Кулик А С Элементы теории рационального управления объектами

УДК 519.876.2:62-50 (047) ББК 32.965:22.17

К 90

Розглянуто особливості раціонального управління об'єктами за допомогою нового принципу управління по діагнозу. Описано моделі і методи діагностування та відновлення працездатності багатовимірних, багатозв'язних об'єктів, що піддаються дестабілізуючим впливам. Наведено результати досліджень з раціонального управління працездатністю функціональних блоків автономних літальних апаратів.

Для фахівців в області проектування систем автоматичного управління, а також докторантів, аспірантів, магістрів і студентів відповідних спеціальностей.

Рецензенты: Раскин Лев Григорьевич, заведующий кафедрой компьютерного мониторинга и логистики Национального технического университета «ХПИ», доктор технических наук, профессор.

Бодянский Евгений Владимирович, профессор кафедры искусственного интеллекта Харьковского Национального университета радиоэлектроники, доктор технических наук, профессор.

Утверждено к изданию в качестве монографии на заседании Учёного совета Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» (протокол № 5 от 20 января 2016 года).

ISBN 978-966-662-707-3

К 90 Кулик А.С. Элементы теории рационального управления объектами [Текст] / А.С. Кулик Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2016 255 с.

Рассмотрены особенности рационального управления объектами посредством нового принципа управления по диагнозу. Описаны модели и методы диагностирования и восстановления работоспособности многомерных, многосвязных объектов, подверженных дестабилизирующим воздействиям. Приведены результаты исследований по рациональному управлению работоспособностью функциональных блоков автономных летательных аппаратов.

Для специалистов в области проектирования систем автоматического управления, а также докторантов, аспирантов, магистров и студентов соответствующих специальностей.

Ил. 64 Табл. 4 Библиограф.: 186 назв.

УДК 519.876.2:62-50 (047)

ISBN 978-966-662-707-3

Кулик А.С., 2016 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт», 2016

2.2.Модели объектов рационального управления………………………... 49

2.3.Анализ преобразовательных свойств моделей объектов

3.1.Истоки сигнально-параметрического диагностирования……............. 71

3.2.Обнаружение дестабилизации…………………………………............ 77

3.3.Локализация дестабилизирующих фрагментов………………............. 81

3.4.Определение типов дестабилизирующих воздействий………............ 91

3.5.Идентификация видов дестабилизирующих воздействий………….. 98

3.6.Организация диагностирования объектов рационального

4 Элементы теории рационального управления объектами

ГЛАВА V. РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТЬЮ БЛОКА ГИРОСКОПИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛЕТАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ………………………………... 140

5.1.Назначение, устройство и функции летающих моделей……….......... 141

5.2.Блок измерителей. Назначение, устройство, принцип действия……. 147

6.1.Назначение, принцип действия и устройство электромаховичных приводов…………………………………………………………………….. 173

6.2.Математическое описание номинального режима

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП аналого-цифровой преобразователь;

БД блок диагностирования;

БИ блок измерителей;

БОР беспилотный орбитальный ракетоплан;

БП блок приводов;

БПЛА беспилотный летательный аппарат;

БУ блок управления;

ВРД восстановление работоспособности датчиков;

ГВД генератор видов дестабилизации;

ДЛМ диагностическая логическая модель;

ДУ датчик угла;

ДУС датчик угловой скорости;

ДР диагностирование работоспособности;

ДРД диагностирование работоспособности датчиков;

ДФМ диагностическая функциональная модель;

И интегратор;

ИВД имитатор видов дестабилизации;

ЛА летательный аппарат;

М маховик;

МАЛИ маневренное автономное летающее изделие;

МКА малогабаритный космический аппарат;

НИИ ПФМ научно-исследовательский институт проблем физического моделирования режимов полёта самолётов;

ОАУ объект автоматического управления;

ОУ объект управления;

ОДВ объект диагностирования и восстановления;

ОДО обобщенный динамический объект;

ОРУ объект рационального управления;

ППВ правила поиска видов;

ППТ правила поиска типов;

ППФ правила поиска фрагментов;

САУ система автоматического управления;

САРУ система автоматического рационального управления;

СГ свободный гироскоп;

6 Элементы теории рационального управления объектами

СЛМ свободнолетающая модель;

ТАУ теория автоматического управления;

ТГ тахогенератор;

ТЗ техническое задание;

ТСП технические средства подстройки;

ТСР технические средства реконфигурации;

УАУ устройство автоматического управления;

УП усилитель-преобразователь;

УРУ устройство рационального управления;

ЦАП цифро-аналоговый преобразователь;

ЭД электродвигатель.

Предисловие 7

Невозмутимый строй во всем, Созвучье полное в природе; Лишь в нашей призрачной свободе Разлад мы с нею сознаём.

Ф. И. Тютчев (1803 1873) российский поэт, дипломат

ПРЕДИСЛОВИЕ

Неуклонное повышение конструктивной сложности, уровня многообразия функций, масштабности и энергоемкости автоматически управляемых динамических объектов обуславливает увеличение множества факторов, оказывающих дестабилизирующее влияние на процессы управления. На каждом этапе научно-технического развития такое объективное противоречие в теории и практике автоматического управления разрешается посредством поиска и формирования новых идей и инструментальных средств, позволяющих найти приемлемые и конструктивные компромиссные решения.

Продуктивной, на современном этапе развития, представляется идея приспособления к дестабилизирующим воздействиям посредством интеллектуальной автоматизации процессов диагностирования и восстановления работоспособности динамических объектов.

Непредвиденные нештатные ситуации появляются на каждом этапе жизненного цикла, начиная от замысла и заканчивая утилизацией. Поиск причин нештатных ситуаций традиционно производится с помощью технических средств и интеллектуальных способностей специалистов. Накопленный опыт по диагностированию динамических систем автоматического управления позволяет перейти к разработке моделей, методов и процедур структурно-формализованного автоматического диагностирования.

В практике восстановления работоспособности управляемых динамических объектов автоматического управления широко используются средства сигнальной и параметрической подстроек, алгоритмической и аппаратурной реконфигурации. Уровень приобретенного опыта позволяет перейти к алгоритмизации процесса восстановления посредством разработки моделей, методов и процедур гибкого управления средствами восстановления по текущему диагнозу в реальном масштабе времени.

В монографии представлены первые результаты системного объединения формализационного и слабоформализованного описания процессов

8Элементы теории рационального управления объектами

диагностирования и восстановления работоспособности на единой методологической основе для всех этапов жизненного цикла объектов автоматического управления. Опытно-экспериментальные и теоретические исследования по системному объединению этих интеллектуальных процессов привели к необходимости формирования новых связей с помощью принципа управления по диагнозу и разработки моделей, методов и средств рационального управления объектами автоматического управления в условиях дестабилизирующих воздействий.

Впервой главе представлена аргументация известных мыслителей о необходимости разумного взаимоотношения с Природой, сбалансированного, взвешенного и осмотрительного сочетания искусственного и естественного интеллектов при создании искусственных систем различного назначения и, в частности, систем автоматического управления объектами. Масштабность и энергоемкость таких систем, в связи с растущей актуальностью проблемы безопасности среды обитания – биосферы, обуславливает необходимость совершенствования техносферы посредством таких тенденций как совершенствование ресурсосберегающих технологий, повышение живучести

истойкости при дестабилизирующих воздействиях, снижение материальных и технико-экономических затрат на весь жизненный цикл и ряд других аналогичных тенденций. Обеспечить такие тенденции возможно также посредством интеллектуализации всех этапов жизненного цикла систем автоматического управления. Интеллектуализация может быть осуществлена с помощью рационального управления, базирующегося на глубоком диагностировании и гибком восстановлении работоспособности объектов автоматического управления на всех этапах жизненного цикла.

Вторая глава посвящена специфике рационального управления. Объектами рационального управления могут быть как объекты автоматического управления, так и их функциональные блоки. Все свойства объектов рационального управления представлены с помощью двух непересекающихся множеств, а именно, первое множество содержит свойства, характеризующие номинальные режимы функционирования, а второе – свойства адаптации к дестабилизирующим воздействиям. Описаны модели и критерии, обеспечивающие как необходимые, так и достаточные условия рационального управления.

Особенности сигнально-параметрического диагностирования объектов рационального управления изложены в третьей главе. Здесь дана характеристика истоков сигнально-параметрического подхода к диагностированию динамических объектов и его структуризация. Последовательно описаны задачи обнаружения, локализации, типизации и

Предисловие 9

идентификации дестабилизирующих воздействий и методы их решения, базирующиеся на соответствующих диагностических функциональных и логических моделях. Описана организация процесса диагностирования объектов рационального управления.

Восстановление работоспособности объектов рационального управления

– это процесс обеспечения такого его состояния, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, будут соответствовать требованиям ТЗ. Как восстановить работоспособность, чтобы обеспечить устойчивость и качество процесса? На эти и другие вопросы можно найти ответы в четвёртой главе. Модели и алгоритмы восстановления приведены для таких известных средств, как сигнальная и параметрическая подстройки, реконфигурация алгоритмов и приборов. Для обеспечения устойчивости и качества процессов восстановления использован метод синтезирующих функций А.М. Ляпунова.

В пятой главе представлены результаты научно-исследовательской деятельности по рациональному управлению работоспособностью блока гироскопических датчиков, которые использовались на летающих моделях разработки научно-исследовательского института проблем физического моделирования режимов полета самолетов. Приведены модели датчиков углов и датчиков угловых скоростей, использованных в стенде для исследования датчиков канала курса. Подробно описаны процедуры диагностического обеспечения датчиков стенда. Представлено дихотомическое дерево поиска видов дестабилизации датчиков канала курса. Восстановление работоспособности датчиков производилось с использованием таких избыточных средств, как приборные, функциональные и алгоритмические. Приведены результаты стендовых экспериментальных исследований датчиков канала курса по рациональному управлению их работоспособностью в условиях дестабилизирующих воздействий.

Рациональное управление работоспособностью блока электромаховичных приводов в системах ориентации космических аппаратов рассмотрено в шестой главе. Здесь описаны назначение, принцип действия и устройство электромаховичных приводов, их математические модели для номинального режима функционирования в непрерывной и дискретной формах. Приведено диагностическое обеспечение блока электромаховичных приводов пирамидальной структуры для макетного варианта микроспутника. Описаны алгоритмы восстановления работоспособности блока электромаховичных приводов. Представлены результаты экспериментальных исследований по рациональному управлению работоспособностью блока электромаховичных приводов макетного варианта микроспутника.