Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування

Реферат: Винахід належить до галузі авіаційного приладобудування, зокрема до систем автоматичного обчислювання параметрів стабілізації (керування) польотом безпілотного літального апарата. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування містить задатчик, перший суматор, регулятор, об'єкт регулювання, інтегратор, другий суматор, причому вихід задатчика пов'язаний з підсумовуючим входом першого суматора, вихід якого підключений до входу регулятора, вихід регулятора з'єднаний з входом об'єкта регулювання і першим входом другого суматора, вихід об'єкта регулювання з'єднаний з другим входом першого суматора, вихід другого суматора з'єднаний з входом інтегратора, вихід якого з'єднаний з відповідним входом першого суматора і другим входом другого суматора. Cистему виконано як сукупність ідеального контуру управління і контуру адаптації, що виконують функції квазіадаптивного регулятора, регулятор виконано як квадратичний регулятор. Винахід забезпечує стійкість адаптації системи, найменший час її адаптації до збурень, зменшує середнє значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу. UA 112657 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі авіаційного приладобудування, зокрема до систем автоматичного обчислювання параметрів стабілізації (керування) польотом безпілотного літального апарата, і може бути використаний в бортових системах автоматичного управління і регулювання польотів будь-якого із безпілотних літальних апаратів, у тому числі з екологічно чистими електричними двигунами, з реалізацією режимів координованих розворотів на траєкторіях баражування з метою забезпечення стійкого радіозв'язку, наприклад, з наземними рятувальними службами під час ліквідації наслідків екологічного лиха. Також система стабілізації може бути застосована під час польотів на безпілотних літальних апаратах у процесі здійснення заходів щодо контролю за утилізацією вибухових засобів, хімічних речовин тощо. Система автоматичного управління для астатичних об'єктів з запізненням, що містить перший інтегратор і послідовно з'єднані задатчик керуючого сигналу, перший суматор, регулятор, другий суматор, перший вхід якого підключений до виходу блока запізнювання, вихід регулятора через об'єкт регулювання з'єднаний з виходом системи автоматичного управління, другий інтегратор, вхід якого з'єднаний з виходом другого суматора, вихід регулятора через перший інтегратор сполучений з входом блока запізнювання і другим входом другого суматора, третій вхід якого підключений до виходу другого інтегратора, вихід системи автоматичного управління пов'язаний з другим входом першого суматора, третій вхід якого підключений до виходу другого інтегратора [1]. Недоліком цієї системи є її складність та недостатня відповідність функціональних можливостей сучасним вимогам. Під час функціонування системи її конструктивні елементи не забезпечують коректні змінювання сигналів управління у разі виникнення помилок регулювання за умов постійних впливів ззовні будь-яких частот та розмірів. Найбільш близькою системою, як за суттю, так і за задачами, що вирішуються, який вибраний за найближчий аналог (прототип), є система автоматичного управління для астатичних об'єктів з запізненням, містить задатчик, перший суматор, регулятор, об'єкт регулювання, інтегратор, другий суматор, причому вихід задатчика пов'язаний з підсумовуючим входом першого суматора, вихід якого підключений до входу регулятора, вихід регулятора з'єднаний з входом об'єкта регулювання і першим входом другого суматора, вихід об'єкта регулювання з'єднаний з другим входом першого суматора, вихід другого суматора з'єднаний з входом інтегратора, вихід якого з'єднаний з відповідним входом першого суматора і другим входом другого суматора [2]. Недоліком цієї системи є те, що у разі зміни параметрів управління може відбутися значне погіршення якості її функціонування, система втратить стійкість управління. Система має збільшений час адаптації до зовнішніх збурень, спричинених природними чинниками, а також збільшене значення помилки вихідного сигналу. Під час функціонування конструктивні елементи системи не враховують ефект старіння попередньої інформації. В основу винаходу поставлено задачу за рахунок змінювання конструкції прототипу, введення додаткових конструктивних складових елементів та застосування спеціальних технічних засобів створити систему стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, яка б забезпечувала коректне квазіадаптивне обчислення параметрів стабілізації польоту, стійкість автоматичної системи управління безпілотного літального апарата, скорочення часу перехідних процесів, час її адаптації до зовнішніх збурень, зменшення середнього значення помилки стабілізації координат руху від датчиків стану безпілотного літального апарата (підвищену точність сигналів управління) за весь час стабілізаційного процесу в агресивних для людини умовах та в умовах впливу негативних природних чинників і, як наслідок, зменшення енергозатрат в процесі керування польотом безпілотного літального апарата. Поставлена задача розв'язується тим, що система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, що містить задатчик, перший суматор, регулятор, об'єкт регулювання, інтегратор, другий суматор, причому вихід задатчика пов'язаний з підсумовуючим входом першого суматора, вихід якого підключений до входу регулятора, вихід регулятора з'єднаний з входом об'єкта регулювання і першим входом другого суматора, вихід об'єкта регулювання з'єднаний з другим входом першого суматора, вихід другого суматора з'єднаний з входом інтегратора, вихід якого з'єднаний з відповідним входом першого суматора і другим входом другого суматора, згідно з винаходом, систему розділено на ідеальний контур управління і контур адаптації, що виконують квазіадаптивні функції, регулятор виконано як квадратичний регулятор, ідеальний контур управління складається квадратичного регулятора та першого суматора з функцією формування в ньому еталонної моделі поведінки системи при зовнішніх впливах. Ідеальний контур управління виконано у вигляді інтегральної схеми. Контур 1 UA 112657 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 адаптації складається з першого помножувача, першого посилювача, першого інтегратора, першого блока задавання коефіцієнтів, другого суматора, другого помножувача, другого посилювача, другого помножувача, другого інтегратора, другого блока задавання коефіцієнтів, третього помножувача, третього суматора, четвертого помножувача, четвертого суматора. Ідеальний контур управління і контур адаптації між собою поєднані подвійним прямим та одним зворотним зв'язком. Вихід задатчика одночасно підключений до входу першого помножувача та квадратичного регулятора, вихід першого помножувача підключено до першого посилювача, вихід першого посилювача підключено до входу першого інтегратора, вихід першого інтегратора та вихід першого блока задавання коефіцієнтів підключено до входу другого суматора, виходи другого суматора підключено до входу третього помножувача, на вхід другого посилювача підключено вихід другого помножувача, вихід другого посилювача з'єднаний з входом другого інтегратора, виходи другого інтегратора та другого блока задавання коефіцієнтів підключено до входу третього суматора, виходи третього суматора підключено до входу четвертого помножувача, вихід третього та вихід четвертого помножувачів підключені до входу четвертого суматора, вихід четвертого суматора підключено до входу об'єкта керування, вихід об'єкта керування підключено до першого суматора та входу другого помножувача. Контур адаптації виконано у вигляді інтегральної схеми. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування має двоконтурну побудову з ідеальним контуром управління і контуром адаптації. Поєднання ідеального контуру управління і контуру адаптації між собою подвійним прямим та одним зворотним зв'язками забезпечує своєчасне та коректне передавання сигналів управління від одного блока до іншого у двох прямих та одному зворотному додатково коригувальному напрямках. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування автоматично виконує квазіадаптивну функцію під час проходження у ній сигналів управління польотом, забезпечує стійкість та найменший час адаптації системи до зовнішніх збурень, зменшення середнього значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу. Оснащення ідеального контуру управління квадратичним регулятором забезпечує виконання функції формування в ньому еталонної моделі поведінки системи при зовнішніх впливах під час польотів в умовах негативних природних чинників. Контур адаптації забезпечує стійкість системи, скорочує час її адаптації до збурень, які виникають внаслідок природних чинників, зменшує середнє значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за час стабілізаційного процесу. Автоматичне обчислення сигналів під час керованого польоту з використанням помножувачів, інтеграторів, посилювачів із змінними в часі коефіцієнтами посилення, забезпечує зменшення впливу на процес регулювання збурень та ефекту старіння попередньої інформації, скорочення часу квазіадаптивної адаптації до збурень, які виникають внаслідок природних чинників. Виконання ідеального контуру управління і контуру адаптації у вигляді інтегральної схеми забезпечує компактне їх розміщення у системі. Конструкція системи забезпечує можливість їх обслуговування та швидкої заміни у разі виходу з ладу. Побудова та функціонування системи стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування пояснюється кресленням. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування складається (див. кресл.) з ідеального контуру управління 18 і контуру адаптації 19, що виконують квазіадаптивні функції. Ідеальний контур управління 18 складається квадратичного регулятора 2 та першого суматора 3 з функцією формування в ньому еталонної моделі поведінки системи при зовнішніх впливах. Контур адаптації 19 складається з першого помножувача 4, першого посилювача 5, першого інтегратора 6, другого суматора 7, першого блока задавання коефіцієнтів 8, третього суматора 9, другого інтегратора 10, другого посилювача 11, другого помножувача 12, другого блока задавання коефіцієнтів 13, третього помножувача 14, четвертого помножувача 15, четвертого суматора 16. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування готується до функціонування наступним чином (див. кресл.). Регулятор ідеального контуру управління 18 виконується як квадратичний регулятор 2. Ідеальний контур управління 18 виконується у вигляді інтегральної схеми. Вихід задатчика 1 одночасно підключається до входу квадратичного регулятора 2 та першого помножувача 4. 2 UA 112657 C2 5 10 15 20 25 30 35 Контур адаптації 19 виконується у вигляді інтегральної схеми. Під час підготовки до функціонування контуру адаптації 19 вихід першого помножувача 4 підключається до першого посилювача 5, вихід першого посилювача 5 підключається до входу першого інтегратора 6, вихід першого інтегратора 6 та вихід першого блока задавання коефіцієнтів 8 підключається до входу другого суматора 7, вихід другого суматора 7 підключається до входу третього помножувача 14, на вхід другого посилювача 11 підключається вихід другого помножувача 12, вихід другого посилювача 11 з'єднується з входом другого інтегратора 10, виходи другого інтегратора 10 та другого блока задавання коефіцієнтів 13 підключаються до входу третього суматора 9, виходи третього суматора 9 підключаються до входу четвертого помножувача 15, виходи третього 14 та четвертого 15 помножувачів підключаються до входу четвертого суматора 16, вихід четвертого суматора 16 підключається до входу об'єкта керування 17. Після підготовки до функціонування ідеальний контур управління 18 і контур адаптації 19 між собою поєднується подвійним прямим зв'язком. Перший зв'язок забезпечується підключенням першого суматора 3 до першого помножувача 4, а другий зв'язок забезпечується підключенням першого суматора 3 до другого помножувача 12. Вихід об'єкта керування 17 підключається до першого суматора З ідеального контуру управління 18 (забезпечується зворотний зв'язок) та вхід другого помножувача 12. Таким чином (див. фіг.), складові елементи, позначені як позиції 2 і З конструктивно розміщені у складі ідеального контуру управління 18, а складові елементи, позначені як позиції 4-16, конструктивно розміщені у складі контур адаптації 19. Ідеальний контур управління 18 і контур адаптації 19 утворюють (див. кресл.) систему стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, яка виконує квазіадаптивні функції. Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування функціонує квазіадаптивно наступним чином. Під час польоту безпілотного літального апарата вихідні сигнали Ut   U задатчика 1 подаються на вхід квадратичного регулятора 2, що входить до складу ідеального контуру управління, в якому автоматично обчислюється математична модель зміни в часі помилки стеження X та розузгодження із заданою траєкторією Xt   Xt  XM t  та забезпечується автоматичне формування у першому суматорі 3 та передавання управляючих сигналів в контур адаптації через перший 4 і другий 12 помножувачі. Паралельно сигнали спрямовуються від першого помножувача 4 до першого посилювача 5 та від другого 12 помножувача до другого посилювача 11. Перший інтегратор 6 сприймає сигнали від першого посилювача 5 та передає на другий суматор 7. Одночасно другий інтегратор 10 сприймає сигнали від другого посилювача 11 та передає на третій суматор 9. Одночасно перший блок задавання коефіцієнтів 8 корегує значення вихідних сигналів у другому суматорі 7 і другий блок задавання коефіцієнтів 13 корегує значення вихідних сигналів у третьому суматорі 9. Паралельно одночасно відкориговані сигнали  u подаються від другого t  40 45 суматора 7 до третього помножувача 14 і, відповідно, відкориговані сигнали   подаються від t  третього суматора 9 до четвертого помножувача 15, сигнали обробляються та впорядковуються четвертим суматором 16 та передаються на об'єкт управління 17 (див. фіг.). Одночасно сигнали функціонування об'єкта керування 17 подаються на перший суматор 3 ідеального контуру управління 18 і другий 12 та четвертий 15 помножувачі контуру адаптації 19 з метою коригування знову сформованих сигналів управління. Взаємодіючи між собою, ідеальний контур управління 18 і контур адаптації 19 автоматично коригують сигнали квазіадаптивно до стану ідеальних. Процес керування об'єктом керування 17 (безпілотним літальним апаратом) описується рівнянням стану:  Xt   AXt   BÅ t   t ; Y  CX t   t , (1) 50 55 де X  Rn - вектор стану безпілотного літального апарата; E  Rn вектор керування; Y вектор вимірювань A t  , Bt  - n  n і n  m - матриці параметрів безпілотного літального апарата;  та  - вектор шумів збурень та шумів вимірювання. Бажана динаміка польоту об'єкта керування 17 (безпілотного літального апарата) з урахуванням вимог, які пред'являються до системи: найменший час адаптації, швидше 3 UA 112657 C2 налаштування системи стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування (квазіадаптивного регулятора), найменше середнє значення помилки вихідного сигналу безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу і в наслідок чого найменші енергозатрати в процесі керування - задається за допомогою еталонної моделі: 5 10  XM  A M XM t   BMUt  , де XM  R n - вектор стану еталонної моделі, U  Rm вектор вхідних дій, A M , BM - матриці відповідних розмірностей. Оптимальне значення показника якості функціонування системи автоматичного керування безпілотного літального апарата, а саме зменшення середнього значення помилки вихідного сигналу безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу задається як формалізована ціль адаптивного керування: lim Xt   0 , t  15 20 (2) (3) де Xt   Xt  XM t  - помилки стеження та розузгодження із заданою траєкторією (2) і (3). Ціль адаптивного керування (3) розв'язується за рахунок функціонування системи стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування (квазіадаптивного регулятора). Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування (квазіадаптивний регулятор) здійснює процедуру синтезу алгоритму обчислення ідеальних коефіцієнтів першого 8 і другого 13 блоків задавання коефіцієнтів за рахунок використання функцій Ляпунова. Один із ідеальних сигналів керування з мінімальним середнім значенням помилки вихідного сигналу безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу описується так 25 U Et   K Ix Xt   K I Xt  , (4) де K Ix , K U - ідеальні коефіцієнти системи стабілізації безпілотного літального апарата на I траєкторіях баражування (результат функціонування ідеального контуру управління і контуру адаптації, що виконують квазіадаптивні функції), які задовольняють рівнянням: 30 BK Ix  A M  A ; (5) U BK I  BM . (6) На основі ідеального закону управління будується реальний закон управління Et   K x t Xt   K U t Xt  , (7) 35 З використанням функції Ляпунова знаходимо змінні у часі реальні коефіцієнти, які забезпечать досягнення мети управління  K x t     Xt   Xt  ; (8)  K U t     Xt   Ut  . (9) 40 45 Технічний результат досягається за рахунок змінювання протягом часу коефіцієнта  (8) першого посилювача 5 та коефіцієнта  (9) другого посилювача 11, що забезпечує зменшення впливу попередньо отриманих даних на процес регулювання, тобто, враховують так званий ефект старіння попередньої інформації, за рахунок чого зменшується час адаптації, збільшується швидкість налаштування системи стабілізації безпілотного літального апарата на 4 UA 112657 C2 траєкторіях баражування (результат функціонування ідеального контуру управління і контуру адаптації, що виконують квазіадаптивні функції), зменшується середнє значення помилки вихідного сигналу стабілізації від датчиків стану безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу і в наслідок чого зменшується енергозатрати у процесі керування 5             t   x1 1  e qt0  x 2 1  e 2qt0  ...  x n 1  e nqt 0 , t   u1 1  e  qt 0  u2 1  e  2qt 0  ...  un 1  e  nqt 0 10 15 20 25 30 35 (10) де q - коефіцієнт темпу старіння інформації, що підбирається емпірично залежно від умов функціонування об'єкта керування. Суттєвою особливістю функціонування системи стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування (результат функціонування ідеального контуру управління і контуру адаптації, що виконують квазіадаптивні функції), є те, що коефіцієнти темпу старіння інформації q (10) для формування сигналів управління з першого посилювача 5 та другого посилювача 11 підбираються емпірично залежно від умов функціонування об'єкта керування 17 (органів керування безпілотного літального апарата), що забезпечує значне зменшення часу адаптації системи. Будова системи стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування (розділених між собою ідеального контуру управління і контуру адаптації, що виконують квазіадаптивні функції) може бути адаптована до будь-яких конструкцій безпілотних літальних апаратів, а під час функціонування система у найкоротший час адаптується до збурень, які виникають внаслідок природних чинників, забезпечує скорочення часу його налаштування для польотів в умовах негативних природних чинників, зменшення середнього значення помилки (підвищення точності сигналів управління) вихідного сигналу від датчиків стану безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного польоту і, як наслідок, зменшення енергозатрат в процесі керування польотом та знижує негативний вплив безпілотного літального апарата на навколишнє природне середовище (повітря). Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство СССР 1631515. Система автоматического управления для астатических объектов с запаздыванием. МПК: G 05 В 11/01. Авторы патента: Кравченко Ирина Искандеровна, Еремин Евгений Леонидович, Горбина Наталья Николаевна. Владельцы патента: Кравченко Ирина Искандеровна, Еремин Евгений Леонидович, Горбина Наталья Николаевна. 1991 - аналог. 2. Патент Российской Федерации № 2192030. Система автоматического управления для астатических объектов с запаздыванием. МПК: G05B11/00. Авторы: Акилова И.М., Еремин Е.Л., Самохвалова С.Г. Патентообладатель: Амурский государственный университет. Публикация патента: 27.10.2002 г., G05B11/00. - прототип. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 Система стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, що містить задатчик, перший суматор, регулятор, об'єкт регулювання, інтегратор, другий суматор, причому вихід задатчика пов'язаний з підсумовуючим входом першого суматора, вихід якого підключений до входу регулятора, вихід регулятора з'єднаний з входом об'єкта регулювання і першим входом другого суматора, вихід об'єкта регулювання з'єднаний з другим входом першого суматора, вихід другого суматора з'єднаний з входом інтегратора, вихід якого з'єднаний з відповідним входом першого суматора і другим входом другого суматора, яка відрізняється тим, що систему розділено на ідеальний контур управління і контур адаптації, що виконують квазіадаптивні функції, регулятор виконано як квадратичний регулятор, ідеальний контур управління складається з квадратичного регулятора та першого суматора з функцією формування в ньому еталонної моделі поведінки системи при зовнішніх впливах, причому ідеальний контур управління виконано у вигляді інтегральної схеми, контур адаптації складається з першого помножувача, першого посилювача, першого інтегратора, першого блока задавання коефіцієнтів, другого суматора, другого посилювача, другого помножувача, другого інтегратора, другого блока задавання коефіцієнтів, третього помножувача, третього суматора, четвертого помножувача, четвертого суматора, при цьому ідеальний контур управління і контур адаптації між собою поєднані подвійним прямим та одним зворотним зв'язком, вихід задатчика одночасно підключений до входу першого помножувача та квадратичного регулятора, вихід першого помножувача підключено до першого посилювача, 5 UA 112657 C2 5 10 вихід першого посилювача підключено до входу першого інтегратора, вихід першого інтегратора та вихід першого блока задавання коефіцієнтів підключено до входу другого суматора, виходи другого суматора підключено до входу третього помножувача, на вхід другого посилювача підключено вихід другого помножувача, вихід другого посилювача з'єднаний з входом другого інтегратора, виходи другого інтегратора та другого блока задавання коефіцієнтів підключено до входу третього суматора, виходи третього суматора підключено до входу четвертого помножувача, вихід третього та вихід четвертого помножувачів підключені до входу четвертого суматора, вихід четвертого суматора підключено до входу об'єкта керування, вихід об'єкта керування підключено до першого суматора та входу другого помножувача, причому контур адаптації виконано у вигляді інтегральної схеми. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6