Система адаптивного управления самолетом по углу тангажа
Полезная модель относится к области автоматики, а именно к системам автоматического управления нестационарным объектом с дифференцированием по входу - самолетом по углу тангажа. Отличием предложенного технического решения является то, что система управления содержит дополнительно пять умножителей, два задатчика постоянного сигнала и два сумматора, вход системы соединен со вторым входом эталонной модели и входом корректирующего динамического звена, выход которого через второй умножитель соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора через последовательно соединенные третий умножитель и пятый сумматор соединен со вторым входом второго умножителя, второй вход пятого сумматора подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, второй вход третьего умножителя соединен с выходом корректирующего динамического звена, выход второго сумматора через последовательно соединенные четвертый умножитель, шестой сумматор и шестой умножитель соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора через пятый умножитель соединен с третьим входом четвертого сумматора, выход датчика угла соединен со вторым входом пятого умножителя, выход датчика угловой скорости соединен со вторыми входами четвертого и шестого умножителей, а выход третьего задатчика постоянного сигнала соединен со вторым входом шестого сумматора. Технический результат от использования полезной модели заключается в точности поддержания качества переходных процессов в системе управления нестационарным объектом (самолетом) путем изменения положения как полюсов, так и нулей системы на комплексной плоскости корней.
Полезная модель относится к области систем автоматического управления нестационарными объектами с дифференцированием по входу, а именно, к системам управления самолетом по углу тангажа.
Известна адаптивная система управления самолетом по углу тангажа, содержащая последовательно соединенные корректирующее динамическое звено, эталонную модель, первый сумматор, дифференциатор, первый усилитель,' второй сумматор, первый умножитель и третий сумматор, последовательно соединенные четвертый сумматор, самолет и датчик угловой скорости, выход самолета через датчик угла соединен со вторым входом первого умножителя, выход первого задатчика постоянного сигнала соединен со вторым входом третьего сумматора, выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, а через последовательно соединенные интегратор и второй усилитель - с третьим входом второго сумматора [1].
К недостаткам известной системы относится то, что при изменении параметров самолета система управления может потерять устойчивость.
С целью повышения запаса устойчивости системы и улучшения качества переходных процессов она содержит дополнительно пять умножителей, два задатчика постоянного сигнала и два сумматора, вход системы соединен со вторым входом эталонной модели и входом корректирующего динамического звена, выход которого через второй умножитель соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора через последовательно соединенные третий умножитель и пятый сумматор соединен со вторым входом второго умножителя, второй вход пятого сумматора подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, второй вход третьего умножителя соединен с выходом корректирующего динамического звена, выход второго сумматора через последовательно соединенные четвертый умножитель, шестой сумматор и шестой умножитель соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора через пятый умножитель соединен с третьим входом четвертого сумматора, выход датчика угла соединен со вторым входом пятого умножителя, выход датчика угловой скорости соединен со вторыми входами четвертого и шестого умножителей, а выход третьего задатчика постоянного сигнала соединен со вторым входом шестого сумматора.
Суть полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой изображена структурная схема адаптивной системы управления самолетом по углу тангажа, на Фиг. 2 - структурная схема моделирования с использованием программного обеспечения MATLAB приложения Simuliuk, на Фиг. 3 - переходные процессы на выходе системы и эталонной модели при действии координатных f(t) и параметрических F(t) помех как реакции на единичное ступенчатое воздействие g(t)=1(t).
На Фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - корректирующее динамическое звено;
2 - второй умножитель;
3 - четвертый сумматор;
4 - объект управления (самолет);
5 - пятый сумматор;
6 - второй задатчик постоянного сигнала;
7 - шестой умножитель;
8 - датчик угловой скорости;
9 - датчик угла (тангажа);
10 - дифференциатор эталонной модели;
11 - третий задатчик постоянного сигнала;
12 - третий усилитель;
13 - четвертый усилитель;
14 - четвертый умножитель;
15 - третий умножитель;
16 - пятый умножитель;
17 - первый задатчик постоянного сигнала;
18 - шестой сумматор;
19 - седьмой сумматор;
20 - второй сумматор;
21 - первый умножитель;
22 - первый усилитель;
23 - второй усилитель;
24 - эталонный фильтр;
25 - дифференциатор;
26 - интегратор;
27 - эталонная модель;
28 - первый сумматор;
29 - третий сумматор.
Обозначения на Фиг. 2 общепринятые в MATLABе.
Функционирует система адаптивного управления согласно структурной схеме на Фиг. 1.
Сигнал задания для системы управления поступает на вход корректирующего динамического звена 1 и на один из входов эталонной модели 27.
Структура эталонной модели 27 построена с использованием эквивалентного аддитивного преобразования [2] и имеет нули передаточной функции, равные нулям основного контура управления, который содержит корректирующее динамическое звено 1, второй умножитель 2, четвертый сумматор 3, объект управления (самолет) 4, шестой умножитель 7, датчик угловой скорости 8, датчик угла 9 и пятый умножитель 16.
Эталонная модель содержит дифференциатор 10, третий усилитель 12, четвертый усилитель 13, седьмой сумматор 19 и эталонный фильтр 24.
Желаемые нули передаточной функции эталонной модели 27 формируются с помощью выбора параметров третьего 12 и четвертого 13 усилителей соответственно так же, как в [1, 2], а полюсы - выбором параметров эталонного фильтра 24.
