دمج الديناميكيات العكسية بتقنية نموذج مرجعي وتطبيقه لتحسين جودة طائرات الهليكوبتر للطيران

بقلم المهندس والباحث الجامعي عامر الدرابسه

يعتبر تطبيق الديناميكيات العكسية للتحكم في الطائرات. يمكن استخدامه جنبًا إلى جنب مع وحدة تحكم التغذية المرتدة لتعزيز صفات الطيران للطائرة. ركز هذا البحث على نموذج كامل لطائرة هليكوبتر بمدخلاتها المتعددة - خصائص الخرج المتعددة ، والاقتران بين الديناميكيات الطولية والديناميكية الاتجاهية. تم إعطاء النموذج الرياضي للطائرة في شكل مساحة الدولة لسرعة الطيران المختلفة. ثم تمت مقارنة النتائج مع التحكم في التغذية المرتدة الكلاسيكية المستخدمة في الطائرة.

تتطلب الديناميكيات العكسية طائرة مستقرة كشرط أولي. بالنظر إلى المدخلات المتعددة - نظام المخرجات المتعددة ، تم توفير الاستقرار من خلال مصفوفة الكسب المستخدمة في التغذية المرتدة للحالات الكاملة. وقد تم حسابه باستخدام طريقة وضع العمود.

بعد التأكد من استقرار الطائرة ، تم حساب الديناميكيات العكسية لنظام الحلقة المغلقة. لتحقيق ذلك ، تم أخذ نظام المدخلات المتعددة - المخرجات المتعددة الممثلة في شكل مساحة الدولة في شكل مربع بحيث أن عدد المدخلات كان مساوياً لعدد المخرجات ، لتجنب التفرد الرياضي. وكانت المخرجات التي تم اختيارها هي معدلات الملعب واللف والياو والصعود. ثم تم تحويل النظام في مصفوفة من وظائف النقل ، وتم عكس كل وظيفة نقل قبل إعادة تجميعها في مساحة الحالة من.

تم تصميم ديناميكيات المحرك كنظام من الدرجة الأولى ، وكان هناك تأخير زمني في النظام تم تقريبه كنظام من الدرجة الثالثة. وبسبب هذا ، كان بسط الديناميكيات العكسية بأوامر أكبر من المقامين وكان من الضروري استخدام مرشح تمرير منخفض من المرتبة الخامسة لجعل الديناميكيات العكسية مناسبة. تم اختيار تردد المرشح بالتجربة والخطأ ، بحيث يكون عاليًا بما يكفي لعدم التأثير على ديناميكيات النظام ، ولكن ليس مرتفعًا جدًا بحيث يتطلب معدل محرك غير فعلي. لهذه التحقيقات ، تم تنفيذ التجارب على أحد محاكيات مختبر المركبات التجريبية من MAI ، مع الطيار في الحلقة أثناء مهمة التتبع. تم تمثيل العروض بمربع الوسط لخطأ التتبع طوال الرحلة لمدة 144 ثانية. تم تنفيذ المجموعة الأولى من التجارب دون مراعاة الروابط بين الديناميكيات. كان الطيار يتحكم فقط في قناة ديناميكية واحدة ، بغض النظر عن الأخرى وكيف تأثر بها.

تم تحليق الطائرة مع الديناميكيات العكسية في حلقة التحكم ، وتمت مقارنة النتائج بالطائرة التي تم نقلها باستخدام وحدة التحكم التقليدية في التغذية المرتدة. كانت التجارب الأولى التي أجريت في حالة عندما كانت ديناميكيات الطائرة معروفة تمامًا. كانت دقة المهمة مع الديناميكيات العكسية في الحلقة أفضل 2.8 مرة من وحدة التحكم في التغذية المرتدة وحدها. ثم أجريت التجارب مع الاضطرابات الجوية. كانت أداء الديناميكيات العكسية جيدة لبعض اتساع الترددات وتردداتها ، ولكن الحمل التجريبي كان مرتفعًا كما أظهر تحليل الأداء التجريبي. مع زيادة اتساع و / أو تكرار الاضطرابات ، تدهور أداء التتبع مع الديناميكيات العكسية ، وفي النهاية كانت أسوأ من تلك التي تحتوي على وحدة تحكم التغذية المرتدة الكلاسيكية. كما أجريت التجارب في حالة عدم اليقين النمذجة. عندما كانت أوجه عدم اليقين في الأعمدة المتوسطة التي لم تكن سريعة جدًا ولا بطيئة جدًا ، أظهرت التجارب مع الديناميكيات العكسية أداءً جيدًا مقارنة بالتعليقات. وتدهور الأداء مع تزايد مستوى عدم اليقين. ومع ذلك ، عندما كانت أوجه عدم اليقين في الأقطاب البطيئة ، انخفض أداء الديناميكيات العكسية بشكل كبير. كما تم اختبار عدم اليقين في حالة مشتقات الاستقرار غير المؤكدة.

في كلتا الحالتين ، عندما كانت الشكوك تزداد حدة ، كان أداء الديناميكيات العكسية يزداد سوءًا ، وفي النهاية ، أصبحت الطائرة لا يمكن السيطرة عليها ، على الرغم من أنها لا تزال قابلة للتحكم مع وحدة تحكم التغذية المرتدة وحدها. ثم تم تقديم مخطط جديد باستخدام نموذج مرجعي وعكسه لمواجهة هذه التأثيرات وتعزيز الأداء في حالة الاضطرابات و / أو نمذجة عدم اليقين.

تم اختيار النموذج المرجعي ليكون المرشح المستخدم مع الديناميكيات العكسية. كان هذا الاختيار مدفوعًا بحقيقة أن ديناميكيات هذا الفلتر كانت قريبة جدًا من ديناميكيات النظام بأكمله للطائرة ذات الديناميكيات العكسية. في حالة عدم وجود اضطرابات أو شكوك حول النمذجة ، لم يغير النموذج المرجعي ديناميكيات الطائرة على الإطلاق ، وأظهرت التجارب أن الأداء مع الديناميكيات العكسية ظل كما هو عند إضافة النموذج المرجعي إلى الحلقة. أجريت التجارب مرة أخرى مع النموذج المرجعي في حلقة التحكم في حالة الاضطرابات الجوية وزاد الأداء مع الديناميكيات العكسية بشكل ملحوظ. كانت دقة التتبع أفضل 7 مرات على الأقل من وحدة تحكم الملاحظات.

في حالة عدم اليقين النمذجة ، تم إجراء التجارب مرة أخرى مع النموذج المرجعي في الحلقة ، وأظهروا أن الديناميكيات العكسية تفوقت على وحدة التحكم في التغذية المرتدة الكلاسيكية. تم التحقيق بنسبة 20٪ من الشكوك. عندما كانت الشكوك في القطبين ، بما في ذلك القطبين البطيئين ، كانت العروض مع الديناميكيات العكسية 2.2 مرة أكثر من ردود الفعل. عندما كانت الشكوك في مشتقات الاستقرار ، كانت العروض أفضل 1.8 مرة.

تم تنفيذ مجموعة ثانية من التجارب في بيئة مقترنة حيث كان الطيار على دراية بالديناميكيات المقترنة وكان يحاول الفصل أثناء أداء مهمة التتبع. يتم أخذ الديناميكيات العكسية مع النموذج المرجعي.

في الحالة التي يفترض فيها أننا عرفنا 100٪ من ديناميكيات الطائرة ولم يكن هناك أي اضطراب في الغلاف الجوي ، أظهرت التجارب أن الأداء كان أفضل 2.9 مرة مع الديناميكيات العكسية.

مع الاضطرابات الجوية ، كانت العروض مع الديناميكيات العكسية أفضل 6.2 مرة من التغذية المرتدة وحدها.

مع وجود 20 ٪ من حالات عدم اليقين في القطبين ، بما في ذلك الأقطاب البطيئة ، كانت أداء التتبع أفضل 2.5 مرة مع الديناميكيات العكسية ؛ ومع وجود 20٪ من حالات عدم اليقين في مشتقات الاستقرار ، فإنها مرة أخرى أفضل 2.5 مرة مما كانت عليه عندما تم استخدام وحدة التحكم في التغذية الراجعة وحدها.

تظهر نتائج التجارب ، كما هو موضح أعلاه ، أن استخدام الديناميكيات العكسية والنموذج المرجعي في حلقة التحكم أثبت أنه يعزز الأداء وخصائص الطيران لكل من الديناميكيات الطولية والاتجاهية للطائرة العمودية ، وقمع الاقتران بين هذه الديناميكيات.