کنترل بهینة خطی یک وسیلة هوایی، با در نظر گرفتن مدل دینامیکی موتور پیشران و بازخورد سرعت

نوع مقاله : یادداشت فنی

نویسندگان

1 استادیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 مجتمع مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، ایران

چکیده

در این مقاله کنترل بهینة یک وسیلة هوایی با در نظر گرفتن دینامیک جسم پرنده به همراه مدلسازی موتور پیشران هوازی و بازخورد سرعت آن مورد مطالعه قرار گرفته است. ‌‌بدین منظور، ابتدا معادلات دینامیکی وسیله هوایی استخراج و مدل ریاضی موتور رانش بدست آمده است. ‌‌سپس، معادلات دینامیک غیرخطی وسیلة پرنده و معادلات موتور با یکدیگر ترکیب شده است. ‌‌با بیان معادلات دینامیکی خطی سازی شده در فضای حالت، فرمولاسیون کنترل بهینة خطی با معادلات قیدی دینامیک سیستم در نظر گرفته شده و تابع هزینة کمینه انرژی بدست آمده است. ‌‌با حل مسئله کنترل بهینة خطی، شبیه‌سازی‌های متنوعی ارایه شده است. ‌‌نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که با در نظر گرفتن شرایط اولیة مختلف و عدم قطعیت در مدلسازی سیستم، کنترل بهینة سیستم به خوبی انجام شده است. توجه شود که اثر تغییر ضرایب وزنی مسئلة کنترل بهینه بر مسیر کنترلی و بهینه‌سازی مصرف انرژی بسیار حایز اهمیت است. همچنین،  نتایج بدست آمده نشان‌دهندة کارایی روش پیشنهادی در مدلسازی و کنترل وسیله هوایی با پیشران هوازی است. 

کلیدواژه‌ها


[1]    Kargarnajafi, A. ‌‌and Azizi, M., ‌‌“Conceptual Design of the Spacecraft Attitude Control Based on the Plane Displacement of the Propulsion System”, Journal of Technology in Aerospace Engineering, Vol. ‌‌2, No. ‌‌4, pp. ‌‌27-35, 2019. ‌‌
[2]   Espinoza-Fraire, T.‌‌, Dzul, A. ‌‌, Cortés-Martínez, F. ‌‌, and Giernacki, W. ‌‌, “Real-time Implementation and Flight Tests, Using Linear and Non-linear Controllers for a Fixed-Wing Miniature Aerial Vehicle (MAV)”,‌‌International Journal of Control, Automation and Systems, Vol. ‌‌16, No. ‌‌1, pp. ‌‌392-396, 2018. ‌‌
[3]   Saberi Tavakkoli,  M., “Modeling and Simulation of a Ballistic Launch Vehicle in ECEF and Navigation Coordinate Systems”,‌‌ Journal of Technology in Aerospace Engineering, Vol. ‌‌1, No. ‌‌2, pp. ‌‌17-26, 2017. ‌‌
[4]   Azimov, D. ‌‌and Allen, J. ‌‌, “Analytical Model and Control Solutions for Unmanned Aerial Vehicle Maneuvers in a Vertical Plane”,‌‌ Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. ‌‌91, No's. ‌‌3-4, 2018, pp. ‌‌725-733. ‌‌
[5]   Mazare, M. ‌‌, davoodi, E. ‌‌,Taghizadeh, and M. ‌‌, pourgholi, M. ‌‌, “Optimal Control Based on Minimum-Energy Trajectory Planning of a Quadrotor”,‌‌ Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, Vol. ‌‌52, No. ‌‌5, pp. ‌‌1-3, 2019. ‌‌
[6]   Babaei, A. ‌‌and Setayandeh, S. ‌‌, “Design of Nonlinear Optimal Guidance Law for High Maneuver Targets Based on State Dependent Riccati Equation”,‌‌ Aerospace Knowledge and Technology Journal, Vol. ‌‌6, No. ‌‌1, pp. ‌‌93-107. ‌‌, 2017
[7]   Levin, J.‌‌M., Paranjape, A.A.‌‌, and Nahon, M., “Agile Maneuvering with a Small Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle”,‌‌ Robotics and Autonomous Systems, Vol. ‌‌116, pp. ‌‌148-161, 2019. ‌‌
[8]   Nazemizadeh, M.‌‌, Rahimi, H.N.‌‌, and Khoiy, K.‌‌A.‌‌, “Trajectory Planning of Mobile Robots Using Indirect Solution of Optimal Control Method in Generalized Point-to-Point Task”,‌‌ Frontiers of Mechanical Engineering, Vol. ‌‌7, No. ‌‌1, pp. ‌‌23-28, 2012. ‌‌
[9]   Nazemizadeh, M. ‌‌and Nohooji, H.‌‌R. ‌‌, “An Analysis of the Finite Element Method Applied on Dynamic Motion and Maximum Payload Planning of Flexible Manipulators”,‌ Transactions of FAMENA, Vol. ‌‌39, No. ‌‌4, pp. ‌‌15-22, 2016. ‌‌
[10] Korayem, M.H.‌‌, Nazemizadeh, M.‌‌, and Nohooji, H.R., “Optimal Point-to-Point Motion Planning of Non-holonomic Mobile Robots in the Presence of Multiple Obstacles”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. ‌‌36, No. ‌‌1, pp. ‌‌221-232, 2014. ‌‌
[11] Nekoo, S.‌‌R.‌‌, “Non-linear Closed Loop Optimal Control: A Modified State-dependent Riccati Equation”,‌‌ ISA Transactions, Vol. ‌‌52, No. ‌‌2, pp. ‌‌285-290, 2013. ‌‌
[12] Geranmehr, B. ‌‌and Nekoo, S.‌‌R., ‌‌“Non-linear Suboptimal Control of Fully Coupled Non-affine Six-DOF Autonomous Underwater Vehicle, Using the State-Dependent Riccati Equation”,‌‌ Ocean Engineering, Vol. ‌‌96, No. ‌‌1, pp. ‌‌248-257, 2015. ‌‌
[13] Mirzaeinejad, H. ‌‌and Shafei, A.M. ‌‌, “Modeling and Trajectory Tracking Control of a Two-Wheeled Mobile Robot: Gibbs–Appell and Prediction-Based Approaches”,‌‌ Robotica, Vol. ‌‌36, No. ‌‌10, pp. ‌‌1551-157, 2018. ‌‌
[14] Mattingly, J.D. and Von Ohain, H.‌‌, Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets, Reston Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Tata McGraw- Hill, New York, USA, 2006. ‌‌
[15] Küchemann, D. ‌‌and Weber, J., Aerodynamics of propulsion, McGraw-Hill, Vol. ‌‌2, 1953. ‌‌
[16] Fry, R.S. ‌‌, “A Century of Ramjet Propulsion Technology Evolution”, Journal of Propulsion and Power, Vol. ‌‌20, No. ‌‌1, pp. ‌‌27-58, 2004. ‌‌
[17] Waltrup, P.J.‌‌, White, M. ‌‌E. ‌‌, Zarlingo, F. ‌‌, and Gravlin, E.S.‌, “History of Ramjet and Scramjet Propulsion Development for US Navy Missiles”,‌‌ Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. ‌‌18, No. ‌‌2, pp. ‌‌235, 1997. ‌‌
[18] Hewitt, P.W.‌‌, Waltz, B., and Vandiviere, S.‌‌, “Ramjet Tactical Missile Propulsion Status”,‌‌ AIAA 2002 Missile Sciences Conference [Classified and Unclassified Documents], 5-7 November, 2002 2002. ‌‌
[19] Waltrup, P.J‌.‌, White, M. ‌‌E.‌‌, Zarlingo, F.‌‌, and Gravlin, E.‌‌S.‌‌, “History of US Navy Ramjet, Scramjet, and Mixed-Cycle Propulsion Development”, Journal of propulsion and power, Vol. ‌‌18, No. ‌‌1, pp. ‌‌14-27, 2002. ‌‌
[20] LeMoyne, R., “Fundamental Analysis of a Tandem LH2-LOX Rocket-Ramjet Propulsion System”,‌‌ AIAA SPACE 2009 Conference & Exposition, pp. ‌‌6658, Pasadena, California, USA, 2009. ‌‌
[21] Rudnuck, Ph., “ Momentum Relations in Propulsive Ducts”, Journal of the Aeronautical Sciences, Vol. ‌‌14, No. ‌‌9, pp. ‌‌540-54, 1947. ‌‌
[22] Marsh, B.‌‌W.‌‌, “Introduction to the Analysis of Supersonic Ramjet Power Plants”,‌‌ Journal of Jet Propulsion, Vol. ‌‌24, No. ‌‌3, pp. ‌‌155-161, 1954. ‌‌
[23] Li, H., Si, Y.‌‌, Wu, L.‌‌, and Hu, X., “Fault-Tolerant Output Tracking Control For a Flexible Air-breathing Hypersonic Vehicle”,‌‌ Systems and Control in Aeronautics and Astronautics (ISSCAA), Harbin, China, 2010. ‌‌
[24] Groves, K. ‌‌, Serrani, A. ‌‌, Yurkovich, S. ‌‌, and Bolender, M.‌‌, “Anti-Windup Control for an Air-breathing Hypersonic Vehicle Model”,‌‌ AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Keystone, Colorado, USA, 2006. ‌‌
[25] McRuer, D.T., ‌‌Graham, D. ‌‌, and Ashkenas, I., Aircraft Dynamics and Automatic Control, Princeton University Press, , Princeton, USA, 2014. ‌‌
[26] Blakelock, J.H., Automatic Control of Aircraft and Missiles, John Wiley & Sons, New York, USA, 1991. ‌‌
 Kirk, D.‌‌E.‌‌, Optimal Control Theory: An Introduction. ‌‌Courier Corporation, Dover, New York, USA, 2012.