УПРАВЛЕНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИМ В УСЛОВИЯХ БОЛЬШИХ ВОЗМУЩЕНИЙ УДАРНОГО ТИПА

Рассмотрена задача автоматического управления ЛА по крену при воздействии больших кратковременных возмущениях ударного типа.

Работа посвящена исследованию функционирования системы автоматического управления углом крена летательного аппарата (ЛА), способной обеспечить работоспособность ЛА в трудно прогнозируемых условиях, представляющих собой непредсказуемые кратковременные возмущения большой интенсивности. Последствиями кратковременных возмущений являются практически мгновенное изменение свойств объектов управления и создание случайных начальных условий, обуславливающих развитие переходного процесса, количественные и качественные характеристики которого определяются нелинейностью системы [1].

Примеры аномальных кратковременных возмущений: а) удары взрывных волн, б) сильные толчки при неудачном взаимном маневрировании ЛА, в) воздействия струйной турбулентности. Аномальными могут быть и другие внезапные кратковременные возмущения высокой интенсивности.

При воздействии таких возмущений переходный процесс приводит к двум случайным исходам: либо устанавливается требуемый режим слежения или стабилизации, либо теряется свойство устойчивости, и в системе устанавливаются автоколебания, являющиеся нежелательными. Таким образом, в детерминированной автоматической системе требуемый режим работы становится статистически устойчивым. Во втором случае создавшийся критический режим работы вызывает возникновение критической ситуации, состоящей в том, что управляемые ЛА входят в нежелательные режимы вращения по крену. Фазовый портрет процессов вращение ЛА или установления требуемого угла крена показан на Рисунке 1.

Для решения задачи быстрого выведения нелинейной системы из критического режима применен синергетический подход к синтезу управлений [1].

Пусть ЛА в результате воздействия аномального возмущающего фактора вошел в режим устойчивого вращения его корпуса вправо. Эта исходная ситуация и результат последующего включения и выключения релейного управления отражает фазовый портрет, приведенный на Рисунке 2, для заданного правого крена, иллюстрирующий действие второго принципа управления, изложенного в [1].

Поскольку за исходное условие принято устойчивое вращательное движение, изображающая точка на фазовой плоскости совершает движение вдоль кривой предельного цикла, показанного на Рисунке 2. В результате самодвижения по предельному циклу абсцисса изображающей точки приближается к значению угла крена π. При преодолении этого значения показание датчика углов совершает «перескок» с π на – π. По этому признаку срабатывает некоторое устройство, и бесполезное движение автономной системы прерывается [1].

Введению релейного управления соответствует точка А в конце предельного цикла. Под действием тормозящего момента угловая скорость вращения корпуса ЛА начинает уменьшаться, и наступает такой момент времени, когда она становится равной нулю. Это происходит при некотором значении угла крена (точка В). Поскольку управляющий момент продолжает действовать, корпус ЛА начинает вращаться влево, постепенно набирая скорость (участок траектории, исходящей из точки В и расположенный в нижней полуплоскости фазового портрета). В результате вращения корпуса теперь в другую сторону снова формируется угол крена близкий к π, и при преодолении этого значения показание датчика углов совершает «перескок» теперь с – π на π, поскольку вращение происходит влево (см. точку С). При обнаружении этого «перескока» выключается релейное управляющее воздействие и система возвращается в автономный режим, т. е. режим самодвижения. На Рисунке 2. показано, что точка С является внутренней для аттрактивной зоны, поэтому самодвижение ведет изображающую точку в состояние покоя (см. траекторию после точки С). Заметим, что точка С может и не быть внутренней для аттрактивной зоны, следовательно, изображающая точка не будет притягиваться к состоянию равновесия. Поскольку возможны два исхода в результате применения релейного управления, полезность такого управления можно оценить, сравнив угловые скорости крена в начале и в конце релейного управления. На вышеприведенном фазовом портрете это скорости обозначены ωγА и ωγС соответственно.

Проанализируем, как будет протекать процесс релейного торможения этого быстрого вращения при неподвижной линии переключения. Фазовый портрет релейной системы стабилизации при неподвижной линии переключения, приведен на Рисунке 3. В начальный момент времени, после прекращения действия аномального возмущения состояние системы определяется координатами точки А. Поскольку угловая скорость крена для точки А положительна, изображающая точка движется вправо, что соответствует увеличению правого крена. Когда угол крена будет преодолевать значение π, произойдет «перескок» показания датчика с π на – π, что как упоминалось выше, релейно включит управляющий момент, который будет стремиться вызвать левое вращение корпуса и поэтому окажет тормозящее воздействие при создавшихся начальных условиях. Таким образом, абсциссой линии переключения будет π. Состояние системы, которому соответствует включение релейного управления, помечено на фазовой плоскости точкой В. Будем считать положение линии переключения неизменным. Поскольку справа от этой линии действует тормозящий момент для правого вращения, угловая скорость постепенно уменьшается (участок траектории ВС) и в точке С она становится равной нулю. Однако до приостановки вращательного движения корпус ЛА совершит два полных оборота вокруг своей продольной оси, т. к. угол крена изменится более чем на 4π. Далее релейное управляющее воздействие начинает формировать левое вращательное движение (траектория в нижней полуплоскости фазового пространства на Рисунке 4). Поскольку линия переключения неподвижна, изображающая точка на пути из точки C в точку D проходит путь по углу крена больший, чем 4π, т. е. корпус ЛА после момента времени, соответствующего точке С, до достижения линии переключения совершает еще два оборота, но теперь в противоположном направлении. На выполнение вращательного движения влево затрачивается дополнительное время, что приводит к увеличению угловой скорости в точке D, которой соответствует выключение релейного управления по  сравнению, например  со скоростью для угла крена 5π.

На Рисунке 4 показан фазовый портрет релейной системы стабилизации при подвижной (прыгающей) линии переключения, иллюстрирующий релейное управление с «прыгающей» линией переключения. Пусть заданное значение крена правое. В результате интенсивного аномального воздействия корпус ЛА вращается с большой скоростью вправо. В некоторый момент времени будет преодолеваться угол крена π и датчик  углов совершает «перескок» показаний с π на – π. При этом включится отрицательное управление (см. точку В). Скорость вращения начнет уменьшаться. До приостановки вращения вправо корпус совершит несколько полных оборотов (см. отрезок траектории ВС).

Таким образом, предлагаемые принципы управления целесообразно применять в автопилотах ЛА, поскольку это способствует быстрому выведению системы из неблагоприятных случайных начальных условий и созданию возможности эффективного противодействия возмущениям большой интенсивности.

Список литературы

1.     Ю. А. Геложе, П. П. Клименко. Управление процессами в нелинейных системах. – М.: Радио и связь, 2006.

2.     Патент 2137172(РФ) Автопилот, Ю. А. Геложе, П. П. Клименко, Н. В. Прудников. –Опубл. 1999. Бюл. №25.