АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТРЕХКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ПЕРЕКРЕСТНЫМИ СВЯЗЯМИ

Полезная модель относится к автоматизированным системам и предназначена для выбора параметров трехканальных систем стабилизации статически устойчивых летательных аппаратов нормальной аэродинамической схемы с учетом перекрестных связей каналов. С ростом информационной и структурно-целевой сложности функционирования и проектирования систем автоматического управления, проявляющейся в их многообъектности (или многоканальности, многосвязности) и многокритериальности, существенным становится учет факторов несогласованности, конфликтности и неопределенности различного характера, который может быть осуществлен с использованием комбинированных подходов теории игр и классической теории управления. Это позволяет оптимизировать управление многообъектными многокритериальными системами (ММС), а также обеспечить межобъектную устойчивость, или балансировку подсистем ММС по эффективности или потерям при решении задач управления в условиях исходной структурной несогласованности.
Из уровня техники известна система стабилизации беспилотного летательного аппарата (БПЛА) (патент RU, №2487052, публ. 10.07.2011 г.), состоящая из БПЛА с рулевым приводом, дифференцирующим гироскопом и датчиком линейных ускорений, а также блока формирования сигнала стабилизации и двумя отрицательными обратными связями. Данная система формирует сигнал управления на основе расчета областей достижимости в плоскости путем выбора оптимального гипотетического момента времени окончания переходного процесса. Недостатком данной системы является недостаточная достоверность расчета управляющего сигнала, компенсирующего действие внешних возмущений, из-за отсутствия перекрестных связей между каналами.
Из уровня техники известна автоматизированная система распределения ресурсов (патент RU на полезную модель №80604, публ. 10.02.2009), состоящая из блока ввода данных, блока формирования вектора значимости, блока ранжирования и блока формирования матрицы распределения. Данная система решает статическую задачу принятия решения в многообъектных системах путем нахождения компромисса между свойствами стабильности и эффективности, и распределение ресурсов по объектам системы в определенный момент времени. Недостатками данной системы являются: отсутствие динамической многокритериальной оптимизации управления, а также отсутствие балансировки системы по эффективности.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение перечисленных выше недостатков и создание автоматизированной системы многокритериального выбора параметров трехканальной системы стабилизации летательного аппарата с перекрестными связями, позволяющей сформировать управляющий сигнал с помощью методов динамической многокритериальной оптимизации на основе компромисса в виде равновесно-арбитражной структуры, а также осуществить балансировку системы по эффективности с последующим определением предельно эффективной точки на области Парето. Это позволит повысить достоверность полученного результата, и точность управления БПЛА за счет более точного вычисления оптимального управляющего сигнала, компенсирующего действие внешних возмущающих воздействий с учетом перекрестных связей.
Поставленная задача решается за счет того, что автоматизированная система многокритериального выбора параметров трехканальной системы стабилизации летательного аппарата с перекрестными связями содержит блоки ввода данных продольного канала, бокового канала и канала крена, сумматоры продольного канала, бокового канала и канала крена, блоки алгоритмов адаптации продольного канала, бокового канала и канала крена, блоки формирования перекрестных связей продольного канала, бокового канала и канала крена, блоки эквивалентных рулевых приводов продольного канала, бокового канала и канала крена, датчики угловых скоростей продольного канала, бокового канала и канала крена, датчики линейных ускорений продольного канала и бокового канала, блоки оптимизации продольного канала, бокового канала и канала крена, а также объект управления, при этом первые группы входов сумматоров продольного канала, бокового канала и канала крена соединены, соответственно, с выходами блоков ввода данных продольного канала, бокового канала и канала крена, четвертые группы входов сумматоров продольного канала, бокового канала и канала крена соединены, соответственно, с выходами блоков эквивалентных рулевых приводов продольного канала, бокового канала и канала крена, вторая группа входов сумматора продольного канала соединена с выходом блока формирования перекрестных связей канала крена и с третьей группой входов сумматора бокового канала, третья группа входов сумматора продольного канала соединена с выходом блока формирования перекрестных связей бокового канала и со второй группой входов сумматора канала крена, выходы сумматоров продольного канала, бокового канала и канала крена соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами объекта управления, первый, четвертый и седьмой выходы объекта управления соединены, соответственно, с входами блоков формирования перекрестных связей продольного канала, бокового канала и канала крена, третий, шестой и девятый выходы объекта