مقاله کنترل پدیده وارونگی کانال چرخ در یک موشک با استفاده از شبکه عصبی

بخشی از مقاله

چکیده

پدیده وارونگی کانال چرخ یک موشک یک رفتار غیرخطی است که به شرایط فیزیکی، پارامترهای پرواز و ... بستگی دارد. این پدیده در سرعتهای بالای 1/5 ماخ و در زاویه حمله بیش از چهار درجه رخ میدهد. در این حالت سیستم کنترلی نسبت به فرمان چرخش بصورت معکوس پاسخ میدهد. سیستم کنترلی برای جبران این خطا، فرمان چرخش بیشتری را صادر میکند که با توجه به وقوع پدیده چرخش وارون، خطا باز هم افزایش مییابد و با توجه به اثر متقابل کانالهای چرخش، غلتش و فراز بر روی هم سیستم بطور کامل از کنترل خارج میشود، مگر اینکه سیستم بتواند وقوع این پدیده را پیشبینی و اقدام کنترلی مناسب را انجام دهد. شبکه عصبی چندلایه با الگوریتم پس انتشار یکی از این روشهاست که به منظور تشخیص و پیشبینی وقوع پدیده چرخش وارون مورد استفاده قرار گرفته است.

-1  مقدمه

این پدیده هنگام صدور فرمان چرخش توسط سیستم کنترل، موشک به صورت وارونه عمل کرده و صدور فرمان چرخش منجر به ناپایداری سیستم خواهد شد. در این مقاله به بررسی این پدیده پرداخته شده و روشی مطمئن برای تشخیص و پیش بینی آن ارائه شده است.

-2 معرفی

پدیده چرخش وارون را میتوان با عناوینی چون چرخش القایی یا وقوع جریانهای گردابی در کانارد نیز شناخت.[1] روشهایی که به منظور کنترل این پدیده مورد استفاده قرار گرفته عمدًتا مبتنی بر تغییر در پیکربندی وسیله پرنده بوده و استفاده از روشهای کنترلی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به ماهیت نظامی تحقیق امکان دسترسی به اغلب پروژههای عملی وجود ندارد و تنها میتوان به برخی از نتایج تحقیقات که بصورت محدود منتشر شدهاند دسترسی پیدا کرد.

اولین قدم شناسایی وقوع پدیده و در واقع تخمین مدل سیستم هنگام وقوع پدیده است که با استفاده از آن کنترل مناسب طراحی میگردد. به دلیل پیچیدگی و غیرخطی بودن مدل آیرودینامیک ناچار به استفاده از تقریبهای مناسب در مورد آن هستیم. یکی از بهترین روشهای تقریب استفاده از شبکه عصبی است، ولی مشکل عمده مقاوم نبودن آنها است. این مساله در این مقاله مورد بررسی قر ار گرفته است.

-3 معادلات آیرودینامیک موشک

معادلات حرکت موشک را میتوان به دو دسته معادلات سینماتیک و معادلات دینامیک تقسیم کرد. سینماتیک حرکت به مطالعه حرکت - موقعیت، سرعت و شتاب - بدون در نظر گرفتن نیروهای و گشتاورهای وارد بر آن میپردازد، و دینامیک بررسی حرکت موشک با توجه به نیروها و گشتاورهای موجود است.

-1-3 معادلات سینماتیک

دوران موشک حول محور طولی به اندازه φ را چرخش و حرکت موشک حول محور عرضی به اندازه θ، که باعث بالا و پایین رفتن موشک از نظر ارتفاع میشود، را حرکت فراز یا ارتفاع میگویند و سرانجام حرکات پرنده حول محور عمودی به اندازه ψ، که باعث چپ و راست رفتن موشک و تغییر مسیر آن میشود، حرکت سمتی یا گردش گویند. شکل - 1 - این حرکتها را نشان میدهد.

