بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله کاربرد بهینهسازی در طراحی اتوپایلوت برای یک مدلکاملاً غیرخطی را بررسی میشود. هواپیمای انتخابشده برای این پژوهش 1 F/A-18 Hornetمیباشد که یک هواپیما جنگی و با دینامیک خیلی سریع است که وجود اتوپایلوت با پاسخ سریع و دقیق از الزامات این هواپیما میباشد. به علت طبیعت غیرخطی این هواپیما و تغییر پارامترهای آن با توجه بهسرعت و استفاده از روش کلاسیک جدولبندی بهره این مشکل رفع شده است تا در سرعتهای مختلف بدون هیچ تأثیر بدی روی مانور پذیری هواپیما اتوپایلوت به کار خود ادامه دهد. در انتها پاسخ سیستم نمایش دادهشده است که پایداری نهایی آن نیز تضمینشده است. در این مقاله طراحی اتوپایلوت برای یک هواپیمای جنگی غیرخطی با هدف حداقلسازی فراجهش و زمان نشست بررسی شده است.
کلمات کلیدی: اتوپایلوت ، جدولبندی بهره، بهینهسازی، F/A-18 Hornet، اتوپایلوت 3 حلقهای
-1 مقدمه
امروزه با توجه به گسترش و پیشرفتهای صورت گرفته در صنعت هوافضا و کنترل سیستمهای غیرخطی و تمایل انسان برای خودکار سازی فرایندهایی که کنترل آنها نیازمند صرف زمان و دقت فراوان است، وی را بر آن ساخته است که در فکر طراحی بهینه کنترلکننده برای این سیستمها باشد. ازجمله این کنترلکنندهها اتوپایلوت است که در دهههای اخیر توجه فراوانی به آنشده است اتوپایلوت های 2 و 3 حلقهای است.[1] این حلقههای کنترلی به افزایش پایداری و بهبود حالتهای گذرا سیستم و همچنین پایداری نهایی سیستم کمک شایانی میکند. روش جدولبندی بهره یکی از روشهای محبوب در عرصه طراحی کنترلکننده غیرخطی بخصوص در حوزه هوافضا و پروسههای پیچیده است.[2]
به همین علت در این مقاله از اتوپایلوت های 2 و3 حلقهای با استفاده از تکنیک جدولبندی بهره برای رفع معضل تغییر دینامیک سیستم با توجه به زمان برای تغییر ضریب کنترلکنندهها استفادهشده است. طراحی کنترلکننده شبکه عصبی در دهههای گذشته موردتوجه کثیری از محققان بوده است برای مثال روش جدولبندی بهره با استفاده از شبکههای عصبی برای کنترل حرکت جانبی یک هواپیما طراحیشده است که شبکههای عصبی شعاعی را نیز با استفاده از روش ∞ طراحی کردهاند .[3] در پژوهشی دیگر از روش PID شبکه عصبی مصنوعی - 2ANN-PID - برای کنترل و ردیابی Pitch استفادهشده است، مزیت این روش پایداری و حذف اغتشاش توانمند آن است که خودکار بودن تغییرات پارامترهای کنترلکننده PID این کنترلکننده را برای استفادههای عملی مناسب میکند.[4]
مقالهی دیگری نیز به تحلیل و بررسی عملکرد طراحی کنترلکنندههای Lead-Lag و PID برای کانال ارتفاع یک هواپیمای معمولی پرداخته است که هرکدام از این کنترلکنندههای برای نگهداری زاویه Pitch، نگهداشتن ارتفاع و همچنین ثابت نگهداشتن سرعت عمودی بکار برده شده است همچنین اثرات اغتشاش بهطور مفصل تحلیلشده است.[5] جدولبندی بهره نیز تحت مطالعات پژوهشگران قرارگرفته است که برای مثال در مقاله[6] کاربرد مفهوم کنترل جدولبندی بهره مقاوم با استفاده از روش کنترلی تغییر پارامتر خطی - LPV3 - بررسیشده است که در این روش سیستم دینامیک غیرخطی بهصورت مدل LPV باید نمایش داده شود، این مقاله مطالعات خود را روی هواپیما Boeing 747-100/200 انجام و پیادهسازی کرده است و به مقایسه مزایا و معایب پرداخته است.
در مقاله[7] از روش جدولبندی بهره برای کنترل زاویه Pitch یک هواپیمای انعطافپذیری در ماخ های مختلف با استفاده از معادلات ریکاتی برای درونیابی در حالت عملکردی کامل، پیادهسازی ساده و کارآمدی دارد. منطق فازی نیز کمک شایانی به مهندسین در طراحی اتوپایلوت برای هواپیماها کرده است برای مثال در مقاله [8] از منطق فازی برای طراحی یک اتوپایلوت برای یک هواپیمای بدون سرنشین - UAV4 - در شرایط جوی مختلف استفادهشده است که هم ازلحاظ پایداری و همچنین سرعت قابلقبول و مناسب است. در همین زمینه از کنترل فازی در مقاله[9] برای طراحی اتوپایلوت برای کانال Pitch استفادهشده است که از استراتژی کنترل رد اغتشاش فعال برای بهبود توانایی ضد- اختلال استفاده کرده است در این مقاله کاربرد کنترل فازی برای تنظیم پارامترهای کنترل رد اغتشاش فعال بوده است.
