RU2692204C1 - Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object - Google Patents
Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2692204C1 RU2692204C1 RU2018142989A RU2018142989A RU2692204C1 RU 2692204 C1 RU2692204 C1 RU 2692204C1 RU 2018142989 A RU2018142989 A RU 2018142989A RU 2018142989 A RU2018142989 A RU 2018142989A RU 2692204 C1 RU2692204 C1 RU 2692204C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- vector
- inverted
- matrix
- matrix gain
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 101001053395 Arabidopsis thaliana Acid beta-fructofuranosidase 4, vacuolar Proteins 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к следящим системам автоматического управления, выходной сигнал которых отслеживает заданный программный сигнал, в частности, к следящим системам автоматического управления нестационарным объектом, описываемым векторно-матричными уравнениямиThe invention relates to tracking automatic control systems, the output of which tracks a given program signal, in particular, to tracking automatic control systems of a non-stationary object described by vector-matrix equations
где t - время;where t is time;
x(t) - n-мерный вектор состояния;x (t) is the n-dimensional state vector;
u(t) - r-мерный вектор управления;u (t) is an r-dimensional control vector;
y(t) - m-мерный выходной сигнал;y (t) is the m-dimensional output signal;
z(t) - m-мерный программный сигнал;z (t) is an m-dimensional program signal;
e(t) - m-мерный вектор ошибки отслеживания заданной программы;e (t) is the m-dimensional vector of the tracking error of a given program;
A(t), B(t), C(t), D(t) - матрицы размерности n×n, n×r, m×n и m×r соответственно.A (t), B (t), C (t), D (t) are n × n, n × r, m × n and m × r matrices, respectively.
В теории и практике автоматического управления известна оптимальная следящая система управления нестационарным динамическим объектом, выбранная в качестве прототипа, содержащая первый векторный сумматор (ВС), к входам которого подключены выходы первого и второго матричных коэффициентов усиления (МКУ), а выход которого через векторный интегратор (ВИ) соединен с входами первого, третьего и четвертого МКУ; вход второго МКУ через пятый МКУ подключен к выходу второго ВС, инвертированный вход которого подключен к выходу четвертого МКУ, а неинвертированный вход - через шестой МКУ к выходу задатчика дополнительного программного сигнала (ДПС), при этом неинвертированный и инвертированный входы третьего ВС соединены с выходами третьего МКУ и задатчика основного программного сигнала (ОПС) (см. [1],стр. 157).In theory and practice of automatic control, an optimal tracking system for a non-stationary dynamic object is known, selected as a prototype, containing the first vector adder (BC), whose inputs are connected to the outputs of the first and second matrix gain factors (MKU), and the output through the vector integrator ( VI) is connected to the inputs of the first, third and fourth MCU; the second MCU input is connected via the fifth MCU to the output of the second BC, the inverted input of which is connected to the fourth MCU output, and the non-inverted input through the sixth MCU to the output of the additional program signal (DPS), while the non-inverted and inverted inputs of the third BC are connected to the third outputs MKU and master of the basic software signal (OPS) (see [1], p. 157).
Известная следящая система позволяет реализовать управление линейными нестационарными динамическими объектами, для которых вектор выходного сигнала у зависит только от вектора состояния x (т.е. при D(t) ≡ 0)The well-known tracking system allows realizing control of linear non-stationary dynamic objects for which the output signal vector y depends only on the state vector x (i.e., when D (t) 0)
Как показано в [1], при соответствующем выборе четвертого и пятого матричных коэффициентов усиления и дополнительного программного сигнала, известная следящая система в случае D(t) ≡ 0 является оптимальной по критерию минимума квадратичного функционалаAs shown in [1], with an appropriate choice of the fourth and fifth matrix gains and an additional program signal, the known tracking system in the case of D (t) 0 is optimal by the criterion of the minimum of a quadratic functional
где tk - конечное время.where t k is the end time.
