в перехідному процесі по куту тангажу, тобто зміна значення на збільшення або зменшення, буде залежати від поточної кутової швидкості тангажа. Характеристичне рівняння системи керування подовжнім рухом має вигляд:
де.
За умови, вищенаведене характеристичне рівняння вироджується в рівняння вигляду:
За коефіцієнтами якого, для граничних віддалень до радіомаяка, отримано нижню границю для коефіцієнта :
Для значень показників якості перехідного процесу: відносної статичної похибки, часу регулювання одержано зміщене вироджене рівняння наступного вигляду:
.
Для граничних віддалень отримано:
Для визначення значення налагоджувального параметра корегувального блоку вибрано дальність близьку до оптимальної, а саме. Для цієї дальності визначено границі зміни параметра :. З отриманих результатів вибрано.
Зроблено висновок, що в систему траєкторного керування повітряного судна необхідно подавати не кут , а величину рівну сумі:
або.
Указані відмінності розглянутих структурних схем від тих, котрі розглядав М. В. Меєров.
У третьому розділі нестаціонарну теорію використано для визначення припустимих областей зміни параметрів системи траєкторного керування, що забезпечують задану якість автоматичного керування рухом літака при заході на посадку в усьому діапазоні зміни дуальностей до радіомаяка.
Проведено аналіз системи автоматичного керування несталим рухом літака при заході на посадку [2], де керуючою величиною є кутове відхилення повітряного судна від траєкторії посадки, що надходить від відповідних радіоприймачів. Вихідними рівняннями для аналізу є системи диференціальних рівнянь (3;4).
Бічний канал. Характеристичний поліном бічного руху має вигляд:
,
із змінним коефіцієнтом і передаточним числом системи траєкторного керування, , закон зміни якого необхідно визначити з умови якості перехідного процесу. Процес входу в зону посадки повинний бути близьким до аперіодичного з одним перерегулюванням. Для методу зміщеного нестаціонарного параметричного характеристичного рівняння визначено і. При зміні похилої дальності до радіомаяка в межах, встановлено, що значення нижньої границі буде змінюватися в межах, а значення верхньої границі буде змінюватися в межах.
Одержано закон зміни налагоджувального числа системи траєкторного керування, що забезпечить якість стабілізації при заході на посадку не гірше заданої з наступними показниками: час регулювання, відносна статична похибка, коливальність, перерегулювання
.
Значення коефіцієнта визначено виходячи з наступного, а саме:
. (4)
Подовжній канал. Формальним характеристичним рівнянням подовжнього руху є параметричний поліном [5]
із змінним коефіцієнтом і передаточним числом системи траєкторного керування , яке необхідно визначити з умови якості перехідного процесу. Процес входу літака в рівносигнальну зону випромінювання ГРМ, повинний бути близьким до аперіодичного з одним перерегулюванням. Для методу зміщеного нестаціонарного параметричного характеристичного рівняння визначено і. При зміні похилої дальності до радіомаяка в межах, значення нижньої границі буде змінюватися в межах, а значення верхньої границі буде змінюватися в межах.
Одержано закон зміни налагоджувального числа системи траєкторного керування, що забезпечить якість стабілізації при заході на посадку не гірше заданої з наступними показниками: час регулювання, відносна статична похибка, коливальність, перерегулювання.
,
Значення коефіцієнта визначено виходячи з наступного, а саме:
. (5)
На рис. 1-4 наведено деякі з перехідних характеристик параметрів руху при заході на посадку (рис. 1,2 бічний канал; рис. 3, 4 подовжній) при використанні штатних законів зміни параметрів системи, та синтезованих в дисертації. Проаналізовано, що при увімкненні синтезованої системи траєкторного керування на відстані 34000м стабілізація відбувається в 3 рази швидше, але з перерегулюванням на 5 відсотків більшим, ніж при стабілізації із змінними параметрами системи, а при увімкненні синтезованої системи траєкторного керування на відстані 14000м, стабілізація відбувається в 2 рази швидше, з перерегулюванням на 8 відсотків меншим, ніж при стабілізації із змінними параметрами системи. При увімкненні синтезованої системи траєкторного керування в подовжньому каналі на відстані 12000м стабілізація відбувається з перерегулюванням в 1.5 разів меншим, ніж при стабілізації із змінними параметрами системи, а при увімкненні синтезованої системи траєкторного керування на відстані 8000м, стабілізація відбувається з перерегулюванням в 2 рази меншим, ніж при стабілізації із змінними параметрами системи.
