Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Синявская, Юлия Адольфовна

• Синявская, Юлия Адольфовна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Синявская, Юлия Адольфовна

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Исследование исполнительных устройств в контуре надсистемы. Иерархическая оптимизация системы автоматического управления беспилотного летательного аппарата.

1.1. Математическая постановка задачи параметрического синтеза электрических ИУ как подсистем САУ БПЛА.

1.2. Формирование скалярного критерия качества и выбор метода решения.

1.3. Метод иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза АП и его подсистем.

1.4. Алгоритм декомпозиционно-координатного метода иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза АП с исполнительным устройством в качестве подсистемы.

1.4.1. Выбор математических моделей АП и его подсистем.

1.4.2. Определение перечня оптимизируемых параметров и области их изменения.

1.4.3. Выбор метода нелинейного программирования для решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации.

1.4.3.1. Алгоритм решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации на основе метода

Хука - Дживса.

1.4.3.2. Алгоритм решения задачи верхнего уровня иерархической оптимизации на основе метода случайного поиска с непрерывным обучением.

1.4.4. Общий алгоритм решения задачи оптимального синтеза АП и его подсистем.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Определение энергетического критерия качества. Сепарабельный цикл иерархической оптимизации.

2.1. Алгоритм определения энергетического критерия качества.

2.2. Аппроксимация закона движения объекта управления (аэродинамического руля).

2.2.1. Аппроксимация закона управления с помощью функций, представляющих решение дифференциального уравнения второго порядка.

2.2.2. Аппроксимация закона управления с помощью сплайн - функций.

2.3. Определение участков >0.

2.3.1. Определение интервалов ^(7) > 0 при аппроксимации в виде функций, представляющих решение дифференциального уравнения второго порядка.уз

2.3.2. Универсальный алгоритм определения интервалов F(t) >0.

2.4. Определение критериальной функции Nmax(F).

2.5. Выводы к главе 2.

Глава 3. Стохастическая постановка задачи параметрического синтеза контура управления с исполнительным устройством в качестве подсистемы.

3.1. Стохастический критерий оптимизации.

3.2. Общая стохастическая постановка задачи оптимального синтеза АП.

3.3. Алгоритм неградиентного случайного поиска с непрерывной адаптацией для решения задачи оптимального синтеза стохастической модели АП.

3.4. Выводы к главе 3.

Глава 4. Программно-математическое обеспечения для решения задачи параметрического синтеза исполнительных устройств контуров управления БПЛА.

4.1. Интегрированная интерактивная система проектирования «СИРИУС» (СИнтез Рулевых Исполнительных УСтройств).

4.2. Программный комплекс «SC/Сепарабельный цикл».

4.3. Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики».

4.4. Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика определения обликовых характеристик электрических исполнительных устройств как подсистем контуров управления полетом высокоманевренных БПЛА»

Актуальность темы

Основной тенденцией в развитии современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), как военного так и гражданского назначения, является создание систем автоматического управления (САУ), обеспечивающих высокую точность и эффективность применения БПЛА при одновременном выполнении требований к минимизации энергетических затрат на управление полетом.

Основу методологии создания данных систем составляет системный подход к процессу проектирования, заключающийся в решении следующих задач:

• Формирование критериев качества, определяющих обликовые характеристики САУ и ее подсистем, исходя из условия выполнения требований к САУ со стороны системы более высокого иерархического уровня и исходя из учета взаимного влияния характеристик подсистем САУ и характеристик самой САУ.

• Формирование процесса проектирования на основе методов иерархической оптимизации на классах редуцированных моделей, определяемых требованиями адекватности соответствующим этапам проектирования.

В общем случае, контур управления БПЛА представляет собой САУ, включающую три подсистемы: систему сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительное устройство; исполнительное устройство (ИУ) - бортовой рулевой привод (БРП); объект управления - беспилотный летательный аппарат.

