НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шевчук Дмитро Олегович

УДК 629.4.073(043.3)

МЕТОДИКА ВІДНОВЛЕННЯ КЕРОВАНОСТІ ЛІТАКА В УМОВАХ ВИНИКНЕННЯ ОСОБЛИВОЇ СИТУАЦІЇ У ПОЛЬОТІ
З ВИКОРИСТАННЯМ НЕЧІТКОГО РЕГУЛЯТОРА

Спеціальність 05.13.03 – Системи та процеси керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступенякандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Казак Василь Миколайович,

Національний авіаційний університет,

завідувач кафедри електроенергетичних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Асланян Альберт Едуардович,

Національна академія оборони України,

професор кафедри

кандидат технічних наук

Рудюк Григорій Іванович,

АНТК ім. О. К. Антонова,

заступник головного конструктора з управління

Провідна установа: Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова

Національної академії наук України, м. Київ

Захист відбудеться " 27 " вересня 2006 р. о 16 год 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розіслано " 23 " серпня 2006 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз світового досвіду експлуатації повітряних кораблів (ПК) показав, що основне завдання авіації полягає в підвищенні ефективності та безпеки польотів. Особливі ситуації (ОС), що виникають у польоті, значно знижують ці показники. Головні причини виникнення ОС: невитримування заданих параметрів польоту ПК; вплив раптових дій зовнішніх дестабілізуючих факторів; порушення технології керування ПК і його конфігурацією; помилки екіпажу і служб керування повітряним рухом; неякісне технічне обслуговування; різного роду відмови авіаційної техніки. Надзвичайно висока швидкоплинність розвитку ОС вимагає миттєвого втручання в ситуацію для прийняття рішень, спрямованих на забезпечення керованості ПК. Застосування класичних методів чи методів активного керування дозволяє успішно вирішувати частину завдань відновлення частково втраченої керованості ПК у наведених ситуаціях і забезпечувати необхідні характеристики польоту. Проте їм притаманні деякі негативні особливості:–

більша частина обчислювальних ресурсів автоматизованої системи керування (АСК) польотом, спрямована на реалізацію алгоритмів ідентифікації параметрів ПК в умовах ОС, що потребує істотного збільшення ємності пам'яті бортових цифрових обчислювальних засобів і надзвичайно високої їх швидкодії;–

у законах керування таких систем важко врахувати всі фактори, що впливають на поводження літака в умовах ОС у польоті. Якщо й можна створити такий закон, то він через надзвичайну складність буде неприйнятним для практичної реалізації, а час реакції регулятора на раптову зміну польотної ситуації виявиться неприпустимо великим;–

автоматизовані системи керування, що використовують класичні методи керування, ґрунтуються на кусково-лінійній апроксимації випад

кових зовнішніх впливів. Ці впливи на кожному інтервалі регулювання апроксимуються лінійною функцією, і тільки потім виконується розрахунок оптимальних керувальних дій на виконавчі органи літака. Отже, помилка регулятора і, зокрема його швидкодія залежать від використовуваного методу апроксимації.

Усе це потребує пошуку більш ефективних методів запобігання розвитку ОС у польоті. Одним з таких напрямів може стати розвиток принципів відновлення керованості ПК в умовах раптового виникнення ОС з урахуванням стану зовнішнього середовища. Під відновленням керованості в роботі розуміють забезпечення безперервної керованості системи “літак – регулятор – середовище – ОС”. На принципах теорії нечітких множин у роботі пропонується використовувати інформацію про попередній позитивний досвід дій екіпажів для запобігання наслідкам аналогічних ОС, що раптово виникали у польоті. Темою досліджень є розроблення методики синтезу нечіткого регулятора (НР), який на базі теорії нечітких множин виробляє потрібні для запобігання розвитку ОС керувальні впливи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною досліджень, які проводяться в Національному авіаційному університеті (НАУ) і спрямовані на подальше вдосконалення методів забезпечення безпеки польотів і підвищення ефективності авіації. Роботу виконано відповідно до Державної програми розвитку авіаційного транспорту України на період до 2010 року, розробленої згідно з Указом Президента України від 18 жовтня 2000 року № 1143/2000 “Про рішення Ради національної безпеки і оборони України від 27 вересня 2000 року “Про стан транспорту та авіаційної промисловості””.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теорії та удосконалення принципів автоматичного керування польотом ПК в умовах виникнення ОС у польоті.

