Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери
| dc.contributor.advisor | Збруцький, Олександр Васильович | |
| dc.contributor.author | Осокін, Владислав Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2025-05-06T08:00:28Z | |
| dc.date.available | 2025-05-06T08:00:28Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Осокін В.С. Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 173 «Авіоніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертаційна робота присвячена розробці інваріантної до збурень системи керування оптичною віссю камери для авіаційних і космічних застосувань, що дозволяє стабілізувати і контролювати зображення з оптичних приладів з високою точністю в умовах невизначених зовнішніх збурень. Тематика дослідження пов’язана з розробкою систем керування, які мають інваріантність до збурень і забезпечують стабільне керування оптичною віссю камери в умовах невизначених і змінних зовнішніх впливів. Системи стабілізації та керування, які здатні працювати з високою точністю в умовах невизначеності, мають особливе значення для сучасної авіаційної та космічної техніки. Однією з найважливіших задач є забезпечення стабільності і точності автоматичних систем керування, які керують оптичною віссю камер тепловізійних пристроїв, що використовуються на літальних апаратах різного призначення. При цьому особлива увага приділяється здатності систем до адаптації в умовах невизначених зовнішніх збурень, які можуть суттєво впливати на формування зображення для коректного розпізнавання та наведення. Для вирішення цих задач необхідне застосування новітніх методів математичного моделювання, розробки алгоритмів керування та обчислювальних засобів, які дозволяють отримати стабільну, високоточну систему керування. Дослідження фокусується на створенні систем автоматичного керування, які базуються на принципах оберненої динамічної моделі системи. Це забезпечує можливість підвищити точність і стійкість в умовах зовнішніх збурень завдяки компенсації неконтрольованих впливів у реальному часі. Особливу роль у цьому відіграють математичні моделі, які описують динаміку систем керування оптичними системами і дозволяють передбачити її поведінку в різних умовах експлуатації. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності систем автоматичного керування (САК) оптичною віссю камер шляхом розробки та впровадження інваріантної до збурень системи керування з використанням адаптивного коефіцієнту на основі оберненої динамічної моделі системи, що дозволяє досягти гарантованої точності в умовах непередбачуваних зовнішніх впливів. У першому розділі проведено всебічний аналіз існуючих методів і алгоритмів керування, які використовуються для стабілізації та керування оптичними осями камер. Розглянуто основні сучасні підходи, зокрема зворотну динамічну систему, адаптивне керування, робастне керування та метод активного компенсування збурень, що дозволяють забезпечити високу точність роботи САК. На основі цього аналізу сформульовано вимоги до розроблення нової системи керування, яка відповідатиме сучасним викликам в авіаційній галузі. Другий розділ присвячено розробці математичної моделі САК для керування та стабілізації оптичної осі камери, яка забезпечує гарантовану точність і стійкість перехідних процесів при змінних зовнішніх умовах. Математична модель враховує динаміку системи стабілізації та керування оптичною системою та забезпечує високу точність стабілізації зображення. Третій розділ містить розробку алгоритму автоматичного керування, що забезпечує інваріантність до збурень. Запропоновано новий алгоритм формування коефіцієнтів зворотного зв’язку на основі параметрів оптимальної системи з використанням оберененої динамічної моделі системи та додаткового контуру який базується на наближенні змінної стану до допустимої межі та дозволяє досягати гарантованої точності стабілізації при непередбачуваних відхиленнях. Представлено метод визначення параметрів додаткового контуру керування для забезпечення стійкості та адаптивності системи, що дозволяє системі підлаштовуватися до змінних умов в реальному часі. Четвертий розділ присвячено математичному моделюванню роботи розробленої системи керування гарантованої точності. Показано, що запропонований алгоритм забезпечує високу ефективність в умовах невизначених збурень. Проведено порівняння з традиційними методами, що демонструє суттєве покращення якості перехідного процесу керування та стабілізації. Практичне значення роботи полягає у можливості використання розробленої системи в авіаційних та космічних системах для підвищення ефективності роботи тепловізійних камер і сенсорів. Це досягається шляхом забезпечення гарантованої точності в роботі системи керування за умов дії невизначених збурень, зменшення похибки стабілізації та покращення якості формування і обробки зображень. Розроблені алгоритми підвищують точність цілевказівки, зменшують вплив зовнішніх факторів, таких як вібрації та сухе тертя, і забезпечують адаптивність до змін у зовнішньому середовищі. Система може бути інтегрована у складі сучасних тепловізійних приладів, систем наведення та автоматичного супроводження цілі, що використовуються у високоточній техніці. Її впровадження сприяє зростанню ефективності та конкурентоспроможності вітчизняних авіаційних і космічних технологій. Практичні результати роботи реалізовані у виробничих умовах ДП «СПБ Арсенал», що підтверджується відповідним актом впровадження (Додаток Д). Наукова новизна отриманих результатів 1. Вперше запропоновано метод формування коригуючого впливу для компенсації збурень, який базується на наближенні змінної стану до допустимої межі. Показано, що алгоритм забезпечує гарантовану компенсацію збурень та необхідну якість перехідного процесу. 2. Вперше розроблено алгоритм забезпечення інваріантності до збурень демонструє високу ефективність за різних умов, зменшує похибку стабілізації, підвищує точність керування та зберігає стабільність системи в умовах випадкових збурень, на які не накладаються обмеження. 3. Вперше запропоновано застосування підходу оберненої динамічної моделі системи для систем високого порядку для забезпечення стабільності та якості перехідного процесу системи автоматичного керування, що не залежить від характеру збурень, запропонований підхід не накладає обмежень на характер збурень оскільки не потребує їх вимірювання, що дозволяє використовувати систему в умовах змінних та непередбачуваних зовнішніх впливів. 4. Встановлений вплив кожної з алгебраїчної, диференціальної та інтегральної складових регулятора гарантування точності на динаміку системи керування, що дозволило оптимізувати параметри регулятора для підвищення швидкодії та якості перехідного процесу і компенсацію накопиченої похибки, особливо під час тривалих збурень. 5. Узагальнена математична постановка задачі гарантування точності керування як розв’язання алгебро–диференціальних рівнянь з обмеженнями. Публікації. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковані у 5 наукових статтях у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України категорії «Б», у 5 тез доповідей на міжнародних науково–технічних конференціях, 1з яких матеріали конференції індексуються в Scopus. | |
| dc.description.abstractother | Osokin V.S. Disturbance–invariant optimal control system for the optical axis of the camera. – Qualification scientific work in the form of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 173 “Avionics” – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The preparation was carried out at the Department of Aircraft Control Systems of the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The dissertation is devoted to the development of a disturbance-invariant optical axis control system for aviation and space applications, which allows stabilizing and controlling images from optical instruments with high accuracy in conditions of uncertain external disturbances. The research topic is related to the development of control systems that are invariant to disturbances and provide stable control of the optical axis of the camera in conditions of uncertain and variable external influences. Stabilization and control systems that are able to operate with high accuracy in conditions of uncertainty are of particular importance for modern aviation and space technology. One of the most important tasks is to ensure the stability and accuracy of automatic control systems that control the optical axis of cameras of thermal imaging devices used on aircraft for various purposes. In this case, special attention is paid to the ability of systems to adapt in conditions of uncertain external disturbances, which can significantly affect the formation of an image for correct recognition and guidance. To solve these problems, it is necessary to use the latest methods of mathematical modeling, develop control algorithms and computing tools that allow obtaining a stable, high-precision control system. The research focuses on the creation of automatic control systems based on the principles of an inverse dynamic system. This provides an opportunity to increase accuracy and stability in conditions of external disturbances due to compensation of uncontrolled influences in real time. A special role in this is played by mathematical models that describe the dynamics of optical system control systems and allow predicting their behavior in various operating conditions. The purpose of the dissertation is to increase the accuracy of automatic control systems of the optical axis of cameras by developing and implementing a disturbanceinvariant control system using an adaptive coefficient based on an inverse dynamic system, which allows achieving guaranteed accuracy in conditions of unpredictable external influences. The first section provides a comprehensive analysis of existing control methods and algorithms used to stabilize and control the optical axes of cameras. The main modern approaches are considered, in particular the inverse dynamic model, adaptive control, robust control and the method of active disturbance compensation, which allow to ensure high accuracy of the ACS operation. Based on this analysis, requirements for the development of a new control system that will meet modern challenges in the aviation industry are formulated. The second section is devoted to the development of a mathematical model of the ACS for controlling and stabilizing the optical axis of the camera, which provides guaranteed accuracy and stability of transient processes under variable external conditions. The model takes into account the dynamics of the stabilization system and control of the optical system and provides high accuracy of image stabilization. The