Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка принципов оценки и коррекции параметров модели динамики полета в авиационных тренажерах 10
1.1 Методологические и организационные основы оценки характеристик авиационных тренажеров 10
1.2 Принципы автоматизированной оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров 20
1.3 Существующие методы оценки адекватности моделей летательных аппаратов .27
1.3.1 Сглаживание массивов исходной информации 29
1.3.2 Методологические аспекты оценки адекватности 30
1.3.3 Подходы к оценке адекватности моделей полета летательных аппаратов 37
1.4 Постановка задачи. Выбор методов исследования поставленной задачи 43
1.5 Выводы 50
2 Особенности математической модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах 52
2.1 Принципы построения математической модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах 52
2.2 Математическая модель движения самолета по взлетно-посадочной полосе 64
2.3 Численные методы расчета равновесных режимов полета самолета 76
2.4 Выводы 93
3 Разработка методов и методик оценки и коррекции параметров модели динамики полета в авиационных тренажерах 95
3.1 Метод оценки динамических характеристик модели динамики полета авиационного тренажера на основе алгебраических инвариантов 95
3.1.1 Алгоритм перехода от описания объекта в пространстве состояний к полиномиальному описанию в правильной минимальной форме 99
3.1.2 Алгоритм синтеза уравнения модуля оценки соответствия характеристик объекта эталонным характеритикам 102
3.2 Методика коррекции параметров модели динамики полета на основе использования алгебраических инвариантов 107
3.3 Метод формирования дополнительных управляющих воздействий для коррекции динамических характеристик авиационного тренажера по эталонным моделям 111
3.4 Выводы 125
4 Применение методик оценки и коррекции параметров полета при разработке автоматизированной системы оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров 126
4.1 Расчет равновесных режимов полета в модуле автоматической балансировки 128
4.2 Расчет режимов полета в модуле автоматического пилотирования 134
4.3 Синтез модуля оценки соответствия динамических характеристик AT на основе алгебраических инвариантов . 143
4.4 Синтез модуля автоматической коррекции динамических характеристик для продольного короткопериодического движения самолета 153
4 5 Выводы 156
Заключение 157
Литература 159
Приложение 17 0
- Методологические и организационные основы оценки характеристик авиационных тренажеров
- Принципы построения математической модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах
- Метод оценки динамических характеристик модели динамики полета авиационного тренажера на основе алгебраических инвариантов
- Расчет равновесных режимов полета в модуле автоматической балансировки
Введение к работе
Современная концепция подготовки экипажей воздушных судов основана на преимущественном использовании наземных технических средств обучения. В настоящее время наиболее эффективным техническим средством обучения является авиационный тренажер [14,57,60,61,71].
Перенос центра тяжести обучения на тренажеры требует строгого подхода к аттестации этих средств. Наряду с сертификацией воздушных судов вопросы сертификации авиационных тренажеров приобрели первостепенное значение. При этом объем испытаний, которые необходимо осуществить, и объем информации, которую необходимо получить и обработать, настолько велик, что без автоматизации процесса испытаний обойтись практически невозможно. Следует отметить, что ни один отечественный тренажер на сегодняшний день не имеет автоматизированной системы испытаний, которая бы позволяла получать летно—технические характеристики тренажера, а также характеристики устойчивости и управляемости в объеме, определенном как отечественными, так и международными нормативными документами. Существуют лишь простейшие системы регистрации и вывода на печать моделируемых параметров без автоматического сравнения с эталонными характеристиками, базы данных которых практически не закладываются в тренажер. Необходимым условием для проведения подобных автоматизированных испытаний является разработка и применение методик оценки и коррекции параметров полета в авиационных тренажерах.
Необходимость разработки таких методик и применение их для оценки характеристик тренажера обусловлены следующим:
1. Оценка характеристик тренажера не является разовой и не ограничивается только сертификационными испытаниями, а должна проводиться периодически и во время эксплуатации тренажера с целью подтверждения соответствия его характеристик требуемым.
Принципиальным при испытаниях является вопрос точного ввода управляющих воздействий. При управлении летчиком-испытателем подбор данных управляющих воздействий требует больших затрат времени и связан со значительными методическими погрешностями.
Сокращение сроков разработки тренажеров также требует переноса большинства испытаний на компьютерные средства.