Для досягнення цієї мети у роботі вирішено такі науково-технічні завдання:–

виконано аналіз причин виникнення і характеру розвитку ОС у польоті;–

науково обгрунтовано доцільність використання нечітких регуляторів для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в умовах виникнення ОС;–

розроблено математичну модель системи “літак – регулятор – середовище – ОС” з урахуванням аеродинамічних властивостей певного типу літака, особливостей функціонування регулятора, змін стану навколишнього середовища, а також характеру розвитку ОС;–

розроблено методику подання експертної інформації, яка формує базу даних НР у вигляді алгоритму “Якщо..., то..., інакше – погіршений варіант розвитку ОС”;–

за розробленою методикою здійснено синтез структури НР, а також його параметрична оптимізація з метою підвищення швидкодії;–

проведено порівняльну оцінку ефективності різних типів НР, застосовуваних для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” у типовій ОС;

Об'єктом дослідження є процес розвитку ОС у польоті.

Предмет дослідження – системи автоматичного керування на основі застосування НР для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в умовах ОС у польоті.

Методи дослідження для розв'язання поставлених завдань, використані у роботі: методи теорії автоматичного керування, теорії нечітких множин та методи синтезу НР, методи параметричної оптимізації, метод математичного моделювання для створення інструментарію дослідження керованості системи “літак – регулятор – середовище” у типових ОС, а також метод комп’ютерного моделювання для дослідження роботи створених систем керування.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримано такі наукові результати:–

уперше науково обґрунтовано визначення системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і на його основі розроблено математичну модель, в описі якої системно враховувались аеродинамічні властивості літака, функціональні особливості запропонованого НР, вплив зовнішнього середовища, а також характер розвитку ОС, що дає змогу синтезувати високоефективні системи автоматичного керування польотом;–

розроблено новий закон керування ПК у типових ОС у польоті, а також відповідну структуру АСК з НР у базі знань якого реалізується попередній позитивний досвід дій екіпажів в аналогічних ситуаціях, у вигляді алгоритму керування “Якщо (склалася ситуація), то (для запобігання її розвитку потрібний певний керувальний вплив), інакше – погіршений варіант розвитку ОС”, що дає можливість забезпечити керованість системи “літак – регулятор – середовище – ОС”;–

уперше отримано аналітичні залежності масштабних коефіцієнтів НР, що враховують характер розвитку особливої ситуації, яка раптово виникла в польоті, а також удосконалено метод параметричного настроювання вхідних і вихідної змінних, що дає змогу створювати нечіткі системи керування, здатні забезпечувати керованість системи “літак – регулятор – середовище” в ОС у польоті;–

дістала подальший розвиток теорія синтезу АСК з НР, що застосовуються для забезпечення керованості систем “літак – регулятор – середовище” в ОС у польоті, а також удосконалено метод синтезу НР через розподіл виконання спеціалізованих команд між нечітким процесором і напівактивною пам’яттю, що забезпечує зменшення загальної кількості обчислювальних операцій і дозволяє підвищити швидкодію.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи використовуються для проектування систем автоматичного керування польотом в Державному Київському конструкторському бюро “Луч”, а також в НАУ в процесі підготовки магістрів за спеціальністю 8.092507 “Автоматика та автоматизація на транспорті”. Крім того, вони можуть бути корисні під час досліджування ефективності різних типів регуляторів з використанням створеної математичної моделі системи “літак – регулятор – середовище – ОС”. Упровадження результатів досліджень підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих роботах у співавторстві особистий внесок автора полягає в такому: у праці [1] вирішено завдання синтезу НР застосовуваного для забезпечення керованості системи “літак – регулятор – середовище – ОС”, запропоновано методику оптимізації параметрів НР; у [2] і [3] виконано порівняльний аналіз оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів, що застосовуються для забезпечення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в ОС у польоті, у [4] проаналізовано динамічні характеристики системи “літак – регулятор – середовище – ОС” як об’єкта керування, у [6] подано структурну схему каналу тангажа АСК з НР, база знань якого реалізує алгоритм “Якщо..., то..., інакше – погіршений варіант розвитку ОС”, а також розглянуто основні принципи і виявлено особливості керування на базі теорії нечітких множин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційних досліджень доповідались на таких науково-технічних конференціях: V Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа – 2003”

(м. Київ, НАУ 2003 р.); 11-ї міжнародній конференції з автоматичного керування “Автоматика – 2004” (м. Київ, Національний університет харчових технологій 2004 р.); VIII Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” (м. Вінниця, Вінницький Національний технічний університет, 2005 р.), VI міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених “Політ”

(м. Київ, НАУ, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих робіт, у яких викладено основний зміст виконаних досліджень, з них 6 у фахових виданнях, 4 тези доповідей у збірниках праць міжнародних конференцій.

