Методика идентификации характеристик лёгкого самолёта для мониторинга природных и техногенных катастроф тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.09, кандидат технических наук Буй Куанг Ли

• Буй Куанг Ли
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буй Куанг Ли

Введение.

Глава 1. Разработка и анализ обобщенных математических моделей движения самолета в возмущенной атмосфере.

1.1. Уравнения движения легкого самолета.

1.1.1. Уравнения движения центра масс.

1.1.2. Уравнения движения легкого самолета вокруг центра масс.

1.2. Линеаризация уравнений движения.

1.2.1. Общая система уравнений движения центра масс самолета.

1.2.2. Линеаризация уравнения движения.

1.3. Математические модели атмосферных возмущений.

1.3.1. Канонические разложения вариаций плотности и ветра.

1.3.2. Построение формирующих фильтров атмосферных возмущений.

1.3.3. Учет ветровых возмущений при испытаниях легкого самолета.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. Определение характеристик легкого самолета на основе результатов летных испытаний.

2.1. Основные методы обработки информации.

2.1.1. Фильтр Калмана и проблема расходимости процесса фильтрации.

2.1.2. Тактика обработки информации.

2.2. Предварительное определение характеристик легкого самолета на основе анализа переходных процессов

2.2.1. Математическая модель движения самолета для решения задач идентификации.

2.2.2. Предварительное определение коэффициентов аэродинамических моментов статической устойчивости и демпфирования т", т°г на основе анализа переходных процессов.

2.2.3. Предварительное определение коэффициентов А Сх0, А С".

2.2.4. Итоговое уточнение оценок на основе фильтра Калмана.

2.3. Выводы по главе II.

Глава 3. Формирование заданных режимов полета легкого самолета при летных испытаниях

3.1. Проблема реализации режимов и маршрута полета самолета при летных 83 испытаниях.

3.2. Решение задачи оптимизации управления на основе принципа минимума 84 Понтрягина.

3.3. Прямое решение задачи оптимизации управления (безитерационный алгоритм управления).

3.4. Результаты моделирования безитерационного алгоритма управления.

3.5. Решение краевой задачи для канонической системы уравнений характеристик

3.6. Сравнительный анализ алгоритмов управления.

3.7. Техническая реализация алгоритма оптимального управления.

3.8. Выводы по главе III.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика идентификации характеристик лёгкого самолёта для мониторинга природных и техногенных катастроф»

Актуальность темы диссертации

В настоящее время большое внимание уделяется созданию легких самолетов, предназначенных для решения различных задач мониторинга природных и техногенных катастроф. С помощью легких самолетов может быть получена информация о чрезвычайных ситуациях [19]:

- информация о лесных пожарах.

- поиск заблудившихся в лесу (джунглях), на море и при наводнениях.

- обнаружение и исследование объектов с вредными выбросами.

- наблюдение и поддержка при спасательных работах.

Важным этапом создания такого самолета являются его летные испытания с последующим анализом их результатов, одной из задач которых является уточнение аэродинамических характеристик самолета. В задачи анализа входит оценка адекватности расчетных математических моделей и реализуемых алгоритмов реальным условиям и предполагает детальное исследование характеристик самолета с учетом особенностей его полета в возмущенной атмосфере.

Вопросам отработки самолетов и их систем управления в процессе летных испытаний посвящено большое количество работ, частности [8], [17], [36], [43]. Однако, в большинстве из них в качестве объекта экспериментальных исследований рассматриваются пилотируемые самолеты различного назначения. Проблемы летной отработки малых беспилотных самолетов в литературе освещены менее значительно [38].

Необходимо также отметить, что в современных условиях благодаря высокому уровню развития радиоэлектроники, измерительной и вычислительной техники летные испытания легких самолетов могут быть организованы с минимальными материальными и временными затратами. При этом фактически оказывается возможным отказаться от проведения дорогостоящих полунатурных экспериментов в аэродинамических трубах и на стендах.

Предлагается методика теоретических и экспериментальных исследований для отработки вопросов аэродинамики, динамики полета и управления движением легкого самолета, предназначенного для мониторинга природных и техногенных катастроф, а также для получения иной информации о чрезвычайных ситуациях.

Объект диссертационного исследования - легкий самолет, предназначенный для мониторинга природных и техногенных катастроф.

