جبران‌سازی تأخیر زمانی در شبیه‌سازی سخت افزار در حلقه تحت شبکه سیستم کنترل پرواز با استفاده از روش پیش‌بینی چندجمله‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گلپایگان*مهندسی مکانیک

چکیده

شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه روشی برای تست سخت‌افزار کنترل‌کننده یک سیستم کنترل حلقه بسته به صورت واقعی در کنار شبیه‌سازی نرم‌افزاری بقیه اجزای سیستم است. در این مقاله به شبیه‌سازی سخت افزار در حلقه سیستم کنترل زاویه فراز یک هواپیما پرداخته می‌شود. این سیستم شامل یک کامپیوتر برای شبیه‌سازی زمان- واقعی پرواز و یک بورد الکترونیکی به عنوان سیستم کنترل پرواز است که با پروتکل شبکه به هم متصل شده‌اند. تأخیر زمانی ناشی از اتصال کامپیوتر شبیه‌سازی پرواز و سخت‌افزار در سیستم حلقه بسته می‌تواند باعث کاهش عملکرد سیستم و یا حتی ناپایداری شود. برای جبران‌سازی و اثر تأخیر زمانی در عملکرد سیستم، از روش پیش‌بینی چندجمله‌ای استفاده شده است. با استفاده از این روش پیش‌بینی، نتایج شبیه‌سازی سخت افزار در حلقه با نتایج شبیه‌سازی کامپیوتری بدون تأخیر زمانی مقایسه گردیده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه بیانگر عملکرد مناسب پیش‌بینی کننده چندجمله‌ای در جبران اثر تأخیر زمانی ایجاد شده است. همچنین عدم قطعیت در مدل هواپیما که ناشی از مشتقات پایداری و کنترل است در تأخیر زمانی بحرانی، بررسی شده است و بعضی از مشتقات پایداری و کنترل هواپیما که تأثیر بیشتری بر تأخیر زمانی بحرانی در شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه تحت شبکه دارند، بدست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Time-delay compensation for networked hardware-in-the-loop simulation of a flight control system using polynomial prediction

نویسنده [English]

  • Mostafa Nasiri
چکیده [English]

Hardware-in-the-loop simulation is an effective approach for testing the electronic controller of a closed-loop control system within a computer-based real-time simulation of the rest of the system. In this paper, the pitch attitude hold mode controller of an aircraft vehicle is tested using hardware-in-the-loop simulation. A computer is used for real-time simulation of flight, and an electronic board is employed for controller implementation. The controller and the simulator are connected using a network protocol. The hardware-in-the-loop simulation can achieve unstable behavior or inaccurate results due to the time-delay of network connection. The maximum allowable delay bound in networked connection is derived using the method of delayed differential equations. The sufficient conditions for the stability of linear time-delay systems are given. The proof makes use of Lyapunov–Krasovskii functional and the condition is expressed in term of linear matrix inequalities. Therefore, a polynomial-based predictor is designed for the time-delay compensation of network connection. The consistency of the experimental real-time simulation and off-line simulation shows the applicability of the presented method for mitigating the effect of time-delay in the networked hardware-in-the-loop simulation. Also, the uncertainty of the model due to stability and control derivatives are considered for analyzing the stability of the networked hardware-in-the-loop simulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hardware-in-the-loop
  • Flight control
  • Network connection
  • time-delay
  • Polynomial prediction
[1]
R. Isermann, J. Schaffnit, S. Sinsel, Hardware-in-the-loop simulation for the design and testing of engine-control systems, Control Engineering Practice, 7(5) (1999) 643-653.
[2]
H.K. Fathy, Z.S. Filipi, J. Hagena, J.L. Stein, Review of hardware-in-the-loop simulation and its prospects in the automotive area, in:  Modeling and simulation for military applications, International Society for Optics and Photonics, 2006, pp. 62280E.
[3]
C. Kamali, S. Jain, Hardware in the Loop Simulation for a Mini UAV, IFAC-PapersOnLine, 49(1) (2016) 700-705.
[4]
M.A. Al-Jarrah, M. Hasan, HILS setup of dynamic flight path planning in 3D environment with flexible mission planning using Ground Station, Journal of the Franklin Institute, 348(1) (2011) 45-65.
[5]
D. Kumar, G. Kumaresan, Processor-in-loop simulation for formation flying of multiple unmanned MAVs, IFAC-PapersOnLine, 49(1) (2016) 688-693.
[6]
M. Amoozadeh, B. Ching, C.-N. Chuah, D. Ghosal, H.M. Zhang, VENTOS: Vehicular Network Open Simulator with Hardware-in-the-Loop Support, Procedia Computer Science, 151 (2019) 61-68.
[7]
X.-J. Qiu, W.-H. Zheng, Y.-T. Tang, F. Lu, The Test Verification Design Method Based on Rapid Prototyping Technology of Aero-engine, Procedia Engineering, 99 (2015) 981-990.
[8]
T.H. Bradley, B.A. Moffitt, D.N. Mavris, T.F. Fuller, D.E. Parekh, Hardware-in-the-loop testing of a fuel cell aircraft powerplant, Journal of Propulsion and Power, 25(6) (2009) 1336-1344.
[9]
M. Karpenko, N. Sepehri, Hardware-in-the-loop simulator for research on fault tolerant control of electrohydraulic actuators in a flight control application, Mechatronics, 19(7) (2009) 1067-1077.
[10]
N. Gans, W. Dixon, R. Lind, A. Kurdila, A hardware in the loop simulation platform for vision-based control of unmanned air vehicles, Mechatronics, 19(7) (2009) 1043-1056.
[11]
H. Wenbo, Z. Qiang, The hardware-in-the-loop simulation on the control system of a small launch vehicle, Procedia Engineering, 29 (2012) 1867-1871.
[12]
L. Waszniowski, Z. Hanzálek, J. Doubrava, Aircraft Control System Validation via Hardware-in-the-Loop Simulation, Journal of aircraft, 48(4) (2011) 1466-1468.
[13]
M.M. Gade, S. Hangal, D. Krishnan, H. Arya, Development of obstacle avoidance controller for MAVs: Testing in hardware-in-loop simulation, IFAC-PapersOnLine, 49(1) (2016) 413-418.
[14]
C. Berbra, D. Simon, S. Gentil, S. Lesecq, Hardware in the loop networked control and diagnosis of a quadrotor drone, in:  the 7th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes, Barcelone, Espagne, Citeseer, 2009.
[15]
C. Qi, F. Gao, X. Zhao, A. Ren, Q. Wang, Q. Sun, Y. Hu, L. Qiao, Smith predictor based delay compensation for a hardware-in-the-loop docking simulator, Mechatronics, 36 (2016) 63-76.
[16]
C. Qi, F. Gao, X. Zhao, Q. Wang, A. Ren, Hybrid Smith predictor and phase lead based divergence compensation for hardware-in-the-loop contact simulation with measurement delay, Acta Astronautica, 147 (2018) 175-182.
[17]
M. Wallace, D. Wagg, S. Neild, An adaptive polynomial based forward prediction algorithm for multi-actuator real-time dynamic substructuring, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 461(2064) (2005) 3807-3826.
[18]
M.A. Dehghani, M.B. Menhaj, H. Ghaderi, A hardware in the loop simulation testbed for vision-based leader-follower formation flight, Mechatronics, 47 (2017) 223-232.
[19]
Z. Veraszto, G. Stepan, Hardware-in-the-loop Experiments in Presence of Delay, Procedia IUTAM, 22 (2017) 24-30.
[20]
A. Riccobono, A. Helmedag, A. Berthold, N.R. Averous, R.W. De Doncker, A. Monti, Stability and accuracy considerations of power hardware-in-the-loop test benches for wind turbines, IFAC-PapersOnLine, 50(1) (2017) 10977-10984.
[21]
B.L. Stevens, F.L. Lewis, E.N. Johnson, Aircraft control and simulation: dynamics, controls design, and autonomous systems, John Wiley & Sons, 2015.
[22]
J. Roskam, Airplane flight dynamics and automatic flight controls, DARcorporation, 1998.
[23]
M. Wallace, D. Wagg, S. Neild, P. Bunniss, N. Lieven, A. Crewe, Testing coupled rotor blade–lag damper vibration using real-time dynamic substructuring, Journal of Sound and Vibration, 307(3-5) (2007) 737-754.
[24]
R. Sipahi, S.-I. Niculescu, C.T. Abdallah, W. Michiels, K. Gu, Stability and stabilization of systems with time delay, IEEE Control Systems Magazine, 31(1) (2011) 38-65.
[25]
K. Engelborghs, T. Luzyanina, D. Roose, Numerical bifurcation analysis of delay differential equations using DDE-BIFTOOL, ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS), 28(1) (2002) 1-21.