АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОСНОВНЫЕ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ
1.1 Постановка задачи движения малого ЛА 7
1.2 Математическое описание модели 8
1.3 Обзор методов управления и стабилизации малого ЛА 13
1.4 . Оценка скорости в режиме подъема 16
Выводы по первой главе 17
2 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 18
2.1 Реализация системы управления тягой маршевого двигателя 18
2.2 Реализация системы стабилизации углового положения малого ЛА ... 22
2.3 Оценка скорости 28
2.4 Объединение режимов работы в общую схему моделирования 30
Выводы по второй главе 31
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МАЛОГО ЛА ВБЛИЗИ ЗЕМЛИ В
РЕЖИМАХ ПОДЪЕМА И СТАБИЛИЗАЦИИ 32
3.1 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме подъема 33
3.2 Моделирование движения малого ЛА вблизи земли в режиме
стабилизации 37
3.3 Моделирование движения ЛА в общей схеме 42
Выводы по третьей главе 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 56
Актуальность определяется сложностью задач стабилизации и поддержания заданной траектории полета ввиду наличия эксцентриситета реактивной силы в маршевом двигателе.
Начиная с ракет ФАУ-1 и ФАУ-2 был очень большой процент неудачных стартов, определенных несбалансированностью механической конструкции, несовершенством алгоритмов управления и ненадежностью элементов.
Также следует отметить сложность и важность задач управления. Ими занимаются даже отдельные предприятия, например, такие как НПЦАП, НПО автоматики, ЦНИИАГ, ЦНИИ Электроприбор, КБ Марс и многие другие.
Рассмотрены основные проблемы при решении задачи. Возмущение, создающее наибольшие проблемы при запуске летательного аппарата (ЛА) - это эксцентриситет. Тяга жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) доходит до сотен Ньютонов, в результате чего отклонение от вертикального движения на малый градус вызывает боковое движение, и без использования системы стабилизации ЛА спустя непродолжительное время завалит и рухнет. Решением проблемы является введение системы стабилизации углового положения, разработка которой является отдельной проблемой.
Не любая система стабилизации обеспечит удовлетворительную работу. Например, можно сделать систему стабилизации, которая не позволит ЛА завалиться, но при этом будет происходить боковое движение, а это очень часто неприемлемо. Качество работы системы стабилизации зависит от структуры и её параметров, которые необходимо грамотно выбрать. Работы в этом направлении ведутся давно, существуют наработки в виде вариантов структур систем стабилизации.
Рассматривается задача подъема ЛА на определенную высоту вблизи поверхности Земли и стабилизации его положения в автономном режиме. Оценка массы ЛА 20 кг.
Двигатели, установленные на ЛА:
1. ЖРД двигатель с дросселированием тяги, максимум которой 294,3 Н.;
2. 12 газовых двигателей ориентации, работающих в импульсном режиме.
Таким образом, цель - разработать алгоритм управления, обеспечивающий движение малого ЛА по заданной траектории.
Для этого необходимо решить задачи:
1) разработать алгоритм управления маршевым двигателем, отвечающим за набор высоты;2) разработать алгоритм управления двигателями, которые стабилизируют угловое положение малого ЛА;
3) произвести синтез регуляторов, обеспечивающих необходимые показатели качества;
4) найти оценку сигнала скорости ввиду отсутствия датчика скорости;
5) провести моделирование.
В первой главе рассмотрена механика ЛА, составлена математическая модель его элементов и представлены подходы к решению задач.
Во второй главе разобраны режимы работы и показана реализация систем управления с регуляторами после проведения синтеза.
В третьей главе проведено моделирование движения ЛА по заданной траектории отдельно по каждому режиму работы со всеми предложенными подходами, а также моделирование в общей схеме на примере модальных регуляторов.
В ходе работы рассмотрены режим работы ЛА подъем и стабилизация с учётом переменной массы.
Изначально рассмотрен случай, когда перемещение центра масс ЛА предполагается без разворота его осей, а просто поступательно, т.е. без изменения ориентации, заведены обратные связи по скорости и высоте и введены 3 типа регуляторов: ПИ-регулятор, ПИ-каскад, модальный регулятор.
Во всех случаях получен удовлетворительный результат, но наилучший достигнут при применении модального регулятора, подняв ЛА на высоту 4 м за 4 с.
Далее рассмотрен режим стабилизации. Разобрано 3 подхода решения задачи: применение трёхпозиционного реле с модальным регулятором или ПИ-каскадом, а также подход, связанный с оптимальным управлением, используя принцип максимум Понтрягина. Каждый подход в рамках моделирования решил задачу стабилизации, но в каждом из них есть плюсы и минусы, описанные в главе 3.
Также затронут вопрос по оценке сигнала скорости. Решив поставленную задачу, проведено моделирование, в результате чего ЛА зафиксировал своё положение не на уровне 3,98 м, а на 3,96 м. Что удовлетворительно в рамках поставленной задачи.
Составлена общая схема моделирования, в которой отражены оба режима работы и получены удовлетворительные результаты, в результате уход вбок составил 0,27 м за 6 с при применении модальных регуляторов в обоих режимах работы. Приведена таблица с полученными результатами (см. табл. З.1).
Таблица З.1 – Сравнение параметров
Значение параметра согласно заданию Полученное значение параметра
Время на подъем, с 6 4
Боковое смещение, м 0,5 0,27
Перерегулирование, % 5 3
Из недостатков можно отметить то, что не учитывались все силы, например, не учтены аэродинамические силы [19]. Также не учтены возмущения от отраженного от земли потока в результате работы маршевого двигателя.
Модель ЖРД с дросселированием тяги рассмотрена в первом приближении: пренебреженно запаздывание, нестабильность тяги, характеристика приняталинейной с ограничением. Модели датчиков рассмотрены без погрешностей, математическая модель которых представляет собой 1.
В дальнейшем необходимо добавить более реальные модели датчиков и применить к ним фильтрацию [20].
Также при синтезе ПИ-регулятора и ПИ-каскада не учитывалось то, что в ПФ появляются слагаемые с ненулевой степень s. Соответственно, учтя этот факт, можно улучшить результаты, полученные при применении данных регуляторов.