Однако известная следящая система неприменима в тех случаях, когда выходной сигнал у зависит не только от вектора состояния x, но и от вектора управления u (см. (2)).However, the known tracking system is not applicable in cases where the output signal y depends not only on the state vector x, but also on the control vector u (see (2)).
Например, в задаче ограничения газодинамических нагрузок на сооружения стартового комплекса, создаваемых струями двигателей ракеты космического назначения (РКН), требуется осуществить управление положением следов струй на стартовой плоскости по заданной программе. При этом компонентами вектора состояния объекта управления являются смещение и скорость смещения центра масс РКН в заданной плоскости (плоскости увода РКН), а также угол тангажа и угловая скорость тангажа ω в указанной плоскости. Выходным сигналом объекта является положение следа струи двигателя на стартовой плоскости Необходимо, чтобы на начальном участке полета РКН положение струи «отслеживало» заданное программное (изменяющееся во времени) значение при этом ошибка слежения должна быть минимальной. Управляющим сигналом является угол отклонения камеры сгорания двигателя (вместе с его соплом) δ. Очевидно, что выходной сигнал зависит не только от компонент вектора состояния и но и от управляющего сигнала δ. Известная следящая система (прототип) в рассматриваемом случае не обеспечивает необходимого качества управления положением следа струи двигателя.For example, in the task of limiting the gas-dynamic loads on the structures of the launch complex created by jets of space rocket engines (ILV), it is required to control the position of the jets' tracks on the launch plane according to a given program. In this case, the components of the state vector of the control object are the offset and offset speed the center of mass of the ILV in a given plane (the plane of removal of the ILV), as well as the pitch angle and the angular velocity of the pitch ω in the specified plane. The output signal of the object is the position of the track of the jet engine on the starting plane It is necessary that in the initial part of the flight the RKN position of the jet "Tracked" a given software (time-varying) value however, the tracking error should be minimal. The control signal is the angle of deviation of the combustion chamber of the engine (together with its nozzle) δ. Obviously, the output signal depends not only on the state vector components and but also from the control signal δ. The known tracking system (prototype) in this case does not provide the necessary quality control position of the track of the jet engine.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка оптимальной по критерию минимума функционала (5) следящей системы автоматического управления нестационарным динамическим объектом, описываемым уравнениями (1) - (3), т.е. для случая, когда выходной сигнал у зависит не только от вектора состояния x, но и от вектора управления u.The task of the invention is to develop the optimal by the criterion of the minimum of the functional (5) of the tracking system of automatic control of a non-stationary dynamic object described by equations (1) - (3), i.e. for the case when the output signal y depends not only on the state vector x, but also on the control vector u.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применимости следящей системы.The technical result of the invention is the expansion of the applicability of the tracking system.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему, содержащую первый ВС, к входам которого подключены выходы первого и второго МКУ, а выход которого через ВИ соединен с входами первого, третьего и четвертого МКУ; вход второго МКУ через пятый МКУ подключен к выходу второго ВС, инвертированный вход которого подключен к выходу четвертого МКУ, а неинвертированный вход - через шестой МКУ к выходу задатчика ДПС, при этом неинвертированный и инвертированный входы третьего ВС соединены с выходами третьего МКУ и задатчика ОПС, в соответствии с изобретением введены седьмой и восьмой МКУ, причем выход пятого МКУ через седьмой МКУ подключен к неинвертированному входу третьего ВС, а выход задатчика ОПС через восьмой МКУ подключен к неинвертированному входу второго ВС.This technical result is achieved by the fact that the system containing the first aircraft, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second MCU, and the output of which through the VI is connected to the inputs of the first, third and fourth MCU; the second MCU input is connected via the fifth MCU to the output of the second aircraft, the inverted input of which is connected to the fourth MCU output, and the non-inverted input is connected via the sixth MCU to the output of the DPS unit, while the non-inverted and inverted inputs of the third aircraft are connected to the outputs of the third MCU and the OPS unit, according to the invention, the seventh and eighth MKU are entered, the output of the fifth MKU through the seventh MKU is connected to the non-inverted input of the third aircraft, and the output of the OPS setpoint device through the eighth MKU is connected to the non-inverted input v ory sun
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется фиг. 1-3. Фиг. 1 - Блок-схема предлагаемой следящей системы. Фиг. 2 - Схема движения РКН на начальном участке полета. Фиг. 3 - Результаты математического моделирования. Зависимости от времени параметров движения РКН на начальном участке полета.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-3. FIG. 1 is a block diagram of the proposed tracking system. FIG. 2 — The ILV movement pattern in the initial leg of the flight. FIG. 3 - Results of mathematical modeling. The time dependence of the parameters of the ILV movement on the initial leg of the flight.
Следящая система содержит первый ВС 1, к входам которого подключены выходы первого и второго МКУ 2 и 3, а выход которого через ВИ 4 соединен с входами первого, третьего и четвертого МКУ 2, 5 и 6 соответственно; вход второго МКУ 3 через пятый МКУ 7 подключен к выходу второго ВС 8, инвертированный вход которого подключен к выходу четвертого МКУ 6, а неинвертированный вход - через шестой МКУ 9 к выходу задатчика ДПС 10, при этом неинвертированные и инвертированный входы третьего ВС 11 соединены с выходами третьего МКУ 5, задатчика ОПС 12 и через седьмой МКУ 13 с выходом пятого МКУ 7, а выход задатчика ОПС 12 через восьмой МКУ 14 подключен к неинвертированному входу второго ВС 8.The tracking system contains the
Объект управления для предлагаемой следящей системы описывается системой уравнений (1) - (3). Вектор состояния x формируется на выходе ВИ 2, вектор управления u - на выходе пятого МКУ 7, задатчик ОПС 12 выдает программный сигнал z, третий ВС 11 вычисляет вектор е ошибки слежения выходного сигнала y за программным сигналом z. Значения первого, второго, третьего и седьмого матричных коэффициентов усиления 2, 3, 5 и 13 равны соответственно А, В, С и D. Покажем, что остальные МКУ предлагаемой следящей системы, а также дополнительный программный сигнал g, вырабатываемый задатчиком ДПС 10, могут быть выбраны таким образом, чтобы предлагаемая система, как и система-прототип была оптимальной по критерию минимума квадратичного функционала (5).The control object for the proposed tracking system is described by the system of equations (1) - (3). The state vector x is generated at the output of the VI 2, the control vector u is at the output of the
В соответствии с принципом максимума [1] оптимальное управление должно минимизировать функциюIn accordance with the maximum principle [1], optimal control should minimize the function
где вектор-функция p(t) удовлетворяет системе уравнений where the vector function p (t) satisfies the system of equations
Найдем управление u*, минимизирующее функцию Н:Find the control u * that minimizes the function H:
Решая это уравнение, получимSolving this equation, we get
Подставляя управление (8) в уравнения (1) и (7), получимSubstituting the control (8) into equations (1) and (7), we obtain
где L=A-B(R+DTQD)-1DTQCwhere L = AB (R + D T QD) -1 D T QC
М=B(R+DTQD)-1BT M = B (R + D T QD) -1 B T
N=B(R+DTQD)-1DTQN = B (R + D T QD) -1 D T Q
V=CTQC-CTQD(R+DTQD)-1DTQCV = C T QC-C T QD (R + D T QD) -1 D T QC
W=CTQ-CTQD(R+DTQD)-1DTQW = C T QC T QD (R + D T QD) -1 D T Q
Система (9), (10) представляет собой неоднородную линейную систему дифференциальных уравнений относительно переменных x, p. Решение этой системы должно удовлетворять граничным условиямSystem (9), (10) is an inhomogeneous linear system of differential equations for variables x, p. The solution of this system must satisfy the boundary conditions.
Представим вектор-функцию p в видеRepresent the vector function p as
где K(t) - квадратная матрица размера n×n;where K (t) is a square matrix of size n × n;
g(t) - n-мерный вектор. Найдем уравнения для определения K(t) и g(t). Для этого продифференцируем обе части уравнения (11) по времениg (t) is an n-dimensional vector. We find the equations for determining K (t) and g (t). To do this, we differentiate both sides of equation (11) with respect to time.
С учетом уравнений (9), (10) и (13)In view of equations (9), (10) and (13)
Приравнивая коэффициенты при x и свободные члены в обеих частях равенства (14), получим уравненияEquating the coefficients at x and the free terms in both parts of equality (14), we obtain the equations
Из граничного условия (12) и формулы (13) следует, что матрица K(t) и вектор g(t) удовлетворяют граничным условиямFrom boundary condition (12) and formula (13) it follows that the matrix K (t) and the vector g (t) satisfy the boundary conditions
Оптимальное управление u*, как функция вектора состояния, имеет видThe optimal control u *, as a function of the state vector, has the form
В таблице 1 указаны значения матричных коэффициентов усиления, реализующие полученное оптимальное управление в предлагаемой следящей системе.Table 1 shows the values of the matrix gain factors that implement the obtained optimal control in the proposed tracking system.
Используемая в вычислении значения четвертого МКУ матрица K(t) рассчитывается заранее как решение уравнения (15) с граничным условием (17). Вектор дополнительного программного сигнала g(t) на выходе задатчика ДПС, также является предварительно вычисленным решением уравнения (16) с граничным условием (18). Матрицы F, Q и R в квадратичном функционале (5) назначаются в каждом конкретном случае исходя из существующих требований к допустимой ошибке отслеживания выходным сигналом его программного значения, а также из располагаемого диапазона изменения управляющего сигнала.The matrix K (t) used in the calculation of the fourth MCU value is calculated in advance as a solution to equation (15) with boundary condition (17). The vector of the additional program signal g (t) at the output of the DPS master, is also a pre-calculated solution of equation (16) with boundary condition (18). The matrices F, Q and R in the quadratic functional (5) are assigned in each specific case based on the existing requirements for the permissible error of tracking by the output signal of its program value, as well as from the available range of variation of the control signal.
Таким образом, благодаря реализации предложенного в изобретении технического решения, достигается расширение области применимости следящей системы, а именно обеспечивается оптимальное по критерию минимума квадратичного функционала автоматическое управление нестационарным динамическим объектом в случае, когда выходной сигнал у зависит не только от вектора состояния x, но и от вектора управления и.Thus, thanks to the implementation of the proposed technical solution, the range of applicability of the tracking system is expanded, namely, the automatic control of a non-stationary dynamic object that is optimal by the minimum quadratic functional criterion is ensured when the output signal y depends not only on the state vector x, but also on control vector and.
В качестве примера использования следящей системы предлагается рассмотреть систему управления движением РКН, задача которой состоит в уводе газодинамических струй двигателей РКН от сооружений стартового комплекса по заданной программе увода на начальном участке полета (см. Фиг. 2).As an example of the use of the tracking system, it is proposed to consider the ILV motion control system, the task of which is to divert the gas dynamic jets of ILV engines from the facilities of the launch complex according to a predetermined diversion program in the initial part of the flight (see Fig. 2).
Численные результаты функционирования следящей системы в составе системы управления РКН показывают работоспособность и эффективность разработанного изобретения. На Фиг. 3 проиллюстрирован результат отслеживания программной траектории следа струи РКН. Ошибка рассогласования между текущим и программным положениями следов струи РКН не превышает допустимый предел, в связи с чем можно утверждать, что разработанное изобретение с заданной точностью отслеживает программное положение следа струи на стартовой плоскости.The numerical results of the functioning of the tracking system as part of the RKN control system show the efficiency and effectiveness of the developed invention. FIG. 3 illustrates the result of tracking the program trajectory of the RKN jet trail. The error of the mismatch between the current and software positions of the trails of the ILV jet does not exceed the permissible limit, and therefore it can be argued that the developed invention tracks the programmed position of the jet trace on the starting plane with a given accuracy.