Основні положення, що виносяться на захист. Математична модель системи “літак – регулятор – середовище – ОС”; методика подання експертної інформації, що формує базу даних АСК з НР у вигляді алгоритму “Якщо..., то..., інакше – погіршений варіант розвитку ОС”; закон керування і структура АСК з НР, методи параметричної оптимізації НР з метою підвищення швидкодії; аналітичні залежності масштабних коефіцієнтів АСК з НР, що враховують особливості розвитку ОС, яка раптово виникла у польоті; структура нечіткого процесора, напівактивної пам’яті; результати порівняльного аналізу ефективності різних типів НР та оптимальних цифрових регуляторів, що застосовуються для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в ОС у польоті.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації становить 148 сторінок, з яких основну частину викладено на 122 сторінках друкованого тексту, містить 60 рисунків, 22 таблиці, 2 додатки. Список використаних джерел містить 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дисертаційної роботи, визначено об’єкт і предмет дослідження, а також наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз основних причин виникнення, а також процесів розвитку ОС. Науково обґрунтовано методологію відновлення керованості літака в умовах раптового виникнення ОС у польоті. Обґрунтовано вибір для дослідження типових літаків і ОС. Як типову ОС обрано авіакатастрофу Airbus A320–212, що сталася 23 серпня 2000 р. в Арабській затоці поблизу Мухарак, Бахрейн, на етапі заходу на посадку. Проаналізовано існуючі підходи до формування АСК з НР. Здійснено аналіз переваг принципів нечіткої логіки, можливостей застосування цифрових пристроїв для обробки та перетворення нечіткої інформації АСК. Визначено основні завдання дослідження.

Доведено, що ОС у польоті, які завершилися аваріями або катастрофами, могли мати менш важкі наслідки (на рівні інцидентів або взагалі без наслідків) за умови своєчасних і ефективних керувальних дій спрямованих на усунення (або нейтралізацію) небезпечних явищ, що сталися внаслідок розвитку ОС у польоті.

Порівняльний аналіз можливих методів керування рухом літака в умовах виникнення ОС у польоті показав, що натепер використовуються: традиційне керування, адаптивне керування, активне керування і керування з використанням нечіткої логіки. Традиційним методом подолання впливу ОС і збурень навколишнього середовища є підсилення сигналу від’ємного зворотнього зв’язку. Застосування таких методів керування не завжди доцільне для процесу відновлення керованості літака в умовах ОС.

Адаптивне регулювання характерно зміною параметрів АСК польотом відповідно до розвитку ОС. Складання програми зміни параметрів АСК польотом для забезпечення керованості ПК потребує використання точної математичної моделі розвитку ОС, що не завжди можливо через незнання істинних законів змінювання деяких параметрів, що характеризують політ ПК в ОС, або внаслідок випадкового характеру їх зміни в результаті впливу ОС.

Активне керування реалізується за допомогою систем безпосереднього керування піднімальною силою (БКПС) і систем безпосереднього керування бічною силою (БКБС). Для реалізації систем БКПC і БКБС застосовують як спеціальні органи керування, так і існуючі засоби механізації (закрилки, інтерцептори). Використання цих методів керування потребує суттєвого підвищення швидкодії приводів традиційних засобів механізації крила. Тому більш перспективним підходом до відновлення керованості рухом ПК в умовах ОС є використання теорії нечіткої логіки. Формуючи АСК рухом ПК на базі теорії нечітких множин, стан літака в умовах виникнення ОС у польоті і необхідний керувальний вплив розглядають як лінгвістичні змінні, які оцінюються нечіткими множинами. Нечітка множина формалізується за допомогою функцій належності. Керувальний вплив формується певним набором правил (лінгвістичні правила керування), які реалізують попередній позитивний досвід дій екіпажей в подібних ситуаціях. Конкретне значення керувального впливу визначають реалізацією процедури переходу від результуючої функції належності, яка описує лінгвістичну змінну “керувальний вплив”, до конкретного числового значення. Формування керувального впливу покажемо на прикладі каналу тангажа АСК з НР рис.1.

Поточне значення тангажа порівнюємо з її заданим значенням ,помилка неузгодженості надходить як у масштабний елемент із коефіцієнтом , так і в диференціатор , вихід якого масштабується значенням . Елементи і призначено для перетворення поточних значень неузгодженості і її похідної в їхні лінгвістичні значення. Нечіткі величини і надходять у головний елемент НР – базу знань. Базу знань будують на основі моделі знань, яка має конструкцію вигляду: “Якщо ( буде ) і ( буде ), то ( буде ), інакше – погіршений варіант розвитку ОС”, де , , – змінна неузгодженості, її похідна та керування по каналу тангажу; відповідно , , – їхні лінгвістичні оцінки. Контроль за поточним розвитком ситуації у польоті здійснюється через поточні значення кута тангажа.

