научная статья по теме УПРАВЛЕНИЕ ПО ВЫХОДУ ПРОДОЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Кибернетика

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЕНИЕ ПО ВЫХОДУ ПРОДОЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2015, № 5, с. 164-176

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ

УДК 62.50

УПРАВЛЕНИЕ ПО ВЫХОДУ ПРОДОЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА*

© 2015 г. Н. Е. Зубов, Е. А. Микрин, М. Ш. Мисриханов, В. Н. Рябченко

Москва, МГТУим. Н.Э. Баумана, г. Королёв МО, ОАО РКК "Энергия" Поступила в редакцию 11.09.14 г., после доработки 13.02.15 г.

Аналитически решена задача стабилизации продольного движения летательного аппарата в отсутствие информации об угле атаки. В основу решения положен метод синтеза управления по выходу спектром движения системы, которая имеет много входов и много выходов, базирующийся на специально организованной многоуровневой декомпозиции модели динамической системы в пространстве состояний. Приведены результаты численного моделирования.

Б01: 10.7868/80002338815040149

0. Введение. Будем использовать линеаризованную модель продольного движения относительно невозмущенного движения в виде равномерного прямолинейного горизонтального полета в штилевых условиях летательного аппарата (ЛА) самолетного типа следующего вида [1]:

ГАК ^

Аё

А®,

)

('_(у _ав

ау ау

0

1

0 аЛ _ах Г АV ^ ( р ах 8С ах

0 а _ау Аё + Р ар 8 с ау

а, _а г ш а _аш Р К

0 0 ; 1 0 0

АР

\8С

(0.1)

Здесь Д V — отклонение величины вектора скорости; А8 — отклонение угла наклона траектории;

Дю, — отклонение угловой скорости в канале тангажа; А V — отклонение угла тангажа; А Р — отО г V 0 а

клонение величины вектора тяги двигателя; ос — угол отклонения стабилизатора; ах , ах, ах и т.д. — коэффициенты линеаризации [1]. Вводя обозначения

х = (ДV ДО Дю, ДV)Т, и = (ДР 5С)Т, вместо (0.1) имеем

х =

ап а12 0 а14 ^ ' ¿11 ¿12

а21 а22 0 а24 х + ¿21 ¿22

а31 а32 а33 а34 ¿31 ¿32

0 0 1 0; 1 0 0

и,

(0.2)

где

а21 = -а:,

_ V

а31 — аш7,

V

-ах > а12 V

-ах

-а^

а22 — -а

_ о

а32 — аш

в

■ аУ

У У

а33 ■

а14 — —а

а24 — а

а,

- —а^

У а34

—аш

¿11 = ах , Ь12 = а

и Р и 5с ¿21 = ау, ¿22 = а/

¿31 = а„

¿32 = а„

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-11-00046).

В дальнейшем считается, что информация об отклонении угла атаки а или эквивалентно угла наклона траектории А8, поскольку А8 = А V - Аа, отсутствует. В результате вектор выхода системы имеет вид

у = (V Дюг ДV)т.

Следует заметить, что для широкого диапазона изменения высоты и скорости движения ЛА в силу особенностей линеаризации коэффициенты матриц A и B имеют кусочно-постоянный вид.

С учетом сделанных предположений, исходную математическую модель можно записать в форме динамической М1МО-системы (т.е. системы, имеющей много входов и много выходов) типа "вход—состояние—выход":

х(0 = Ах(0 + Би(0, у(0 = Сх(0, (0.3)

где х е К",п = 4 — вектор состояния (К — множество вещественных чисел, вещественная ось); u —

вектор входа (управления) из Кг, где г = 2; у е Кт, т = 3 — вектор выхода. При этом в (0.3) соответствующие матрицы имеют вид

A =

' а11 ai2 0 а14

А21 a22 0 а24

а31 аз2 азз а34

( 0 0 1 0

' ¿11 ¿12 ^

¿21 ¿22

b31 ¿32

10 0;

(0.4)

B

(1 0 0 0^ С = 0 0 10 ч0 0 0 1,

Если к тому же в качестве закона управления (0.2) предположить выражение Ц(0 = Ру(0 = РСх(/>,

(0.5)

(0.6)

(0.7)

где Г е Кгхт — матрица регулятора по выходу, то в соответствии с [2] для рассматриваемой системы (0.3)—(0.7) будет иметь место случай управляемой по выходу динамической М1МО-системы.

В дальнейшем также будем полагать, что матрица B е [R4x2 (0.5) имеет полный ранг, т.е. в данном случае rank B = 2 или эквивалентно матрица B B — обратимая (det(B B) * 0).