Предмет исследования - комплексная методика проведения летных испытаний легкого самолета.

Цель работы - выявление основных характеристик легкого самолета.

Задачи работы, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Формирование математических моделей движения легкого самолета и атмосферных возмущений и их адаптация применительно к решению задач оптимальной статистической обработки информации.

2. Создание методики обработки переходных процессов возмущенного короткопериодического движения самолета.

3. Создание методики обработки информации на основе моделей факторного эксперимента.

4. Разработка модифицированных алгоритмов статистической обработки информации в виде обобщенных фильтров Калмана.

5. Решение задачи синтеза оптимального управления самолетом для возможности наиболее точной реализации заданных режимов полета при летных испытаниях.

Методы исследования

В диссертационной работе основу исследований составляют теория вероятностей и случайных процессов, включая методы формирующих фильтров, методы оптимальной статистической обработки информации, современная теория оптимального управления летательными аппаратами, динамика полета и вычислительная математика пакета МАТЬАВ.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложено методическое обеспечение в виде комплекса математических моделей, адаптированных к задачам обработки результатов летных испытаний легкого самолета и организации этих испытаний.

2. Предложено комплексное решение задачи определения основных характеристик легкого самолета на основе двухэтапной процедуры обработки информации, включающей предварительный анализ переходных процессов и использование метода наименьших квадратов с последующей итоговой обработкой информации с помощью модифицированного фильтра Калмана.

3. Разработан безитерационный алгоритм формирования заданных режимов полета легкого самолета при летных испытаниях.

Практическая значимость результатов работы

1. Предложенные в диссертационной работе математические модели, методы, алгоритмы и программно-математическое обеспечение позволяют оперативно решать задачи идентификации аэродинамических характеристик легкого самолета в процессе послеполетного анализа.

2. Полученные научные результаты имеют методическую направленность и позволяют сократить время и повысить достоверность результатов обработки информации при летных испытаниях легкого самолета.

3. Разработанный алгоритм оптимального управления может быть использован непосредственно при летных испытаниях самолета, а так же применен для отработки заданного маршрута полета самолета при мониторинге районов возможных природных и техногенных катастроф.

4. Отдельные результаты работы могут быть использованы в процессе проектирования и разработки легкого самолета и его системы управления.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным использованием математических моделей движения самолета, методов статистической обработки информации и теории оптимального управления летательными аппаратами, а также проведенным в значительном объеме математическим моделированием процессов оптимальной обработки результатов измерений и процессов управления с получением непротиворечивых результатов.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту

1. Математические модели движения легкого самолета и атмосферных возмущений, предназначенные для использования в алгоритмах оптимальной статистической обработки результатов летных испытаний и при синтезе алгоритмов оптимального управления при испытаниях, а также при выборе маршрутов полета самолета.

2. Методика комплексной обработки информации, основанная на предварительном анализе переходных процессов, использовании метода наименьших квадратов для непосредственной обработки результатов измерений, и итоговой обработке информации с помощью модифицированного фильтра Калмана.

3. Алгоритм оптимального управления самолетом при его летных испытаниях, основанный на прямом решении оптимизационной задачи управления.

4. Результаты численного тестирования разработанного в среде МАТЬАВ программно-математического обеспечения, реализующего предложенные алгоритмы оптимальной статистической обработки информации и управления легким самолетом.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на 12-й и 13-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2007 и 2008 , а так же на научном семинаре кафедры 604 Московского авиационного института (государственного технического университета).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения по работе и списка литературы. Работа содержит 141 страниц, 52 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Динамика, баллистика, дистанционное управление движением летательных аппаратов», Буй Куанг Ли

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ III

1. Разработан алгоритм оптимального управления самолетом при его летных испытаниях, основанный на прямом решении оптимизационной задачи.

2. На основе проведенного математического моделирования установлено, что предложенный алгоритм оптимального управления позволяет обеспечить необходимые точностные характеристики реализации траектории полета самолета при летных испытаниях.

3. Предложенный алгоритм оптимального управления помимо использования при летных испытаниях самолета может быть применен для отработки заданного маршрута полета самолета при мониторинге районов возможных природных и техногенных катастроф.

4. Проведен сравнительный анализ и математическое моделирование процессов управления самолетом при использовании прямого решения и решения, полученного на основе принципа минимума, которое показало практическую близость получаемых результатов.