Рис1.. Перехідні характеристики по боковому відхиленню (а) та куту крена (б) при початковому віддаленні 34000м
Рис.2. Перехідні характеристики по боковому відхиленню (а) та куту крена (б) при початковому віддаленні 14000м
Рис.3. Перехідні характеристики вихідного струму ГРП (а) та кута тангажа (б) при початковій висоті 600м (дальність 12000м
Рис. 4. Перехідні характеристики вихідного струму ГРП (а) та кута тангажа (б) при початковій висоті 400м (дальність 8000м
Оскільки використання кутових швидкостей в якості компенсуючих приводить до появи небажаних кутових коливань, проведено синтез законів зміни налагоджувальних параметрів системи траєкторного керування, вигляд яких наступний:
-
боковий канал;
-
подовжній канал;
значення для коефіцієнтів похідних обрані з умов (4) та (5) для бічного та подовжнього каналів відповідно.
Проведено математичне моделювання заходу літака на посадку в реальних умовах польоту. Тобто враховано вітрові збурення та неточність датчиків сигналів. Прийнято детерміновані вітрові збурення наступними:
-
супротивний вітер не більше 13 м/с;
-
побіжний вітер – 5 м/с;
-
боковий вітер – 8 м/с.
Для урахування похибок штатних датчиків, прийнято наступні середні значення які виникають з дисперсією :;;;;;;;.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної задачі, що виявляється в аналізі нестаціонарної системи автоматичного керування несталим рухом повітряного судна в режимі заходу на посадку, з метою визначення припустимої області зміни параметрів системи траєкторного керування, які забезпечать якісне керування. Основні висновки та результати які отримані в дисертації:
1.
Вперше проведено аналіз несталого руху повітряного судна в режимі заходу на посадку по ІІ категорії ІКАО, використовуючи методи сучасної теорії нестаціонарних систем автоматичного керування.
2.
Проведено аналіз стійкості перехідних процесів несталого руху повітряного судна та визначені припустимі області зміни параметрів системи траєкторного керування, на основі параметричного критерію стійкості типу Гурвіца. Синтез закону зміни параметрів системи траєкторного керування від дальності до радіомаяка, гарантує стійку роботу системи “САК-ПС” на всьому інтервалі віддалень при використанні його в бортовому обчислювачі .
3.
Проведено аналіз якості перехідних процесів несталого руху повітряного судна та визначені припустимі області зміни параметрів системи траєкторного керування, на основі параметричного зміщеного характеристичного рівняння та показників якості перехідних процесів нестаціонарної системи “САК-ПС”. Синтез закону зміни параметрів системи траєкторного керування від дальності до радіомаяка, гарантує стійку та якісну роботу системи на всьому інтервалі віддалень при використанні його в бортовому обчислювачі .
4.
Розроблена методика синтезу структур нестаціонарних систем керування несталим режимом руху повітряного судна при заході на посадку, на основі розповсюдження метода М.В. Меєрова на нестаціонарні системи.
5.
Встановлено, що використання кутових швидкостей в якості компенсуючих штатних сигналів відхилення від траєкторії заходу на посадку, викликають кутові коливання, які необхідно гасити.
6.
Отримані умови при яких в нестаціонарних системах автоматичного керування допускається використання необмеженого збільшення коефіцієнта підсилення за рахунок дрейфу параметрів системі “САК-ПС”.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Краснопольский А.А. Применение нестационарной теории динамических систем для анализа устойчивости системы управления полетом самолета по сигналам глиссадного радиомаяка // Труды III Междунар. научно-тех. конф. “АВІА-2001”. – Том 2. –К.:НАУ. –2001. – С. 86-89.
2.
Краснопольський А.О. Застосування нестаціонарної теорії динамічних систем до аналізу автоматично керованого польоту літака по сигналах курсового радіомаяка // Вісник НАУ. –2001. №4. – С. 149-155.
3.
Краснопольський А.О. Синтез нестаціонарної системи автоматичного керування польотом літака при заході на посадку // Вісник НАУ. –2002. №1. – С. 97-103.
4.
Краснопольський А.О. Синтез нестаціонарної системи автоматичного керування польотом літака при зниженні по глісаді // Вісник НАУ. –2002. №2. – С. 107-112.
5.
Краснопольський А.О., Шевельов А.Г. Застосування нестаціонарної теорії динамічних систем до аналізу автоматично керованого польоту літака за сигналами курсоглiсадних радіомаяків // Вісник НАУ. –2001. №3. – С. 59-66.
АНОТАЦІЯ
Краснопольський А.О Аналіз та синтез систем автоматичного керування заходом на посадку літаків цивільної авіації на основі сучасної нестаціонарної теорії керування. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук.
Спеціальність 05.07.09 “Динаміка, балістика і керування рухом літальних апаратів”.
Національний авіаційний університет. Київ, 2003.
У дисертації проведений аналіз несталого руху повітряного судна в режимі автоматичного керування заходом на посадку за допомогою радіотехнічної системи посадки типу СП/ІЛС по ІІ категорії ІКАО, вперше на підставі нестаціонарної лінійної теорії динамічних систем. Отримано області припустимих значень параметрів системи траєкторного керування, які гарантують якісне автоматичне керування. В результаті застосування отриманих значень параметрів у системі, якість перехідних процесів на різних віддаленнях до радіомаяків не гірше заданої. Тобто показники якості перехідних процесів не вище заданих технічними вимогами. Проведені обчислення підтверджують основну ідею застосовності сучасної нестаціонарної теорії для аналізу та синтезу систем автоматичного керування несталим рухом літака. Ефективність методів підтверджена експериментально за допомогою математичного моделювання динаміки автоматично керованого польоту літака на повній нелінійній моделі просторового руху повітряного судна.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: НЕСТАЛИЙ РУХ, НЕСТАЦІОНАРНА СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ, СТІЙКІСТЬ НЕСТАЦІОНАРНОЇ САК, ЯКІСТЬ НЕСТАЦІОНАРНОЇ САК, АНАЛІЗ, СИНТЕЗ.
АННОТАЦИЯ
Краснопольский А.А. Анализ и синтез систем автоматического управления заходом на посадку самолетов гражданской авиации на основе современной нестационарной теории управления. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Специальность 05.07.09 “Динамика, баллистика и управление движением летательных аппаратов”.
Национальный авиационный университет. Киев, 2003.
В диссертации проведен анализ неустановившегося движения воздушного судна в режиме автоматического управления заходом на посадку с помощью радиотехнической системы посадки типа СП/ИЛС по II категории ИКАО, впервые на основании нестационарной линейной теории динамических систем. В результате получены области допустимых значений параметров системы траекторного управления, гарантирующих качественное автоматическое управление.
Решение поставленной задачи было осуществлено по двум направлениям: получение синтезированных структурных схем штатной системы траекторного управления СТУ-154 и формального анализа исходной системы “САУ - ВС”.
Ядром математического аппарата, применяемой нестационарной теории в данной диссертации, является интегральное параметрическое преобразование Лапласа, как функциональное преобразование смещенных функций, которое впервые применено к смещенным линеаризованным дифференциальным уравнениям, характеризующих неустановившийся режим движения воздушного судна такой как инструментальный заход на посадку.