Регулятор состоит из второго умножителя 2, четвертого сумматора 3, датчика угловой скорости 8, датчика угла 9, пятого 16 и шестого 7 умножителей, третьего 29, пятого 5 и шестого 18 сумматоров, первого 17, второго 6 и третьего 11 задатчиков постоянного сигнала.
Структура регулятора синтезируется методом структурного синтеза (методом Бойчука) [3].
На выходе первого сумматора 1 формируется сигнал
где x(t) - угол тангажа;
y(t) - эталонное значение угла тангажа.
На выходе второго сумматора 20 с помощью первого сумматора 28, дифференциатора 25, первого усилителя 22, интегратора 26, второго усилителя 23 формируется сигнал 
(t) вида
где 
, 
При изменении параметров самолета в процессе полета для сохранения устойчивости и качества переходного процесса в системе управления необходимо подстраивать параметры регулятора, т.е. на входы пятого сумматора 5, шестого сумматора 18 и третьего сумматора 29 подавать сигналы (законы настройки) соответственно 
которые формируются на выходах соответственно третьего умножителя 15, четвертого умножителя 14 и первого умножителя 21.
Законы настройки параметров регулятора (3) обеспечивают совместно с постоянными сигналами, формируемыми на выходах второго 6, третьего 11 и первого 17 задатчиков постоянного сигнала, на выходах соответственно пятого 5, шестого 18 и третьего 29 сумматоров такие сигналы, которые обеспечивают стремление 8(1) к нулю, когда x(t)=y(t). В этом случае поведение системы управления (выход самолета) совпадает с желаемым, заданным эталонной моделью 27.
Синтез законов настройки параметров [3] регулятора осуществлен с помощью метода покомпонентного формирования управлений [4].
Для подтверждения работоспособности синтезированной адаптивной системы управления проведено моделирование на ЭВМ с помощью пакета MATLAB.
На Фиг. 2 приведена структурная схема системы моделирования с использованием приложения Simuliuk к пакету MATLAB, обозначения на которой общепринятые.
На Фиг. 3 приведены результаты моделирования как реакция выходов самолета 4 и эталонной модели 27 при изменении параметров самолета 4, если его дифференциальное уравнение имеет вид:
,
где в0(t), в1(t), а0(t), а1(t) - переменные во времени t параметры объекта (ОУ) управления (самолета).
Все параметры ОУ изменяются:
на 4 секунде изменяются параметры а1(t) - с 2 до 5, а параметр a0(t) - с 1 до 3;
на 5 секунде изменяются параметры в1(t) - с 1 до 7, в0(t) - с 1 до 5.
Адаптивная система управления настраивает коэффициенты регулятора m(t), 
k0(t), k1(t) таким образом, что они отрабатывают изменения любых параметров ОУ.
На отработку изменения нулей уходит примерно 0,5 сек. На отработку изменения полюсов уходит примерно 1,5 сек.
Таким образом технический результат от использования предложенного технического решения заключается в повышении устойчивости системы и повышении качества переходных процессов.
Новизна предложенного технического решения задачи подтверждается отличительной частью формулы полезной модели.
Литература
1. Система адаптивного управления по углу тангажа. Голубятников Н.В., Ивченко В.Д., Каниовский С.С., Лащев А.Я. Патент РФ на изобретение 
2445671 от 25.02.2010, МПК G05D 1/08 (2006/01) (прототип).
2. Лащев А.Я. Синтез модельного управления минимально-фазовым объектом. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010 г., 7, стр. 20-24.
3. Бончук Л.М. Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления, - М.: Энергия, 1971 г.
4. Лащев А.Я. Метод синтеза адаптивных систем управления с эталонной моделью. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007 г., 1, стр. 2-6.
Система адаптивного управления самолетом по углу тангажа, содержащая последовательно соединенные корректирующее динамическое звено, эталонную модель, первый сумматор, дифференциатор, первый усилитель, второй сумматор, первый умножитель и третий сумматор, последовательно соединенные четвертый сумматор, самолет и датчик угловой скорости, выход самолета через датчик угла соединен со вторым входом первого умножителя, выход первого задатчика постоянного сигнала соединен со вторым входом третьего сумматора, выход первого сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, а через последовательно соединенные интегратор и второй усилитель - с третьим входом второго сумматора, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно пять умножителей, два задатчика постоянного сигнала и два сумматора, вход системы соединен со вторым входом эталонной модели и входом корректирующего динамического звена, выход которого через второй умножитель соединен с первым входом четвертого сумматора, выход второго сумматора через последовательно соединенные третий умножитель и пятый сумматор соединен со вторым входом второго умножителя, второй вход пятого сумматора подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, второй вход третьего умножителя соединен с выходом корректирующего динамического звена, выход второго сумматора через последовательно соединенные четвертый умножитель, шестой сумматор и шестой умножитель соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход третьего сумматора через пятый умножитель соединен с третьим входом четвертого сумматора, выход датчика угла соединен со вторым входом пятого умножителя, выход датчика угловой скорости соединен со вторыми входами четвертого и шестого умножителей, а выход третьего задатчика постоянного сигнала соединен со вторым входом шестого сумматора.
РИСУНКИ
