Моделирование АСУ с дискретным пид-регулятором и вероятностным каналом связи с БПЛА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование АСУ с дискретным пид-регулятором и вероятностным каналом связи с БПЛА

С.В. Куцов, С.Ю. Панов, А.А. Журавлев, М.Н. Ивлиев

Аннотация

Рассмотрена математическая модель автоматизированной системы управления (АСУ) с дискретным пропорционально-интегрально-дифференцирующим регулятором (ПИД-регулятором) и вероятностным каналом связи с беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). На основе анализа особенностей использования автоматизированных беспилотных летательных аппаратов с применением систем автоматического и полуавтоматического управления смоделирована АСУ с вероятностным каналом передачи информации. Беспилотный летательный аппарат представлен как сложный многофункциональный комплекс. Вероятностным каналом является сетевой канал передачи данных между дискретным регулятором и цифровым датчиком.

Ключевые слова: вероятностный канал связи; беспилотный летательный аппарат; автоматизированное управление, сетевой канал.

A mathematical model of an automated control system (ACS) with a discrete PID-controller and a probabilistic communication channel with a drone is considered. Based on the analysis of the features of the use of automated drone with the use of automatic and semi-automatic control systems, the ACS with a probabilistic information transmission channel is simulated. The drone is presented as a complex multifunctional complex. A probabilistic channel is a network data link between a discrete controller and a digital sensor.

Keywords: probabilistic communication channel; drone; automated control, network channel. автоматизированный управление беспилотный летательный

Введение

Задачи, решаемые в настоящее время с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), требуют их полноценного приборного оснащения. Современный БПЛА по уровню технического оснащения зачастую превосходит пилотируемый самолет. Безусловно, успех миссии БПЛА зависит от бесперебойной работы всех бортовых систем. Большое внимание уделяется бортовому комплексу управления, потому, что автономность, независимость от человеческого фактора и устойчивость к внешним воздействиям являются решающими факторами успешности выполнения миссий БПЛА. Наличие полноценной системы автоматического управления - этим по существу и отличается Беспилотный Летательный Аппарат как сложный многофункциональный комплекс от дистанционно управляемой модели. В журналах «Unmanned systems», издаваемого Международной Ассоциацией Беспилотных Систем (AUVSI), более 60% публикуемой рекламы в той или иной степени относится к системам управления и датчикам движения, потому что любая из подсистем БПЛА (наблюдение, связь, электропитание, энергообеспечение) является производной, заимствованной из смежной отрасли техники, в той или иной степени адаптированной к применению. Если вес полезной нагрузки БПЛА 10-15 килограммов, то, можно установить курсовертикаль весом 1,5-2 килограмма (хотя, более целесообразно было бы взять дополнительно топлива или аппаратуры). А вот для самолета, взлетный вес которого не превосходит 3,5-4 кг, вопрос с весом бортовых систем стоит очень остро. Что же понимается под термином «полноценный автопилот БПЛА»?

В основе работы любой системы автоматического управления лежит цепочка [1]:

- измерение состояния системы;

- сравнение текущего состояния с желаемым;

- выработка воздействия для компенсации отклонения текущего состояния от желаемого.

Большинство беспилотных летательных аппаратов пилотируются вручную, с помощью работающих на радиоканалах пультов дистанционного управления. При таком управлении БПЛА возникает ряд трудностей, связанных с малой дальностью надежной радиосвязи, ограничениями по погодным условиям и подготовкой пилотов.

Данные о превалирующих причинах крушений БПЛА - человеческом факторе, актуализируют задачи по более широкому использованию систем автоматического и полуавтоматического управления.

Беспилотный летательный аппарат это сложный многофункциональный комплекс. В отличие от пилотируемого летательного аппарата, БПЛА необходимы дополнительные элементы системы обеспечения. Кроме самого беспилотного аппарата в многофункциональный комплекс входит рабочее место оператора (расположенное на удалении от зоны работы аппарата), линии передачи данных, программное обеспечение и элементы, необходимые для выполнения целей полета.

Бортовое оборудование БПЛА должно содержать минимальный набор компонентов:

- бортовая цифровая вычислительная машина;

- спутниковая навигационная система (ГЛОНАСС/GPS);

- устройство обмена командной информацией;

- устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством.

В зависимости от поставленных задач полезная нагрузка БПЛА может дополняться различным специальным оборудованием: радиолокационными станциями (РЛС), датчиками экологического, радиационного и химического мониторинга, видеооборудованием и т.д.

Комплекс управления БПЛА представляет собой сложную, многоуровневую структуру, основная задача которой - обеспечить вывод БПЛА в заданный район и выполнение операций в соответствии с полетным заданием, а также обеспечить доставку информации, полученной бортовыми средствами БПЛА, на пункт управления.

Как объект управления беспилотный летательный аппарат представляет собой сложную динамическую систему ввиду наличия большого количества взаимосвязанных параметров и сложных перекрестных взаимодействий между ними. Движение летательного аппарата часто разбивают на простейшие составляющие: движения центра масс (продольное и боковое движение) и угловые движения (движение вокруг оси). Органы управления, создающие управляющие воздействия, можно разделить на две группы:

- органы продольного управления, обеспечивающие движение в продольной плоскости;

- органы управления боковым движением, обеспечивающие необходимый характер изменения углов крена, скольжения и рыскания.

Для обеспечения полной автоматизации управления полетом необходимо четыре канала управления:

- канал управления креном;

- канал управления тангажом;

- канал управления рысканием;

- канал управления двигателем (тяги).

Канал управления двигателем осуществляет регулирование тяги в соответствии с заданной программой полета. Три других канала управления, обеспечивают необходимое угловое положение аппарата в пространстве.

Информация о движении БПЛА поступает в соответствующие каналы, где формируются команды на рычаг управления двигателем, элероны и рули, которые обеспечивают заданное управление полетом. Стабильное управление полетом невозможно без создания качественной системы автоматического управления.

Система управления летательным аппаратом служит для обеспечения полета по заданной траектории путем создания на крыле и оперении потребных аэродинамических сил и моментов [2, 3].

Возможны три типа систем управления - ручная, полуавтоматическая и автоматическая.

В ручной системе управления пилот-оператор, оценивая обстановку, обеспечивает выработку управляющих импульсов и с помощью командных рычагов через пульты управления отклоняет рулевые поверхности, удерживая их в нужном положении.

В полуавтоматической системе управляющие сигналы пилота-оператора преобразуются и усиливаются различного рода автоматами и усилителями, обеспечивая оптимальные характеристики устойчивости и управляемости летательного аппарата.

Автоматические системы обеспечивают полную автоматизацию отдельных этапов полета, освобождая пилота-оператора от непосредственного участия в управлении летательным аппаратом.

Математическая модель

Частью операций по автоматическому управлению летательным аппаратом, обеспечению связи, выполнению поставленных задач можно управлять дистанционно.

Одним из перспективных методов осуществления такого автоматического управления является система управления с вероятностными каналами передачи информации и пропорционально-интегрально-дифференцирующим регулятором (ПИД-регулятором).

В настоящее время актуальным является теоретическое исследование по анализу, моделированию и синтезу систем управления с вероятностными каналами передачи информации. К таким системам, в частности, относятся системы, в которых данные передаются по цифровым сетям в виде пакетов. Такие каналы передачи получили название сетевых каналов, а системы - сетевых систем управления. Применение сетевых каналов в системах управления имеет ряд преимуществ: снижение затрат на монтажные работы, конфигурацию системы, простоты диагностики и обслуживания. Однако, использование вероятностного (сетевого) канала передачи приводит и к ряду новых проблем: случайная временная задержка в процессе передачи, вероятная потеря пакета данных, возможность асинхронной работы элементов системы. Не учет этих факторов может привести к потере устойчивости системы управления.

Традиционный подход к синтезу таких систем не позволяет решить эти проблемы. Это связано с тем, что анализ систем управления с вероятностными каналами передачи информации требует использования методов, как теории управления, так и теории связи. Этот факт значительно усложняет анализ, моделирование и синтез таких систем управления [4].

В работе рассмотрен подход к моделированию системы управления с дискретным ПИД-регулятором и вероятностным каналом передачи от цифрового датчика к регулятору, по которому информация может быть передача в течение такта квантования с вероятностью p.

На рисунке 1 представлена упрощенная функциональная схема системы управления БПЛА с вероятностным каналом передачи.

Считанные цифровым датчиком данные выхода объекта регулирования y_k передаются по сетевому каналу на дискретный регулятор. Дискретный регулятор получает эти данные ?_k с некоторой вероятностью p в течение такта квантования T₀.

Режим функционирования данной системы можно описать следующим образом:

1. Если в течение такта квантования T₀ данные от цифрового датчика поступают в дискретный регулятор, то они учитываются при выработке регулирующего воздействия.

Если в течение такта квантования T₀ данные от цифрового датчика не поступают в дискретный регулятор, то данные от цифрового датчика будут потеряны, а для выработки регулирующего воздействия в дискретном регуляторе будут использованы предыдущие данные от цифрового датчика.

Рис. 1. Система управления БПЛА с вероятностным каналом передачи.

В таком режиме работы для описания системы будут справедливы следующие соотношения:

(1)

(2)

где - вектор столбец переменных состояния объекта регулирования;
- матрица коэффициентов; - вектор-столбец ; - вектор-строка ; - число переменных состояния объекта регулирования.

В дискретной форме уравнения (1, 2) можно представить следующим образом:

(3)

. (4)

Переход к дискретному времени осуществлен по формуле [6]:

(5)

где - экспоненциальная матрица.

Введем обозначения:

(6)

(7)

Тогда уравнения для объекта регулирования примут вид (3, 4).

где - вектор столбец переменных состояния объекта регулирования;
- матрица коэффициентов; - вектор-столбец ; - вектор-строка .

Будем считать, что дискретный регулятор реализует ПИД-закон регулирования:

(8)

где ;

- случайный параметр, который на каждом такте квантования может принимать следующие значения:

(9)

; - дополнительная переменная состояния системы.

Если передача данных за такт квантования T₀ произошла (канал «открыт»), то ; если передача данных за такт квантования T₀ не произошла (канал «закрыт»), т.е. имеется потеря пакета, то .

Введем в рассмотрение обобщенный вектор:

Тогда в векторно-матричном виде уравнение, описывающее поведение рассматриваемой системы, примет вид:

(10)

где - вектор-строка с нулевыми элементами; - вектор-столбец с нулевыми элементами.

(11)

где:

(12)

(13)

(14)

Полученные дискретные уравнения описывают динамику рассматриваемой системы [5].

Заключение

Изложенная выше аналитическая информация и результаты физико-математического моделирования свидетельствуют, что без полноценного бортового и дистанционного комплекса управления, оснащенного профессиональной системой автоматического управления, невозможно построение современных систем БПЛА, которые могут решать широкий спектр боевых задач безопасно, оперативно, в любых погодных условиях, с минимальными издержками.

Таким образом, выявлена необходимость в моделировании систем дистанционного автоматического управления, проведен анализ и сформулирована математическая модель сетевых систем управления с ПИД-регулятором и передачей информации по вероятностным каналам. Проведенные исследования и результаты расчетов показали целесообразность и возможность применения данного подхода к синтезу и анализу систем управления подобного вида.

Литература

1. Салычев О.С. Автопилот БПЛА с Инерциальной Интегрированной Системой - основа безопасной эксплуатации беспилотных комплексов / О.С. Салычев. - М.: изд. ООО «ТеКнол», 2015. - 9 с.

2. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами / В.А. Боднер. - М.: Машиностроение, 1973. 506 с.

3. Российский сайт, посвященный беспилотной авиации, [Электронный ресурс], Федутинов Д. Режим доступа: http://www.uav.ru/, свободный.

4. Абрамов Г.В. Моделирование сетевых систем управления с передачей информации по каналу множественного доступа с учетом зависимости потоков квантования / Г.В. Абрамов, А.Е. Емельянов, М.Н. Ивлиев // Системы управления и информационные технологии. 2008. Т. 31. № 1. С. 4-7.

5. Куцов С.В. Система автоматического управления БПЛА с вероятностными каналами передачи информации / С.В. Куцов, М.Н. Ивлиев, А.Е. Емельянов // Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией. VII научные чтения имени А.С. Попова» / Воронеж. ВУНЦ ВВС ВВА, 2018. - 440 с. - С. 206-211.

Размещено на Allbest.ru