В основу синтеза нестационарной автоматической системы заходом на посадку положен метод, разработанный М. В. Мееровым для стационарных систем. Впервые были получены условия устойчивости нестационарной системы с неограниченно возрастающим коэффициентом усиления за счет дрейфа параметра системы “САУ-ВС”, что позволило синтезировать структуру и параметры системы траекторного управления неустановившимся режимом движения. В результате нового подхода к классической проблеме автоматического захода на посадку, синтезированы структурные схемы нестационарной САУ и параметры корректирующих устройств, которые позволяют осуществить автоматический заход на посадку, не изменяя передаточных чисел СТУ, и оставляя их значения оптимальными на протяжении всего этапа движения.
Второе направление исследований, в отличие от задачи синтеза структуры системы, заключалось в том, что методы нестационарной теории были использованы для получения законов изменения значений параметров системы траекторного управления, которые гарантируют качественное управление движением самолета при заходе на посадку.
Для определения допустимых границ изменения параметров системы, были использованы методы анализа систем нестационарной теории.
Определение допустимых, с точки зрения устойчивости всех возможных переходных характеристик системы, границ изменения передаточных чисел СТУ было проведено с помощью параметрического критерия устойчивости типа Гурвица. Для определения допустимых значений передаточных чисел системы, обеспечивающих и гарантирующих качество автоматического управления, были определены: характеристическое параметрическое уравнение в изображении, смещенное в области комплексного аргумента на величину показателя экспоненты эталонного переходного процесса, а также характеристическое уравнение в изображении, повернутое на угол, который характеризует колебательность эталонного переходного процесса. Из полученных допустимых областей параметров системы траекторного управления, были синтезированы законы изменений параметров системы в функции от дальности до радиомаяка, гарантирующих качество управления при включении СТУ на любой штатной дальности.
В результате применения полученных значений параметров в системе, качество переходных процессов на разных удалениях от радиомаяков - не хуже заданного. То есть показатели качества переходных процессов не выше заданных техническими требованиями.
Проведенные вычисления подтверждают основную идею применимости современной нестационарной теории для анализа систем автоматического управления неустановившимся движением самолета. Эффективность методов подтверждена экспериментально с помощью математического моделирования динамики автоматически управляемого полета самолета на полной нелинейной модели пространственного движения воздушного судна.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ДВИЖЕНИЕ, НЕСТАЦИОНАРНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ НЕСТАЦИОНАРНОЙ САУ, КАЧЕСТВО НЕСТАЦИОНАРНОЙ САУ, АНАЛИЗ, СИНТЕЗ.
THE SUMMARY
Кrasnopolskiy А.А The analysis and synthesis of systems of automatic control of call on landing of planes of civil aircraft on the basis of the modern non-stationary theory of management. . – Manuscript.
Thesis for candidate's degree in technical sciences.
Speciality 05.07.09 "Dynamics, ballistics and mission control of flight vehicles".
National aviation university. Kiev, 2003.
In a thesis the analysis of unsteady motion of an aircraft in a mode of automatic control of landing approach with the help of a instrumental landing system such as SP / ILS is conducted, for the first time it is ground of a non-steady linear theory of dynamic systems. The borders of change of gear ratios of a flight-navigation complex ensuring qualitative automatic control are obtained. As a result of application of the obtained values of gear ratios in FNC, the quality of transients on miscellaneous removals to radio beacons - is not worse than given. That is the figure of merits of transients are not higher by given specifications. The conducted calculus confirm the main idea of applicability of the modern non-steady theory for the analysis of automatic control systems by unsteady motion of an airplane. The efficiency of methods is affirmed experimentally with the help of mathematical modeling of dynamics of automatically controlled flight of an airplane.
KEYWORDS: UNSTEADY MOTION, NON-STEADY AUTOMATIC CONTROL SYSTEM, STABILITY OF A NON-STEADY ACS, QUALITY OF A NON-STEADY ASC, ANALYSIS, SYNTHESIS.
