Моделирование стабилизатора небольшого вертолетаа

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 396
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА НЕБОЛЬШОГО ВЕРТОЛЕТА
Р.Р. ГАЛИЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шахтариным Б. И.
В данной статье определены общие задачи и проблемы, которые необходимо решить для создания автономной системы управления небольшим беспилотным одноосным вертолетом в условии внешней возмущающей среды. В работе получены передаточные функции махового движения лопастей несущего винта, а также показано комплекси-рование динамики несущего винта и стабилизатора через кинематическую связь. Исследована динамика крена вертолета в режиме зависания при различной настройке влияния стабилизатора Белла на динамику несущего винта.
Ключевые слова: моделирование динамики крена, радиоуправляемый вертолет, стабилизаторы Белла.
Введение
В последние десятилетия беспилотные летательные аппараты играют все более важную роль в чрезвычайных ситуациях: авариях, пожарах- разведывательных работах: инспекциях трубопроводов, обзорах местности, военных целях. В основном такие аппараты управляются дистанционно на расстоянии и обладают невысокой маневренностью. Задачи, решаемые в городских условиях и в горной местности, требуют от летательных аппаратов высокой маневренности. Для этих целей идеально подходят небольшие вертолеты, обладающие собственной естественной маневренностью. В качестве макетов подобных вертолетов возможно использование радиолюбительских моделей, получивших широкую популярность. На рис. 1 представлен вертолет T-REX 600 с калильным двигателем. Вертолет управляется с помощью пульта управления изменением коллективного и циклического шага несущего винта, а также коллективным шагом рулевого винта. Подобные аппараты обычно оснащаются стабилизаторами Белла для увеличения управляемости, а также обратной связью угловой скоростью рыскания, реализованной через гироскоп для простоты управления.
Рис. 1. Вертолет Т-ЯБХ 600 с калильным двигателем
Ключевым фактором использования подобных вертолетов является их достаточная степень автономности: требования зависания в точке, поддержания горизонтального полета, позиционное движение и т. д. Задача управления аппаратом влечет за собой решение задач моделирования вертолета, частотной или временной идентификации неизвестных параметров модели, получение оценок измерений с сенсорной системы. Подобные задачи являются сами по себе не-
тривиальными и требуют творческого подхода. Кроме того, в полете объект находится в среде с переменным внешним возмущением, например, изменение направление ветра изменяет угол атаки лопасти винта. Система управления должна максимально компенсировать возмущение внешней среды, с одной стороны, а с другой стороны — неточность математической модели, которая описывает динамику объекта. Требования к модели являются двоякими, с одной стороны, она должна быть точной, а с другой — простой для реализации законов управления. В работах [12] можно найти нелинейные модели для подобных аппаратов, которые применялись при создании системы управления. Другой подход основан на применении линейных моделей в определенных режимах полета: зависания, горизонтального полета. В работах [6,7] разработаны линейные модели для режима зависания на основе законов механики и аэродинамики, на основе которых проанализируем влияния стабилизаторов на динамику крена аппарата. Регулирование влияния стабилизаторов позволит обеспечить необходимое демпфирование, чувствительность к управлению, устойчивость при крене.
1. Описание работы стабилизатора Белла
Рассмотрим крен аппарата без стабилизаторов в режиме зависания, т. е. при условии отклонения вала лопастей не более 10 -15 градусов от вертикали. Воздушный поток, создаваемый лопастями, будем считать равномерным, однородным и несжимаемым. Время установления воздушного потока много меньше времени установления махового движения, поэтому им можно пренебречь. Меттлер в своей работе [6] показал, что для небольших вертолетов с принятыми допущениями динамика крена определяется уравнением
где р -угловая скорость крена- Ь — угол наклона конуса лопастей. Таким образом, динамика крена фюзеляжа определяется динамикой махового движения лопастей. Уравнение махового движения лопасти несущего винта при крене, полученное Меттлером
где дил -входной сигнал изменения циклического шага- - постоянная времени ротора. Отсутствие
при крене перекрестных связей тангажа объясняется их незначительным влиянием, которое уменьшается при уменьшении размеров вертолета.
Кинематическая схема включения стабилизатора Белла схематично изображена на рис. 2. Динамика стабилизаторов отличается от динамики лопастей несущего винта лишь с той разницей, что стабилизаторы не участвуют в создании подъемной силы. Конструкция стабилизатора Белла связана через кинематическую связь с лопастями несущего винта. В этой системе циклический угол лопасти устанавливается как наклоном стабилизатора, так и напрямую тарелкой автомата перекоса.