ЛитератураLiterature
1. В.А. Иванов, Н.В. Фалдин. Теория оптимальных систем автоматического управления. М., «Наука», 19811. V.A. Ivanov, N.V. Faldin. The theory of optimal automatic control systems. M., "Science", 1981
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018142989A RU2692204C1 (en) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018142989A RU2692204C1 (en) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2692204C1 true RU2692204C1 (en) | 2019-06-21 |
Family
ID=67038025
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018142989A RU2692204C1 (en) | 2018-12-05 | 2018-12-05 | Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2692204C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2406103C1 (en) * | 2009-06-02 | 2010-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) | Method of contolling movement of dynamic object on path |
RU2445670C1 (en) * | 2010-07-06 | 2012-03-20 | Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН) | Method of controlling movement of dynamic object on space trajectory |
RU2451970C1 (en) * | 2011-02-09 | 2012-05-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of controlling movement of dynamic object on space trajectory |
-
2018
- 2018-12-05 RU RU2018142989A patent/RU2692204C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2406103C1 (en) * | 2009-06-02 | 2010-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) | Method of contolling movement of dynamic object on path |
RU2445670C1 (en) * | 2010-07-06 | 2012-03-20 | Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИАПУ ДВО РАН) | Method of controlling movement of dynamic object on space trajectory |
RU2451970C1 (en) * | 2011-02-09 | 2012-05-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of controlling movement of dynamic object on space trajectory |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hou et al. | Terminal sliding mode control based impact time and angle constrained guidance | |
Zhang et al. | Anti-disturbance backstepping control for air-breathing hypersonic vehicles based on extended state observer | |
Zhu et al. | H∞ tracking control for switched LPV systems with an application to aero-engines | |
Ridgely et al. | Tailoring theory to practice in tactical missile control | |
Shkolnikov et al. | Robust missile autopilot design via high-order sliding mode control | |
Pakmehr et al. | Gain Scheduling Control of gas turbine engines: stability by computing a single quadratic Lyapunov function | |
RU2692204C1 (en) | Servo system for automatic control of non-stationary dynamic object | |
Kisabo et al. | Pitch control of a rocket with a novel LQG/LTR control algorithm | |
Fu et al. | Coordinated attitude control for synthetic aperture radar satellites with quantization and communication delay | |
Shieh | Design of three-dimensional missile guidance law via tunable nonlinear H∞ control with saturation constraint | |
Lee et al. | Missile autopilot design for agile turn using time delay control with nonlinear observer | |
Cai et al. | Multiobjective fault detection and isolation for flexible air-breathing hypersonic vehicle | |
Oh | Solving a nonlinear output regulation problem: zero miss distance of pure PNG | |
Pakmehr et al. | Adaptive control of uncertain systems with gain scheduled reference models and constrained control inputs | |
Aliane et al. | Nonlinear optimal control of the heel angle of a rocket | |
Holloway et al. | A predictor observer for seeker delay in the missile homing loop | |
CN113075882A (en) | Turbofan engine multivariable robust variable gain control method based on non-equilibrium state linearization | |
Butt | Observer based dynamic surface control of a hypersonic flight vehicle | |
Talole et al. | Predictive homing guidance using time delay control | |
Fujimori et al. | Flight control design of an automatic landing flight experiment vehicle | |
Wang et al. | Study on homing guidance systems based on different source errors | |
RU2626437C1 (en) | Device for forming program control signals | |
Wang et al. | Design of a Trajectory Planning Method Oriented to Generalized Simulation | |
Pal et al. | Design of missile autopilot using backstepping controller | |
Zhao et al. | Novel Terminal Guidance Law for Blended Aero and Reaction-Jet Missile Based on Nonlinear Disturbance Observer |