У другому розділі наведено математичну модель системи “літак – регулятор – середовище – ОС” як комплекс моделей літака, регулятора, середовища і процесу розвитку ОС у польоті, що взаємодіють між собою. За певних припущень поздовжній і бічний рухи ПК будемо розглядати окремо і незалежно одне від одного. У дисертаційній роботі розроблено систему рівнянь, що описує поздовжній рух літака; модель функціонування АСК ПК, яку подано моделями синтезованих НР, що реалізують різні закони керування; зроблено припущення, що зі зміною висоти в умовах виникнення ОС параметри навколишнього середовища постійні і відповідають значенням Міжнародної стандартної атмосфери (MSA); для врахування збурень середовища змодельовано вертикальні пориви вітру; вплив характеру розвитку ОС, що раптово виникла у польоті, ураховано додатковими аеродинамічними коефіцієнтами у системі рівнянь поздовжнього руху літака.

Цій залежності відповідає структурна схема, показана на рис.2. Матрична функція системи “літак – регулятор – середовище – ОС” має вигляд у частотній формі (якщо ) Матриця коефіцієнтів змінних вектора стану , що описує поздовжній канал керування рухом ПК в умовах виникнення ОС у польоті буде змінюватись відповідно до типу ОС та характеру її розвитку, тобто

Здійснено синтез АСК польотом ПК з НР на прикладі керування кутом тангажа. До складу традиційної АСК польотом ПК з НР уведено обчислювач, що розраховує похідну та помножує обидві змінні на масштабні коефіцієнти і . Дослідження показали, що для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в ОС достатньо враховувати дві змінні – похибку за кутом тангажа та швидкість її зміни за цим кутом. Вихідна змінна АСК з НР – сигнал керування , який задає значення напруги живлення виконавчим механізмам ПК.

Для спрощення процесу настроювання функцій належності НР взято для обох вхідних змінних діапазон , а власне настроювання регулятора проводилось за допомогою математичного моделювання розвитку ОС і підбору масштабних коефіцієнтів і , на які помножуються вхідні змінні НР. Досліджено ефективність застосування НР на базі алгоритмів Мамдані та Сугено із симетричними й асиметричними трикутними та сигмоїдальними функціями належності. Зроблено висновок про доцільність використання НР на базі алгоритму Мамдані з сімома симетричними трикутними функціями належності, оскільки він забезпечує мінімальний час перехідного процесу (), а також необхідний запас стійкості за амплітудою і фазою , що дозволяє вважати АСК з НР стійкою. При цьому нормальне перевантаження . Функції належності вхідних і вихідної змінних НР показано на рис. 3 – 5. Базу знань НР синтезуємо у вигляді: якщо похибка неузгодженості

від’ємно велика (ВВ) і похідна від похибки неузгодженості від’ємно велика (ВВ), то кут положення керма висоти від’ємно великій (ВВ), інакше – погіршений варіант розвитку ОС.

Якщо похибка неузгодженості від’ємно середня (ВС) і похідна від похибки неузгодженості від’ємно велика (ВВ), то кут положення керма висоти від’ємно середній (ВС), інакше – погіршений варіант розвитку ОС.

Установлено, що настроєний таким чином НР забезпечує відновлення керованості ПК в умовах обраної за типову ОС у польоті.

У третьому розділі наведено синтез АСК з НР, використовуваний для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” у типовій ОС. Розроблено методику формалізації лінгвістичних правил керування ПК, що ґрунтуються на попередньому позитивному досвіді дій екіпажів в умовах аналогічних ОС, алгоритм формування вихідного значення АСК з НР, а також принципи побудови функцій належності та методи дефаззифікації.

Завдання синтезу АСК керування польотом з НР полягає в пошуку такої структури лінгвістичних правил керування, які враховували б попередній позитивний досвід дій екіпажів в аналогічних ситуаціях, для яких оцінка якості давала б найкращий показник якості (у цьому випадку швидкодію), відповідно до заданої моделі системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і мети керування, яка змінюється згідно з розвитком ОС і яку можна подати на певних етапах як запобігання розвитку ОС, стабілізація її параметрів, або мінімізація наслідків.

