طراحی سامانه کنترلی کشتی هوایی جهت عبور از قیچی باد با رویکرد برنامه‌ریزی بهره دینامیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

2 کارشناس ارشد / دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

چکیده

ابعاد بزرگ و پایین‌بودن مانور‌پذیری کشتی هوایی سبب شده است تا این وسیله در برابر شرایط بد جو آسیب‌پذیر باشد. به‌دلیل ماهیت غیرخطی پدیدة قیچی باد، استفاده از روش‌های کنترل کارآمد اجتناب‌ناپذیر است. در این پژوهش، برای یک کشتی هوایی، در مواجهه با قیچی باد در فاز نشست، کنترلگری با رویکرد برنامه‌ریزی بهرة دینامیک توسعه داده می‌شود. در ابتدا مدلسازی دینامیکی شش درجه آزادی کشتی هوایی انجام شده و مدل تحلیلی ویکوری به معادلات حرکت الحاق می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که تغییر قابل‌ ملاحظه‌ای بدون حضور سامانة کنترلی مناسب در حین پرواز در پارامترهایی از جمله ارتفاع، جابه‌جایی عرضی و زاویة غلت پدید می‌آید. برای اعتبارسنجی و مقایسة نتایج با روش پیشنهادی، یک کنترلگر تنظیم‌کننده درجه دو خطی بر کشتی هوایی جهت حفظ تعادل و شرایط دائمی پرواز اعمال می‌گردد. نتایج حاصل نشان‌دهندة اهمیت روش کنترلگر غیر‌خطی و توانایی این روش در کنترل کشتی هوایی در شرایط بد جو نسبت به روش کنترلر خطی است. با مطالعة نتایج چنین برداشت می‌شود که کنترلگر برنامه‌ریزی بهرة دینامیک توانسته ‌است تغییرات زیاد ارتفاع، جابه‌جایی عرضی و زاویة غلت را به‌خوبی کنترل کند. این مهم با کنترل مقادیر زاویة حمله، سرعت عرضی و سرعت زاویه‌ای غلت انجام شده‌ است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Controller design of an airship based on dynamic gain scheduling for microburst passing

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ali Atashgah 1
  • Javid Hossein Poor 2
  • Atabak Azimi 2
چکیده [English]

In this study, a Dynamic gain scheduling controller is designed to control landing phase of an airship while in existence of wind shear. Wind shear is vertical column sink of air which has a great local effect on airplane operation. This phenomena requires more attention in landing phase. Wind shear has non-linear attitude, hence to confront this phenomena, applying nonlinear controller is proposed. Dynamic gain schedule controller is one of the pioneer methods in nonlinear controllers and many desired results for nonlinear systems is reported for this method. In this study, at first the six degree of freedom equations for the airship is implemented. Then, Vicory model for simulation of microburst phenomena attached to airship equations. In the following, simulation has been done with the presence of microburst. The simulation results present a significant change without control system in parameters including altitude, lateral movement and roll angle during flight. Applying dynamic gain schedule formulation, a controller is designed for improving the performance of airship during the landing and taking off phases with presence of microburst phenomena. The study results represent the ability of dynamic gain schedule controller to control the significant changes in altitude, lateral movement and roll angle. Although some parameters as sliding slip angle and horizontal angle can’t be controlled as well as the other parameters.

کلیدواژه‌ها [English]

  • airship
  • nonlinear controller
  • dynamic gain schedule
  • microburst
  • LQR

[1] G. A. Khoury, J. D. Gillett, Airship technology, cambridge aerospace series, 10th ed, Cambridge University Press, 1999.

[2] P. Maggiore, G. Repici, P. Bois, Unmanned Airship Control: Avionic, Ground Station and Power Supply, 2005.

[3] Y. Liu, Z. Pan, D. Stirling, F. Naghdy, Control of autonomous airship, in Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2009 IEEE International Conference on, pp. 2457-2462, 2009.

[4] J. B. Mueller, M. A. Paluszek, Y. Zhao, Development of an aerodynamic model and control law design for a high altitude airship, in AIAA Unmanned Unlimited Conference, pp. 1-17, 2004.

[5] Z. Gao, H. Gu, Simulation of microburst escape with probabilistic pilot model, in International Conference on Information Computing and Applications, pp. 663-670, 2011.

[6] E. Kahale, P. C. Garcia, Y. Bestaoui, Autonomous path tracking of a kinematic airship in presence of unknown gust, Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 69, pp. 431-446, 2013.

[7] A. Dogan, Guidance Strategies for Microburst Escape, 2000.

[8] G. Zhenxing, G. Hongbin, L. Hui, Real-time simulation of large aircraft flying through microburst wind field, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 22, pp. 459-466, 2009.

[9] W. Yang, M. Hammoudi, G. Herrmann, M. Lowenberg, X. Chen, Two-state dynamic gain scheduling control applied to an F16 aircraft model, International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol. 47, pp. 1116-1123, 2012.

[10] S. Theodoulis, G. Duc, Missile autopilot design: gain-scheduling and the gap metric, Journal of guidance, control, and dynamics, Vol. 32, pp. 986-996, 2009.

[11] A. White, Z. Ren, G. Zhu, J. Choi, Mixed Observer-Based LPV Control of a Hydraulic Engine Cam Phasing Actuator, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 21, pp. 229-238, 2013.

[12] M. Ashraf, M. Choudhry, Dynamic modeling of the airship with Matlab using geometrical aerodynamic parameters, Aerospace Science and Technology, Vol. 25, pp. 56-64, 2013.

[13] S. B. Gomes, An Investigation of the Flight Dynamics of Airships with Application to the YEZ-2A, Cranfield Institute of Technology, 1990.

[14] L. Tuckerman, Inertia factors of ellipsoids for use in airship design, 1926.

[15] D. D. Vicroy, Assessment of microburst models for downdraft estimation, Journal of Aircraft, Vol. 29, pp. 1043-1048, 1992.

[16] R. J. White, Effect of wind shear on airspeed during airplane landing approach, Journal of Aircraft, Vol. 29, pp. 237-242, 1992.

[17] Moqayes, Off passenger planes developed mathematical model in terms of atmospheric variables, Masters Thesis,Faculty of Aerospace, Sharif University,1997. (in Persianفارسی ).

[18] C. D. Jones, Dynamic gain-scheduled control of a nonlinear UCAV model, University of Bristol, 2005.

[19] G. C. Avenant, Autonomous flight control system foran airship, Stellenbosch: University of Stellenbosch, 2010.