Введем в рассмотрение спектр матрицы A е (полюсов)

eigA = [l е С: det (Д4 - A) = 0,i = 1,4

„4x4

(0.4) — множество ее собственных значений

Здесь 14 — единичная матрица размера 4 х 4, С — множество комплексных чисел (комплексная плоскость).

Пусть Л — заданный спектр матрицы замкнутой управлением (0.7) системы А + БЕС, т.е.

Л = eig(A + BFC) = |Xb X2,..., X4

(0.8)

Требуется выбрать (синтезировать) в явном виде матрицу регулятора Г е К2х3, чтобы в точности выполнялось равенство (0.8).

Сложность рассматриваемой задачи объясняется необходимостью получения решения в явном, аналитическом виде, поскольку, как отмечалось ранее, матрицы А, Б в (0.3) имеют кусочно-постоянный вид. Этому и посвящена данная работа.

1. Декомпозиция динамической системы. Первым шагом в решении поставленной задачи будет осуществление специальной многоуровневой декомпозиции модели ЛА, предложенной в [3—9].

Поскольку для данной задачи выполняется неравенство т > г, то в общем виде, не придерживаясь конкретных числовых значений для т и г, введем в рассмотрение многоуровневую декомпозицию системы (0.3)—(0.7) следующего вида: нулевой уровень декомпозиции

А 0 = А, Б0 = Б, С0 = С, (1.1)

к-й уровень декомпозиции (к = 1, M, где M = ceil (n/r), ceil (*) — операция округления числа "*" в сторону большего значения)

A к = B ¿-iA k-iB ¿-^ B к = B ¿-iA k-iB k-l, г к = r k-iA k-iB fc+i- (12)

В формулах (1.1), (1.2) для к = 0, M фигурируют матрицы со свойствами

(Вк |в f ) =

гвл вк

VJ

BfcB к = 0, В+Вк = Ir, (1.3)

г Ск ^ г1

Vг к

-i

(г к |C1), г ¿СT = 0, г кС к = I m, (1.4)

где верхним индексом "±" обозначены полуортогональные матричные делители нуля, а индексом "+" — псевдообратные матрицы Мура—Пенроуза [3—5].

Введем также в рассмотрение формулы регуляторов для управления спектром на соответствующих уровнях декомпозиции (в обратном порядке): М-й уровень декомпозиции

ЕМ = (фмБМ - БМАм) СМ, (15)

к-й уровень декомпозиции (к = 0, М - 1)

¥к = (ФкБ- - БкЛк)С+, Б- = Б+ - Е^Б£. (1.6)

На этом процедуру многоуровневой декомпозиции можно считать выполненной. 2. Алгоритм синтеза управления MIMO-системой по выходу. Справедливо следующее утверждение, доказанное в [6] и приводимое здесь с учетом замены полуортогональных матричных делителей нуля на матричные делители нуля с отсутствием свойства полуортогональности [6], т.е.

на такие матрицы, для которых в общем случае Б^Б¿т Ф Iп_г.

Те о р е м а 1. Пусть т > г, следующие матрицы существуют и попарно полностью управляемые:

GI = B-AкС¿(B-С¿)+, H = (B-С^)Х, к = 0, M, (2.1)

тогда существует непустое множество матриц К,, / = 0, М, таких что,

Ф, = с;. + Кти;. = (Б:А;.С^)(Б:С^)+ + К т(Б;:С У, (2.2) и для (1.5), (1.6) выполняются равенства спектров

м

е1в (Ак + БкЕкСк) = У ^Ф,, к = , (2.3)

I = к

М

е1в (А 0 + Б 0^С 0) = е1в (А + БЕС) = у eigФ, = Л. (2.4)

I = 0

Условие т > г в теореме 1 не имеет обременительного характера и введено с целью указания, что в данном случае матрица Е из (0.7) традиционно рассматривается как матрица регулятора (число входов системы меньше, чем выходов).

Для случая m < r, который не характерен для рассматриваемой в данной работе задачи синтеза, теорема 1 имеет дуальную формулировку, а матрица F заменяется на матрицу наблюдателя L (число входов больше, чем выходов).

Те о р е м а 2. Пусть m < r, N = ceil (n/m), выполнена декомпозиция системы (0.3) следующего вида:

А 0 = А, В0 = В, С0 = С,

Ак = С к-1А к-1С ¿-1, Вк ~ Ск-1А к-1Ск-1, С к = Ск-1А к-1Ск-1> к = 1) N >

указанные ниже матрицы существуют и попарно полностью наблюдаемы:

Gt = (B^C+)+B¿AkCHk = (B^C+)\ k = 0, N,

тогда существует непустое множество матриц Ь^, I = 0, N, таких что,

¥, = + ИЬ = (В/"С+)+В/"А (-С+ + (В/-С+)1ЬТ, и при

^ = Вм(См^м - АмСм),

Fk = B k (C k¥ k - A kC k), выполняются равенства

C - — C + C и Fi

k

k = 1, N -1

N

eig (Ak + BkFkCk) = U eig^i, k = 1, N,

i = k

N

eig (Aо + B0F0Cо) = eig (A + BFC) = U eig^i = Л.

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9) (2.10)

(2.11) (2.12)

i = 0

Как и в алгоритмах, приведенных в [3—9], здесь при преобразованиях используются только полуортогональные и псевдообратные матрицы, что с вычислительной точки зрения, по крайней мере, не ухудшает обусловленность уравнений.

Рассмотренный подход не содержит ограничений в виде различия алгебраической и геометрической кратности элементов назначаемого спектра, а также на размерность решаемой задач. Это подтверждается математическим моделированием, которое было проведено авторами и показало высокую относительную точность управления спектром и практическое отсутствие ограничений на размерность системы (0.3).

3. Аналитический синтез управления продольным движением ЛА. Согласно постановке задачи, требуется найти в явном виде формулу регулятора F в законе управления (0.7), имеющего в данном случае вид

'AP(t) А(0

= FC

f AV Л f AV

АО

= F A®z

Аю7 z

z V Av

Uv ;

(3.1)

и обеспечивающего замкнутой системе "ЛА + система управления" указанный ранее спектр:

Л = (X1, X 2,..., X 4}. (3.2)

Выполним для системы (0.3) с матрицами (0.4)—(0.6) многоуровневую декомпозицию, определенную в разд. 1 и имеющую в данном случае два уровня декомпозиции (м = 1): нулевой (1.1) и первый (1.2), для которого

(¡11 ¡11 1 0

ВП =

0 0 0 1

вп+ =

(/11/-1 0Л ¡2-1 0 Г1 0 0 1

(3.3)

А1 =

( 1 1 ^

а11 а12

4^21 0 у

В, =

1 1

' Ь11 , 1 л ¿12 , С1 = Сц 1 С12 1

1 ь21 Ь22 У С21 с22

1 ^ С11 0 У

(3.4)

где

аи = (а/ + ац/Ц + а^ + Уп (а12 + а21)) 1, а^ = аз4 + а1з /п + а24 ¡12, а\1 = Г1, ¿и = аззЬз1 + Ьпа/ + Ь2щ^, ¿112 = аззЬз2 + Ьп(аз1 + ап/п + а21 ¡12) + ¿22а3, = Ьз1, Ь12 = Ьз2,

1 - ! 1 1 \/-1 1 - 1 - 1/-1 1 - 1 - /-1 С11 = (а11 ¡ц + а12/12)/ , с12 = а13, С21 = а/1 , с22 = a34, Сз1 = 1 ,

¡* = ЬцЬ22 - Ь12Ь21 ,

/ = Ь21Ьз2 - Ь22Ьз1 / = ~(Ь11Ьз2 - Ь12Ьз1) / = ¡2 + ¡2 + 1 11 ¡* ' 12 ¡* ' 11 12 '

1 2 з

Щ = азз + аз1 ¡11 + a32¡12, Щ = аз1 + а11 ¡11 + ^¡^ Щ = аз2 + а12 ¡11 + a22¡]

12

Для проверки условий управляемости, определенных в теореме 1, вычислим следующие матрицы:

/ 7.0+ ,0+ ,0+ ПЛ

ЬЦ Ь12 Ь1з 01

,0+ ,0+ ,0+ п V Ь21 Ь22 Ь2з 0У

С01 = (0 10 0), в0

в которых, при введенном обозначении

Ь = ЬПЬ99 + Ь2Ь

з2

- 2ЬцЬ19Ь91Ь99 - 2Ь11Ь19Ьз1Ьз9 + Ь19Ь91 + Ь19Ьз! + Ь91Ьз9 -

'1 1^22 + "11"з2 -"ЧМ 2^2 1^22 "Л 1и1 2<уз 1"з2 + и12и2 1 + и1 2<уз 1 + "2 1"з2 —2Ь21Ь22Ьз1Ьз2 + Ь22ЬзЪ

(3.5)

Ь0+ _ Ь11Ь22 - Ь12Ь21Ь22 + Ь11Ьз2 - Ь12Ьз1Ьз2 ¿0+ _ Ь21Ь12 - Ь11Ь22Ь12 + Ь21Ьз2 - Ь22Ьз1Ьз2

Ь91Ь] 9 Ь\\Ь99Ь\9 з9 Ь99 Ьз1 Ьз

7 0 +

Ь1з _

Ь22 =

О0+ 12 О0+

Ьз1 Ь12 -

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком