Исследование критерия степени управляемости высокоманевренного летательного аппарата

В состав систем управления высокоманевренных летательных аппаратов (ВМЛА) используемых для управления перегрузками обычно входят линейные акселерометры и гироскопические приборы. Применение новых технологий приборостроения при создании угловых акселерометров делает их использование перспективным для ВМЛА. Обратная связь по угловому ускорению способствует повышению робастности и быстродействия системы управления по сравнению с обратной связью по угловой скорости [1, 2].

 В данном исследовании рассмотрена задача разработки системы по управлению перегрузкам и проводится количественный анализ характеристик системы с использованием предложенного критерия управляемости по выходу системы при разных характеристиках статической устойчивости ВМЛА.

 Рассмотрена модель движения ВМЛА в вертикальной плоскости.

В инженерной практике перегрузка или нормальное ускорение, как правило, принимаются в качестве основного сигнала обратной связи.

Обычно используется система с обратной связью по угловой скорости (ОСУС). Используется сигнал по перегрузке, измеренный линейным акселерометром, который служит сигналом главной обратной связи, а обратная связь по угловой скорости способствует улучшению коэффициента демпфирования ЛА.

Представлена модель система управления ВМЛА с линейным акселерометром и угловым акселерометром. Предложена структура системы управления ВМЛА с обратной связью по угловому ускорению (ОСУУ).

Угловое ускорение в канале тангажа содержит информацию об перегрузке, действующей на ВМЛА. Кроме того, значение углового ускорения может быть аппроксимировано как производная ускорения первого порядка. Следовательно, информация о измерении от углового акселерометра может быть использована в качестве дифференциала первого порядка перегрузки ВМЛА при разработке системы управления.

 Разработан новый критерий степени управляемости по выходу линейной нестационарной системы [3, 4].

Степень управляемости по выходу можно оценить с точки зрения потребляемой энергии на реализацию управляющего воздействия: чем меньше требуется минимальной энергии для изменения состояния, тем больше управляемостью обладает система.

Для количественной оценки управляемости системы целесообразно использовать численное сравнение матрицы управляемости Грамиана по выходу.

Проведено численное исследование управляемости автопилотов ОСУУ и ОСУС с разными характеристиками статической устойчивости ВМЛА.

В соответствии с результатами моделирования (см. таблицу),  степень управляемости по выходу системы увеличивается с редукцией статической устойчивости. Кроме того, управляемость  ОСУУ усиливается по сравнению с ОСУС.

Степени управляемости по выходу автопилотов

Таким образом, разработана новая структура системы управления ВМЛА с обратной связью по линейному и угловому ускорению. Предложен новый критерий степени управляемости по выходу линейных динамических систем путём скаляризации матрицы Грамиана. Проведено математическое моделирования для количественного  анализа систем управления с разными характеристиками статической устойчивости и структурами обратной связи.