управления соединены, соответственно, с входами датчиков угловых скоростей продольного канала, бокового канала и канала крена, выходы датчиков угловых скоростей продольного канала, бокового канала и канала крена соединены, соответственно, с первыми входами блоков алгоритмов адаптации продольного канала, бокового канала и канала крена, вторые и пятые выходы объекта управления соединены, соответственно, с датчиками линейных ускорений продольного канала и бокового канала, выходы датчиков линейных ускорений и восьмой выход объекта управления соединены со вторыми входами блоков алгоритмов адаптации продольного канала, бокового канала и канала крена, первые выходы блоков алгоритмов адаптации продольного канала, бокового канала и канала крена соединены, соответственно, с входами эквивалентных рулевых приводов продольного канала, бокового канала и канала крена, вторые выходы блоков алгоритма адаптации продольного канала, бокового канала и канала крена соединены с первыми входами блоков оптимизации продольного канала, бокового канала и канала крена, вторые входы блоков оптимизации продольного канала, бокового канала и канала крена соединены с выходами датчиков линейных ускорений продольного канала и бокового канала, а также восьмым выходом объекта управления.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой представлена структурная схема автоматизированной системы; на фигуре обозначены:
1 - блок ввода данных продольного канала;
2 - блок ввода данных бокового канала;
3 - блок ввода данных канала крена;
4 - сумматор продольного канала;
5 - сумматор бокового канала;
6 - сумматор канала крена;
7 - блок алгоритма адаптации продольного канала;
8 - блок алгоритма адаптации бокового канала;
9 - блок алгоритма адаптации канала крена;
10 - блок формирования перекрестных связей продольного канала;
11 - блок формирования перекрестных связей бокового канала;
12 - блок формирования перекрестных связей канала крена;
13 - эквивалентный блок рулевого привода продольного канала;
14 - эквивалентный блок рулевого привода бокового канала;
15 - эквивалентный блок рулевого привода канала крена;
16 - датчик угловой скорости продольного канала;
17 - датчик угловой скорости бокового канала;
18 - датчик угловой скорости канала крена;
19 - объект управления;
20 - датчик линейных ускорений продольного канала;
21 - датчик линейных ускорений бокового канала
22 - блок оптимизации продольного канала;
23 - блок оптимизации бокового канала;
24 - блок оптимизации канала крена.
Предлагаемая автоматизированная система, схема которой представлена на фиг.1, в общем случае содержит: блоки ввода данных продольного канала 1, бокового канала 2 и канала крена 3; сумматоры продольного канала 4, бокового канала 5 и канала крена 6; блоки алгоритмов адаптации продольного канала 7, бокового канала 8 и канала крена 9; блоки формирования перекрестных связей продольного канала 10, бокового канала 11 и канала крена 12; эквивалентные блоки рулевых приводов продольного канала 13, бокового канала 14 и канала крена 15; датчики угловых скоростей продольного канала 16, бокового канала 17 и канала крена 18; объект управления 19, датчики линейных ускорений продольного канала 20 и бокового канала 21; блоки оптимизации продольного канала 22, бокового канала 23 и канала крена 24.
Блоки ввода данных продольного канала 1, бокового канал 2 и канала крена 3 могут быть выполнены в виде клавиатуры, или в виде блока ввода данных с локальных дисков, или в виде сервера базы данных.
Сумматор каждого из каналов, например, продольного канала 4 (или бокового канала 5, или канала крена 6) суммирует сигналы управления, поступающие, соответственно, с выхода блока ввода данных продольного канала 1 (или бокового канала 2, или канала крена 3), с выхода эквивалентного блока рулевых приводов продольного канала 13 (или бокового канала 14, или канала крена 15), а также сигналы с выходов блоков формирования перекрестных связей бокового канала 11 и канала крена 12 (для бокового канала - с выхода блоков формирования перекрестных связей продольного канала 10 и канала крена 12, для канала крена - с выхода блоков 10 и 11). Сформированные управляющие сигналы с выходов сумматоров 4, 5 и 6 поступают на вход объекта управления 19.
В блоке алгоритма адаптации продольного канала 7 (или бокового канала 8, или канала крена 9) формируют новые алгоритмы адаптации с учетом коэффициентов адаптации для сигналов, поступивших с датчика угловых скоростей продольного канала 16 (или бокового канала 17, или канала крена 18), а также коэффициентов, поступающих из блока оптимизации продольного канала 22 (или бокового канала 23, или канала крена 24).
Блок формирования перекрестных связей продольного канала 10, (или бокового канала 11, или канала крена 12) формирует сигналы, поступающие на один из входов сумматоров 5 и 6 (или 4 и 6, или 4 и 5), таким образом, сигналы с выхода блоков 10, 11 и 12 одного из каналов поступают на входы сумматоров двух других каналов.
На вход датчиков угловых скоростей продольного канала 16, бокового канала 17 и канала крена 18 поступают сигналы от объекта управления 19. Датчики формируют угловые скорости и передают сформированные данные на вход блоков алгоритмов адаптации продольного канала 7, бокового канала 8 и канала крена 9.
На выходе объекта управления 19 получают данные для формирования перекрестных связей, поступающие на вход блоков 10, 11, 12; информацию об угловой скорости, поступающую на вход блоков 16, 17, 18; информацию о линейном ускорении, поступающую на вход блоков 20, 21; информацию об угле крена, поступающую на вход блока 9.
Датчики линейных ускорений продольного канала 20 и бокового канала 21 на выходе передают сигналы в блоки 7, 8.
Блоки оптимизации продольного канала 22, бокового канала 23 и канала крена 24 представляют собой блоки многокритериальной оптимизации коэффициента адаптации в каждом канале.
Эквивалентные блоки рулевых приводов продольного канала 13, бокового канала 14 и канала крена 15 - эквивалентные математические модели рулевых приводов, при этом углы отклонения эквивалентных рулей (руль высоты, руль направления, элероны) определяются углом отклонения четырех физических рулей 51, 82, 63, 54. Эквивалентные блоки рулевых приводов продольного канала 13, бокового канала 14 и канала крена 15 управляют сигналами от блоков 7, 8, 9. Сигналы с выхода блоков 13, 14 и 15 поступают соответственно, на входы сумматоров 4, 5, 6.
Объект управления 19 - математическая модель динамики БПЛА, состоящая из контура стабилизации продольного канала, контура стабилизации бокового канала и контура стабилизации канала крена. Введение перекрестных связей изменяет динамику системы, в которой параметры рассчитаны независимо для каждого канала. Для получения начального значения оптимизируемых параметров в трехканальной системе стабилизации применен алгоритм поиска интервалов устойчивости на основе ее непосредственного моделирования с тем или иным значением оптимизируемого параметра с использованием оптимизационного метода Хука-Дживса. Объект управления 19 может быть реализован в составе автоматизированного рабочего места, выполненного на базе компьютера, например, Pentium 4 512 Мб ОЗУ, 100 HDD.
Предлагаемая полезная модель решает практическую задачу оптимизации управления многообъектными многокритериальными системами в условиях структурной несогласованности путем параметрического синтеза трехканальной системы стабилизации (стабилизации угловых скоростей продольного канала, бокового канала и канала крена) с учетом перекрестных связей каналов статически устойчивого летательного аппарата нормальной аэродинамической схемы. Основными требованиями к системе стабилизации в каждом канале являются: устойчивость, демпфирование колебаний, требуемая статическая точность требуемое время переходного процесса.
Рассмотрим работу автоматизированной системы на примере работы системы, схема которой представлена на фигуре.
Объектом управления 19 системы является система стабилизации (ССт) БПЛА нормальной аэродинамической схемы. Предлагаемая система позволяет осуществить динамическую стабилизацию во время всего полета БПЛА от исходной точки (например, точки пуска БПЛА) до заданной цели.
Контур стабилизации продольного канала работает следующим образом: входные управляющие сигналы из системы наведения поступают на вход блока ввода данных продольного канала 1, который преобразовывает их в формат, совместимый с другими данными, поступающими на вход сумматора продольного канала 4, затем
Данные с выхода блока ввода данных продольного канала 1 поступают на первый вход сумматора продольного канала 4, на второй вход которого поступают данные с выхода блока формирования перекрестных связей канала крена 12, на третий вход - данные с выхода блока формирования перекрестных связей бокового канала 11, на четвертый вход - данные с эквивалентного блока рулевого привода продольного канала 13. Сумматор 4 суммирует данные и формирует управляющие сигналы, поступающие на вход объекта управления 19. С выходов объекта управления 19 получаем: с первого - данные для формирования перекрестных связей, поступающие на вход блока формирования перекрестных связей продольного канала 10, со второго - информацию об угловой скорости, поступающую на вход датчика угловых скоростей 16, с третьего - информацию о линейном ускорении, поступающую на вход датчика линейных ускорений продольного канала 20.
Сигналы с выхода датчика угловой скорости продольного канала 16 и датчика линейных ускорений продольного канала 20 поступают на первый и второй входы блока алгоритма адаптации продольного канала 7, а на третий вход поступают сигналы с выхода блока оптимизации продольного канала 22. Сигналы с первого выхода блока адаптации продольного канала 7 поступают на вход эквивалентного блока рулевого привода продольного канала 13, а со второго выхода - на первый вход блока оптимизации продольного канала 22.
Контуры стабилизации бокового канала и канала крена работают аналогично.
Блоки оптимизации продольного канала 22, бокового канала 23 и канала крена 24 производят многокритериальную оптимизацию коэффициента адаптации и оценку управляющих сигналов для каждого контура стабилизации в зависимости от коэффициента адаптации. Поиск оптимальных коэффициентов проводят на основе алгоритма Пао-Нэш оптимизации, равновесия по Нэшу и арбитражной схемы Нэша. Для проведения оптимизации должны быть сформированы критерии, характеризующие качество исходной системы. Выбор критериев зависит от требований, предъявляемых к системе.