-4 چرخش وارون

پدیده وارونگی در کانال چرخش در یک موشک یک رفتار غیرخطی است که به شرایط فیزیکی، پارامترهای پرواز و ... بستگی دارد. در زوایای حمله پایین خواص هدایت و چرخش موشک ذاًتا به هم وابسته است. در زوایای حمله پایین، چرخش موشک حول محور طولی، یا    roll    ، بر روی جهت     پرواز و یا هدایت آن اثر خاصی ندارد.   پیش میآید، در canard control در زوایای حمله بالا، در موشکهایی که سطح کنترلی در جلو قرار دارد -      -     مشکل    چرخش وارون  این موشکها یک تزویج متقابل ناخواسته بین هدایت و زاویه چرخش ایجاد میشود.

چندین پدیده جریان آیرودینامیکی به این اثر ناخواسته پاسخ میدهند. یکی از آنها، جریانهای گردابی است که توسط جریان هوای برگشتی از بدنه بر روی سطح بالکهای وسط و بالکهای انتهایی ایجاد میشود، جریان گردابی همچنین از سطح بالکهای وسط جاری میشود و روی سطح بالکهای انتهایی برمیگردد. با اعمال فرمان کنترلی به این سطوح، زاویه آنها تغییر میکند و با این تغییر زاویه گشتاوری در جهت تغییر زاویه به موشک اعمال میگردد.

در سطوح پایدارکننده، که عقب موشک قرار گرفتهاند، جریان هوا باعث ایجاد نیرو و در نتیجه گشتاوری در خلاف جهت گشتاور قبلی میگردد و از آنجا که سطوح کنترلی عقب از کاناردها بزرگترند گشتاور تولید شده در آنها نیز بزرگتر بوده و بنابراین باعث چرخش موشک در خلاف جهت مورد نظر خواهد شد. این گشتاورهای ناخواسته تولید شده با افزایش زاویه حمله افزایش مییابد.[6]

همانطور که در شکل - 2 - میبینید گشتاور اعمالی در بالکهای وسط ساعتگرد است ولی هنگامی که جریان هوا از روی بالکهای وسط عبور میکند در سپس در برخورد با بالکهای انتهایی باعث ایجاد گشتاوری پادساعتگرد از بالکهای انتهایی میشود و به دلیل بزرگتر بودن سطح بالکهای انتهایی گشتاور ایجاد شده در آنها غالب بوده و باعث چرخش موشک در خلاف جهت مورد نظر میگردد.

اگر موشک در زاویه حمله کوچکتری قرار داشته باشد کمتر تحت تاثیر جریان هوای موجود بر بالکهای عقب قرار می-گیرد و در نتیجه گشتاور ایجاد شده در این بالکها از گشتاور تولید شده توسط بالکهای وسط کمتر بوده و بنابراین چرخش موشک در همان جهت مورد نظر انجام میشود. اصولاً این پدیده به دلیل استفاده از کاناردها به عنوان بالک-های کنترلی پیش میآید، میتوان از کانارد استفاده نکرد ولی حذف آنها باعث کاهش قدرت مانور موشک میشود. همچنین ممکن است استفاده از بالکهای انتهایی به عنوان بالکهای کنترلی محدودیتهایی را به سیستم تحمیل کند که همین امر نیز خود باعث میشود تا استفاده از کاناردها نسبت به دیگر سطوح در اولویت قرار گیرند.

در وقوع پدیده چرخClش وارون ضریب گشتاور چرخشی ناشی از زاویه شهپر، δa ، نقش اصلی را ایفا میکند. در واقع گشتاور چرخشی از ضرب شدن این ضریب در هد دینامیکی، سطح و طول مرجع بدست میآید. با عوض شدن علامت این ضریب گشتاور چرخشی نیز تغییر علامت داده که همان پدیده چرخش وارون میباشد.  بر حسب تغییر سرعت در زاویه حمله پنج درجه آورده شده است.[5]

همانگونه که در شClکل دیده میشود در سرعتهای بالاتر از 1/9 ماخ علامت δa عوض میشود. این پدیده در حلقههای کنترلی بصورت یک علامت منفی در مقدار حلقه کنترل چرخش خود را نشان میدهد. توجه کنید که وارد شدن یک علامت منفی در این حلقه کنترلی سبب ایجاد یک فیدبک مثبت شده و باعث ناپایداری حلقه میگردد.