(1)
Т/Ь = -Ь -Т/Р + Вы$ы ,
(2)
еервоосъ
/
А.
ШттяштяШШ
-О-
автомат
перекоса
Рис. 2. Конструкция стабилизатора Белла
Тракты управления системы показаны на рис. 3. Любое стремление ротора накрениться слишком сильно или слишком быстро ограничивается. Если ротор «обгоняет» сервоось при крене, управляющее воздействие от стабилизатора уменьшит циклический шаг лопастей и замедлит крен.
Рис. 3. Тракты управления в системах Белла
Изящность системы Белла заключается в возможности настройки отклика вертолета для соответствия разным требованиям. Поэтому вертолет может быть настроен на небольшую скорость крена, используя тяжелые лопатки. Машина будет все равно быстро реагировать на циклические команды из-за прямой составляющей управления, приложенной непосредственно к лопастям, что позволит ротору накрениться раньше стабилизатора. Медленно реагирующая сервоось помогает в двух аспектах: ограничивает изначальный наклон ротора и помогает вернуть ротор обратно после снятия команды. Таким образом, влияние стабилизатора проявляется в изменении установки циклического шага, пропорционально углу взмаха стабилизаторов
=Ы + Кёё, (3)
где ё — угол наклона конуса лопастей стабилизатора- Кё — коэффициент, который характеризует кинематическую связь стабилизатора и лопасти. Регулируя Кё, можно изменять влияние стабилизатора на вертолет.
2. Моделирование работы стабилизатора
Маховое движение стабилизаторов описывается уравнением
Т'-й = -ё -Т, р + БЫ3Ы, (4)
где Т, — постоянная времени стабилизатора- ё — угол наклона конуса лопастей стабилизатора при
крене. Подставляя выражения (3) и (4) в уравнение (2), пренебрегая членами при р, получим
т, Ъ = -Ъ — (ТГ +) р + (Вш + В? Ра*)$ш, (5)
где коэффициент Ва = ВыКа.
Маховое движение лопасти без стабилизатора описывает уравнения (2) — ей соответствует передаточная функция крена вертолета
р = 1ъВш? т/ (6)
, 2 +(1/т/) 5 + Ч
На рис. 4 промоделированы АЧХ и ФЧХ передаточной функции (6).
Вос) е 01адгат Ргёля? 1при1 -РагИЗ То- ОС*р1Л Ро1гИ2
:: 1--м- •д.- ! -! -М4-Ш- ! '- ! '-
:: : 44 !
! ! ! 1 ! И .! 1,. !. .! .1.1 1. -
! ! !: ! | - |, Й .и 1 !.! 1 !. :
! ! ! ! — г -: 1
! — 1 ! — 1 1 !'- 1 !'- 1 — 1 1 Г ЯЦ Гт-т-птЦ 1 Г№т 1 1 1 ! •! г !• '-(! 1 ! 1 1:
• | ||
— - '-& quot-Г'-:"- ууч-щщ- & gt-¦- -- - - •} - - - :1 ¦! ]: {:: | | | 1 ~ ~Г& quot- * ! ММ ¦ - - ] ¦-
Г:: -: ! 1 1 Т гЬ 1 [ I ?----?--Г'-'Г'-ТТГ: — ! 1 !'- '-1 1'- - 1 ! МИ!
Г Г'-" ! — & quot-"-ТТТ | I | ! М — - - -: I ! I 1
1 1 1 — 1- 1 '-& quot-'-Г'-'-:'-'-:'- д.и. у----------Л ш Т& quot-Т7ТП '- ггттТг
Ргедиепсу Сгас1/зес}
Рис. 4. АЧХ и ФЧХ динамики крена без стабилизаторов
Динамике крена со стабилизатором соответствует передаточная функция (7)
Р = кВы (! + КаРы)/Т,
Ш
(7)
На рис. 5 промоделированы АЧХ и ФЧХ передаточной функции (7) с различными коэффициентами микширования Ка в диапазоне [0.5…3. 5].
Рис. 5. АЧХ и ФЧХ динамики крена со стабилизаторами
Из рис. 4, 5 видно, что с увеличением Кё, т. е. с увеличением влияния стабилизаторов на крен,
процесс становится более колебательным, но остается устойчивым. На рис. 7 промоделирован процесс крена вертолета, в результате подачи на вход сигнала, представленного на рис. 6. На графиках видно, что применение стабилизаторов сильно демпфируют процесс крена.
О 12 3 4567 89 10 Время, с
Рис. 6. Сигнал на входе управления
Время, с
Рис. 7. Переходный процесс крена вертолета:
1-со стабилизатором (Кй =2. 5), 2-без стабилизатора
Выводы
По графикам АЧХ, ФЧХ и переходным процессам можно сделать вывод, что путем изменения микширования можно регулировать установившуюся угловую скорость крена и тангажа при входных сигналах управления, т. е. регулировать быстродействие объекта, что очень важно при построении системы управления в условии изменяющихся внешних воздействий.
Таким образом, создание системы управления требует решения целого ряда задач: разработки подходящей модели, описывающей поведение аппарата в заданном режиме, определения неизвестных параметров модели с помощью идентификации в частотной или временной области, настройке регулируемых параметров аппарата, например коэффициента микширования стабилизатора. Нужно понимать, что математические модели были разработаны на основе целого ряда допущений и аппроксимации, поэтому поведение модели и аппарата могут различаться особенно в области высоких частот. Алгоритмы управления должны компенсировать не только неидеальность математических моделей, погрешности определения параметров этой модели, но и компенсировать внешнее возмущение среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Джонсон У. Теория вертолета. — М.: Мир, 1983.
2. Есаулов С. Ю., Бахов О. П., Дмитриев И. С. Вертолет как объект управления. — М.: Машиностроение, 1977.
3. Астапов Ю. М., Медведев В. С. Статическая теория систем автоматического регулирования и управления.
— М.: Наука, 1982.
4. Попов Е. П., Теория линейных систем автоматического управления. — М.: Наука, 1989.
5. A.R.S. Bramewll, G. Done, D. Balmford. «Bramwell's Helicopter Dynamics». Butterworth Hienemann, Oxford, UK, 2001.
6. B. Mettler. «Identification modeling and characteristics of miniature rotorcraft» Kluwer Academic Publishers, Boston, USA, 2002.
7. V. Gavrilets, B. Mettler, E. Feron. «Dynamic model a miniature aerobatic helicopter»
8. G.D. Padfield. Helicopter Flight Dynamics: The Theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modeling. AIAA Education Series, Washington, 1996.
9. NASA Ames Research Center, Moffet Field, CA. Comprehensive Identification from Frequency Responses: an interactive facility for system identification and verification, 2000.
10. Берестов Л. М., Паплавский Б. К., Мирошниченко Л. Я. Частотные методы идентификации летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1985.
11. Gavrilets V. Autonomous Aerobatic Maneuvering of Miniature Helicopter. 2003.
12. Gavrilets V., Shterenverg A., Dahleh M.A., Feron E. Avionics system for a small unmanned helicopter perfor-maning aggressive maneuvers., M.I.T., Cambridge, MA.
13. Mellter B., Tischler M., Kanade T. System identification of small-size unmanned helicopter dynamics.
14. Tischler M. System identification methods for aircraft flight control development and validation. NASA technical report 95-A-007.
DYNAMIC MODEL OF ROLLING PROCESS FOR MODEL-SCALE HELICOPTER
Galiev R.R.
Development of a reliable high-performance helicopter-based unmanned aerial vehicle requires an accurate and practical model of the vehicle dynamics. This report describe the process of roll and pitch dynamic modeling of model-scale unmanned helicopter under hovering. In addition to standard helicopter flight characteristics, the model explicitly accounts for the stabilizer bar, which has a strong influence on the flight dynamic and is widely used in model-scale helicopter. Particular emphasis is placed on the mathematical modeling of the main rotor and Bell-Hiller stabilizing bar. Simulation result are presented and discussed.
Key words: dynamic Modeling and Simulation, Autonomous Vehicle, Model-Scale Helicopter, Hiller Stabilizing bar.
Сведения об авторе
Галиев Рашит Расимович, 1985 г. р., окончил МГТУ им. Баумана (2009), аспирант кафедры автономных информационных и управляющих систем МГТУ им. Баумана, область научных интересов — идентификация линейных систем, теория автоматического управления.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой