Забезпечення шляхової стійкості та керованості літального апарата типу «літаюче крило» в курсовому каналі на основі моделювання в MATLAB

Abstract

У статті розглянуто задачу підвищення шляхової стійкості та керованості літального апарата типу «літаюче крило», для якого відсутність класичного оперення ускладнює забезпечення стабільного руху за курсом. Дослідження виконано для курсового каналу керування з вихідною координатою кута курсу. Як виконавчий орган у каналі курсу прийнято відхилення гальмівних щитків/спойлерів. У рівняннях і передатних залежностях керуючий вплив ототожнюється з відхиленням цих аеродинамічних поверхонь. Методика роботи ґрунтується на побудові узагальненої математичної моделі курсового каналу у вигляді диференціального рівняння другого порядку та відповідної передатної функції. Для перевірки працездатності моделі та аналізу якості керування виконано імітаційне моделювання в MATLAB. Реалізацію здійснено у вигляді структурних схем каналу та замкнених контурів керування, що дає змогу безпосередньо порівнювати вплив різних структур стабілізації на форму перехідного процесу. Вихідні аеродинамічні параметри, необхідні для формування моделі отримуються за допомогою обчислювальної гідрогазодинаміки (CFD) в ANSYS і використовуються під час динамічної симуляції в MATLAB. Ефективність керування оцінено шляхом порівняння перехідних процесів у трьох режимах. Перший режим відповідає відсутності стабілізації та реалізується як розімкнений канал. Другий режим передбачає введення негативного зворотного зв’язку в ланцюг керування. Третій режим базується на застосуванні PID-регулятора з подальшим налаштуванням коефіцієнтів. Якість перехідних процесів аналізується за типовими показниками, які використовують для оцінювання роботи систем стабілізації по коливальності, перерегулюванню, часу встановлення та факту стійкої роботи замкненого контуру. За результатами моделювання показано, що введення зворотного зв’язку покращує поведінку курсового каналу порівняно з розімкненим режимом. Подальше використання налаштованого PID-регулятора забезпечує додаткове покращення форми перехідної характеристики та стійку роботу замкненого контуру для вибраної моделі. Отримані результати підтверджують доцільність застосування автоматичних контурів стабілізації для безхвостих компоновок у задачах забезпечення шляхової стійкості та керованості на етапі моделювання і попереднього налаштування параметрів керування. The article addresses the problem of improving the directional stability and controllability of a flying wing-type aircraft, for which the absence of conventional empennage complicates the provision of stable motion along the course. The study is conducted for the heading control channel with the course angle as the output coordinate. The deflection of air brakes or spoilers is adopted as the executive organ in the heading channel. In the equations and transfer functions, the control input is identified with the deflection of these aerodynamic surfaces. The methodology is based on constructing a generalized mathematical model of the heading channel in the form of a second-order differential equation and the corresponding transfer function. To verify the model's performance and analyze the control quality, simulation modeling was performed in the MATLAB environment. The implementation is carried out in the form of structural diagrams of the channel and closed control loops, which allows for a direct comparison of the influence of various stabilization structures on the shape of the transient process. The initial aerodynamic parameters required for the model formation are obtained using computational fluid dynamics (CFD) in ANSYS and are utilized during the dynamic simulation in MATLAB. Findings. The control effectiveness is evaluated by comparing transient processes in three modes. The first mode corresponds to the absence of stabilization and is implemented as an open-loop channel. The second mode involves the introduction of negative feedback into the control loop. The third mode is based on the application of a PID controller with subsequent tuning of its coefficients. The quality of the transient processes is analyzed using standard indicators utilized to evaluate the performance of stabilization systems by oscillation, overshoot, settling time, and the fact of stable operation of the closed loop. Practical value. The simulation results show that the introduction of feedback improves the behavior of the heading channel compared to the open-loop mode. The further use of a tuned PID controller provides an additional improvement in the shape of the transient response and stable operation of the closed loop for the selected model. Conclusions. The obtained results confirm the feasibility of applying automatic stabilization loops for tailless configurations in tasks of ensuring directional stability and controllability at the stage of modeling and preliminary tuning of control parameters.