УПРАВЛЕНИЕ ВОЗВРАЩАЕМОЙ СТУПЕНЬЮ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ БЕЗ ОПОРНОЙ ТРАЕКТОРИИ
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ЗАДАЧА ПОСАДКИ ВОЗВРАЩАЕМОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 9
1.1 История и возникновение задачи о вертикальной мягкой посадке на
космические тела 9
1.2 Задача мягкой посадки 14
1.3 MPC и беспрограммное управление 19
Выводы по 1 главе 20
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ВОЗВРАЩАЕМОЙ
СТУПЕНИ 21
2.1 Принятые системы координат 21
2.2 Уравнения движения ЦМ летательного аппарата в геоцентрической
системе координат 29
2.3 Методика упрощения модели 32
2.4 Уравнения движения в связанной системе координат 34
Выводы по 2 главе 48
3 АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ 49
3.1 Прогнозирующая модель 49
3.2 Управление, как задача оптимизации 50
3.3 Управление с подвижным горизонтом 52
3.4 Результаты моделирования 54
Выводы по 3 главе 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 63
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ЗАДАЧА ПОСАДКИ ВОЗВРАЩАЕМОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ 9
1.1 История и возникновение задачи о вертикальной мягкой посадке на
космические тела 9
1.2 Задача мягкой посадки 14
1.3 MPC и беспрограммное управление 19
Выводы по 1 главе 20
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ВОЗВРАЩАЕМОЙ
СТУПЕНИ 21
2.1 Принятые системы координат 21
2.2 Уравнения движения ЦМ летательного аппарата в геоцентрической
системе координат 29
2.3 Методика упрощения модели 32
2.4 Уравнения движения в связанной системе координат 34
Выводы по 2 главе 48
3 АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ 49
3.1 Прогнозирующая модель 49
3.2 Управление, как задача оптимизации 50
3.3 Управление с подвижным горизонтом 52
3.4 Результаты моделирования 54
Выводы по 3 главе 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 59
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 63
Все миссии по освоению космоса используют ракеты-носители, для выведения полезной нагрузки в космическое пространство. В наши дни околоземное пространство активно используется спутниками связи и навигации, разнообразными спутниками мониторинга поверхности Земли и ее атмосферы, что означает необходимость регулярного пополнения и восстановления спутниковых группировок. Кроме того, проблему выведения на околоземную орбиту обостряет популярность сверхмалых искусственных спутников Земли (наноспутники, CubeSat). Цена таких спутников очень мала, и они запускаются, как правило, попутным грузом, что уменьшает выбор доступных орбит и дат запуска, что не всегда устраивает производителей таких спутников.
Таким образом, в ракетно-космической отрасли, очень остро стоит вопрос снижения удельной стоимости выведения полезной нагрузки в космическое пространство, увеличение числа пусков и больший выбор в вариантах грузоподъемности ракеты-носителя. Два последних вопроса рождают спрос на ракеты-носители малого класса, которые активно разрабатываются в основном частными компаниями во всем мире, в том числе и в России. Одним из способов уменьшения стоимости запуска является повторное использование блока первой ступени ракет-носителей - самой дорогой части ракеты-носителя. Повторное использование блока первой ступени так же является общемировым трендом в области средств выведения, направленным на значительное снижение стоимости вывода полезной нагрузки на орбиты искусственных спутников Земли.
В данной работе рассматривается задача управления посадкой возвращаемой ступени ракеты-носителя малого класса. При посадке блока первой ступени необходимо соблюдать требования по прочности, обеспечить попадание в область посадки, а также минимизировать скорости ступени в момент касания поверхности Земли.
Одним из подходов к проектированию таких систем является беспрограммное терминальное управление, описанное в книге В.В. Бека и Ю.С. Вишнякова Интегрированные системы терминального управления. В рамках этого подхода система управления разбивается на два уровня: верхний и нижний. Задачей верхнего уровня является расчет потребных ускорений центра масс ступени для попадания в заданную область с необходимыми скоростями. Задача нижнего уровня - отработка рассчитанных на верхнем уровне потребных ускорений и парирование возмущений с помощью органов управления. Непосредственной целью данной работы является разработка алгоритма верхнего уровня системы управления возвращаемой ступени ракеты-носителя.Для достижения поставленной цели необходимо изучить особенности задачи, существующие подходы к ее решению; разработать математическую модель управляемого объекта и адаптировать ее к применяемым методам; предложить принципы решения основной задачи исследования и проверить их с помощью вычислительного эксперимента на примере конкретной возвращаемой ступени ракеты-носителя.
Структура работы состоит из трех глав, выделенных в соответствии с описанными задачами. В первой главе внимание уделяется обзору существующих подходов к решению аналогичных задач, изложенных как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Приводится описание и выделяются ключевые особенности объекта исследования, обсуждаются предполагаемые средства и методы решения основной задачи исследования.
Вторая глава направлена на составление математической модели управляемого объекта и адаптацию этой модели к требуемому классу динамических систем, а именно - линейных дискретных динамических систем.
Третья глава содержит математическую формулировку основной задачи исследования, освещает общую методологию и принципы решения этой задачи, а также содержит результаты вычислительных экспериментов на примере конкретной возвращаемой ступени ракеты-носителя.
Как уже было сказано, работа опирается на концепцию беспрограммного терминального управления, предложенную В.В. Беком и Ю.С. Вишняковым в книге Интегрированные системы терминального управления. В качестве метода решению задачи выбрана идеология управления с прогнозирующей моделью и подвижным горизонтом, одним из первых упоминаний которого была статья Manfred Morari под названием Model predictive control: Theory and practice—A survey. Вычислительный эксперимент проводился в пакете прикладных программ The MathWorks MATLAB.
В рамках выполненной работы сформирована математическая модель движения возвращаемой ступени, которая может быть использована для дальнейшего исследования задачи посадки, получен алгоритм управления, который может быть использован при разработке реальной системы управления возвращаемой ступени. Вычислительный эксперимент показывает, что предлагаемый алгоритм управления обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к движению возвращаемой ступени.
Автор выражает благодарность заведующему кафедры «Системы
автоматического управления» ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Ширяеву
Владимиру Ивановичу за помощь в освоении современной научной литературы и ценные замечания, возникающие по ходу работы.
Автор искренне благодарит начальника отдела управления движением АО «Научно-производственное объединение автоматики имени академика
Н.А. Семихатова» Зорихина Александра Валерьевича, а также сотрудников отдела, инженеров-конструкторов Горанова Александра Юрьевича, Булаева Владимира Владимировича, и Калёва Виталия Игоревича за предоставленные исходные данные, помощь над решением задачи и за ценные замечания, возникающие по ходу работы.
Таким образом, в ракетно-космической отрасли, очень остро стоит вопрос снижения удельной стоимости выведения полезной нагрузки в космическое пространство, увеличение числа пусков и больший выбор в вариантах грузоподъемности ракеты-носителя. Два последних вопроса рождают спрос на ракеты-носители малого класса, которые активно разрабатываются в основном частными компаниями во всем мире, в том числе и в России. Одним из способов уменьшения стоимости запуска является повторное использование блока первой ступени ракет-носителей - самой дорогой части ракеты-носителя. Повторное использование блока первой ступени так же является общемировым трендом в области средств выведения, направленным на значительное снижение стоимости вывода полезной нагрузки на орбиты искусственных спутников Земли.
В данной работе рассматривается задача управления посадкой возвращаемой ступени ракеты-носителя малого класса. При посадке блока первой ступени необходимо соблюдать требования по прочности, обеспечить попадание в область посадки, а также минимизировать скорости ступени в момент касания поверхности Земли.
Одним из подходов к проектированию таких систем является беспрограммное терминальное управление, описанное в книге В.В. Бека и Ю.С. Вишнякова Интегрированные системы терминального управления. В рамках этого подхода система управления разбивается на два уровня: верхний и нижний. Задачей верхнего уровня является расчет потребных ускорений центра масс ступени для попадания в заданную область с необходимыми скоростями. Задача нижнего уровня - отработка рассчитанных на верхнем уровне потребных ускорений и парирование возмущений с помощью органов управления. Непосредственной целью данной работы является разработка алгоритма верхнего уровня системы управления возвращаемой ступени ракеты-носителя.Для достижения поставленной цели необходимо изучить особенности задачи, существующие подходы к ее решению; разработать математическую модель управляемого объекта и адаптировать ее к применяемым методам; предложить принципы решения основной задачи исследования и проверить их с помощью вычислительного эксперимента на примере конкретной возвращаемой ступени ракеты-носителя.
Структура работы состоит из трех глав, выделенных в соответствии с описанными задачами. В первой главе внимание уделяется обзору существующих подходов к решению аналогичных задач, изложенных как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Приводится описание и выделяются ключевые особенности объекта исследования, обсуждаются предполагаемые средства и методы решения основной задачи исследования.
Вторая глава направлена на составление математической модели управляемого объекта и адаптацию этой модели к требуемому классу динамических систем, а именно - линейных дискретных динамических систем.
Третья глава содержит математическую формулировку основной задачи исследования, освещает общую методологию и принципы решения этой задачи, а также содержит результаты вычислительных экспериментов на примере конкретной возвращаемой ступени ракеты-носителя.
Как уже было сказано, работа опирается на концепцию беспрограммного терминального управления, предложенную В.В. Беком и Ю.С. Вишняковым в книге Интегрированные системы терминального управления. В качестве метода решению задачи выбрана идеология управления с прогнозирующей моделью и подвижным горизонтом, одним из первых упоминаний которого была статья Manfred Morari под названием Model predictive control: Theory and practice—A survey. Вычислительный эксперимент проводился в пакете прикладных программ The MathWorks MATLAB.
В рамках выполненной работы сформирована математическая модель движения возвращаемой ступени, которая может быть использована для дальнейшего исследования задачи посадки, получен алгоритм управления, который может быть использован при разработке реальной системы управления возвращаемой ступени. Вычислительный эксперимент показывает, что предлагаемый алгоритм управления обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к движению возвращаемой ступени.
Автор выражает благодарность заведующему кафедры «Системы
автоматического управления» ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Ширяеву
Владимиру Ивановичу за помощь в освоении современной научной литературы и ценные замечания, возникающие по ходу работы.
Автор искренне благодарит начальника отдела управления движением АО «Научно-производственное объединение автоматики имени академика
Н.А. Семихатова» Зорихина Александра Валерьевича, а также сотрудников отдела, инженеров-конструкторов Горанова Александра Юрьевича, Булаева Владимира Владимировича, и Калёва Виталия Игоревича за предоставленные исходные данные, помощь над решением задачи и за ценные замечания, возникающие по ходу работы.
В рамках данной работы был предложен алгоритм верхнего уровня системы беспрограммного управления возвращаемой ступени РН. Для этого были решены следующие задачи:
1. Изучена история задачи вертикальной мягкой посадки и подходы к решению этой задачи, как использующие априорную опорную траекторию, так и обходящиеся без неё.
2. Изучена концепция беспрограммного управления и методы управления на основе прогнозирующей модели, позволяющие совместить достоинства традиционных методов по обратной связи, так и достоинства методов программного управления.
3. Сформирована математическая модель движения ЦМ возвращаемой ступени РН, разработана методика адаптации этой модели к требуемому классу ДС, а именно линейных дискретных ДС;
4. Предложен алгоритм верхнего уровня системы беспрограммного управления возвращаемой ступени РН на основе прогнозирующей модели с подвижным (удаляющимся) горизонтом предсказания.
5. Проведен вычислительный эксперимент, показавший, что предложенный алгоритм управления удовлетворяет требованиям технического задания, а именно обеспечена поперечная скорость 0.0021 м/c (допустимо не более 1 м/с); вертикальная скорость в момент посадки составляет не более 0.001 м/с (допустимо не более 2 м/с); промах относительно центра посадочной площадки составил 27,3 м (допустимо не более 100 м).
Проделанная работа может быть использована для дальнейшей разработки СУ возвращаемой РН. Полученная математическая модель может быть использована сторонними разработчиками для проверки других алгоритмов управления. Предложенные алгоритмы верхнего уровня могут быть дополнены алгоритмами нижнего уровня, построенными в рамках этой же идеологии управления с прогнозирующей моделью. Полученная таким образом двухуровневая система беспрограммного управления должна быть изучена более подробно, чем это предусматривает формат выпускной квалификационной работы.
1. Изучена история задачи вертикальной мягкой посадки и подходы к решению этой задачи, как использующие априорную опорную траекторию, так и обходящиеся без неё.
2. Изучена концепция беспрограммного управления и методы управления на основе прогнозирующей модели, позволяющие совместить достоинства традиционных методов по обратной связи, так и достоинства методов программного управления.
3. Сформирована математическая модель движения ЦМ возвращаемой ступени РН, разработана методика адаптации этой модели к требуемому классу ДС, а именно линейных дискретных ДС;
4. Предложен алгоритм верхнего уровня системы беспрограммного управления возвращаемой ступени РН на основе прогнозирующей модели с подвижным (удаляющимся) горизонтом предсказания.
5. Проведен вычислительный эксперимент, показавший, что предложенный алгоритм управления удовлетворяет требованиям технического задания, а именно обеспечена поперечная скорость 0.0021 м/c (допустимо не более 1 м/с); вертикальная скорость в момент посадки составляет не более 0.001 м/с (допустимо не более 2 м/с); промах относительно центра посадочной площадки составил 27,3 м (допустимо не более 100 м).
Проделанная работа может быть использована для дальнейшей разработки СУ возвращаемой РН. Полученная математическая модель может быть использована сторонними разработчиками для проверки других алгоритмов управления. Предложенные алгоритмы верхнего уровня могут быть дополнены алгоритмами нижнего уровня, построенными в рамках этой же идеологии управления с прогнозирующей моделью. Полученная таким образом двухуровневая система беспрограммного управления должна быть изучена более подробно, чем это предусматривает формат выпускной квалификационной работы.
