A XX. század egyik legnagyobb műszaki vívmánya a gravitáció legyőzése, a repülés. A kezdetben veszélyes vállalkozást a számítástechnika viharos fejlődése tette biztonságosabbá. Napjainkban már olyan robotrepülőgépek is léteznek, melyek ember nélkül hajtják végre a repülési feladatot. A kutatásunk célja azonban az, hogy olyan repülésirányítási rendszert tervezzünk, amely a pilóta munkáját segíti, biztonságosabbá téve ezzel a repülést, például rossz repülési viszonyok között.
Dolgozatunk egy F-16-os repülőgép fizikai modelljén keresztül mutat be néhány irányítási algoritmust.
Ehhez érdemes először megismerni a repüléstechnikában használt fogalmakat, ezért a 2. fejezetet a repülésirányítás elméleti alapjainak szenteltük. Rögtön az elején egy folyamatábrán keresztül mutatjuk be egy repülőgép-irányítási program általános felépítését. A folyamatábrán látható, hogy a rendszer lelke a repülőgép viselkedését leíró nemlineáris állapottérmodell. A működés megértéséhez részletesen tárgyaljuk a repüléstechnikában használt koordinátarendszereket, illetve az ezekre épülő állapotváltozós leírást. Az állapotváltozók ismeretében bemutatjuk, hogyan befolyásolják a különféle aerodinamikai erők a repülőgép mozgását. Az alapfogalmak tisztázása után elkezdhetjük a szabályozótervezést. Mivel ebben a dolgozatban csak lineáris szabályozókkal foglalkozunk, a 2. fejezet végén azt is ismertetjük, hogyan lesz a nemlineáris modellből linearizált modell.
A kutatómunka kezdetén a konzulensünk rendelkezésünkre bocsátott egy programot, mely alkalmas az F16-os repülőgép MATLAB környezetben történő szimulációjára. A tervezést Simulink támogatással végeztük, az említett programban szereplő nemlineáris modell felhasználásával. A munka megkönnyítése érdekében – kihasználva a MATLAB kínálta lehetőségeket – grafikus felhasználói felületet is készítettünk. A 3. fejezet ezt a kezelőfelületet mutatja be röviden.
A dolgozat második felében az LQ (Linear Quadratic) módszerrel tervezett szabályozóinkat és működésüket mutatjuk be, néhány megvalósított példán keresztül. Ennek a módszernek az előnye a klasszikus tervezési eljárásokkal szemben az, hogy több ágú visszacsatolás esetén a hurkokat egy lépésben, egyszerre be tudjuk zárni, az erősítéseket nem külön-külön kell meghatározni. Az első példában egy laterális szabályozó felépítését írjuk le, mellyel kiküszöbölhető a repülőgép oldalirányú elfordulása, billegése. Ehhez néhány laterális állapotváltozó értékét kell nullára szabályozni. A longitudinális irányban nem ilyen egyszerű a helyzet, itt alapjelkövetést kell megvalósítani. A második példa ehhez kapcsolódik, amelyben gyorsulásvezérlő rendszert terveztünk szintén LQ módszerrel. A gyorsulás irányát úgy választottuk meg, hogy a vezérlés longitudinális szabályozásra is alkalmas legyen. A harmadik és a negyedik példa szorosan kötődik az első kettőhöz. Itt ugyanis az előző rendszereken javítottunk néhány újabb tervezési lépés beiktatásával. Az időfüggő költségfüggvény alkalmazásával például elkerülhetjük a szabályozott jel hosszan tartó lengését.
Az eddig elhangzott ismereteket néhány újjal kiegészítve, egy automata leszállásvezérlőt terveztünk, amelyet a 4. fejezet végén ismertetünk. A módszer lényege, hogy először alkotunk egy modellt, amely egy ideális pálya mentén hajtja végre a repülési feladatot, aztán tervezünk a repülőgéphez egy olyan szabályozót, amely ezt a modellt próbálja meg követni minél pontosabban. Az eredmény, hogy a repülőnk automata landolást képes végrehajtani ideális ív mentén.
A tervezési munka egyik fontos lépése az eredmények kiértékelése. A kutatásunk során ezért nagy figyelmet fordítottunk az adatok pontos, használható, és ugyanakkor látványos megjelenítésére. A szimuláció után az állapotváltozók időfüggvényeit grafikonokon ábrázolhatjuk, sőt Bode-diagramot és pólus-zérus elrendezést is rajzoltathatunk a kiválasztott változókhoz. A megjelenítés másik formája a napjainkban rendkívül népszerű 3D megjelenítés. Az 5. fejezetben bemutatjuk a MATLAB virtuális valóság eszköztára, a Virtual Reality Toolbox segítségével megvalósított VR vezérlőnket, mely a szimulációt valósidőben, 3D repülőmodellel jeleníti meg, s ezzel a képletek szolgáltatta eredményeket szinte kézzelfoghatóvá teszi.
Szólj hozzá!