این روش در مقابل کنترل PID فازی تضعیف اغتشاش بهتر و مقاومتری دارد بنابراین بهترین گزینه برای کنترلکننده Pitch هواپیما است. در مقاله [10] کنترلکنندهی جدیدی تحت عنوان کنترلکننده پیشبین غیرمستقیم برای کنترل کانال Pitch یک هواپیمای جنگی تحت شرایط داشتن دینامیکهای مدل نشده و اغتشاشهای محیطی و همچنین پارامترهای متغیر بازمان معرفیشده است که در نوع خود بسیار ایدهای جالب و قابلتأملی است. سیستم کنترل پرواز باز تنظیمپذیر[11] برای ردگیری ارتفاع، جهت حرکت، لغزش جانبی و همچنین فرمانهای سرعت ارائهشده است. هسته اصلی چنین کنترلکنندهای ردیابی فرمان نرخ Pitch، Roll و Yaw است.
این کنترلکننده برپایه قوانین کنترل تطبیقی و الگوریتم بازگشتی حداقل مربعات طراحی میشود که قابل پیادهسازی بهصورت زمان واقعی میباشد. این کنترلکننده روی مدل غیرخطی F-16 پیاده شده است که این کنترلکننده نیز مقاوم در مقابل نویز و اغتشاش بوده و قدرت مانور زیادی به آن هواپیما میدهد.اتوپایلوت سیستمی خودکار برای کنترل و رهگیری یک سیستم یا پلانت بدون اینکه انسانی در این کار دخالت داشته باشد اطلاق میشود. هرچند این سیستمهای کنترلی هیچوقت نمیتواند جایگزین انسان و مغز متفکر آن شود بلکه به کمک انسان میآید تا بتواند به کارهای دیگر خود ازجمله تمرکز بر روی هدف برای پرتاب موشک و یا بررسی وضعیت آبوهوا بپردازد. اتوپایلوت ها معمولاً در هواپیماها ، قایقها و سفینهها و موشکها استفاده میشود.
در هواپیماهای اولیه خلبان وظیفهی ثابت نگهداشتن ارتفاع و جهت حرکت را بر عهده داشت که با توجه به افزایش برد هواپیماها این کار خیلی طاقتفرسا بود. اولین اتوپایلوت توسط شرکت Sperry در سال 1912 پیادهسازی شد که کنترل آن روی elevator و Rudder صورت میگرفت.اتوپایلوت ها در طول زمان تغییرات گستردهای داشته است بطوریکه اتوپایلوت های اولیه فقط وظیفه ثابت نگهداشتن ارتفاع را داشتند و اتوپایلوت های امروزی قابلیتهای پیشرفتهتری از قبیل فرود خودکار رادارند. در اتوپایلوت های امروزی که همه برپایه ی کامپیوتر هستند. نرمافزار موقعیت هواپیما را میخواند و با استفاده از سیستم کنترل پرواز هواپیما را به مسیر خواستهشده هدایت میکند. در چنین سیستمهایی در کنار کنترل پرواز کلاسیک، خیلی از اتوپایلوت ها وظیفهی کنترل پیشرانه و کنترل دهانه آن را بر عهدهدارند تا سرعت هواپیما را بهینه کنند، همچنین با جابهجایی سوخت در تانکهای مختلف درون هواپیما آن را بهصورت بالانس شده نگه میدارند.
-2 هواپیمایF/A-18 Hornet
هواپیما جنگی F/A-18 Hornet یک هواپیمای تک یا دو سرنشین، دو موتور و چندمنظوره است. این هواپیما اولین هواپیمایی است که قادر به انجام عملیات هوا به هوا و همچنین هوا به زمین بود. نوع اصلی - F/A-18 A تک سرنشینه - و نوع دوم آن - F/A-18 B دو سرنشینه - در سال 1983 جایگزین هواپیماهای جنگی Navy F-4s و A-7s که ساخت آمریکا هستند شد. هواپیما F-A-18 A سیستم کنترل پرواز Control-by-wire دارد که قابلیتهای زیادی را برای خلبان فراهم میکند که استفاده این هواپیما را ساده کرده است به همین علت خلبان بهراحتی میتواند تمرکز خود را بیشتر سمت استفاده از سلاحهای خود کند. امروزه هواپیمای F/A-18 در کشورهای ازجمله آمریکا، کانادا، اسپانیا، استرالیا، کویت و فنلاند وظیفه سنگین نگهبانی از امنیت هوایی کشورها را بر عهده دارد. درشکل - - 1 هواپیما جنگی F/A-18 Hornet مشاهده می شود.
