توسعه الگوريتم شبيه‌سازي حرارتي بهبود يافته در طراحي سامانه خلبان خودكار بهينه براي نگهداري يك مسير مشخص

Development of a Mushy State Simulated Annealing Algorithm for the Design of an Optimal Path Regulator Autopilot System

در اين تحقيق ابتدا بر اساس معادلات غيرخطيِ درگير و شش درجه آزادي حاكم بر حركت يك هواپيما، روابط ناوبري و معادلات حاكم براي يك هواپيماي مشخص در فضاي حالت، توليد شده است. متعاقباً با استفاده از فرمول بندي كنترل بهينه در الگوي رگولاتور خطي و به كارگيري ايده افق زماني پيش رو، دستورهاي كنترلي بهينه، كه در اين فرمول بندي، نيرو و گشتاورهاي آيروديناميكي و موتور هستند براي بازه هاي زماني مورد نظر افق به منظور كنترل حركت پرنده بر روي يك الگوي مشخص و از پيش تعريف شده توليد شده است. از آنجايي كه طبيعتاً براي ايجاد اين نيرو و گشتاورهاي بهينه بايد از سازوكارهاي موجود در يك هواپيما استفاده نمود، از يك روش ابداعي، ميزان انحراف سطوح كنترلي و نيروي پيشران موتورها با استفاده از كنترل ميزان مصرف سوخت به صورتي تعيين مي شود كه نيرو و گشتاور هاي مطلوب در روش تركيبي رگولاتور خطي و افق پيش رو ايجاد گردد. در اين راستا با بهره گيري از الگوريتم هوشمند شبيه سازي حرارتي حالت خميري (MSSA) كاربردي جديد از اين موتور جستجوي هوشمند در مسيله عملي كنترل يك هواپيما براي اولين بار مطرح شده است كه با در نظر گرفتن خصوصيات ويژه مسيله و قابليت هاي حالت خميري الگوريتم هاي پايه شبيه سازي حرارتي، مي توان سرعت اين الگوريتم هاي به ظاهر كند را حتي تا رسيدن به يك كنترل برخط و زمان حقيقي بالا برد. در اين ايده به كمك روش ديناميك معكوس و حل يك دستگاه معادلات جبري در يك حلقه، فرامين كنترلي بهينه در بازه هاي زماني متوالي توليد و با اعمال اين فرامين به معادلات غيرخطي سامانه، حالت بعدي سامانه توليد مي گردد. اين حلقه مجدداً براي بازه زماني بعدي تكرار مي گردد، به صورتي كه هواپيما قادر خواهد بود مسير مطلوب را دنبال كند. اين كنترلر حلقه بسته داراي مقاومت خوبي در مقابل اغتشاشات بوده و قابل اعمال به يك سامانه غيرخطي است.

In this paper, initially the six degrees of freedom aircraft nonlinear equations of motion as well as the navigation relations are derived for a specified air vehicle in state space format. Subsequently through optimal formulation of the problem utilizing linear quadratic regulator (LQR) approach, optimal controls are determined for finite horizons in order to guide the vehicle on a pre-specified trajectory. In the proposed strategy the finite horizon forces and moments are taken as the six controls to be optimally determined using (LQR) and the receding horizon control (RHC) algorithm. These optimal forces and moments could be generated through the conventional existing vehicle mechanisms, namely the engines and the control surfaces. In essence, the engine commands and control surface deflections need to be determined in a fashion that would in turn produces these required optimal forces and moments, that are initially computed. To this end, the mushy state simulated annealing (MSSA) approach is utilized as a novel idea to perform the above-mentioned task that also shows the potential of this intelligent search engine for a practical aerospace problem of flight mechanics. With this idea, the optimal control commands are derived for consecutive time steps through inverted dynamics using algebraic equations in a closed loop fashion. Each time step resulting commands are applied to the vehicle through its nonlinear equations of motion in order to obtain the next updated states of the system. The loop iterates forward while the aircraft tries to track the desired path. It is shown that the proposed integrated closed loop scheme has good robustness properties against disturbances and thus could be potentially used for complex nonlinear control systems.