В свою очередь БРП также является системой, состоящей из трех подсистем: системы сбора информации и формирования командного сигнала на исполнительное устройство; исполнительного устройства, включающего источник питания, двигатель и кинематический механизм; объекта управления - аэродинамической поверхности (аэродинамического руля).

Качество САУ БПЛА в значительной степени определяется энергетическими ресурсами, необходимыми для реализации эффективного процесса управления полетом.

Вопросам энергетического обеспечения систем управления БПЛА посвящены работы Б.Н. Петрова [38], А.Г. Ужви [59] , В.А. Полковникова [42], В.А. Корнилова [19], в которых представлены алгоритмы определения энергетических характеристик БРП по априорно заданным законам движения и стационарным параметрам объекта управления (аэродинамической поверхности).

Однако в САУ БПЛА законы движения объекта управления (аэродинамической поверхности) являются следствием функционирования всей САУ, включающей БРП как подсистему, и формируются с учетом влияния характеристик БРП (как динамических, так и энергетических) на процесс функционирования САУ.

Особенное значение системная постановка задачи проектирования имеет на начальном этапе синтеза системы, т.е. на этапе определения обликовых характеристик подсистем САУ и самой САУ, в виду того, что на данном этапе принимаются основные технические решения, связанные с комплектацией САУ и формированием технических заданий на проектирование ее подсистем.

В настоящее время системный подход широко применяется на этапе определения обликовых характеристик объекта управления (БПЛА) и САУ, что отражено в работах A.JI. Рейделя [48], Э.Е. Пейсаха [35], А.Б. Пригоникера [48], В.А. Нестерова [35] и других авторов. Однако в данных работах не учитывается влияние энергетических затрат на управление полетом, определяемых исполнительным устройством.

Вопросам системного проектирования следящих приводов как подсистем комплексов бортового оборудования БПЛА посвящены работы В. Г. Терскова [58], в которых решаются задачи структурного синтеза следящих приводов комплексов бортового оборудования БПЛА при априорно определенных параметрах «энергетического канала» исполнительного устройства (двигателя, кинематического механизма, источника питания).

Однако существующие методики параметрического синтеза ИУ [38, 42, 59], т.е. методики оптимального выбора параметров «энергетического канала», рассматривают ИУ изолированно от над системы (САУ), что не дает возможность учитывать в процессе проектирования ИУ свойств самой САУ и взаимное влияние характеристик САУ и характеристик ИУ.

В силу вышесказанного на данный момент актуальной задачей является разработка методики и алгоритмов параметрического синтеза исполнительных устройств САУ на первичной стадии синтеза САУ, рассматривающих иерархическую структуру САУ и учитывающих функциональные связи ИУ с подсистемами САУ, как в детерминированном, так и в стохастическом виде.

Цель работы

1. Разработка системно-оптимизационных алгоритмов проектирования электрических исполнительных устройств как подсистем контура управления полетом БПЛА на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ, применимых для определения обликовых характеристик САУ и ИУ.

2. Создание на базе разработанных алгоритмов интегрированной интерактивной программной системы, позволяющей решать задачу определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающей расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА.

Задачи исследования

Основными задачами исследования являются:

• математическая постановка задачи параметрического синтеза ИУ как подсистемы САУ БПЛА на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза САУ;

• обоснование выбора критериев качества САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма иерархической оптимизации задачи синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на начальной стадии синтеза САУ БПЛА и ИУ;

• разработка алгоритма параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработка интегрированного интерактивного программного комплекса, реализующего методы и алгоритмы оптимального синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА с ИУ в детерминированной и стохастической постановке.

Методы исследования.

Математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, теория стохастических дифференциальных систем, методы системного анализа и синтеза сложных систем, технология объектно-ориентированного программирования, методы математического моделирования.

Объект исследования.

Параметрический синтез контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации и контура наведения БПЛА.

Предмет исследования.

Методика и алгоритмы параметрического синтеза контура управления полетом БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ на иерархическом уровне контура стабилизации и контура наведения БПЛА.

Научная новизна:

• сформулирована математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза САУ, учитывающая влияние критериев качества САУ и исполнительного устройства на общие характеристики САУ;

• разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения задачи оптимального параметрического синтеза САУ БПЛА с ИУ в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• разработаны алгоритмы оптимизации энергетических характеристик электрических ИУ по критерию т[пЫтак(Р) (А^тах- максимальная мощность, затрачиваемая исполнительным устройством на управление; Р- жесткость механической характеристики ИУ) для произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и произвольного набора нестационарных параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастической постановке, определяющие обликовые характеристики «энергетического канала» электрического исполнительного устройства;

• разработан алгоритм оптимального параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ БПЛА и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ БПЛА и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• разработан интегрированный интерактивный программный комплекс для решения задачи определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающий расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА в детерминированной и стохастической постановке.

Практическая значимость.

1. Представленные в диссертационной работе методы, алгоритмы и комплекс программных средств применяются в научной деятельности ОАО МНПК «Авионика» для:

• определения оптимальных обликовых характеристик перспективных ЗУР;

• анализа энергетических характеристик существующих ИУ БПЛА;

• обоснования тактико-технических требований при проектировании ИУ БПЛА;

• определения энергетических характеристик ИУ в системах программного управления по априорно заданным произвольным законам движения ОУ при произвольном наборе вектора параметров ОУ.

2. Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики», входящая в интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», зарегистрирована в Федеральном органе исполнительной власти по интеллектуальной собственности от имени МАИ (Свидетельство N 2012614659 от 24.05.2012 г).

3. Разработанный в диссертационной работе интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС» применяется в учебном процессе кафедры «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ в курсах «Статистическая динамика приводных систем», «Основы автоматики и теории управления» и в дипломном проектировании по кафедре.

Практическое применение результатов диссертационной работы в перечисленных выше прикладных областях подтверждено соответствующими актами о внедрении в учебный процесс кафедры

Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ и в практическую и научную деятельность ОАО МНГЖ «Авионика».

На защиту выносятся следующие основные положения:

• математическая постановка задачи оптимального параметрического синтеза электрических исполнительных устройств в контуре управления полетом беспилотного летательного аппарата на этапе определения обликовых характеристик контура управления и исполнительного устройства, применимая на начальной стадии синтеза САУ;

• алгоритм иерархической оптимизации в задаче оптимального параметрического синтеза контура управления беспилотного летательного аппарата с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ;

• оптимизационные алгоритмы определения экстремального энергетического критерия в форме minNmax(F) при реализации произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и произвольном наборе вектора нестационарных параметров аэродинамической нагрузки в детерминированной и стохастической постановке;

• алгоритм оптимального параметрического синтеза стохастической модели САУ БПЛА и ИУ на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ при использовании стохастического критерия оптимальности в виде максимума функции полезности, вероятностного характера параметров САУ БПЛА и ИУ и при представлении входных сигналов САУ в форме нестационарных случайных процессов;

• интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», предназначенный для решения задачи определения обликовых характеристик контура стабилизации БПЛА (автопилота (АП)) с электрическим следящим рулевым приводом в качестве подсистемы и предусматривающий расширение программной функциональности для использования на этапе определения обликовых характеристик контура наведения БПЛА в детерминированной и стохастической постановке.

Достоверность научных положений и результатов.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата теории автоматического управления, системного анализа и теории стохастических дифференциальных систем, математическим моделированием на базе апробированных математических моделей, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.

Апробация работы и публикации.

