RU2302028C1

RU2302028C1 - Method for controlling dynamic objects

Info

Publication number: RU2302028C1
Application number: RU2005128788/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Валентинович Винокуров (RU); Владимир Валентинович Винокуров; Александр Владимирович Воробьев (RU); Александр Владимирович Воробьев; Владимир Евгеньевич Куликов (RU); Владимир Евгеньевич Куликов; Виталий Петрович Харьков (RU); Виталий Петрович Харьков
Original assignee: Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" (ОАО МНПК "Авионика")
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-06-27
Also published as: RU2005128788A

Abstract

FIELD: technology for automatic control over dynamic objects, for ensuring their movement along a given trajectory.

SUBSTANCE: in accordance to method, dynamic object status vector is determined and on basis of received signals, corresponding to object status elements, and signals of given values, corresponding to given trajectory elements, control signal is generated in such a way, that the quality functional assumes an extreme value with consideration of the additional limitation governed by dynamic object behavioral stability requirements relatively to the given trajectory.

EFFECT: possible realization of randomly set continuous object movement trajectories with consideration of its dynamic properties, with compensation of possible deviations of current trajectory from set trajectory due to influence of uncontrollable object perturbations; fulfilled control quality and stability requirements for closed system.

1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области автоматического управления динамическими объектами, в частности летательными аппаратами.The claimed invention relates to the field of automatic control of dynamic objects, in particular aircraft.

Известен способ управления динамическими объектами [Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. - М.: Наука, 1978, с.225-226], заключающийся в том, что по известным координатам состояния объекта определяют величину ошибки, равную разности между заданными входными координатами и соответствующими текущими координатами объекта. Команды управления объектом формируются в соответствии с величинами ошибки и коэффициентов пропорциональности, которые вычисляются на основе решения уравнения Риккати.A known method of controlling dynamic objects [Roitenberg Y.N. Automatic control. - M .: Nauka, 1978, p.225-226], which consists in the fact that the known coordinates of the state of the object determine the magnitude of the error, equal to the difference between the given input coordinates and the corresponding current coordinates of the object. Object control commands are formed in accordance with the error values and proportionality coefficients, which are calculated based on the solution of the Riccati equation.

Недостатком указанного способа управления является невозможность обеспечить в полной мере заданные требования по качеству и устойчивости управления в условиях неконтролируемых возмущений, особенно линейными нестационарными и нелинейными объектами.The disadvantage of this control method is the inability to fully provide the specified requirements for the quality and stability of control in the conditions of uncontrolled disturbances, especially linear non-stationary and non-linear objects.

Наиболее близким к заявляемому является способ управления динамическими объектами [Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. - М.: Машиностроение, 2004, с.44-46], заключающийся в определении текущих координат объекта, формировании по разности между измеренными и заданными значениями управляемых координат сигнала управления таким образом, чтобы при увеличении коэффициента усиления регулятора в прямой цепи управления замкнутой системы обеспечивалось асимптотическое приближение траектории движения управляемого объекта к желаемой траектории.Closest to the claimed is a method of controlling dynamic objects [Krutko PD Inverse problems of dynamics in the theory of automatic control. - M .: Mashinostroenie, 2004, p.44-46], which consists in determining the current coordinates of the object, the formation of the difference between the measured and predetermined values of the controlled coordinates of the control signal so that when the gain of the regulator in the direct control circuit of a closed system is ensured asymptotic approximation of the trajectory of the controlled object to the desired trajectory.

Недостатками известного способа управления являются следующие:The disadvantages of this method of control are as follows:

- ограничение класса реализуемых заданных траекторий движения объекта только экспоненциальным классом траекторий;- restriction of the class of realized given trajectories of the object to only the exponential class of trajectories;

- свойства замкнутой системы управления зависят от функциональных особенностей и инерционных характеристик объекта, требуемые свойства достигаются только в асимптотическом режиме работы регулятора.- the properties of a closed control system depend on the functional features and inertial characteristics of the object, the required properties are achieved only in the asymptotic mode of operation of the controller.

Задачей изобретения является обеспечение возможности реализации произвольно заданных непрерывных траекторий движения объекта с учетом его динамических свойств, компенсации возможных отклонений текущей траектории от заданной из-за действия неконтролируемых возмущений объекта, а также обеспечение требований по качеству управления (перерегулирование, время регулирования) и устойчивости, предъявляемых к замкнутой системе, реализующей способ управления.The objective of the invention is the ability to implement arbitrarily defined continuous trajectories of the object, taking into account its dynamic properties, compensation for possible deviations of the current trajectory from the set due to the action of uncontrolled disturbances of the object, as well as providing requirements for control quality (overshoot, regulation time) and stability to a closed system that implements a control method.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что согласно предлагаемому способу управления динамическими объектами, предусматривающему определение текущих координат объекта и сравнение их с заданными значениями, определяют вектор состояния динамического объекта как решение уравненияThe fulfillment of this task is achieved by the fact that according to the proposed method for controlling dynamic objects, which involves determining the current coordinates of the object and comparing them with the given values, they determine the state vector of the dynamic object as a solution to the equation

у(t)=f(у,u,а),y (t) = f (y, u, a),

где у(t) - вектор состояния размерности n;where y (t) is the state vector of dimension n;

f(·) - известная векторная функция, непрерывно дифференцируемая требуемое число раз по своим аргументам;f (·) is a well-known vector function, continuously differentiated the required number of times in its arguments;

u - вектор управления размерности k≤n;u is a control vector of dimension k≤n;

а - известные параметры объекта управления;a - known parameters of the control object;

и на основании полученных сигналов, соответствующих элементам состояния объекта, и сигналов заданных значений, соответствующих элементам заданной траектории, формируют сигнал, соответствующий вектору управления, таким образом, чтобы функционал качестваand based on the received signals corresponding to the state elements of the object and the signals of the set values corresponding to the elements of the given path, a signal corresponding to the control vector is formed, so that the quality functional

J=Q(у, u, t, у_з),J = Q (y, u, t, y _s ),

где Q - положительно определенная скалярная функция;where Q is a positive definite scalar function;

t - текущий момент реального времени;t is the current instant of real time;

у_з - вектор заданной траектории движения размерности k;y _s is the vector of a given trajectory of motion of dimension k;

принимал экстремальное значение при дополнительно введенном ограничении в форме векторного дифференциального уравненияassumed an extreme value with an additional restriction introduced in the form of a vector differential equation

φ(F^(k), F^(k-1), ... F^(j), ..., F, λ)=0,φ (F ^(k) , F ^(k-1) , ... F ^(j) , ..., F, λ) = 0,

где φ(·) - вектор-функция заданного вида, которая устанавливает требования к устойчивости поведения объекта относительно заданной траектории движения;where φ (·) is a vector function of a given type, which establishes requirements for the stability of the behavior of an object relative to a given path of movement;

где F - вектор-функция отклонений от заданной траектории;where F is the vector function of deviations from a given trajectory;

F^(j) - производная j-го порядка;F ^(j) is the jth order derivative;

j=1, 2, ..., k;j = 1, 2, ..., k;

λ - параметры, представляющие собой постоянные числа, обеспечивающие заданные динамические свойства замкнутой системе управления;λ - parameters representing constant numbers providing specified dynamic properties of a closed-loop control system;

причем структуру вектора управленияmoreover, the structure of the control vector

u=u(λ, у, у_з, а)u = u (λ, y, y _s , a)

определяют путем решения уравнения ограничений в видеdetermined by solving the constraint equation in the form

Ψ(u^(k), u^(k-l), ... u, y, у_з, а)=0,Ψ (u ^(k) , u ^(kl) , ... u, y, у _З , а) = 0,

где ψ(·) - вектор-функция, обратная функции φ(·) относительно искомого вектора управления u;where ψ (·) is the vector function inverse to the function φ (·) with respect to the desired control vector u;

а параметры λ найденного таким образом вектора управления определяют процедурой оптимизации функционала качества J относительно параметров λ на каждом интервале времени, соответствующем циклу управления.and the parameters λ of the control vector found in this way are determined by the optimization procedure of the quality functional J with respect to the parameters λ at each time interval corresponding to the control cycle.

На чертеже представлена блок-схема замкнутой системы, реализующей заявляемый способ.The drawing shows a block diagram of a closed system that implements the inventive method.

Система включает в себя динамический объект 1 управления, формирователь 2 заданной траектории 2, формирователь 3 ограничения, вычислительный блок 4 и блок 5 оптимизации. Выход объекта 1 соединен с первым входом формирователя 3 ограничения, второй вход которого соединен с выходом формирователя 2 заданной траектории, третий вход соединен с выходом блока 5 оптимизации, а выход подключен к входу вычислительного блока 4. Выход вычислительного блока 4 подключен к первому входу блока 5 оптимизации, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами формирователя 2 заданной траектории и объекта 1, и к входу объекта 1 управления.The system includes a dynamic control object 1, a shaper 2 of a given path 2, a shaper 3 constraints, a computing unit 4 and an optimization unit 5. The output of object 1 is connected to the first input of the constraint driver 3, the second input of which is connected to the output of the driver 2 of a given path, the third input is connected to the output of the optimization unit 5, and the output is connected to the input of the computing unit 4. The output of the computing unit 4 is connected to the first input of the block 5 optimization, the second and third inputs of which are connected respectively to the outputs of the shaper 2 of a given path and object 1, and to the input of the control object 1.

Способ реализуют следующим циклом функционирования системы. Сигналы, соответствующие элементам вектора состояния у(t) объекта 1, поступают в формирователь 3 ограничения вместе с сигналами, соответствующими элементам вектора у₃ заданной траектории из формирователя 2 и сигналами, соответствующими параметрам λ из блока 5 оптимизации, где формируется ограничение на поведение векторной функции F. В вычислительном блоке 4 определяется вектор управления и путем разрешения уравнения ψ(·)=0 относительно искомого вектора и и его k первых производных. В блоке оптимизации 5 на каждом интервале времени, соответствующем циклу управления, осуществляется уточнение параметров λ для обеспечения экстремума функционала J, задающего требования к качеству управления объектом 1. Уточненные параметры λ поступают в формирователь 3 ограничения. Затем цикл процесса управления повторяют, выполняя на каждом его шаге указанную последовательность действий.The method is implemented by the following system operation cycle. The signals corresponding to the elements of the state vector y (t) of the object 1 are supplied to the constraint generator 3 together with the signals corresponding to the elements of the vector _{3 of the} given path from the generator 2 and the signals corresponding to the parameters λ from the optimization block 5, where a restriction on the behavior of the vector function is generated F. In the computing unit 4, the control vector is determined by solving the equation ψ (·) = 0 with respect to the desired vector and its k first derivatives. In the optimization block 5, at each time interval corresponding to the control cycle, the parameters λ are refined to ensure the extremum of the functional J that defines the requirements for the quality of control of object 1. The refined parameters λ go to the constraint generator 3. Then the cycle of the control process is repeated, performing at each step the specified sequence of actions.

Предлагаемый способ управления динамическими объектами обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:The proposed method for managing dynamic objects provides the following advantages compared to the prototype:

- замкнутой системе управления обеспечиваются заданные свойства по качеству управления для любых непрерывных заданных траекторий;- a closed-loop control system provides specified properties for the quality of control for any continuous given trajectories;

- непосредственный учет структуры объекта и его параметров в законе управления делает систему управления адаптивной к изменению их значений;- direct accounting of the structure of the object and its parameters in the control law makes the control system adaptive to changes in their values;

- обеспечиваются заданные требования устойчивости объекта по всем управляемым координатам.- the specified requirements for the stability of the object are ensured for all controlled coordinates.

Claims

Method dynamic objects of control in which the produce comparison signals with dynamic management object corresponding to the state vector of the dynamic control of an object y, and signals from the former predetermined path in _z and based on the results is formed in the computing unit signal corresponding to the u control vector, wherein that to generate a signal corresponding to the control vector, signals from the dynamic control object and from the shaper of a given path are fed into the the adjuster of the limitation of the vector function F (y, y _s ), which also receives from the optimization block a signal of refined parameters λ providing the specified dynamic properties of the closed-loop control system, formed on the basis of signals from the dynamic control object, from the shaper of the given path and from the computing unit in this way so that the control quality functional J takes on an extreme value, the generated restriction signal of the vector function F is supplied to the computing unit, where the signal corresponding to the vector board, is formed as a solution to the constraint equation ψ (·) = 0 with respect to the desired control vector and its k first derivatives.