Оптимизацию проводят по параметрам в двух каналов (продольный и боковой) с фиксированными параметрами в канале крена, а затем полученные оптимальные параметры в двух каналах используют для задания начальных приближений и диапазона параметров для проведения оптимизации трехканальной системы.
В блоках оптимизации продольного канала 22, бокового канала 23 и канала крена 24 формируют показатели по статической точности, колебательности, быстродействию и устойчивости в виде квадратических «невязок» для каждого канала. Критериями является минимизация данных «невязок».
Показатели статической точности по статической ошибке в каналах:
Показатели колебательности, с перерегулированием по нормальному ускорению в продольном и боковом канале и по углу крена (в канале крена):
Показатели быстродействия со временем переходного процесса в каждом из каналов:
Показатели устойчивости в каждом из каналов по требуемым коэффициентам усиления, с предварительным расчетом.
В дальнейшем в качестве критерия оптимизации используют свертку показателей качества для каждого канала, определяемых выражениями (1), (2), (3), (4).
где каждый компонент вектора определяют как сумму нормированных критериев с весовыми коэффициентами.
i
Из-за имеющейся исходной структурной несогласованности при наличии перекрестных связей каналы стабилизации бескоалиционно балансируют J (i=1, 2, 3), где 1, 2, 3 - переобозначения из (5), затем результат проецируют на основе арбитражного метода в точку Парето-границы множества значений отображения J(Q), где Q - свертка показателей качества трехканальной системы стабилизации (предельной эффективности ММС - трехканальной ССт), наиболее близкую к сбалансированной точке уравновешивания , где r - индекс равновесия.
За основу метода оптимизации взят метод получения обобщенного компромисса на основе последовательного применения бескоалиционного и кооперативного «взаимодействия» каналов ССт.
При бескоалиционном взаимодействии основным принципом оптимальности (стабильности) является равновесие по Нэшу [1].
i
i
K
k
K
k
i
Получают набор решений , являющийся равновесным по Нэшу относительно скалярного показателя , и функцией, эффективности коалиции K, если для любого q∈Q, i∈M=(1, 2, …, m), , где .Здесь M - множество коалиций. Каждая «коалиция» состоит из одного канала ССт и m=3.
i
i
Для трехканальной ССт определение равновесия формируют в виде в следующей системы неравенств при q=Q
Тот канал, в котором параметры отклонились от равновесия, «теряет» в эффективности.
Простейшим необходимым условием (6) является система равенств:
Затем применяют трехэтапный алгоритм Пао-Нэш оптимизации.
K
MMC
i
r
1
m
0
0
0
Пусть множество индексов M={1}, K=K, J=(J, …, J) - вектор эффективности MMC, где J - скалярные показатели MMC. Вектор q∈Q оптимален по Парето, если из условия q∈Q, J(q)≥J(q) следует либо равенство J(q)=J(q), либо система неравенств несовместима и хотя бы одно из неравенств - противоположного смысла.
Для трехканальной ССт условия общего «кооперативного» анализа трехканальной MMC формируют на основе проецирования решений на множество Парето-оптимальных решений.
На основе арбитражной схемы Нэша выполняют
i
ri
r
при условиях J(q)≤J(q), i=1, 2, 3, эта схема дает результат в точке области Парето, наиболее близкой к точке балансировки MMC. В результате формируют трехэтапную алгоритмическую структуру обобщенного стабильно-эффективного компромисса в задаче оптимизации многоканальной системы ССт с перекрестными связями с обеспечением балансировки и предельной эффективности.
Таким образом, получают параметры системы стабилизации в каждом канале системы (начальное приближение для равновесно-арбитражной оптимизации каналов системы), затем находят балансировочное параметрическое решение на основе равновесия по Нэшу. Окончательный результат получают после Парето-оптимизации параметрического решения на основе арбитражной схемы Нэша. Оптимизацию производят с помощью метода получения обобщенного компромисса на основе последовательного применения бескоалиционного и кооперативного «взаимодействия» каналов системы стабилизации. Окончательные результаты с выходов блоков оптимизации продольного канала 22, бокового канала 23 и канала крена 24 поступают на третьи входы соответствующих блоков алгоритма адаптации продольного канала 7, бокового канала 8 и канала крена 9.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает межобъектно устойчивые, сбалансированные по эффективности процессы функционирования многообъектных структур на основе уравновешивания в условиях исходной структурной несогласованности, конфликта и неопределенности.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет определить равновесное решение, которое балансирует по многокритериальной эффективности, а на основе этой равновесной точки найти самую близкую к равновесной точку области Парето (области многокритериально-оптимальных решений) и получить стабильно-эффективный (равновесно-эффективный) компромисс (СТЭК).