5. Полученное решение задачи оптимизации управления является достаточно универсальным для схем двухканального управления, характерных для атмосферных летательных аппаратов.

98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено формирование математических моделей движения легкого самолета, которые могут быть рекомендованы к использованию в алгоритмах оптимальной статистической обработки результатов летных испытаний, а также при синтезе алгоритмов оптимального управления и при выборе режимов полета самолета при испытаниях. На основе проведенного анализа математических моделей атмосферных возмущений даны рекомендации по построению их формирующих фильтров, применяемых при решении задач обработки информации и статистическому моделированию процессов управляемого движения самолета при летных испытаниях.

Проведен анализ существующих методов статистической обработки информации, получаемой при летных испытаниях легкого самолета. В качестве основного алгоритма предложено использовать модифицированный фильтр Калмана. Разработана двухэтапная процедура обработки информации на основе предварительного анализа переходных процессов и использования метода наименьших квадратов с последующей итоговой обработкой информации с помощью фильтра Калмана. На основе проведенного моделирования процесса обработки информации установлено, что предложенные методики и алгоритмы обеспечивают получение характеристик легкого самолета с высокой степенью точности

Разработан алгоритм оптимального управления самолетом при его летных испытаниях, основанный на прямом решении оптимизационной задачи. На основе проведенного математического моделирования установлено, что предложенный алгоритм оптимального управления позволяет обеспечить необходимые точностные характеристики реализации траектории полета самолета при летных испытаниях. Предложенный алгоритм оптимального управления помимо использования при летных испытаниях самолета может быть применен для отработки заданного маршрута полета самолета при мониторинге районов возможных природных и техногенных катастроф. Проведен сравнительный анализ и математическое моделирование процессов управления самолетом при использовании прямого решения и решения, полученного на основе принципа минимума, которое показало практическую близость получаемых результатов.

В целом выполненные в диссертационной работе исследования позволяют оперативно решать задачи идентификации аэродинамических характеристик легкого самолета в процессе послеполетного анализа. Полученные научные результаты имеют методическую направленность и позволяют сократить время и повысить достоверность результатов обработки информации при летных испытаниях легкого самолета. Разработанный алгоритм оптимального управления может быть использован непосредственно при летных испытаниях самолета, а так же применен для отработки заданного маршрута полета самолета при мониторинге районов возможных природных и техногенных катастроф. Отдельные результаты работы могут быть использованы в процессе проектирования и разработки легкого самолета и его системы управления.

100

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буй Куанг Ли, 2008 год

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1971, 284 с.

2. Бажинов И.К., Почукаев В.Н. Оптимальное планирование навигационных измерений в космическом полете. М.: Машиностроение, 1976, 288 с.

3. Баранов В.Н., Михалев A.A. Методика применения датчиков угловых скоростей Analog Devices в системе управления малогабаритных летательных аппаратов. Труды 11-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2006

4. Баранов В.Н., Горбатенко Д.С. Динамическое проектирование системы управления сверхлегкого дистанционно пилотируемого вертолета. Труды 10-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2005, стр.87, 88

5. Баранов В.Н., Гавриков В.Г. К задаче обработки и информации при управлении спуском в атмосфере. Космические исследования АН СССР, Т. ХУ1, выпуск 4, 1978, 0.8 п.л.

6. Баранов В.Н., Гавриков В.Г. Приближенное решение задачи фильтрации при управлении полетом КА в атмосфере. Космические исследования АН СССР, Т. ХУШ, выпуск 4, 1980,1 п.л.

7. Берестов Л.М., Поплавский Б.К., Мирошниченко Л.Я. Частотные методы идентификации летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1985. -184 с. ил.

8. Берестов Л.М., Горин В.В. Моделирование динамики управляемого полета на летающих лабораториях. М.: Машиностроение, 1988. 110 с.

9. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.-Наука. 1967.

10. Брандин В.Н., Васильев A.A., Куницкий A.A. Экспериментальная баллистика космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1984, 264 с.

11. Буй Куанг Ли, Баранов В.Н. Комплексная методика определения вижения и характеристик легкого самолета. Труды 12-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2007, с. 56-57.

12. Буй Куанг Ли. Методика определения аэродинамических характеристик легкого самолета на основе результатов летных испытаний. Труды 12-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2007, с. 57-58.

