Оптимальное управление спускаемым аппаратом с использованием модели спирального прогноза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Ван Хюн Мин

• Ван Хюн Мин
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ван Хюн Мин

Введение.,,.

1. ХАРАТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ СПУСКА И

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КЛА.

1.1. Характеристика проблемы спуска КЛА.

1.1.1. Характеристика полета КЛА при спуске.

1.1.2. Определение задачи спуска КЛА.

1.2. Аэродинамические характеристики КЛА.

1.2.1. Выбор конструкции КЛА.

1.2.2. Расчет аэродинамических сил.

1.2.3. Расчет аэродинамических моментов.

1.3. Математические модели динамики движения КЛА

1.3.1. Уравнения движения.

1.3.2. Модель динамики КЛА на безатмосферном участке траектории.

1.3.3. Модель динамики КЛА на атмосферном участке траектории.

Выводы.

2. АЛГОРИТМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ С МОДЕЛЬЮ СПИРАЛЬНОГО ПРОГНОЗА ПО КРИТЕРИЮ ОБОЩЕННОЙ

РАБОТЫ.

2.1. Кинематические уравнения спирального прогноза.

2.1.1. Спиральное прогнозирование.

2.1.2. Аналитическое решение уравнений спирального прогнозирования.

2.2. Алгоритм оптимального управления по критерию обобщенной работы.

2.2.1. Классические и неклассические целевые функционалы.

2.2.2. Принцип минимума ФОР.

2.2.3. Алгоритм со спиральной прогнозирующей моделью.

2.3. Оптимизация траектории со спиральной прогнозирующей моделью.

2.3.1. Применение алгоритма с моделью спирального прогноза.

2.3.2. Оптимизация времени прогнозирования с использованием функционала обобщенной работы.

Выводы.

3. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ИЕРАРХИИ КРИТЕРИЕВ КАЧЕСТВА.

3.1. Алгоритм последовательной оптимизации по иерархии из двух критериев качества.

3.2. Стабилизация СА на оптимальной траектории.

3.2.1. Алгоритм оптимальной стабилизации.

3.2.2. Метод обратных задач динамики.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальное управление спускаемым аппаратом с использованием модели спирального прогноза»

Современный этап развития теории управления движением летательных аппаратов (JIA) характеризуется разработкой методов и алгоритмов управления с использованием современных компьютерных технологий, с элементами искусственного интеллекта, с учётом действия возмущений.

Алгоритмы ориентированы на возможность формирования управления в реальном времени, на повышение точностных характеристик и безопасности полета.

Вопросам управления JIA посвящено большое число публикаций, в которых рассмотрены математические модели динамики полета, методы и алгоритмы управления. В их числе находятся работы Красовского А.А., Казакова И.Е., Букова В.Н., Лебедева А.А., Малышева В.В., Красилыцикова М.Н., Дмитриевского А.А., Лысенко Л.Н., Ярошевского А.А., Шалыгина А.С., Кабанова С.А. и других учёных.

В настоящее время ведутся исследования по совершенствованию алгоритмов оптимального управления с прогнозированием. При этом на выбор критерия качества влияет необходимость вычисления управления во время полета. В связи с этим внимание исследователей обращается к функционалу обобщенной работы и соответствующим алгоритмам с прогнозирующими моделями. Для спускаемых аппаратов (СА) целесообразным является использование модели динамики ЛА как твердого тела при фиксированных перегрузке и угловой скорости в связанной системе координат - модели спирального прогноза. Такой спиральный прогноз в 15-мерном пространстве состояний совершеннее простого прогноза движения материальной точки.

Траекторией полета СА самолетного типа является сложная пространственная кривая, зависящая от расположения взлётно-посадочной полосы (ВПП). При этом необходимо как выдержать во время полета заданные ограничения на вектор состояния, так и обеспечить точную и безопасную посадку на ВПП. Особенностью задачи спуска, во время которого СА изменяет свою скорость от нескольких километров в секунду до ~100 [м/с], является неопределенность интервала оптимизации. При вычислении управления необходимо оценить его начальную величину и обеспечить его автоматическую коррекцию в процессе полета.

Анализ литературы показал, что вопрос разработки позиционных алгоритмов управления СА самолетного типа для обеспечения безопасной посадки с коррекцией интервала оптимизации исследован недостаточно.

Разработке указанного направления посвящена настоящая диссертация. В ней исследуются возможности использования модели спирального прогноза в алгоритмах управления, минимизирующих как одиночный критерий обобщенной работы, так и иерархию их двух критериев качества.

Актуальность темы диссертации состоит : в разработке новых алгоритмов оптимального позиционного управления спуском J1A с учётом ограничений на вектор состояния, допускающих бортовую реализацию; в разработке алгоритмов стабилизации СА на оптимальной траектории; в разработке комплекса программного обеспечения, предназначенного для исследования разработанных алгоритмов управления.

Цель работы

Целью работы является разработка алгоритмов управления спуском JIA на основе принципа минимума обобщенной работы с использованием модели спирального прогноза, позволяющих повысить безопасность посадки при заданных ограничениях.

Метод исследования

При исследовании проблемы автоматизированного спуска JIA используются методы динамики полета, современной теории оптимального управления, математического моделирования.

Основные задачи исследования

1. Определение аэродинамических характеристик гипотетического спускаемого аппарата самолетного типа.

2. Разработка алгоритмов оптимального управления СА с учётом ограничений на вектор состояния на основе принципа минимума обобщенной работы с использованием модели спирального прогноза.

3. Разработка алгоритмов последовательной оптимизации по иерархии критериев качества со спиральным прогнозом и коррекцией интервала оптташзации.

4. Разработка алгоритмов стабилизации СА на оптимальной траектории на основе теории оптимального управления и метода обратных задач динамики.

5. Разработка пакета прикладных программ численного моделирования, позволяющего исследовать алгоритмы управления на различных участках спуска.

Научная повпзпа работы заключается : в разработке алгоритма оптимального управления СА по критерию обобщенной работы с учётом ограничений на вектор состояния при использовании модели спирального прогноза; в разработке алгоритма последовательной оптимизации управления по иерархии критериев качества с использованием итерационной процедуры подстройки параметров модели спирального прогноза и коррекцией интервала прогнозирования; в корректности математических преобразований и проверке результатов методами численного моделирования динамики полета СА.

Достоверность результатов диссертации обусловлена : использованием апробированных моделей динамики полета; использованием характеристик СА на основе обзора литературы; строгостью математических выводов и численным моделированием управляемого спуска.

Практическая значимость работы определяется: обоснованием возможности оптимального позиционного управления СА с обеспечением высокой терминальной точности и безопасности посадки; возможностью применения разработанных алгоритмов при модернизации существующих и разработке новых СА самолетного типа и в учебном процессе университетов.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2002); на международном конгрессе 2002 FIRA Robot World Congress (Сеул, 2002); на международной научно-технической конференции «Третьи окуневские чтения» (Санкт-Петербург,2002), а также на международном симпозиуме по математическому моделированию (Вена,2003).

В целом работа докладывалась и обсуждалась на кафедре «аэродинамики и динамики полета» Академии гражданской авиации, на совместном заседании кафедр «плазмогазодимамики и теплотехники» и «процессов управления» на кафедре «систем обработки информации и управления» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Публикации

Материалы диссертационного исследования опубликованы в четырех научных работах.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы из 68 наименований и приложения на 9 страницах. Работа содержит 106 страниц, 48 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Ван Хюн Мин

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработаны алгоритмы оптимального управления СА самолетного типа с использованием модели спирального прогноза.

2. Разработан алгоритм с прогнозирующей моделью на основе принципа минимума обобщенной работы. Алгоритм может использоваться для управления СА на различных участках траектории спуска. Моделированием установлена возможность обеспечения высокой терминальной точности при обеспечении заданных ограничений.

3. Разработан алгоритм последовательной оптимизации со спиральным прогнозом по иерархии из двух критериев качества на нефиксированном интервале времени при наличии ограничений. Алгоритм обеспечивает высокую точность приведения СА в точку касания ВПП как по линейным координатам, так и по угловым характеристикам траектории и самого СА, что повышает безопасность посадки.

4. Предложены упрощенные варианты алгоритмов с прогнозированием при минимизации одного критерия и иерархии из двух критериев качества при учёте ограничений на вектор состояния, позволяющие на порядок сократить объем вычислений по сравнению с базовыми вариантами алгоритмов.

5. Разработаны алгоритмы стабилизации СА на оптимальной траектории на основе принципа минимума ФОР и метода обратных задач динамики.

6. Разработан комплекс программ моделирования, позволяющий исследовать траектории СА на различных участках спуска.

7. Полученное алгоритмическое обеспечение может быть использовано на борту в реальном времени полета, применено в компьютерных тренажерах при подготовке пилотов как СА, так и пассажирских воздушных судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ван Хюн Мин, 2004 год

1. Campbell J.P. Low-speed aerodynamic research related to the landing of space vehicles// Aerodynamics of Space Vehicles NASA SP-23,1962, p. 11-22.

2. Trimpi R. L., Grant F. С., С о hen N. В. Aerodynamic and heating problems of advanced reentry vehicles// Aerodynamics of Space Vehicles, NASA SP-23, 1962, p. 43-56.

3. Ярошевский В.А. Вход в атмосферу КЛА.- М.: Наука, 1988.

4. Иванов Н.М., А.И. Мартынов. Движение космических летательных аппаратов в атмосферах планет. М.: Наука, 1985.-384с.

5. Рожков B.C. Космодром на столе. М.: Машиностроение, 1999.

6. Панкратов Б.М. Спускаемые аппараты. М.: Машиностроение, 1984.

7. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973.-616с.

8. Аэродинамика летательных аппаратов. М.: Машиностроение/Под редакцией Г.А. Колесникова, 1993.

9. Механика космического полета: Учебник для втузов / Под редакцией В.П. Мишина. М.: Машиностроение, 1989.-408с.

10. Николаев Л.Ф. Основы аэродинамики и динамики полета транспортных самолетов. М.: Транспорт, 1977.

11. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. -М.: Машиностроение, 1973.

12. Маленькая энциклопедия./Под редакцией В.П. Глушко. М.: Советская энциклопедия, 1970.

13. Конструкция и прочность самолетов /Под редакцией К.Д. Миртова. -М.: Транспорт, 1972.

14. Газовая динамика космических аппаратов /Под редакцией Г.И. Таганова.-М.: Мир, 1965.

15. Горлин С.М. Экспериментальная аэродинамика. М.: Высшая школа, 1990.

16. Рахмтулин Х.А. Аэродинамика. -М.: Высшая школа, 1966.

17. Красовский А.А. Обобщение решения задачи оптимизации управления при неклассическом функционале// ДАН, 1986, т.284, №4, С.808-811.

18. Бесекерский В.А., Иванов В.А., Самотокин Б.Б. Орбитальное гирокомпасирование . СПб.: Политехника, 1993.

19. Красовский А.А. Основы теории авиационных тренажеров. -М.: Машиностроение, 1995.

20. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973.- 560с.

21. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. -М.: Наука, 1987.-232с.

22. Красовский А.А., Буков В.Н., Шендрик B.C. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. М.: Наука, 1977. -272с.

23. Кабанов С.А. Управление системами на прогнозирующих моделях. Спб.: изд-во СПбГУ, 1997. - 200с.

24. Красовский А.А. Справочник по теории автоматического управления. -М.: Наука, 1987.-712с.

25. Основы теории оптимального управления/Под редакцией В.Ф. Кротова. -М.: Высшая школа, 1990.

26. Э. Полак. Численные методы оптимизации. М.: Мир, 1974.

27. X. Квакернаак, Р. Сиван. Линейные оптимальные системы управления. — М.: Мир, 1977.

28. Кротов В.Ф., В.И. Гурман. Методы и задачи оптимального управления. -М.: Наука, 1973.

29. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. — М.: Высшая школа, 1989.

30. Кочетков Ю.А. Об оптимальном управлении детерминированными системами// Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1976, №1, С.158-166.

31. Красовский А.А. Неклассические целевые функционалы и проблемы теории оптимального управления (обзор)// Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1992, №1, С.3-41,

32. Красовский А.А, Проблемы физической теории управления (обзор)// Автоматика и телемеханика, 1990, №11, С.3-28,

33. Герасимов С.Б., Горячев А.А. Алгоритмы прогнозирования случайных процессов// Тбилиси, АН СССР, тез. докл., 1988, С.67-68.

34. Ван Х.М. Оптимальное управление спускаемым аппаратом по иерархии критериев качества// Восьмая международная научно-техническая конференция. М.: 2002, т. 1, С.351.

35. Ван Х.М., Оптимизация времени прогнозирования траектории спуска космического летательного аппарата с использованием функционала обобщенной работы. СПб., сб. тез. докл. "Третьи окуневские чтения", 2002, т.З, С.83-84

36. Н. Бахвалов, Н.Жидков, Г. Ковальков Численные методы. М.: Физматлит, 2001.

37. Тихомиров В.М. Рассказы о максимумах и минимумах. М.: Наука, 1986.

38. Наумов А.И. Применение аналитических прогнозирующих моделей для управления летательными аппаратами и в авиационных тренажерах// Автоматика и телемеханика, 2001, №7, С. 178-187.

39. Санников В.А., Шалыгин А.С. Математические модели стабилизации движения летательных аппаратов. СПб.: БГТУ, 1989.

40. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели. М: Наука, 1987. -304с.

41. М. Месарович, Д. Мако, И. Такахара. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.

42. П. Эйкхофф. Основы идентификации систем управления. -М.: Мир, 1975.

43. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1979.

44. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: изд-во Техническая литература, 1956.

45. Оптимизация динамики управляемых систем : Учебное пособие. В.В. Александров и др. М.: Изд-во, МГУ, 2000. -304с.

46. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982.-392с.

47. Цлаф Л.Я. Вариационное исчисление и интегральные уравнения. М.: Наука, 1970.

48. Краснов М.Л. Вариационное исчисление. М.: Наука, 1973.

49. Карташев А.П. Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления. — М.: Наука, 1980.

50. Долежаль Я. Иерахический подход к проблемам принятия решений в ситуациях с несколькими целевыми функциями// Problems of control and information theory, Vol. 9(5), 1980, C. 339-345.

51. Красовский А.А. Новое решение задачи аналитического расчета системы управления//automatica, Vol. 7. 1971, С.45-50.

52. Кабанов С.А. Синтез оптимального уравнения нелинейной динамической системой с использованием прогнозирующей модели// Изв. РАН. Техническая кибернетика, 1993, №2, С. 133-139.

53. Кабанов С.А. Управление системами на самоорганизующихся моделях// Автоматика и телемеханика, 2001, №7, С. 122-128.

54. Буков В.Н. Синтез управляющих сигналов с помощью прогнозирующей модели в адаптивной системе управления// Problems of control and information theory, Vol.9(5), 1980, C.329-337.

55. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Физлит, 1980.

56. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М.Н. Краасильщикова и Г.Г. Собрякова. М.: ФИЗМАЛИТ, 2003.-280с.

57. Кириченко Н.Ф. Введение в теорию стабилизации движения. Киев.: Высшая школа, 1978.

58. Величенко В.В., Козьминых В.А. Управление спуском в возмущенной атмосфере на основе вариационного метода синтеза инвариантных систем// Космические исследования, т.20. вып. 3, 1982, С.357-362.

59. Шалыгин А.С., Кабанов С.А., Иванов В.П. Оптимизация управления нелинейной системой на основе канонических преобразований: Учеб. пособие . Л.: Ленингр. мех. ин-т, 1987.- 80с.

60. Шалыгин А.С., Кабанов С.А. Алгоритм синтеза статистически оптимальных систем управления с применением канонических преобразований: Учеб. пособие. -Л.: Ленингр. мех. ин-т, 1986. 75с.

61. Кириченко Н.Ф. Введение в теорию стабилизации движения. — Киев.: Высшая школа, 1978.

62. Frankil, Powell, Emami-Naeini Feedback control of dynamic systems. New York.: Addision-Wesley, 1994.

63. Bahram Shahian. Control system design using MATLAB. New Jersey.: Prentice-Hall, 1993.

64. William E. Wiessel. Space flight Dynamics. New York.: McGraw-Hill, 1997.

65. Wang H.M., Kabanov S.A. Optimal control of the return of a flying object on the hierarchy of criterion of quality// Proceedings 2002 FIRA Robot World Congress, May 26-29 2002, Seoul, Korea, p. 187-190.

66. Wang H., Kabanov S. Application of hierarchy of two objective function withthspiral forecasting model to the problem of aircraft landing// Proceedings 4 MATHMOD Vienna, v.l: Abstract Volume, 5-7 February 2003, Vienna, Austria, p.306.

67. Maciejowski J. M. Predictive Control with Constraints. England, Prentice Hall, 2002.