Дисциплина изучается в 5 и 6 семестрах.
Объем курса:
5 семестр - 38 часов лекций, 16 часов лабораторных работ и 14 часов практических занятий; экзамен.
6 семестр - 44 часа лекций и 20 часов практических занятий; экзамен.
Лектор - доцент Маркин Н.Н.

Цель дисциплины:

- приобретение студентами знаний современных методов анализа и синтеза линейных и нелинейных систем автоматического управления летательными аппаратами;
- выработка умения использовать и совершенствовать эти методы для решения на ЭВМ задач анализа и синтеза законов и систем управления самолетов и других летательных аппаратов;
- приобретение студентами навыков самостоятельной постановки, исследования и решения задач управления полетом на ЭВМ.

Содержание дисциплины:

5 семестр

Предмет дисциплины "Управление в технических системах", ее место и связи с другими дисциплинами об управляемом движении самолета. Задачи курса. Постановка задачи управления в общем виде.

Управляемый процесс, его описание и математическая модель. Фазовые координаты, управляющие и возмущающие воздействия, входные и выходные сигналы. Критерии качества процессов управления.

Классификация систем автоматического управления (САУ). Признаки классификации. Принципы регулирования по возмущению и по отклонению. Системы стабилизации, программного регулирования и следящие системы. Управление конечным состоянием динамической системы. Линейные и нелинейные, стационарные и нестационарные, детерминированные и стохастические САУ. Одномерные и многомерные системы. Непрерывные и дискретные системы. Основные элементы и типовая структурная схема САУ. Понятие о законах регулирования. Статическое и астатическое регулирование.

Составление и линеаризация дифференциальных уравнений движения управляемых динамических систем. Примеры - системы стабилизации угла тангажа и угла крена самолета.

Две формы записи линейных дифференциальных уравнений движения САУ. Принцип суперпозиции. Свободные и вынужденные движения системы. Статические характеристики САУ и их элементов. Вынужденное движение в системе при гармоническом входном воздействии. Реакция системы на типовые входные сигналы: единичное ступенчатое воздействие, единичная импульсная функция, гармоническое воздействие, степенные функции времени.

Переходная и импульсная переходная функции системы. Определение реакции системы на произвольный входной сигнал с помощью импульсной переходной функции.

Преобразование Лапласа и его применение к анализу линейных стационарных систем. Свойства преобразования Лапласа. Передаточная функция. Связь передаточной функции с импульсной переходной и переходной функциями.

Частотная передаточная функция и частотные характеристики САУ и их элементов. Логарифмические амплитудные частотные характеристики (ЛАЧХ) и фазовые частотные характеристики (ЛФЧХ) систем. Способы определения частотных характеристик САУ.

Типовые динамические звенья и их классификация. Временные и частотные характеристики элементарных звеньев. ЛАЧХ и ЛФЧХ элементарных звеньев. Идеальное интегрирующее звено, апериодическое звено, колебательное звено, дифференцирующее звено первого и второго порядков, усилительное звено, изодромное звено.

Структурные схемы САУ. Виды соединений и преобразование структурных схем. Передаточные функции САУ по управляющему и возмущающему воздействиям. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного соединения типовых звеньев. Минимально-фазовые системы. Связь между ЛАЧХ и ЛФЧХ для минимально-фазовых систем.

Использование системы МатЛаб 5.Х для анализа линейных систем управления. Пакет Control Toolbox для исследования линейных стационарных систем. Подготовка к анализу передаточных функций. Расчет реакций на импульсное и ступенчатое воздействие. Построение ЛАФЧХ, годографа передаточной функции, определение корней характеристического уравнения.

Понятие об устойчивости по Ляпунову. Теоремы Ляпунова об устойчивости "в малом" по уравнениям первого приближения (первый метод Ляпунова). Общие условия устойчивости линейных систем.

Критерии устойчивости. Алгебраический критерий устойчивости Рауса-Гурвица. Частотные критерии. Критерий устойчивости А.В.Михайлова. Критерий устойчивости Найквиста. Обобщение критерия устойчивости Найквиста на случай астатических систем. Запасы устойчивости по фазе и по модулю. Анализ устойчивости замкнутой САУ по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой САУ.

Построение областей устойчивости. Понятие о D -разбиении.

Критерии качества регулирования. Прямые и косвенные методы оценки качества регулирования. Корневые, частотные и интегральные методы.

Точность САУ при типовых воздействиях. Статическое и астатическое регулирование. Коэффициенты ошибок. Способы повышения точности САУ: повышение порядка астатизма, применение изодромных устройств, регулирование по производным от ошибки.

Лабораторные работы

6 семестр

Примеры бортовых следящих систем. Сервопривод. Понятие инвариантности САУ. Полная и частичная инвариантность. Условия физической реализации свойства инвариантности. Комбинированное управление.

Пример системы стабилизации самолета.

Оценка качества регулирования по кривой переходного процесса. Методы построения переходной функции. Классический метод решения дифференциальных уравнений. Эквивалентные начальные условия в системе регулирования после воздействия на нее единичной ступенчатой функции. Применение преобразования Лапласа.

Расчет переходных процессов на ЭВЦМ по заданному дифференциальному уравнению системы и по заданной структурной схеме САУ.

Корневые методы оценки качества регулирования. Понятия степени устойчивости и колебательности. Диаграмма Вышнеградского.

Метод корневого годографа. Свойства корневых годографов. Пример построения корневого годографа для САУ третьего порядка. Определение показателей качества по корневому годографу.

Влияние расположения нулей и полюсов передаточной функции замкнутой системы на показатели качества и полосу пропускания САУ.

Частотные критерии качества. Связь между вещественной частотной характеристикой замкнутой САУ и переходным процессом.

Понятие о приближенном методе построения кривой переходного процесса по вещественной частотной характеристике. Показатель колебательности М. Оценка качества по виду логарифмических частотных характеристик.

Понятие об интегральных оценках качества регулирования. Квадратичные интегральные оценки.

Корневой метод синтеза. Понятие о методе стандартных переходных характеристик.

Метод логарифмических амплитудных характеристик. Синтез линейных САУ на основе частотных критериев качества. Понятие об оптимальном переходном процессе. Построение желаемой ЛАЧХ по требованиям к качеству регулирования. Коррекция САУ. Последовательные и параллельные корректирующие устройства. Синтез последовательных корректирующих устройств по ЛАЧХ разомкнутой САУ. Методы повышения запасов устойчивости. Демпфирование с подавлением высоких частот, демпфирование с поднятием высоких частот, с подавлением средних частот. Введение отрицательных фазовых сдвигов. Пример.

Применение ЭВМ для расчета параметров корректирующих устройств. Постановка задачи оптимального синтеза в общем виде.

Основные понятия. Вектор состояния. Переход от одного дифференциального уравнения к стандартному виду системы в форме Коши.

Матричная передаточная функция. Импульсная переходная матрица. Характеристические матрица и определитель замкнутой управляемой системы. Преобразования матричных структурных схем.

Управляемость и наблюдаемость линейных систем. Критерии управляемости и наблюдаемости для линейных стационарных систем . Принцип двойственности Калмана. Пример.

Линейные нестационарные системы. Импульсная переходная матрица нестационарной системы и ее определение. Понятие об устойчивости на конечном интервале времени. Технические примеры, полет самолета с изменением высоты, скорости полета и массы самолета.

Основные понятия и определения. Типовые нелинейности. Устойчивость нелинейных систем. Прямой (второй) метод Ляпунова и его применение к исследованию устойчивости нелинейных систем. Примеры.

Метод фазовой плоскости. Фазовые портреты нелинейных САУ. Пример. Релейная система ориентации КЛА. Предельные циклы и автоколебания. Метод гармонической линеаризации нелинейностей. Алгебраические и частотные методы определения параметров автоколебаний. Скользящие режимы. Понятие о системах с переменной структурой.

Общие сведения о типах и основных элементах импульсных систем. Метод Z-преобразования и дискретное преобразование Лапласа. Передаточная функция импульсной системы. Устойчивость и качество импульсных систем. Обобщение критерия Найквиста на импульсные САУ. Применение метода корневого годографа для анализа импульсных САУ. Применение метода частотных характеристик для анализа импульсных САУ. Понятие о критериях качества процессов и методах синтеза импульсных систем с ЦВМ.

Общие сведения о цифровых системах управления полетом и методах их анализа. Структура и основные элементы цифровых систем управления полетом. Методы математического описания дискретных систем во временной области. Z-передаточные функции, частотные характеристики и устойчивость дискретных систем. Цифровые системы управления полетом, цифровые датчики первичной информации, каналы связи, бортовые ЦВМ. Сравнительный анализ непрерывных и цифровых систем управления полетом самолета, выбор периода дискретности, анализ влияния высокочастотных составляющих сигналов.

Основные понятия. Классификация самонастраивающихся систем (СНС). Понятие о СНС с поиском и оптимизацией показателя качества, СНС с моделью-эталоном. Понятие об игровых системах управления. Технические примеры.

Лабораторные работы