13. Буй Куанг Ли, Баранов В.Н. Алгоритм оптимального управления легким .самолетом при летных испытаниях. Труды 13-й Международной конференции «Системный анализ и управление». Крым, Евпатория, 2008, с. 112.

14. Буй Куанг Ли, Баранов В.Н. Прямое решение задачи оптимизации управления пространственным движением атмосферных летательных аппаратов. «Труды ИСА РАН, Динамка неоднородных систем», Том 31(2), 2007, с. 7-13.

15. Буй Куанг Ли, Баранов В.Н. Оптимальное управление беспилотным легким самолетом при летных испытаниях. «Вестник МАИ», №5, 2008, с. 6266.

16. Буй Куанг Ли, Малышев В.В., Баранов В.Н., Ли Вэй. Методика определения аэродинамических характеристик малоразмерного самолета на основе результатов летных испытаний. «Вестник МАИ», 2009

17. Васильченко К.К., Леонов В.А., Пашковский И.М., Поплавский Б.К. Летные испытания самолетов. Учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Машиностроение, 1996 - 720 с.

18. Войтишек A.B. Основы метода Монте-Карло в алгоритмах и задачах. -Новосибирск, НГУ, 1997.

19. Голубев И.С., Янкевич Ю.И. Основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2006. - 528 с. ил.

20. Гришин A.M. Физика лесных пожаров. Томск: Изд-во Томского университета, 1994.

21. Джонсон. Н., Лион. Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980, 610 с.

22. Долженков H.H., Янкевич Ю.И. Современные комплексы БЛА и перспективы их развития. Вестник воздушного флота - 2004, № 10.

23. Ермаков С.М., Жиглевский A.A. Математическая теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1987 - 320 с.

24. Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. М.: Наука, 1982.

25. Ершов A.A. Стабильные методы оценки параметров (обзор). Автоматика и телемеханика. 1978, № 8. с 66-100.

26. Иванов Н.М., Лысенко Л.М., Мартынов А.И. Методы теории систем в задачах управления космическим аппаратом. М.: Машиностроение, 1981, 254 с.

27. Калман, Бьюси. Новые результаты в линейной фильтрации и теории предсказания. Техническая механика. Т.83, Серия Д, 1961, № 21.

28. Кринецкий Е.И (ред.). Летные испытания ракет и космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1979 - 464 с.

29. Лебедев A.A., Красильщиков М.Н., Малышев В.В. Оптимальное управление движением космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1974, 199 с.

30. Лебедев A.A., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973, 615 с.

31. Лебедев A.A., Бобронников В.Т., Красильщиков М.Н, Малышев В.В. Статистическая динамика управляемого полета. М.: Машиностроение, 1978, 240 с.

32. Леондес К.Т. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. М.: Мир, 1980.

33. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969.

34. Р. Ли. Оптимальные оценки, определения характеристик и управление. -М.: Наука, 1966.

35. Махонькин Ю.Е., Павлова З.А., Фальков А.И., Корачков В.И. Автоматизированная обработка результатов измерений при летных испытаниях. М.: Машиностроение, 1983,112 с ил.

36. Р. Мехра. Идентификация и адаптивная фильтрация Калмана. Механика (сборник статей), 1971, №3, с.34-51.

37. Миронов А.Д., и др. Методы исследований на летающих моделях. М.: Машиностроение. 1988, 144 с.

38. Остославский И.В., Стражева И.В. Динамика полета (траектории летательных аппаратов). М.: Машиностроение, 1969, 499 с.

39. Пугачев В.Н. Теория случайных функций и ее приложение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз , 1960, 883 с.

40. Рачкулик В.И., Ситникова М.В. Отражательные свойства и состояние растительного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

41. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973.

42. Сухорученков Б.И., Меньшиков В.А. Методы анализа характеристик летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995, 368 с.

43. Д. Химмельблау. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-534 с.

44. Шкадов Л.М., Буханова P.C., Илларионов В.Ф. Механика оптимального пространственного движения летательных аппаратов в атмосфере. М.: Машиностроение. 1972.

45. Школьный Е.П., Майборода Л.А. Атмосфера и управление движением летательный аппаратов. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 307 с.

46. Шли, Стендиш, Тода. Расходимость фильтрации по методу Калмана. -Ракетная техника, № 6, 1967.

47. ГОСТ 20058-80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения.