English version
ISSN 1817-2172, рег. Эл. № ФС77-39410, ВАК

Дифференциальные Уравнения
и
Процессы Управления

О журнале История Журнала Издатель Адреса Тематика Редакторский состав Рецензирование Для авторов Издательская этика Коллекция номеров English version

Синтез нелинейных корректирующих звеньев для предотвращения колебаний пилотируемых летательных аппаратов

Автор(ы):

Юлия Сергеевна Зайцева

аспирант
Институт проблем машиноведения РАН
Россия, 199178, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 61
Санкт-Петербургский государственный университет
Россия, 199034, С-Петербург, Университетская наб., 7-9

juliazaytsev@gmail.com

Аннотация:

Из инженерной практики известно, что исполнительные приводы управляющих поверхностей летательных аппаратов имеют физические ограничения тяговых усилий, которые проявляется в нелинейных эффектах насыщения скорости и уровня сигнала привода. В свою очередь влияние нелинейностей вызывает отрицательный фазовый сдвиг между фактическим и управляющим сигналом пилота, что негативно сказывается на устойчивости летательного аппарата. В результате этого могут возникнуть нелинейные колебания углового движения летательного аппарата, ставящие под угрозу безопасность полета. В настоящее время разработаны различные методы предотвращения колебаний, но не существует общего подхода к моделированию. В связи с этим в данной работе предложена методика синтеза нелинейного корректирующего устройства на примере задачи стабилизации угла тангажа в пилотируемой системе управления летательным аппаратом. Синтез реализуется на основе оптимизации параметров системы с помощью программного комплекса динамического моделирования Matlab/Simulink. В результате исследования представлен алгоритм синтеза нелинейного корректирующего устройства на примере летательного аппарата самолетного типа, управляемого дистанционно человеком-оператором. Получены параметры модели пилота, при которых возникают колебания летательного аппарата. Свойства оптимальной системы проиллюстрированы и оценены с помощью показателей частотных характеристик, переходных процессов по тангажу и пилотажных характеристик.

Ключевые слова

Ссылки:

  1. Tran A. T., Sakamoto N., Kikuchi Y., Mori K. Pilot induced oscillation suppression controller design via nonlinear optimal output regulation method. Aerospace Science and Technology, 2017, vol. 68, pp. 278-286
  2. Zaitceva I., Chechurin L. The estimation of aircraft control system stability boundaries by the describing function method. Cybernetics and Physics, 2020, vol. 9, no. 2, pp. 117- 122. Available at: http://lib.physcon.ru/doc?id=2eab6a5dddc2
  3. Зай цева Ю. С., Чечурин Л. С. Устой чивость вынужденных колебаний в пилотируемых системах летательных аппаратов. Дифференциальные уравнения и процессы управления, 2019, № 4, pp. 159-176
  4. Andrievsky B., Kravchuk K., Kuznetsov N. et al. Hidden oscillations in the closed- loop aircraft-pilot system and their prevention. IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, pp. 30-35
  5. Андриевский Б. Р., Кузнецов Н. В., Леонов Г. А. Методы подавления нелиней ных колебаний в астатических системах автопилотирования летательных аппаратов. Изв. РАН. Теория и Системы Управления, 2017, No 3, с. 118-134
  6. Зай цева, Ю. С., Андриевский Б. Р., Кудряшова Е. В., Кузнецов Н. В., Кузнецова О. А. Обзор методов предотвращения раскачки самолета летчиком. Дифференциальные уравнения и процессы управления, 2020, № 2, с. 131- 172
  7. Andrievsky B., Arseniev D., Kuznetsov N., Zaitceva I. Pilot-Induced Oscillations and Their Prevention. Proc. of Cyber-Physical Systems and Control, Springer International Publishing, Cham, 2020, pp. 108-123
  8. Queinnec I., Tarbouriech S., Biannic J. -M., Prieur C. Anti-Windup algorithms for pilot-induced-oscillation alleviation. AerospaceLab, 2017, 35 p
  9. Gatley S., Postlethwaite I., Turner M., Kumar A. A comparison of rate-limit compensation schemes for PIO avoidance. Aerospace Science and Technology, 2006, vol. 10, no. 1, pp. 37-47
  10. ЛеоновГ. А., Андриевский Б. Р., КузнецовН. В., Погромский А. Ю. Управление летательными аппаратами с AW-коррекцией. Дифференциальные уравнения и процессы управления, 2012, № 3, с. 36
  11. Зельченко В. Я., Шаров С. Н. Нелиней ная коррекция автоматических систем. Л. : Судостроение, 1981, 167 с
  12. Андриевский Б. Р., Кузнецов Н. В., Кузнецова О. А., Леонов Г. А., Мокаев Т. Н. Локализация скрытых колебаний в системах управления полетом. Труды СПИИРАН, 2016, № 49, с. 5-31
  13. Скороспешкин М. В., Скороспешкин В. Н., Аврамчук В. С. Адаптивное корректирующее устрой ство для систем автоматического управления. Проблемы информатики, 2011, т. 2, №. 10, с. 68-75
  14. Хлыпало Е. И. Учет динамической нелиней ности магнитных усилителей при про- ектировании автоматических систем. Автоматика и Телемеханика, 1963, т. 24, №11, с. 1394-1401
  15. Нелиней ные корректирующие устрой ства в системах автоматического управления / под ред. Попова Е. П. M. : Машиностроение, 1971, 466 с
  16. Шаров А. Н., Шаров С. Н. Исследование параметров частотных свой ств некоторых нелиней ных динамических корректирующих устрой ств. Автоматика и Телемеханика, 1974, т. 35, № 8, с. 1219-1225
  17. Филатов И. В., Шаров С. Н. Исследование параметрической чувствительности нелиней ных динамических корректирующих устрой ств. Инженерная кибернетика, 1977, т. 15, № 2, с. 166-169
  18. Зельченко В. Я., Шаров С. Н. Расчет и проектирование автоматических систем с нелиней ными динамическими звеньями. Машиностроение, 1986, 174 с
  19. Берзин Б. П., Матюхина Л. И., Михалев А. С. Нелиней ное корректирующее устрой ство. Авторское свидетельство, SU 411430 A1, СССР, 1974. Номер заявки: 1680846/18-24, дата регистрации: 08. 07. 1971, дата публикации: 15. 01. 1974. Заявитель: Рязанский радиотехнический институт
  20. Скороспешкин М. В., Скороспешкин В. Н., Аврамчук В. С. Псевдолиней ный ПИД- регулятор для системы второго порядка. Сб. трудов 13-ой международной научн. - практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, (г. Томск, 2015 г. ) Томск: НИТПУ, 2016, с. 181-182
  21. Skorospeshkin M. V., Sukhodoev M. S., Timoshenko E. A., Lenskiy F. V. Adaptive pseudolinear compensators of dynamic characteristics of automatic control systems. IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng. 2016, vol. 124, pp. 012028
  22. Крыжановский Г. А., Шестаков И. Н. Способ повышения защищенности применения технологии автоматического зависимого наблюдения от наведенных целенаправленных помех. Труды XXIII Всероссий ской науч. -практ. конф. РАРАН «Ак- туальные проблемы защиты и безопасности», Москва: ФГБУ «РАРАН», 2020, c. 342-344
  23. Andrievsky B., Kuznetsov N., Kuznetsova O. et al. Nonlinear Phase Shift Compensator for Pilot-Induced Oscillation Prevention. Prepr. 9th IEEE Europ. Modeling Symp. on Mathematical Modeling and Computer Simulation (EMS 2015), Madrid, Spain: 2015, pp. 225-231
  24. Zaitceva I. S. Nonlinear oscillations prevention in unmanned aerial vehicle. Proc. of XI Majorov Int. Conf. on Software Engineering and Computer Systems, St-Petersburg: CEUR, 2019, vol. 2590, 8 p
  25. Зай цева Ю. С. Подавление колебаний в контуре управления «оператор- беспилотный летательный аппарат». Труды XXI конф. молодых ученых «Навигация и управление движением», С-Петербург: 2019, c. 222-223
  26. Ефремов А. В., Захарченко В. Ф., Овчаренко В. Н., Суханов В. Л. Динамика полета: учебник для студентов высших учебных заведений /Под редакцией Бюшгенса Г. С. М. : Машиностроение, 2011, 776 c
  27. Ефремов А. В., Оглоблин А. В., Предтеченский А. Н., Родченко В. В. Летчик как динамическая система. М. : Машиностроение, 1992, 331 c
  28. Mitchell D., Klyde D. This Is Pilot Gain. Proceedings AIAA SciTech Forum. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2019, 17 p
  29. McRuer D., Graham D., Krendel E., Reisener W. Human pilot dynamics in compensatory systems: Theory, models, and experiments with controlled element and forcing function variations: Tech. Rep. (AFFDL-TR-65-15). Ohio: Wright-Patterson AFB, Air force flight dynamics laboratiry, 1965
  30. McRuer D., Krendel E. Mathematical models of human pilot behaviour: Tech. Rep. (AGARD-AG-188), 1974, 67 p
  31. McRuer D., Jex H. A review of quasi-linear pilot models. IEEE Transactions on Human Factors in Electronics, 1967, vol. HFE-8, no. 3, pp. 231-249
  32. Бюшгенс Г. С., Студнев Р. В. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения. М. : Машиностроение, 1979, 352 c
  33. McRuer D. T. Pilot-Induced Oscillations and Human Dynamic Behavior: Tech. rep. Hawthorne, CA, USA: NASA, 1995
  34. Романовский И. В. Алгоритмы решения экстремальных задач. М. : Наука, 1977, 352 c
  35. Nelder J., Mead R. A simplex method for function minimization. Computer J., 1965, vol. 7, pp. 308-313
  36. Зай цева Ю. С. Настрой ка параметров динамической модели поведения пилота в контуре управления летательным аппаратом. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2020, т. 20, № 2, с. 200-205
  37. Зай цева Ю. С., Андриевский Б. Р. Оптимизация контура управления пилотируемого летательного аппарата по тангажу. Материалы конф. «Математическая теория управления и ее положения». XIII мультиконференция по проблемам управления. С-Петербург: «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2020, c. 276-280
  38. Боднер В. А. Системы управления летательными аппаратами. М. : Машиностроение, 1973, 698 c
  39. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М. : Наука, 1975, 768 с
  40. Бей кер Дж., мл., Грей вс-Моррис П. Аппроксимации Паде / Под ред. А. А. Гончара. М. : «Мир», 1986
  41. Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке Matlab. СПб. : «Наука», 1999, 467 c
  42. Зай цева Ю. С., Кузнецов Н. В., Андриевский Б. Р. Программа для моделирования поведения пилота в замкнутом контуре системы управления полетом (Imitator- Flight). Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ No2020663322 от 26. 10. 2020, заявка No2020662371 от 14. 10. 2020
  43. Mandal T., Gu Y. Analysis of Pilot-Induced-Oscillation and Pilot Vehicle System Stability Using UAS Flight Experiments. Aerospace, 2016, vol. 3, no. 42, 23 p
  44. Pavlov A., van de Wouw N., Pogromsky A. et al. Frequency domain performance analysis of nonlinearly controlled motion systems. Proc. of 46th IEEE Conf. Decision and Control. New Orleans, LA, USA: IEEE, 2007, pp. 1621-1627
  45. Фрадков А. Кибернетическая физика: принципы и примеры. СПб. : Наука, 2003, 208 c
  46. Andrievsky B. Computation of the Excitability Index for Linear Oscillators. Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control. 2005, pp. 3537- 3540
  47. Andrievsky B., Kudryashova E., Kuznetsov N., Kuznetsova O. Aircraft wing rock oscillations suppression by simple adaptive control. Aerosp. Sci. Technol, 2020, vol. 105, 10 p

Полный текст (pdf)