Основне завдання синтезованої АСК з НР полягає у переведенні ОС з початкового стану в необхідний цільовий стан найбільш ефективним способом за мінімальний відрізок часу (“потрібний час”). Початковий стан – це етап розвитку ОС, на якому відбувається автоматичне ввімкнення в контур керування ПК НР, а необхідний цільовий стан – нейтралізація ОС, або стабілізації параметрів її подальшого розвитку, або мінімізації наслідків залежно від часу, що залишився до найгіршого фіналу. Із математичного погляду завдання синтезу НР полягає в побудові відображення . Вектор лінгвістичного керування НР визначається лінгвістичними значеннями стану системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і метою керування . Для вироблення потрібного керувального впливу потрібно з класу лінгвістичних правил, які вважатимемо припустимими, вибрати послідовність впливів таким чином, щоб у разі переходу за тактів керування з початкової точки у необхідну, а функціонал, залежний від параметрів, що характеризують цю систему і керування , досліджуваних на інтервалі часу розвитку ОС , досягав екстремуму:

Із метою формалізації попереднього позитивного досвіду дій екіпажів в аналогічних ситуаціях як лінгвістичні правила керування запропоновано використати метод лінгвістичної апроксимації, розроблений професором О. П. Ротштейном. Лінгвістичні правила керування бази знань НР, сформульовані льотчиками та експертами з керування, установлюють залежність між ситуацією, що склалась у повітрі, та потрібним керувальним впливом засобами природної мови.

Лінгвістичні правила керування, які встановлюють зв’язок між набором ситуацій та необхідним до набору керувальних впливів , , мають вигляд сукупності логічних висловлювань типу “Якщо (склалася ситуація), то (для запобігання її розвитку потрібно певний керувальний вплив), інакше – погіршений варіант розвитку ОС”:

Тоді співвідношення (5), що встановлює зв’язок між параметрами системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і вихідною зміною НР , можна формалізовувати у вигляді системи логічних рівнянь:

Таким чином, вираження вхідних параметрів у вигляді НР лінгвістичними змінними, які оцінюються нечіткими множинами, дозволяє описати причинно-наслідкові зв’язки “особлива ситуація – необхідний керувальний вплив” природною мовою за допомогою нечітких логічних висловлювань. Використовуючи нечіткі логічні рівняння (8), визначаємо функції належності . За наявності системи з дискретним виходом шукане керування для вектора вхідних змінних системи “літак – регулятор – середовище – ОС” буде значення , функція належності якого максимальна:

Для випадку системи з безперервним виходом необхідно одержати конкретне числове значення керувального впливу, який подається на виконавчі механізми ПК. Таку операцію можна виконати процедурою перетворення нечіткої множини, що характеризує вихідне керувальне значення НР, у чітке число (процедура дефаззифікації). Але спочатку необхідно одержати цю нечітку множину, тобто сформувати результуючу функцію належності вихідного параметра (процедура агрегації), де – нечітка множина, яка характеризує числове значення керувального впливу НР. У першому випадку результуюча функція належності формується за правилом

Таким чином результуюча функція належності дорівнює функції належності з максимальним числовим значенням у діапазоні усіх існуючих.

У другому випадку пропонується в лінгвістичних правилах керування вислів “інакше – погіршений варіант розвитку ОС” замінити на . Тоді

У цьому разі результуюча функція належності являє собою об’єднання функцій належності із числовими значеннями, за всіма лінгвістичними правилами керування, які визначаються за формулою (8) для фіксованого вектора вхідних змінних системи “літак – регулятор – середовище – ОС”.

Отже, алгоритм визначення потрібного керувального впливу НР на виконавчі механізми ПК подаємо так:

1. Зафіксуємо вектор значень вхідних змінних системи “літак – регулятор – середовище – ОС”.

2. Визначимо значення функцій належності нечітких множин для значень вхідних змінних системи “літак – регулятор – середовище – ОС”.

3. Використовуючи логічні рівняння (8), що враховують попередній досвід дій екіпажів в аналогічних ОС, визначимо функції належності вектора для всіх значень, вихідної змінної НР .

4. Використовуючи формули (10) або (11), визначимо результуючу функції належності нечіткої множини, яка характеризує числове значення керувального впливу НР.

5. Виконаємо процедуру дефаззифікації для переходу від результуючої функції належності до чіткого значення, яке подається на виконавчі механізми ПК.

Для застосування розглянутих алгоритмів необхідно задавати функції належності, що дозволяють вхідні параметри подавати у вигляді нечітких множин. При цьому функції належності доцільно задавати на єдиній універсальній множині, де – ціле число, що відповідає кількості нечітких множин (у цьому випадку (рис. 3–5)), якими оцінюються лінгвістичні змінні. Всі розрахунки та дії з функціями належності виконуємо в області їх визначення. Перехід від фіксованих значень параметрів.

Найбільш доцільним методом дефаззифікації може бути метод центра ваги. Відповідно до цього методу обирають таке значення , яке відповідає абсцисі центра ваги фігури, утвореної результуючою функції належності.

Для підвищення швидкодії функціонування НР у роботі пропонується оптимізувати діапазони зміни функцій належності нечітких множин, які описують вхідну величину і її похідну . Для оптимізації використаємо інтегральний критерій якості:де помилка неузгодженості за кутом тангажа обчислюється з кроком моделювання , визначає інтервал спостереження. Оптимальні параметри відповідають мінімальному значенню критерію якості, а мінімізація цього критерію автоматично приводить до оптимізації функцій належності, що впливають на швидкодію перехідних процесів. У разі настроювання діапазонів функцій належності вручну без оптимізації інтегральний критерій якості . У результаті здійснення оптимізації функцій належності НР на базі алгоритму Мамдані критерій якості , а час перехідного процесу зменшився на 8% і становить (рис. 7, а).

Установлено, що настроєний таким чином НР забезпечує ефективне керування рухом ПК в умовах виникнення ОС у польоті (нормальне перевантаження .), а також потрібний запас стійкості за амплітудою і фазою (рис. 7, в).

У четвертому розділі виконано порівняльний аналіз застосування оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів і НР для забезпечення керованості системи “літак – регулятор – середовище” у типових ОС. Розроблено структуру нечіткого процесора керування кутом тангажа і напівактивної пам’яті. Дослідження проводилось методом комп’ютерного моделювання за допомогою програми Matlab. Структурну схему системи “літак – регулятор – середовище – ОС”, реалізовану в заданому середовищі, показано на рис.9.

У підсистемі 2 задаємо передатну функцію сервопривода, яка має вигляд, а в підсистемі 3 – матрицю коефіцієнтів поздовжнього руху ПК в умовах виникнення ОС [див. вираз (3)]. Нормальне перевантаження розраховуємо за формулою у підсистемі 4. Передатна функція пілота має такий вигляд:, де – час запізнювання реакції нервової системи пілота; – постійна часу випередження, що виробляється пілотом на основі попереднього досвіду; – постійна часу запізнювання пілота; – постійна часу, що характеризує динаміку роботи нервово-м'язової системи пілота, – коефіцієнт підсилення пілота; – коефіцієнт підсилення нервово-м'язової ланки.

Аналіз розвитку обраної для дослідження ОС (рис. 12) показав, що після того, як система попередження зіткнення із землею почала видавати сигнали тривоги “тягни на себе”, бортовий самописець зафіксував переміщення ручки керування (РК) командира корабля назад від нейтрального положення на 11,7, що не перевищувало від повної можливості положення РК “на себе”

(рис. 13, крива 2). Надалі, цю команду не було збережено, що призвело до авіакатастрофи. За результатами математичного моделювання цієї ОС установлено, що пілоту необхідно було перемістити РК у максимальне положення “на себе” (рис. 13 крива 1), тоді парирування розвитку цієї ОС займе . Моделю-вання можливого запобігання розвитку ОС у разі викорис-тання в контурі керування ПК НР на базі алгоритму Мамдані із сімома трикутними функціями належності показали, що час перехідного процесу займе ; з ПД-регулятором , а з ПІД-регулятора .

У додатках наведено деякі перевірки та результати розрахунків, лістинги та настанови щодо використання програм.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальне наукове завдання – удосконалення АСК рухом ПК з використанням НР для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в умовах виникнення ОС у польоті, що дозволяє забезпечити гарантований рівень безпеки польотів.

При цьому отримано такі результати:

1. Уперше науково обґрунтовано методологію відновлення керованості ПК в умовах ОС у польоті та визначення системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і на цій основі розроблено математичну модель, в описі якої враховувались аеродинамічні властивості літака, функціональні особливості запропонованого НР, вплив зовнішнього середовища, а також характер розвитку ОС, що дає змогу синтезувати високоефективні системи автоматичного керування польотом.

2. Запропоновано модель АСК з НР, особливість якої полягає в тому, що замість математичних рівнянь у просторі станів, що описують динаміку розвитку ОС у польоті, задано продукційне відображення алгоритму керування. На основі алгоритму “Якщо…, то…, інакше – погіршений варіант розвитку ОС” розроблено й обґрунтовано структурно-функціональну схему НР, який використовується для відновлення керованості літака в типовій ОС.

3. Визначено завдання і розроблено методику синтезу НР, що полягає в пошуку такої структури лінгвістичних правил “керування”, які відображають попередній позитивний досвід дій екіпажів в аналогічних ОС, для яких “оцінка якості” давала б найкращий показник якості (у цьому випадку швидкодію), згідно із заданою моделлю системи “літак – регулятор – середовище – ОС” і цілі керування, що змінюється в процесі розвитку ОС і яку можна подати на певних етапах ОС: запобігання розвитку ОС, або стабілізація параметрів її розвитку, або мінімізація наслідків. Синтезовано лінгвістичні правила керування, що враховують попередній позитивний досвід дій екіпажів в аналогічних ситуаціях у польоті.

4. Для підвищення швидкодії НР розроблено методику розділення операцій між спеціалізованим нечітким процесором і напівактивною пам'яттю. Під напівактивною пам’яттю розуміють оперативно запам’ятовувальний пристрій, який виконує операції мінімуму та максимуму над функціями належності лінгвістичних змінних НР. Розроблено алгоритм функціонування напівактивної пам’яті для заданої типової ОС.

5. Доведено, що введення додаткової вхідної змінної в законі керування системи “літак – регулятор – середовище – ОС” поліпшує якість перехідного процесу, але водночас призводить до зниження швидкодії. Тому введення другої похідної будемо вважати за доцільне лише в разі потреби підвищення точності керування (сталий політ на заданому ешелоні) на шкоду швидкодії.

6. За результатами математичного моделювання типової ОС виконано кількісну порівняльну оцінку швидкодії функціонування НР, розробленого на основі алгоритму “Якщо…, то…, інакше – погіршений варіант розвитку ОС”. Виявлено, що використання НР на базі алгоритму Мамдані із сімома трикутними функціями належності забезпечує підвищення швидкодії порівняно з іншими видами НР на 12% (НР типу Сугено), а порівняно із ПД-, ПІД-регуляторами, на 21% і 27% відповідно.

7. Теоретичні результати, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в Державному Київському конструкторському бюро “Луч” під час модернізації існуючих та розроблення нових концепцій АСК ПК, а також в НАУ для підготовки магістрів за спеціальністю 8.092507 “Автоматика та автоматизація на транспорті”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шевчук Д.О., Казак В.М. Оценка возможности применения нечеткого регулятора для управления воздушным судном в условиях особой ситуации // Проблеми інформатизації та управління. – 2004. – №10. – С.100–108.

2. Shevchuk D.O., Kazak V.N., Vovk V.G. The comparative analysis of fuzzy logic controller can be used for controlling complex systems // Проблеми інформатизації та управління. – 2004. – №11. – С. 41–47.

3. Шевчук Д.О., Казак В.М. Застосування принципів нечіткого управління для збереження керованості повітряного судна в умовах особливої ситуації у польоті // Вісн. північного наук. центру ТАУ. – 2005. – №8. – С.110–113.

4. Шевчук Д.О. Застосування нечіткого регулятора для відновлення керованості системою “літак–регулятор–середовище–особлива ситуація” // Вісн. північного наук. центру ТАУ. – 2006. – №9. – С.154–158.

5. Шевчук Д.О., Нерет В.І., Сущенко О.А. Автоматизація управління живучістю складних систем // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій. – 2003. – №7. – С.98–107.

6. Шевчук Д.О., Казак В.М., Тачиніна О.М., Лазарчук Є.П Порівняльний аналіз методів кількісного визначення властивостей живучості динамічних систем // Вісн. північного наук. центру ТАУ. – 2003. – №6. – С.71–74.

7. Шевчук Д.О. Порівняльна оцінка методів підвищення живучості повітряних суден // Матеріали V Міжнар. наук. – техн. конф. “Авіа – 2003”. – К.: НАУ, 2003. – Т.2. – №3 – С.225–228.

8. Шевчук Д.О., Тачинина Е.М., Акмалдинов Е.Ф. Оценка возможности применения нечеткого регулятора для восстановления живучести воздушного судна и его управляемости // Матеріали 11–ї міжнар. конф. з автоматичного управління “Автоматика – 2004”. – К.: НАУ. – 2004. – Т.4 – С.27.

9. Шевчук Д.О. Застосування бортової інтелектуальної експертної системи для збереження керованості повітряного судна в умовах особливої ситуації у польоті // Матеріали VIII міжнар. конф. “Контроль і управління в складних системах” – Вінниця. 2005. – С30.

10. Шевчук Д.О. Анализ динамических характеристик системы “самолет–регулятор–среда–особая ситуация” как объекта управления // Матеріали VI міжнар. наук. конф. студ. та молодих учених “Політ” – К.: НАУ. – 2006. – С44.

АНОТАЦІЯ

Шевчук Д.О. Методика відновлення керованості літака в умовах виникнення особливої ситуації у польоті з використанням нечіткого регулятора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – Системи та процеси керування. Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Дисертацію присвячено подальшому розвитку теорії та удосконаленню принципів автоматичного керування польотом ПК в умовах виникнення особливої ситуації у польоті. В роботі проведено аналіз причин виникнення і характер розвитку особливих ситуацій у польоті. Розроблено математичну модель системи “літак – регулятор – середовище – ОС” з урахуванням аеродинамічних властивостей певного типу літака, особливостей функціонування пропонованого НР, змін стану навколишнього середовища, а також характеру розвитку ОС. Розроблено методику подання експертної інформації, яка формує базу даних НР. Розроблено закони керування та синтезовано АСК з НР для відновлення керованості системи “літак – регулятор – середовище” в умовах виникнення ОС у польоті. Розроблено методику параметричного синтезу НР через оптимізацію діапазонів функцій належності. Дослідження розвитку типової ОС методом математичного моделювання показує переваги НР перед традиційними методами керування (ПД-, ПІД-регуляторами), застосовуваних для відновлення керованості цієї системи.

Ключові слова: автоматизована система керування, особлива ситуація у польоті, керованість, нечітке керування, лінгвістична змінна, функція належності, експертна база знань.

АННОТАЦИЯ

Шевчук Д.О. Методика восстановления управляемости самолета в условиях возникновения особой ситуации в полете с использованием нечеткого регулятора. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03. – Системы и процессы управления – Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теории и усовершенствованию принципов автоматического управления полетом ВС в условиях возникновения особой ситуации в полете.

В работе проведен анализ причин возникновения и характер развития ОС в полете. Разработана математическая модель системы “самолет – регулятор – среда – ОС”, в описании которой учитывались аэродинамические свойства данного типа самолета, функциональные особенности предложенного нечеткого регулятора, влияние изменяющейся окружающей среды, а также характер развития ОС. Разработаны законы управления и синтезированы автоматизированные системы управления полетом ВС на основе нечетких регуляторов, для обеспечения управляемости системы “самолет – регулятор – среда – ОС”. Состояние системы “самолет – регулятор – среда – ОС” и необходимое управляющее воздействие рассматриваются как лингвистические переменные в АСК с НР, оцениваемые нечеткими множествами. Каждое нечеткое множество формализуется с помощью функций принадлежности. Необходимое управляющее воздействие вырабатывается на основе предшествующего позитивного опыта действий экипажей в аналогичных особых ситуациях в виде алгоритма “Если (сложилась полетная ситуация), то (для предотвращения ее развития требуется определенное управляющее воздействие), иначе – ухудшенный вариант развития ОС”. Данный алгоритм реализуется в базе знаний нечеткого регулятора, в виде определенного набора управляющих правил. Определение значения необходимого управляющего воздействия осуществляется путем реализации процедуры перехода от результирующей функции принадлежности, характеризующей лингвистическую переменную “управляющее воздействие”, к числовому значению напряжения подаваемого на исполнительные органы самолета. В работе предложены и исследованы различные алгоритмы формирования необходимого управляющего воздействия. В работе усовершенствован метод синтеза нечеткого регулятора, путем разделения выполнения специализированных команд между нечетким процессором и полуактивной памятью, что обеспечивает уменьшение общего количества вычислительных операций и позволяет повысить быстродействие. Получены новые аналитические зависимости масштабных коэффициентов нечеткого регулятора, учитывающие особенности развития ОС, внезапно возникшей в полете. По результатам математического моделирования типовой ОС проведена количественная оценка быстродействия различных типов регуляторов.

Ключевые слова: автоматизированная система управления, особая ситуация в воздухе, управляемость, нечеткое управление, лингвистическая переменная, функция принадлежности, экспертная база знаний.

THE SUMMARY

Shevchuk D.O. The method recovering controllability of the plane in emergency situation with used fuzzy logic regulator. – Manuscript.

The Thesis for Candidate of Technical Sciences degree on specialty 05.13.03 – Control system and Processes. – National Aviation University, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to the further development of the theory and improvement principles automatic control flight in emergency situation (ES).

Reasons and characters of development ES in the flight are analyzed in scientific work. The mathematical system’s model “plane–regulator–environment–ES”, which included aerodynamic properties of the plane, functional features fuzzy logic controller, influence environment and also character of developing extra situation is developed. The fuzzy controller provided controllability of the aircraft in extra situations is developed. Previous positive experience crews’ actions in similar situation are formalized to control algorithm. This algorithm is represented as a collection of if–then rules. The first rule’s part (if) specifies conditions system “plane–regulator–environment–ES”, the second part (then) prescribes the corresponding control action. The comparative estimation of various fuzzy logic controllers used for providing controllability of the aircraft in extra situations is given.

Key words: automatic control system, controllability, emergency situation, experts rule base, fuzzy regulator, fuzzy controlling, linguistic variable, membership functions.

Підп. до друку 23.08.06. Формат 60х84/16. Папір офс.
Офс. друк. Ум. друк. арк. 1,16. Обл.-вид. арк. 1,25.
Тираж 100 пр. Замовлення № 165-1. Вид. № 41/IV.

Видавництво НАУ
03680. Київ-680, проспект Космонавта Комарова,1

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК № 977 від 05.07.2002