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на:

• 1-й Международной конференции по автоматическому управлению, Москва, Ярополец, 1993 год;

• 1-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии, Суздаль, 1994 год;

• П-й, У-й, 1Х-й Всероссийских научно-технических конференциях "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов", Москва, МАИ, 1996 год, 1999 год, 2012 год;

• ХШ-м, ХУ-м Международных научно-технических Семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 год, 2006 год;

• Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс», Москва, 2010 год.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 2 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки России, 7 публикаций в сборниках трудов конференций.

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Иерархическая оптимизация в задачах проектирования систем автоматического управления // электронный журнал Труды МАИ, 2011г. № 44.

2. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Энергетический синтез мехатронных систем // журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки, выпуск N 1, 2012 г., стр. 55-60.

Публикации в других изданиях

3. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Synthesis of automatic system with servodrive as subsystem// Proceedings of the 1993 MAI/BUAA international symposium on automatic control, Moscow, Yaropolets, 1993, стр. 145-159.

4. V.A. Kornilov, Y.A. Sinyavskaya Energetical synthesis of the electromechanical control system// Тезисы докладов I международной конференции по электромеханике и электротехнологии, Суздаль, 1994, часть II, стр. 64.

5. Синявская Ю.А. Энергетические оценки исполнительного устройства привода при реализации произвольного закона управления. // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1996, стр. 221-224.

6. Корнилов В. А. , Синявская Ю.А. Системный подход к проектированию следящего рулевого привода в качестве исполнительного устройства в системе автопилота летательного аппарата. // Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 1999, стр. 209-212.

7. Корнилов В. А. , Синявская Ю.А. Системное проектирование рулевого привода в контуре управления беспилотного летательного аппарата. // Труды ХШ-го Международного научно-технического Семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2004 год, стр. 307-309.

8. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А. Энергетический синтез систем аэродинамического управления беспилотных летательных аппаратов. // Тезисы докладов Научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», ФГУП «МОКБ «Марс», Москва, 2010 год, стр. 67-68.

9. Корнилов В.А. , Синявская Ю.А Интегрированный интерактивный программный комплекс «Синтез рулевых исполнительных устройств»// Сборник докладов IX Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов". М.: Изд-во МАИ, 2012, стр. 251-255.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из списка принятых сокращений, введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Работа содержит 183 страницы печатного текста, 45 рисунков, 8 таблиц.

Содержание работы

В первой главе сформулирована постановка задачи системного проектирования электрических исполнительных устройств в контуре управления полетом БПЛА (на примере контура стабилизации) как задачи оптимального структурно-параметрического синтеза САУ и ИУ при решении задачи определения обликовых характеристик САУ и ИУ, применимая на начальной стадии синтеза; рассмотрен и обоснован выбор перечня критериев САУ и ИУ на этапе определения обликовых характеристик и обосновано формирование обобщенного критерия оптимальности в виде энергетического критерия качества и перечня сформированных ограничений; разработан алгоритм иерархической оптимизации для решения задачи оптимального синтеза контура стабилизации с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы на этапе определения обликовых характеристик САУ и ИУ; разработаны алгоритмы оптимизационных методов, решающих указанную задачу иерархической оптимизации; разработана архитектура интерактивного программного обеспечения, реализующего метод иерархической оптимизации.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов определения энергетического критерия качества в форме min Nmax(F) [19].

В методиках, представленных в работах [38, 42, 59], для решения задачи минимизации максимальной мощности ИУ используются зависимости Nmax от других независимых переменных (передаточного числа редуктора q, максимального приведенного момента Мтах и др.). Однако, с точки зрения решения практических задач, наиболее рациональным является выбор независимых переменных Nmax и F, т.к. на координатной плоскости этих переменных возможно эффективное выполнение операций объединения произвольного числа различных режимов, решение нелинейных и нестационарных задачах, а также, построение алгоритмов выбора двигателя и кинематического механизма из унифицированных вариантов.

В виду того, что законы движения объекта управления формируются в результате работы контура управления и представляют собой произвольные табулированные функции времени, алгоритмы вычисления энергетического критерия качества min Nmax (F) реализуют алгоритмы аппроксимации табулированного закона аналитическим законом либо в виде функции, представляющей решение дифференциального уравнения второго порядка, либо в виде сплайн-функций, в зависимости от характера табулированного закона, в отличие от методик, решающих множество «точечных» задач [38, 42, 59]. Разработаны оптимизационные алгоритмы вычисления значения энергетического критерия качества Nmax(F ) и результирующей оптимальной зависимости №тах(Г), соответствующих произвольному количеству заданных режимов функционирования контура управления (контура стабилизации БПЛА).

В третьей главе диссертационной работы рассматривается обобщенная стохастическая постановка задачи оптимального структурно-параметрического синтеза контура стабилизации, учитывающая влияние случайных факторов на функционирование САУ.

Стохастическая постановка задачи предполагает знание априорной статистической информации о случайных факторах, влияющих на работу САУ, в отличие от минимаксной постановки, когда известны лишь границы изменения неконтролируемых факторов [29,30]. Минимаксная постановка задачи чаще всего применяется при решении задач синтеза оптимального управления ЛА, оптимального оценивания и оптимальной фильтрации. В виду того, что оптимальный синтез контура стабилизации БПЛА выполняется с целью удовлетворения требований, предъявляемых к контуру стабилизации со стороны контура наведения, предполагается, что априорная статистическая информация о случайных воздействиях может быть получена.

Стохастическая постановка задачи оптимального синтеза контура стабилизации заключается в определении оптимальных реализаций оптимизируемых параметров при удовлетворении стохастического критерия оптимальности и при воздействии на систему вектора входных сигналов в форме нестационарных случайных процессов.

Алгоритм верхнего уровня иерархической оптимизации реализован на базе поискового метода стохастической оптимизации - неградиентного случайного поиска с непрерывной адаптацией. Генерация случайных величин выполняется на основе заданных вероятностных характеристик, генерация нестационарных случайных процессов выполняется на основе обработки их известных реализаций при применении сплайн-аппроксимации .

В четвертой главе приведено описание программно-математического обеспечения для решения задач оптимального структурно-параметрического синтеза систем автоматического управления с электрическими исполнительными устройствами в качестве подсистемы, состоящего из интегрированного интерактивного программного комплекса «СИРИУС», реализующего методы и алгоритмы глав 1-3, и составляющих его программных средств, которые могут использоваться как самостоятельные программные продукты.

В качестве демонстрации разработанных алгоритмов приводится пример предварительного синтеза упрощенной структуры автопилота по каналу тангажа со следящим электрическим приводом в качестве исполнительного устройства для трех заданных режимов полета БПЛА, выполненный с помощью интегрированной интерактивной программной системы «СИРИУС».

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Синявская, Юлия Адольфовна

4.4. Выводы к главе 4

Интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», реализующий методы и алгоритмы, представленные в главах 1-3, является программным комплексом, представляющим разработчику систем управления возможность решения задачи оптимального структурно-параметрического синтеза контура управления с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы в детерминированной и стохастической постановке.

Данный интегрированный интерактивный программный комплекс позволяет:

• выполнять структурный синтез контуров управления с возможностью ввода структур любой степени сложности и с возможностью их модификаций в процессе исследования (линейные структуры, нелинейные структуры и структуры в виде СПС); выполнять редуцирование полной модели контура управления с целью:

- уменьшения числа независимых оптимизируемых параметров, связи оптимизируемых параметров эквивалентной редуцированной модели и параметров, характеризующих динамические требования к контуру управления, с последующим переходом к полной математической модели контура управления;

• использовать интерактивные возможности программного обеспечения для выбора метода нелинейного программирования при реализации верхнего уровня иерархической оптимизации в зависимости от размерности математической модели контура управления и внесения изменений в выбор параметров метода оптимизации;

• использовать возможность интеграции для встраивания данного программного комплекса в программный комплекс, реализующий процессе проектирования системы более высокого иерархического уровня;

• использовать программные продукты, входящие в комплекс «СИРИУС» и оформленные также в виде независимого программного обеспечения, для решения локальных задач оптимального определения энергетических характеристик электрических исполнительных устройств по критерию минимальной максимальной потребляемой мощности в виде шт А^тах (Р), представляющему возможность рассмотрения любого количества произвольных законов движения объекта управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработана методика оптимального параметрического синтеза САУ с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы, основанная на системном подходе к процессу проектирования и оптимизационном характере процесса проектирования в детерминированной и стохастической постановке, применяемая на этапе определения обликовых характеристик подсистем САУ.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Сформулированная оптимизационная математическая постановка задачи параметрического синтеза электрических исполнительных устройств в контуре управления БПЛА позволяет выполнять параметрический синтез контура управления БПЛА и ИУ на этапе определения их обликовых характеристик, учитывая влияние критериев качества контура управления и исполнительного устройства на общие характеристики контура управления. Полученные в результате решения данной задачи обликовые характеристики подсистем контура управления БПЛА формируют функциональные ограничения при решении задач проектирования данных подсистем на более низком иерархическом уровне, что позволяет на каждом последующем этапе проектирования использовать модели подсистем более высокого порядка.

2. Преобразование многокритериальной постановки задачи проектирования к многопараметрической однокритериальной задаче путем сведения критериев в ранг функциональных ограничений с формированием скалярного критерия качества системы, отражающего наиболее значимые критерии на данном этапе проектирования, позволяет учитывать произвольный набор критериев контура управления и исполнительного устройства, адекватных текущему этапу проектирования.

3. Алгоритм иерархической оптимизации, применительно к решению задачи параметрического синтеза ИУ в контуре управления БПЛА, позволяет разделить оптимизационный процесс на несколько вложенных уровней, понижая размерность каждой оптимизационной подзадачи и сокращая время поиска оптимального решения.

4. Разработанные оптимизационные алгоритмы определения энергетического критерия качества тт./Утах в форме т1пА^тах(^) для произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и соответствующих им векторов нестационарных параметров аэродинамического руля в детерминированной и стохастической постановке позволяют /определить оптимальную зависимость А^тах (Т7) для любого количества произвольных законов движения объекта управления, характеризующих всевозможные режимы функционирования контура управления БПЛА. *

Значение критерия качества 7Vmax (F ) и результирующая оптимальная * зависимость Nmax(F) являются функциональными ограничениями при проектировании подсистем ИУ, сформированными с учетом требований, предъявляемых к контуру управления, подсистемой которого данное исполнительное устройство является.

5. Сформулированная стохастическая постановка задачи параметрического синтеза исполнительных устройств в контуре управления БПЛА, основанная на стохастическом критерии оптимальности и вероятностном характере входных воздействий и оптимизируемых параметров системы, позволяет рассматривать входные воздействия контура управления в форме нестационарных случайных процессов, что соответствует характеру управляющих воздействий систем управления высокоманевренных БПЛА.

6. Разработанный интегрированный интерактивный программный комплекс «СИРИУС», реализующий методы и алгоритмы, представленные в диссертационной работе, позволяет решать задачу оптимального структурно - параметрического синтеза контура стабилизации БПЛА с электрическим исполнительным устройством в качестве подсистемы с энергетическим критерием качества в виде минимальной максимальной мощности, затрачиваемой исполнительным

• использовать интеграционные возможности комплекса «СИРИУС» для встраивания его в программный комплекс, решающий задачу проектирования системы более высокого иерархического уровня.

7. Разработанное дополнительное программное обеспечение позволяет решать локальные задачи минимизации максимальной мощности управления:

• Программный комплекс «SC/Сепарабельный цикл», решающий задачу определения минимальной максимальной * * мощности Nmax (F ) = min Nmax (F) и оптимальной * зависимости Nmax (F) для любого количества произвольных законов движения объекта управления (аэродинамического руля) и любого состава вектора параметров объекта управления (аэродинамического руля). Оптимальная зависимость Nmax(F) и минимальное значение Nmax(F ) используются для формирования технического задания на проектирование энергетического канала исполнительного устройства, либо для выбора конкретного исполнительного устройства, способного выполнить заданные законы управления с минимальными энергетическими затратами из числа существующих ИУ.

• Программа «Оптимизация энергетических характеристик исполнительных устройств авиационной автоматики», решающая задачу определения минимальной максимальной * * мощности А'тахС^ ) = -^тах С^) и оптимальной зависимости Л^тах(.Р) п0 аналитическим зависимостям для гармонических законов движения объекта управления и законов движения с постоянными моментом и угловой скоростью.

8. В качестве дальнейшего развития представленных в диссертационной работе алгоритмов возможно:

• использование разработанного программного обеспечения как подсистемы комплекса параметрического синтеза на более высоком иерархическом уровне (например, контур наведения БПЛА);

• разработка алгоритма проектирования с использованием интегрального энергетического критерия на более высоком иерархическом уровне;

• расширение алгоритма определения экстремального энергетического критерия качества в случае рассмотрения нелинейной модели «энергетического канала» ИУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Синявская, Юлия Адольфовна, 2012 год

1. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1974 .

2. Алберг Дж. и др. Теория сплайнов и ее приложения. М.: Мир, 1972.

3. Аппроксимация и интерполяция функций.// Сборник трудов ЦАГИ, 1975.

4. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.: Наука, 1973 .

5. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернатив в технике. М.: Радио и связь, 1984.

6. Вентцелъ Е.С. Теория вероятностей. -М.: КноРус, 2010.

7. Волковович В.А. Многокритериальные задачи и методы их решения.// Кибернетика и вычислительная техника. N 1. Киев: Наукова думка, 1969.

8. Гермейер Ю.Б. Введение в теорию исследования операций. М.: Наука, 1971 .

9. Гладков Д.И. Оптимизация систем неградиентным случайным поиском. -М.: Энергия, 1984.

10. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982 .11 .Емельянов С.В., Борисов В.И. Модели и методы векторной оптимизации.// Техническая кибернетика. Т.5. М.: ВИНИТИ, 1973.

11. Зангвилл В.И. Нелинейное программирование. Единый подход. М.: Сов. Радио, 1973.

12. Казаков И.Е., Гладков Д.И. Методы оптимизации стохастических систем. М.: Наука, 1987 .

13. Калман P.E., Фабл П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971.

14. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1975.

15. Корнейчук Н.П. Аппроксимация с ограничениями. М.: Наука, 1982.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970.

17. Козлов В.И. Системы автоматического управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1979.

18. Корнилов В.А. Основы автоматики и привода летательных аппаратов. -М.: МАИ, 1991.

19. ЪЪ.Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Иерархическая оптимизация в задачах проектирования систем автоматического управления// электронный журнал «Труды МАИ», 2011г. № 44.

20. Синявская Ю.А., Корнилов В.А. Энергетический синтез мехатронных систем // журнал Известия Тульского государственного университета. Технические науки, выпуск N 1, 2012 г., стр. 55-60.

21. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977.

22. Терское В.Г. Системное проектирование следящих приводов комплексов бортового оборудования ЛА. М.: МАИ, 1986.

23. Ужей А.Г. Выбор двигателя и редуктора исполнительного механизма силового следящего привода, Учебное пособие М.: Издательство МАИ, 1982.

24. Ульм С.Ю. Методы декомпозиции для решения задач оптимизации. Таллинн, Валгус, 1979.

25. Фиакко А., Мак-Кормик Дж. Нелинейное программирование: методы последовательной безусловной оптимизации. М.: Мир, 1972.

26. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. М.: Мир, 1967.

27. Химмельблау Д Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.