Синергетический синтез алгоритма управления режимом глиссирования самолета-амфибии в условиях ветроволновых возмущений

Рассматривается проблема управления самолетом-амфибией (СА) в режиме установившегося глиссирования под действием ветроволновых возмущений. Проведен анализ современных подходов и методов синтеза систем управления летательными аппаратами (ЛА). Представлен краткий обзор существующих научных работ, посвященных управлению СА на различных режимах движения. Обоснована необходимость разработки автопилота для управления продольным движением СА. Выполнен обзор характеристик состояния водной поверхности и их влияния на эксплуатацию СА на воде. Проанализировано влияние внешних возмущений на устойчивость глиссирования СА, на основании чего обосновано применение метода интегральной адаптации на инвариантных многообразиях для проведения процедуры синтеза векторного нелинейного регулятора системы управления СА в режиме глиссирования при действии ветроволновых возмущений. В рамках подхода используется синергетический принцип "расширения—сжатия" фазового пространства, на основании которого вначале строится расширенная модель синергетического синтеза, учитывающая оценки действия возмущающих воздействий, а затем при применении процедуры синтеза осуществляется поэтапное сжатие фазового пространства за счет введения инвариантных многообразий, на пересечении которых гарантируется выполнение заданной технологической задачи, а также обеспечивается инвариантность к действию ветроволновых возмущений. Результаты исследования подтверждены компьютерным моделированием синтезированной замкнутой системы управления СА, в частности показано, что в замкнутой системе гарантируется поддержание требуемых скорости и высоты полета, а также удержание угла дифферента в необходимом диапазоне значений.

1. Буков В. Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

2. Бюшгенс Г. С., Студнев Р. В. Динамика самолета: Пространственное движение. М.: Машиностроение, 1983.

3. Zha R., Wang K., Sun J., Tu H., Hu Q. Numerical Simulations of Seaplane Ditching on Calm Water and Uniform Water Current Coupled with Wind // Journal of Marine Science and Engineering. 2024. Vol. 12.

4. Liu J., Tian F. Modeling and Simulation Evaluation of Seaplane Porpoising // Journal of Physics: Conference Series. 2023. Vol. 2569.

5. Nugroho W., Priohutomo K., Purnomo N., Sugiarto M., Hidayat D., Sahlan S. Estimation of Bending Natural Frequency of The Seaplane Float on the Water // The 9th International Seminar on Aerospace Science and Technology — ISAST. 2022.

6. Guo Y., Ma D., Yang M., Liu X. Numerical Analysis of the Take-Off Performance of a Seaplane in Calm Water // Applied Sciences. 2021. Vol. 11.

7. Nebylov V., Nebylov A. Seaplane Landing Smart Control at Wave Disturbances // IFAC Proceedings. 2011. Vol. 44.

8. Du H., Fan G., Yi J., Zhang J. Disturbance compensated adaptive backstepping control for an unmanned seaplane // 2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. IEEE ROBIO. 2014.

9. Du H., Fan G., Yi J. Autonomous takeoff for unmanned seaplanes via fuzzy identification and generalized predictive control // 2013 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO. 2013. P. 2094-2099.

10. Андриевский Б. Р., Фрадков А. Л. Современные направления синтеза систем автоматического управления ЛА // Известия академии наук. Теория и системы управления. 2004. № 2. С. 126—136.

11. Akmeliawati R., Mareels I. M. Y. Nonlinear Energy-Based Control Method for Aircraft Automatic Landing Systems // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2010. Vol. 18, N. 4. P. 871—884.

12. Борисов В. Г., Начинкина Г. Н., Шевченко А. М. Энергетический подход к управлению полетом // Автоматика и телемеханика. 1999. № 6. 59—69.

13. Lambrgets A. A. Vertical flight path and speed control autopilot using total energy principles // AIAA Paper. 1983. № 2239CP.

14. Nebylov A. V. Controlled flight close to rough sea: Strategies and means // IFAC Proceedings. 2002. Vol. 35. P. 151—156.

15. Колесников А. А. Синергетическая теория управления. М.: Энергоатомиздат, 1994.

16. Колесников А. А. Новые нелинейные методы управления полетом. М.: Физматлит. 2013.

17. Кобзев В. А, Колесников А. А., Нгуен Ф. Проблемы управления взлетом гидросамолетов в условиях действия возмущений внешней среды // Сборник докладов VIII научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон—2008". М.: Изд-во ЦАГИ, 2008. С. 56—67.

18. Кобзев В. А., Никитин А. И. Синергетический синтез систем управления углом хода гидросамолета при движении на воде в режиме глиссирования // Известия ТРТУ. 2006. № 6 (61). С. 239—246.

19. Веселов Г. Е., Ингабире А. Метод синергетического синтеза законов управления беспилотными летательными аппаратами при пространственном движении в условиях ветровых возмущений // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки. 2021. № 2 (210). С. 10—17.

20. Веселов Г. Е., Ингабире А. Синергетический синтез закона управления БПЛА в условиях ветровых возмущений с входными ограничениями // Известия ЮФУ. Технические науки. 2020. № 2. С. 101—112.

21. Kreerenko O. D., Kreerenko E. S. Synthesis of control laws of aerospace system based on a synergistic approach // 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS 2016. 2016.

22. Логвинович Г. В. Гидродинамика гидросамолетов // Сб. докладов I Научной конференции по гидроавиации "Геленджик-96". М.: Изд-во ЦАГИ. 1996.

23. Самолет-амфибия Бе-200ЧС РЛЭ. Таганрог: ТАНТК им. Г. М. Бериева, 2003. 394 с.

24. Бондарец А. Я. Система автоматического управления углом хода самолета-амфибии при движении по воде на режиме глиссирования // Сб. докладов V научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон — 2004". М.: Изд-во ЦАГИ. 2004.

25. Бондарец А. Я., Зданевич В. Г., Анастасов В. К. Демпфирование колебаний летающей лодки на волне при взлетах и посадках // Сб. докладов II научной конференции по гидроавиации "Геленджик-98". 1998.

26. Попов И. А. Синергетический синтез автопилота для управления движением самолета-амфибии Бе-200ЧС во время забора воды // Известия ЮФУ. Технические науки. 2022. № 5. С. 161—171.

27. Колесников А. А., Колесников А. А., Кузьменко А. А. Метод АКАР и теория адаптивного управления в задачах синтеза нелинейных систем управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 9. С. 579—589.

28. Кузьменко А. А. Интегральная адаптация высокого порядка в задачах синтеза нелинейных систем управления // Информатика и системы управления. 2018. № 1(55). С. 142—153.

29. Банников Ю. М., Лукашевский В. А., Лукьянов С. С. Математическая модель движения гидросамолета на волнении // Сб. докладов II научной конференции по гидроавиации "Геленджик-98". 1998.

30. Popov I. A. Synergetic Synthesis of the Autopilot of an Amphibious Aircraft for the Implementation of the "Landing on Water — Planing — Taking off from the Water" Mode // 2023 V International Conference on Control in Technical Systems (CTS). 2023.

31. Косоуров К. Ф. Гидросамолеты. Их мореходность и расчет. Л.; М.: ОНТИ НКТП, 1935.

32. ГОСТ 18455—73 Океанология. Ветровые волны и зыбь. Термины и определения. М.: Издательство стандартов. 1973.

33. Лукомский Ю. А., Чугунов В. С. Системы управления морскими подвижными объектами. Л.: Судостроение. 1988.

34. Андриевский Н. И. Гидросамолеты. Особенности взлета и посадки в море. М.: Воениздат. 1986.