third section contains the development of an automatic control algorithm that ensures invariance to disturbances. A new algorithm for forming feedback coefficients based on the parameters of the optimal system using the inverse dynamic system and an additional contour is proposed, which is based on the approximation of the state variable to the permissible limit and allows to achieve guaranteed stabilization accuracy under unpredictable deviations. A method for determining the parameters of an additional control loop is presented to ensure the stability and adaptability of the system, which allows the system to adapt to changing conditions in real time. The fourth section is devoted to mathematical modeling of the operation of the developed control system of guaranteed accuracy. It is shown that the proposed algorithm provides high efficiency under conditions of uncertain disturbances. A comparison with traditional methods is made, which demonstrates a significant improvement in the quality of the transient process and stabilization. The practical significance of the work lies in the possibility of using the developed system in aviation and space systems to increase the efficiency of thermal imaging cameras and sensors. This is achieved by ensuring guaranteed accuracy in the operation of the control system under conditions of uncertain disturbances, reducing the stabilization error and improving the quality of image formation and processing. The developed algorithms increase the accuracy of target designation, reduce the influence of external factors, such as vibrations and dry friction, and provide adaptive Scientific novelty of the obtained results. 1. For the first time, a method for forming a corrective effect for compensating for disturbances is proposed, which is based on the approximation of the state variable to the permissible limit. It is shown that the algorithm provides guaranteed compensation of disturbances and the necessary quality of the transient process. 2. For the first time, an algorithm for ensuring invariance to disturbances is developed, which demonstrates high efficiency under various conditions, reduces the stabilization error, increases control accuracy and maintains system stability under conditions of random disturbances, which are not subject to restrictions. 3. For the first time, the application of the inverse dynamic model approach for high-order systems is proposed to ensure stability and quality of the transient process of the automatic control system, which does not depend on the nature of the disturbances. The proposed approach does not impose restrictions on the nature of the disturbances, since it does not require their measurement, which allows the system to be used under conditions of variable and unpredictable external influences. 4. The influence of each of the algebraic, differential and integral components of the accuracy guarantee controller on the dynamics of the control system has been established, which allowed optimizing the controller parameters to increase the speed and quality of the transient process and compensate for the accumulated error, especially during long-term disturbances. 5. The generalized mathematical formulation of the control accuracy guarantee problem as a solution of algebraic-differential equations with constraints Publications. The main scientific results of the dissertation work were published in 5 scientific articles in professional publications included in the list of scientific professional publications of Ukraine of category "B", in 5 abstracts of reports at international scientific and technical conferences, 1 of which conference materials are indexed in Scopus. | |
| dc.format.extent | 194 с. | |
| dc.identifier.citation | Осокін, В. С. Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери : дис. … д-ра філософії : 173 Авіоніка / Осокін Владислав Сергійович. – Київ, 2025. – 194 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73701 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | система автоматичного керування | |
| dc.subject | інваріантність | |
| dc.subject | невизначені збурення | |
| dc.subject | оптимізація | |
| dc.subject | динамічна система | |
| dc.subject | стабілізація | |
| dc.subject | компенсація збурень | |
| dc.subject | алгоритми керування | |
| dc.subject | безпілотні літальні апарати | |
| dc.subject | закон керування | |
| dc.subject | регулятор | |
| dc.subject | оптимальне керування | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | стійкість | |
| dc.subject | automatic control system | |
| dc.subject | invariance | |
| dc.subject | uncertain disturbances | |
| dc.subject | optimization | |
| dc.subject | dynamic system | |
| dc.subject | stabilization | |
| dc.subject | disturbance compensation | |
| dc.subject | control algorithms | |
| dc.subject | unmanned aerial vehicles | |
| dc.subject | control law | |
| dc.subject | regulator | |
| dc.subject | optimal control | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | stability | |
| dc.subject.udc | 621.384.3 | |
| dc.title | Інваріантна до збурень оптимальна система керування оптичною віссю камери | |
| dc.title.alternative | Disturbance–invariant optimal control system for the optical axis of the camera | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: