Инженерный журнал: наука и инновацииЭЛЕКТРОННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-53688 от 17 апреля 2013 г. ISSN 2308-6033. DOI 10.18698/2308-6033
  • Русский
  • Английский
Статья

Управление тягой вдоль брахистохроны при наличии вязкого трения

Опубликовано: 03.05.2018

Авторы: Зароднюк А.В., Закиров А.Н., Черкасов О.Ю.

Опубликовано в выпуске: #4(76)/2018

DOI: 10.18698/2308-6033-2018-4-1758

Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов

Рассмотрена задача оптимизации управляемого спуска летательного аппарата в однородном поле сил тяжести при наличии сопротивляющейся среды и ускоряющей силы при движении в вертикальной плоскости. В качестве управления приняты подъемная сила и сила тяги. Исследовано и описано движение материальной точки по кривой, когда управляющими являются нормальная составляющая силы реакции опоры и разгоняющая сила. Цель управления заключается в максимизации горизонтальной дальности движения (терминальный член в функционале) и минимизации энергетических затрат (интегральный член) в заданный момент окончания процесса. Максимизация дальности движения решается задачей о брахистохроне, т. е. задачей выбора формы траектории, соединяющей две заданные точки в вертикальной плоскости, время движения по которой минимально. Для решения задачи применяется принцип максимума Понтрягина и методы качественного исследования динамических систем. Установлено, что экстремальные траектории соответствуют движению с особым управлением для нормальной реакции опорной кривой и с регулярным управлением для тяги. Экстремальное управление построено в виде обратной связи по фазовым переменным исходной системы. Выявлены характерные свойства траекторий, что позволило обосновать результаты, полученные другими авторами с помощью численного моделирования или сформулированные в виде гипотез. Показано, что при высокой длительности процесса экстремальная траектория складывается из трех участков, представляющих собой выход в окрестность асимптотической магистрали, движение в этой окрестности и выход для удовлетворения конечных условий. Полученные результаты можно использовать для построения квазиоптимальных решений и в качестве эффективных начальных приближений при численном решении задач оптимизации траекторий, описываемых моделями более высокого порядка.


Литература
[1] Охоцимский Д.Е. К теории движения ракет. Прикладная математика и механика, 1946, т. Х, вып. 2, с. 251–272.
[2] Tsien H.S., Evans R.C. Optimum Thrust Programming for a Sounding Rocket, Journal of American Rocket Society, 1951, vol. 21, no. 5, pp. 99–107.
[3] Miele A. Optimum Climbing Technique for a Rocket-Powered Aircraft. Jet Propulsion, 1955, vol. 25, no. 8, pp. 385–391.
[4] Miele A. Extremization of Linear Integrals by Green
[5] Dmitruk A., Samylovskiy I. A simple trolley-like model in the presence of a nonlinear friction and a bounded fuel expenditure. Discussiones Mathematicae. Differential Inclusions, control and optimization, 2013, vol. 33, no. 2, pp. 135–147.
[6] Tsiotras P., Kelley H.J. Goddard Problem with Constrained Time of Flight. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1992, vol. 15, no. 2, pp. 289–296.
[7] Tsiotras P., Kelley H.J. Drag-law Effects in the Goddard Problem. Automatica, 1991, vol. 27, no. 3, pp. 481–490.
[8] Bonnans F., Martinon P., Trélat E. Singular Arcs in the Generalized Goddard’s Problem. J. Optim. Theory Appl., 2008, vol. 139, pp. 439–461.
[9] Menon P.K.A., Kelley H.J., Cliff E.M. Optimal Symmetric Flight with an Intermediate Vehicle Model. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1983, vol. 8, no. 3, pp. 312–319.
[10] Гревцов Н.М., Ефимов О.Е., Мельц И.О. Оптимизация траекторий снижения самолета в вертикальной плоскости. Ученые записки ЦАГИ, 1995, т. ХХVI, № 3–4, с. 98–110.
[11] Исаев В.К. Принцип максимума Л.С. Понтрягина и оптимальное программирование тяги ракет. Автоматика и телемеханика, 1961, т. XXII, № 8, с. 986–1001.
[12] Зароднюк А.В., Черкасов О.Ю. О максимизации горизонтальной дальности и брахистохроне с разгоняющей силой и вязким трением. Известия РАН. Теория и системы управления, 2017, № 4, с. 3–10.
[13] Vratanar B., Saje, M. On the Analytical Solution of the Brachistochrone Problem in a Non-conservative Field. Int. J. Non-Linear Mechanics, 1998, vol. 33, no. 3, pp. 489–505.
[14] Chen D., Liao G., Wang J. The Solution of Brachistochrone Problem Based on the Genetic Algorithm. Int. J. of Mechanics Research, 2015, vol. 4, no. 4, pp. 76–88.
[15] Thomas V. The Use of Variational Techniques in the Optimization of Flight Trajectories: Diss. for degree Doctor of Philosophy. University of Arizona, USA, 1963.
[16] Drummond J.E., Downes G.L. The Brachistochrone with Acceleration: A Running Track. J. of Optim. Theory and Appl., 1971, vol. 7, no. 6, pp. 444 – 449.
[17] Вондрухов А.С., Голубев Ю.Ф. Брахистохрона с разгоняющей силой. Известия РАН. Теория и системы управления, 2014, № 6, с. 42–57.
[18] Вондрухов А.С., Голубев Ю.Ф. Оптимальные траектории в задаче о брахис- тохроне с разгоняющей силой. Известия РАН. Теория и системы управления, 2015, № 3, с. 13–23.
[19] Брайсон А., Хо Ю Ши. Прикладная теория оптимального управления. Москва, Мир, 1972, 544 с.
[20] Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. Москва, Наука, 1983, 393 с.