خلاصه
در مقاله پیش رو، روش نوینی برای کنترل رفتار دینامیکی سامانه فرودافزار هواپیما (LG) در مواجهه با نیروی وارد شده از سطح باند پیشنهاد شده است. ویژگیهای غیرخطی LG در مدل مربوطه لحاظ و اجزای مختلف و چگونگی عملکرد آن شرح داده شده است. LG به وسیله سیستم یک کنترل، متشکل از دو حلقه تودرتو کنترل میشود. حلقه درونی با استفاده از یک کنترلکننده فازی PID به کنترل موقعیت بدنه هواپیما پرداخته و حلقه بیرونی به کمک یک کنترلکننده فازی PI نیروی تایر را کنترل میکند. نوآوری این سیستم کنترل، استفاده از نیروی تایر برای تعیین موقعیت مطلوب بدنه هواپیماست که قادر است تعادلی میان دو مولفه متضاد آسایش مسافر و فرمان پذیری هواپیما ایجاد کند. کنترل فازی ساده و مستقل از مدل بوده و میتواند برای شرایط گوناگون باند مورد استفاده قرار گیرد. عملکرد سیستم کنترل پس از شبیهسازی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن با سامانه غیرفعال مقایسه شده است.

کلمات کلیدی: کنترل فعال فرودافزار، کنترل فازی، آسایش مسافر، فرمان پذیری هواپیما، ارابه فرود.

۱٫ مقدمه

سامانه فرودافزار (ارابه فرود)، وظیفه نگه داشتن سازه هواپیما، کاهش انـرژی انتقـالی، بهبـود آسـایش مسـافر و حفـظ پایـداری هواپیمـا در هنگـام اعمـال حرکات گوناگون را به عهده دارد و موجب آسانتر شدن کنترل هواپیما به هنگام حرکت روی زمین میشود[۱]؛ به همـین جهـت، موضـوع کنتـرل LG یکی از مباحث مهم در طراحی هواپیما به شمار می رود. کنترل فعال فرودافزار اولین بار در سال۱۹۸۲ برای کاهش بـار و ارتعـاش هواپیمـا بـه کـار گرفتـه شد[۲] و تا به امروز روش های گوناگونی برای برای کنترل LG پیشنهاد شده است که از آن جمله میتوان به کنترل ۱] PIDو[۳، بهینه [۴]، پسـگام [۵] و پیش بین ۶]و[۷ اشاره کرد. همچنین، استفاده از کنترلکنندههای فازی، راهبرد دیگری در کنترل فرودافزار میباشد که پـیش از ایـن مـورد مطالعـه قـرار گرفته است. به عنوان مثال، برای کنترل لرزش در فرودافزار از دمپر MR استفاده شده است.[۸] در این تحقیق، یک کنترلکننده PID با ضرایب فـازی، طراحی شده و نتایج کار با یک کنترل کننده PID معمولی مقایسه شده است. همچنین، بـرای کنتـرل نیمـه فعـال فرودافـزار از یـک شـیر سـولنوئیدی پـر سرعت کمک گرفته شده است .[۹] این مقاله برای کنترل نیروی اعمالی، از کنترل کننده فازی PD بهره برده اسـت. شـتاب بدنـه، مـلاک تعیـین نیـروی مورد نیاز برای کنترل فرودافزار میباشد. مراجع ۱۰]و[۱۱ نیز هریک به نحوی از سیستم استنتاج فاری برای کنترل فرودافزار استفاده نمودهاند.

در اغلب تحقیقات انجام شده، از میان دو مولفه متضاد »آسایش مسافر« و »فرمان پذیری هواپیما« تنها به آسایش مسافر پرداخته شده و فرمان پـذیری کمتـر مورد توجه بوده است. در بسیاری از مقالات، از مدل ارتعاشی دو درجه آزادی برای LG استفاده شده است که کـاملا مشـابه مـدل یـک چهـارم سیسـتم تعلیق خودرو است۵]و۶و.[۱۲ به همین جهت میتوان از تحقیقات مربوط به کنترل سیسـتم تعلیـق خـودرو بـرای کنتـرل LG نیـز بهـره بـرد. در برخـی از پژوهشها، با استفاده از کنترلکننده فازی به کنترل سیستم تعلیق خودرو پرداختهاند که اغلب با نتایج مطلوبی همراه بوده است.[۱۸-۱۳]

این مقاله، ابتدا به چگونگی عملکرد LG پرداخته، سپس ضمن توصیف دینامیک سیستم، فرم فضای حالت و معادلات نیروهای LG معرفی میشود. همچنین، ساختار سیستم کنترل تشریح شده و نحوه کنترل موقعیت بدنه و نیروی تایر بیان میگردد. بخش بعدی به کنترل نیروی تایر اختصاص دارد که

۱دانشجوی دوره کارشناسی ارشد
۲
ّ عضو هیات علمی تمام وقت

۱

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

به وسیله یک کنترلکننده فازی PI، تعادلی میان دو مولفه متضاد آسایش مسافر و فرمانپذیری هواپیما برقرار میکند. بخش بعد مربوط به کنترل موقعیت بدنه است که در آن چگونگی طراحی کنترلکننده فازی PID برای ردگیری موقعیت مطلوب توضیح داده میشود. در انتها، سیستم کنترل مورد نظر شبیهسازی شده و ضمن تحلیل نتایج آن، مقایسهای میان سامانه کنترلی طراحی شده و سامانه غیرفعال صورت میگیرد.

۲٫ نحوه عملکرد فرودافزار

جاذب ارتعاش اصلیترین بخش سامانه غیرفعال است که شامل دو محفطه زیرین و زبرین میباشد. این دو محفظه از طریق یک روزنه کوچک به یکدیگر متصل میشوند. محفظه زیرین و بخش پایین محفظه زبرین از روغن پر شده و بقیه حجم محفظه زبرین محتوی نیتروژن فشرده است. بنابراین این جاذب ارتعاش خاصیت فنری و میرایی دارد. در اثر نیروی اعمالی از سطح زمین، جاذب ارتعاش تحت فشار قرار گرفته و روغن را از طریق روزنه از محفظه زیرین به محفظه زبرین میفرستد و انرژی آن سبب فشردگی نیتروژن میگردد. هنگامی که این انرژی آزاد میشود، جاذب ارتعاش کشیده شده و روغن از محفظه زبرین، به محفظه زیرین باز میگردد و انرژی باقی مانده تلف میشود.

سامانه کنترل فعال فرودافزار شامل شیر سروو، مخازن پرفشار و کمفشار، تلنبه هیدرولیکی، کنترلکننده الکترونیکی و حسگر است. نیروی وارد شده از جانب زمین به چرخ هواپیما، به جاذب ارتعاش انرژی وارد کرده و در آن تکانی ایجاد میکند؛ این تکان توسط حسگر اندازهگیری و سیگنال مربوط به آن به عنوان ورودی به کنترل کننده داده میشود. بر مبنای خروجی کنترل کننده، شیر سروو جابجا میشود و مقداری روغن را به داخل جاذب ارتعاش تزریق نموده، یا از آن خارج میکند. بدین ترتیب نیروی کنترلی فعال برای خنثی کردن نیروی زمین فراهم شده و سامانه غیرفعال را تقویت میکند.

۳٫ دینامیک سیستم

شکل ۱ مدل ارتعاشی LG را نشان میدهد که در آن m1 جرم هواپیما و m2 جرم تایر و پیستون جاذب ارتعاش است. همچنین kl ، cl، kt و ct به ترتیب سختی و میرایی جاذب ارتعاش و سختی و میرایی تایر هستند. y1 و y2 نیز به ترتیب موقعیت جرمهای m1 و m2 نسبت به حالت کاملا کشیده فرودافزار بوده و yg ورودی اعمالی از جانب زمین است.

شکل –۱ مدل ارتعاشی فرودافزار فعال هواپیما
معادلات دینامیکی حاکم بر سیستم بدین صورت خواهد بود:[۳] y1  m1g  L  Fa  Fl  f  FQ m1
(1)
m2
y2  m2 g  Fa  Fl  Ft  f  FQ

که در آن g شتاب گرانش و L نیروی بالابرندگی آیرودینامیکی است. Fa و Fl به ترتیب نیروهای فنری و میرایی جاذب ارتعاش، Ft نیروی واکنـش زمیـن، f نیـروی اصطکـاک و FQ نیروی کنترل فعال هستند. با تعریف y3=dy1/dt و y4=dy2/dt میتوان معادلات حالت را این گونه نوشت:
y1  y3

y2  y4

(۲)× LFaFlfFQ ۱

m1 y3  g 
۱
FaFlFtfFQ m
y4  g 
۲
نیروهای مرتبط با معادلات حالت((۲ به صورت زیر توصیف میشونـد:[۳]

۲