پایان نامه طراحی ثابت نگهدار ارتفاع پهپاد در مد طولی به روش QFT
چکیده
در این پایان نامه، طراحی و شبیه سازی سیستم کنترل ارتفاع یک هواپیمای بدون سرنشین (پهپاد)، مورد نظر می باشد. ابتدا به سراغ نحوه به دست آوردن مدل دینامیکی هواپیما خواهیم رفت. می توان با استفاده از مشتقات پایداری، مدل دینامیکی پهپاد را به صورت معادلات دیفرانسیل خطی و تغییر ناپذیر با زمان نشان داد که پارامترهای آن به صورت تابعی از چند متغیر مشخص در محدوده خاصی در تغییر می باشند. پس از به دست آوردن مدل دینامیکی هواپیما، به سراغ طراحی کنترلگر مناسب برای آن خواهیم رفت. در چنین سیستم هایی برای تضمین پایداری و کارآیی مطلوب، تئوری کنترل قدرتمند، پیشنهاد گردیده است. نشان داده شده است که با استفاده از روش QFT، می توان به پایداری و کارآیی مورد نظر در کل محدوده تغییرات مدل سیستم دست یافت. در پایان کنترلگر به دست آمده را بر روی مدل خطی و غیرخطی سیستم، شبیه سازی خواهیم کرد.
فصل اول: مقدمه
1-1) مقدمه
پهپاد (U.A.V) نوعی هواپیما اعم از بال ثابت یا بال چرخان می باشد که بدون سرنشین بوده و می توان آن را از دور توسط اپراتور و یا درون خود آن، به صورت از پیش برنامه ریزی شده کنترل و هدایت کرد.
کاربردهای گوناگونی برای پهپاد وجود دارد که اهم آنها عبارتند از:
– اجرای ماموریت های گشت و شناسائی مواضع دشمن.
– هدف مصنوعی برای آزمایش سیستم های پدافند هوائی.
– ایفای نقش موشک های هدایت شونده.
– حمل کننده سیستم های مولد اغتشاشات رادیویی.
– تقویت کننده مخابراتی متحرک.
آزمایشگاه پرنده برای تست انواع زیر سیستم های مورد استفاده در هواپیما.
از مزایای عمده پهپاد در اجرای چنین ماموریت هائی می توان موارد زیر را نام برد:
– عدم حضور خلبان در صحنه عملیات.
– پایین بودن هزینه ساخت.
– اختفا از دید رادار دشمن (به علت ابعاد کوچک و استفاده از بدنه با مواد مرکب).
پهپاد مورد نظر در این پروژه، نوعی پهپاد با بال ثابت است. پهپاد معمولا به دو روش کنترل می شود. در روش اول، فرامین لازم توسط اپراتور زمینی و از طریق یک خط رادیویی به پهپاد ارسال می گردد و اپراتور، کنترل مستقیم پرنده را در دست دارد. در روش دوم سیستم هدایت و ناوبری درون محموله هوایی، فرامین لازم را جهت تعیین مسیر پرواز صادر می نماید. سیستم کنترل خودکار پرواز (AFCS) که خود نیز بخشی دیگر از محموله هوائی می باشد با واسطه شدن بین فرامین صادر شده از طرف اپراتور و یا از طرف سیستم هدایت و ناوبری از یک سو و محرک های سطوح کنترل از سوی دیگر، پاسخ های مناسب و مورد نظر را در متغیرهای حرکت هواپیما ایجاد می نماید. در محموله هوائی پهپاد سخت افزار AFCS به صورت دیجیتالی و توسط یک پردازنده اجرا می شود. در کامپیوتر کنترل پرواز اعمالی مانند خواندن سیگنال خروجی سنسورها چه به صورت آنالوگ و چه به صورت دیجیتال، محاسبه الگوریتم کنترل و تولید فرامین مناسب جهت حرکت محرک ها برنامه ریزی می شود. در ضمن عوامل مورد نیاز برای ارسال اطلاعات به ایستگاه زمینی برای رویت خلبان و ذخیره سازی فراهم گردیده است.
2-1) تعریف مسأله
از آنجایی که کنترل هر سیستم نیاز به شناخت آن سیستم دارد، لذا در ابتدا مطالعه در زمینه دینامیک پرواز هواپیما جهت شناخت مدل و یا تابع تبدیل سیستم لازم است، به عبارتی ضروری است که مدلی از سیستم در اختیار داشته باشیم. مدلسازی هر سیستمی در کل به دو صورت قابل حصول است. در روش اول، با استفاده از قوانین حاکم بر فیزیک، سعی بر این است که حتی الامکان روابط اساسی دینامیک سیستم استخراج شده و سپس پارامترهای مجهول چنین روابطی به نحوی محاسبه و اندازه گیری شوند و یا دامنه تغییرات آنها مشخص گردند. در این روش تمام پارامترهای مجهول دارای توصیف و مفهوم فیزیکی خاصی خواهند بود.
روش دوم، مدلسازی به صورت تجربی است که باید با اجرای یک سری آزمایش و ثبت داده های ورودی – خروجی، بهترین مدل دینامیکی ممکن به این دسته برازنده شوند. واضح است که پارامترهای چنین مدلی در حالت کلی فاقد هرگونه مفهوم فیزیکی بوده و این مدل تنها تقریبی از رفتار ورودی – خروجی سیستم واقعی است.
در صنعت هواپیمایی آنچه که امروزه در مدلسازی حرکت هواپیما به صورت جهانی مورد قبول است مدلسازی به روش اول یعنی استخراج معادلات ساختار حالتی پرنده می باشد. چنین مدلسازی احتیاج به دانش آیرودینامیک و جلوبرنده ها و سازه هواپیما دارد. به طور کلی معادلات دینامیکی هواپیما با فرض اختلالات و آشفتگی های کوچک حول شرایط پرواز تریم (اندازه شتاب های خطی و زاویه ای تعادل صفر باشد) به دو دسته معادلات طولی و معادلات افقی – جهتی که کاملا مستقل و دکوپله از یکدیگر اند تقسیم می شوند و از آنجایی که در این پروژه هدف ثابت نگه داشتن هواپیما در ارتفاع مورد نظر خلبان می باشد لذا توجه خود را معطوف به معادلات طولی هواپیما می کنیم.
نشان داده شده است که معادلات حرکت هر هواپیما به صورت یک دستگاه معادلات دیفرانسیل غیرخطی و تغییرپذیر با زمان قابل بیان می باشد [ضمیمه الف]. برای هر هواپیما پوش پرواز به صورت یک ناحیه بسته در صفحه ارتفاع – سرعت هوا تعریف می گردد که هواپیما تنها قادر به پرواز درون این ناحیه بسته می باشد. با فرض آشفتگی های کوچک، خطی سازی معادلات حرکت در یک شرایط پرواز خاص درون پوش پرواز منجر به یک دستگاه معادلات دیفرانسیل خطی تغییرناپذیر با زمان خواهد شد. با توجه به امکان پرواز در شرایط پرواز مختلف، پارامترهای چنین معادلات حرکت خطی شده ای در محدوده معینی در تغییر خواهند بود، لذا با مساله عدم قطعیت پارامتریک یا ساختار یافته ای مواجه هستیم که در ضمن کراندار نیز می باشد و یک طراحی عملی باید پایداری و کارآیی خاص مورد نظر را به ازای این عدم قطعیت کراندار تامین نماید. بدون احتساب فرض آشفتگی های کوچک، معادلات حرکت در شکل غیرخطی و پیچیده خود باقی خواهند ماند. با توجه به ماموریت پهپاد مورد نظر فرض آشفتگی کوچک فرض معقولی برای ساده سازی مساله خواهد بود.