Объем летной оценки, с помощью которой осуществляется комплексная оценка тренажера, может быть существенно снижен, если ей будут предшествовать автоматизированные испытания на основе методов объективной оценки отдельных имитаторов и систем AT.
Актуальность задачи определяется необходимостью, как с теоретической, так и с практической точек зрения разработки методик оценки и коррекции параметров полета в авиационных тренажерах.
Целью исследования является теоретическое обоснование, разработка, алгоритмическая и программная реализация методик оценки и коррекции параметров модели динамики полета в авиационных тренажерах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
анализа существующих методик оценки летно-технических характеристик (ЛТХ) авиационных тренажеров;
обоснования необходимости разработки методик получения автоматизированной оценки ЛТХ авиационных тренажеров;
разработки методик, алгоритмов и программного обеспечения автоматизированной системы оценки ЛТХ авиационных тренажеров;
разработки структуры автоматизированной системы оценки ЛТХ авиационного тренажера;
разработки оптимальных форм представления результатов испытаний.
Для решения поставленных задач использовались методы современной теории управления и систем человек-машина, теории математического моделирования и системного анализа, теории вероятности и математической статистики. В экспериментальных исследованиях применялось цифровое моделирование с использованием ЭВМ.
Научная новизна работы заключается:
в методах расчета равновесных режимов полета, используемых при автоматизированной оценке характеристик авиационных тренажерах;
методе оценки характеристик авиационных тренажеров на динамических режимах на основе алгебраических инвариантов ;
методике коррекции параметров модели динамики полета на основе использования алгебраических инвариантов;
методе формирования дополнительных управляющих воздействия для коррекции динамических характеристик
авиационных тренажеров на основе теории прогнозно-оптимизационного управления.
Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных разработок и исследований, направленных на повышение эффективности проведения испытаний авиационных тренажеров. Результаты работы внедрены в виде методики определения объективной летной оценки летно-технических характеристик тренажеров в ГосНИИ ГА, а также внедрены в производство в Пензенском конструкторском бюро моделирования и использованы при разработке, испытаниях и эксплуатации комплексных тренажеров самолетов Ан-74, Ан-72, Ил-96~300, семейства самолетов Ту-204.
На защиту выносятся:
методика автоматического расчета равновесных режимов полета в авиационных тренажерах;
методика автоматического расчета основных режимов полета в авиационных тренажерах;
метод оценки динамических характеристик - авиационных тренажеров на основе алгебраических инвариантов;
методика коррекции параметров модели динамики полета, основанная на использовании алгебраических инвариантов;
метод решения задачи автоматической коррекции параметров модели динамики полета в авиационных тренажерах по эталонным моделям.
Работа состоит из введения и четырех глав.
В первой главе проводится анализ состояния проблемы. Рассматриваются методы и критерии оценки характеристик авиационных тренажеров. Ставится задача оценки соответствия ЛТХ, полученных на тренажере и по результа-
там летных испытаний. Дается анализ существующих методов оценки адекватности моделей самолетов.
Во второй главе обосновываются принципы построения и получения статических характеристик модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах. Предложена модель движения по взлетно-посадочной полосе (ВПП). Исходя из особенностей решения задач динамики полета и вычислительной эффективности, осуществляется выбор численного метода определения равновесных режимов полета.
В третьей' главе для оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров на динамических режимах предлагается использовать один обобщенный параметр в виде алгебраического инварианта. На основе использования алгебраических инвариантов, а также: теории прогнозно-оптимизационного управления разработаны методика коррекции параметров модели динамики полета и метод формирования дополнительных управляющих воздействий для коррекции динамических характеристик авиационного тренажера.
В четвертой главе на основе разработанных методов и методик рассматриваются вопросы разработки программно-математического обеспечения для оценки и коррекции параметров полета в AT, которые используются в автоматизированной системе оценки ЛТХ AT. Представлены модули расчета равновесных режимов полета, автоматического пилотирования, оценки соответствия характеристик коротко-периодического продольного и бокового движений авиационного тренажера, коррекции динамических характеристик продольного короткопериодического движения на основе синтеза управления по эталонным и прогнозирующим моделям.
*
%
Ш;
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Годунову А.И. и научному консультанту к.т.н. Мандрикову В.И. за помощь, оказанную при написании данной работы.
1 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА В АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРАХ
Методологические и организационные основы оценки характеристик авиационных тренажеров
Современная концепция подготовки экипажей воздушных судов (ВС) основана на преимущественном использовании наземных обучающих средств.
Наиболее эффективным наземным обучающим средством является тренажер. В настоящее время в связи с бурным развитием компьютерных технологий тренажеры становятся высокоинтеллектуальными и высокотехнологическими человеко-машинными системами [16] . В современных тренажерах, разрабатываемых на базе ПЭВМ, внедряются элементы человеко-машинного интеллекта/ используются системы имитации внешней обстановки, обеспечивающие эффект погружения в виртуальную реальность, применяются автоматизированные системы объективного контроля в реальном масштабе времени с анализом уровня натренированности, создаются оптимальные электронные инструкторы [13] и автоматизированные обучающие системы.
Перенос центра тяжести обучения на тренажеры требует строгого подхода к аттестации этих средств. Наряду с сертификацией ВС вопросы сертификации авиационных тренажеров (AT) приобрели первостепенное значение.
Сертификация подтверждает соответствие изделий требованиям стандартов. Она должна подтвердить, что изготовитель в состоянии стабильно обеспечивать заявленное им качество в реальных условиях своего производства, и что свойство выпускаемого товара не ухудшается в течение срока действия сертификата. Нормативные документы, определяющие процедуру оценки пригодности AT для обучения, имеются в США, Англии, Франции, Японии, Австралии и ряде других стран. В Российской Федерации в 1998г. также были приняты «Нормы годности авиационных тренажеров для подготовки авиаперсонала воздушного транспорта». Опыт международного сотрудничества при производстве и использовании тренажеров показал необходимость разработки единых требований к сертификации тренажеров. Поэтому отечественные нормы годности авиационных тренажеров были разработаны в соответствии с международными требованиями и в основном соответствуют международным нормам. Отличия заключаются в объеме предъявляемых требований. Отечественные требования наиболее слабо представлены к моделированию визуальной обстановки и к величинам запаздывания предъявляемой информации. Адаптация международных стандартов к оценке отечественных AT позволит создавать обучающие системы и средства, конкурентоспособные на мировом рынке авиационных тренажеров. Программа сертификации технических средств обучения состоит из методологической и организационной частей. Методологическая часть должна включать в себя разработку: 1. Методов оценки соответствия характеристик тренажера, его систем, имитаторов оборудования объективным требованиям Норм годности при проведении лабораторных, стендовых, автономных и комплексных сертификационных испытаний. 2 . Методов оценки соответствия общим требованиям к годности кабины тренажера, имитаторов динамики полета (ИДП), акселерационных эффектов (ИЭА), акустических шумов (ИАШ), системы визуализации (СВ), а также к сопряжению имитаторов тренажера. 3 . Методов и средств обеспечения объективных испы таний и экспертных оценок, ориентировочные условия вы полнения зачетных режимов. 4. Методики обработки результатов испытаний и мероприятий по обеспечению их безопасности. 5. Положения о сертификации. 6. Норм годности AT. 7. Сертификационных требований и методов оценки соответствия систем тренажера условиям функционирования: взлетно-посадочных средств, силовой установки, навигационных систем и самолетных систем. 8 . Типовых программ испытаний. 9. Стандартизированных банков исходных данных и ре зультатов сертификационных испытаний. 10. Структуры лабораторно-исследовательской базы. 11. Единой программы летного эксперимента. 12. Тактико-технических требований к имитаторам тренажера. Аппаратная часть системы сертификации должна быть оснащена лабораторно-испытательным оборудованием с набором автоматизированных программ сбора, обработки, хранения, формирования экспертных оценок и документирования информации о результатах испытаний.
Принципы построения математической модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах
Авиационный тренажер представляет собой высокоорганизованное техническое средство обучения, поэтому важно знать насколько близко в нем воспроизводятся характеристики реального самолета. Несмотря на наличие ряда отечественных и зарубежных публикаций, посвященных соответствию характеристик AT реальному летательному аппарату, задача о необходимой степени данного соответствия, а также выработка критериев по оценке адекватности характеристик, пока еще рассмотрены недостаточно.
Как отмечалось выше, получение объективной количественной оценки AT на сегодняшний день связано с большим объемом испытаний и большим количеством контролируемых параметров. Поэтому существует необходимость в разработке автоматизированной системы испытаний в составе тренажера.
Ни один отечественный тренажер на сегодняшний день не имеет автоматизированной системы оценки характеристик AT, которая бы позволяла получать летно—технические характеристики тренажера, а также характеристики устойчивости и управляемости в объеме, определенном как отечественными, так и международными нормативными документами. Существуют лишь простейшие системы регистрации и вывода на печать моделируемых параметров без автоматического сравнения их с эталонными характеристиками, базы данных которых практически не закладываются в тренажер. Необходимым условием для проведения подобных автоматизированных испытаний является разработка и применение методик оценки и коррекции параметров полета в авиационных тренажерах.
Необходимость и актуальность разработки таких методик, и применение их для оценки характеристик тренажера описаны во введении.
Как отмечалось, объем летной оценки, с помощью которой осуществляется комплексная оценка тренажера, может быть существенно снижен, если ей будут предшество щ вать автоматизированные испытания на основе методов объективной оценки отдельных компонентов. Т.е., если отвести летной оценке роль средства комплексной оценки информационной модели, формируемой на тренажере, предварительно оценив объективными методами содержание ее составляющих, то из всего разнообразия режимов полета (информационных ситуаций) , подлежащих оценке, можно бу t дет исключить те из них, которые отличаются только содержанием информационных сигналов. Так, например, если в результате испытаний сделан вывод, что летно-технические характеристики модели соответствуют аналогичным характеристикам самолета во всем эксплуатационном диапазоне, то экспертная оценка этапа полета «набор высоты» может производиться только для одного сочетания условий полета (масса самолета - средняя, режим работы двигателей - ном, Vnp - наивыгоднейшая, конфигурация по-летная). Более того, в рассматриваемом случае экспертной оценке может подвергаться только один из этапов полета «набор высоты» и «снижение», поскольку между собой они отличаются целями деятельности и содержанием информационных сигналов, предполагая одинаковый перечень видов информации, выдаваемой летчику, и одинаковый характер их взаимоувязки. Общая схема оценки и коррекции ЛТХ AT представлена на рис.1.2.
Точность воспроизведения характеристик в AT в первую очередь зависит от заложенной модели динамики полета. Имитатор динамики полета современного AT должен позволять воспроизводить все этапы полета самолета: взлет, набор высоты, полет по маршруту, снижение, заход на посадку, посадку и руление. В AT наибольшее распространение получили математические модели динамики полета, основанные на решении нелинейных дифференциальных уравнений. Как правило, модели, разрабатываемые на фирмах-изготовителях самолетов, не используются в AT, что связано с определенными особенностями имитации движения самолета при обучении на тренажере. К таким особенностям можно отнести имитацию отказных и аварийных ситуаций, имитацию предельных режимов и возмущений воздушной среды, учет влияния новых органов управления, упругости конструкции и другие факторы.
Особое внимание необходимо уделять имитации движения по взлетно-посадочной полосе (ВПП). Быстрое развитие вычислительных средств и новых технологий привело к созданию мощных генераторов изображения. Качество и детализация генерируемого изображения настолько высоки, что позволяют летчику на тренажере прививать навыки визуального пилотирования на таких режимах как руление, взлет и посадка. В этом случае чрезвычайно важным является точность моделирования поведения самолета при движении по земной поверхности.
Метод оценки динамических характеристик модели динамики полета авиационного тренажера на основе алгебраических инвариантов
Сравнение вычислительной эффективности методов расчета равновесных режимов полета осуществлялось путем подсчета общего количества вычислений вектора f(x) или, что то же самое, общего количества циклов вычислений авиационного тренажера. В таблице 1 приведены результаты расчетов, полученные на КТС ТУ-2 04 для различных методов решения системы нелинейных уравнений.
Как видно из таблицы, наименьшее число циклов вычисления для определения равновесного режима полета затрачивается при использовании метода секущих. Причем, следует отметить, что количество циклов практически не изменяется с увеличением числа уравнений системы до б на режиме с подбором тяги, когда для других методов количество циклов резко возрастает (более чем в 10 раз) . Метод деформируемого многогранника в режиме с подбором тяги не дал решения, что говорит о нестабильности метода. Анализ показывает, что в качестве численного метода решения систем нелинейных уравнений для расчета равновесных режимов полета следует выбрать метод секущих. Сравнение эффективности методов. Таблица 1. При моделировании динамики полета самолета в авиационных тренажерах в качестве базовой математической модели используются уравнения движения жесткого тела. Высокочастотные аэроупругие колебания и колебания жидкого топлива моделировать в тренажерах не имеет смысла. Их достаточно имитировать по конечному эффекту, используя специально разработанные фильтры в уравнениях аэродинамических коэффициентов. 2. При воспроизведении маневров самолета в вертикальной плоскости с углами тангажа близкими к 90 градусам вместо кинематических уравнений Эйлера с целью исключения неопределенности, возникающей при делении на нуль, необходимо использовать параметры Родрига-Гамильтона (коэффициенты нормированного кватерниона). 3 . При выводе уравнений движения по ВПП необходимо отдельно рассчитывать силы и моменты для каждой стойки шасси, а для тележек основных стоек шасси - для каждой пары колес. При этом необходимо моделировать ход амортизатора стойки, обжатие пневматика колеса, смещение пятна контакта и другие параметры. 4. Исследование таких методов решения систем нелинейных уравнений в применении к задачам динамики полета как метод обратной квадратичной интерполяции-экстраполяции, модифицированный метод хорд, метод секущих, метод деформируемого многогранника показало, что наилучшую скорость сходимости имеют модифицированный метод хорд и метод секущих. Однако по вычислительной эффективности, учитывающей количество вычислений функций исходной системы уравнений, метод секущих на порядок эффективнее модифицированного метода хорд. 5. Для обеспечения сходимости процесса при вычислении из начальных приближений невязка в методе секущих уменьшалась постепенно, что гарантировало монотонность процесса сходимости по невязке. В качестве исключаемой точки на каждом приближении выбиралась точка с максимальной величиной квадрата нормы невязки. Количество вычислений функций исходной системы уравнений зависит от выбора начальных приближений. Чтобы избежать вырождения системы и уменьшить количество итераций, в качестве начальной системы опорных точек выбирались вершины регулярного симплекса. Метод оценки динамических характеристик модели динамики полета авиационного тренажера на основе алгебраических инвариантов Как отмечалось выше, именно в области инвариантов эргатических систем "летчик-самолет" и ""летчик-тренажер" лежат проблемы адекватности моделирования.
Под инвариантностью в системах автоматического управления понимается невосприимчивость того или иного выхода системы к возмущающему воздействию произвольного вида [89,80]. Синтез обобщенного настраиваемого объекта на основе инвариантности используется при построении адаптивных систем управления [81] . В теории чувствительности используются инварианты чувствительности, под которыми понимается функциональная (алгебраическая) зависимость между функциями чувствительности, не содержащая переменных состояния и параметров исходной системы [8 6] . В настоящее время наиболее исследованы линейные инварианты чувствительности. Инварианты чувствительности позволяют упростить модель чувствительности. В технической диагностике систем алгебраические инварианты используются при построении устройств функционального диагностирования [73,74] . В данной работе с помощью алгебраического инварианта, который синтезируется по разработанному алгоритму, в реальном масштабе времени оценивается соответствие характеристик модели эталонным значениям при произвольных входных воздействиях.
Расчет равновесных режимов полета в модуле автоматической балансировки
Для проверки таких режимов к.а.к взлет, набор высоты, разгон-торможение, крейсерский полет, снижение, посадка в рамках системы разработан программный модуль автоматического пилотирования (рис.4.1). Первоначальная установка модели в заданную точку осуществляется с помощью модуля автоматической балансировки, а затем модель автоматически управляется с помощью эталонных управляющих воздействий, полученных по результатам летных испытаний или же происходит автоматическая стабилизация заданных параметров, таких как приборная скорость, барометрическая высота, углы крена и рыскания. При этом законы стабилизации выбираются, исходя из заданной точности.
Модуль автоматического пилотирования предназначен для автоматического управления на стандартных режимах с целью проведения сертификационных испытаний в составе тренажера. Под стандартными понимаются следующие режимы: нормальный, прерванный и продолженный взлет; скороподъемность и планирование; экстренное снижение; скорости по режиму в горизонтальном полете; минимальные и максимальные скорости; правильный вираж; разгон-торможение; динамические режимы (устойчивость и управляемость) ; посадка; движение по ВПП.
Модуль автоматического пилотирования обеспечивает управление математической моделью самолета для данных режимов. Реализация каждого из режимов производится при указании признака режима и набора соответствующих ему параметров. Кроме этого необходимо задание общих данных для каждого режима: вес топлива, вес коммерческой нагрузки, центровка,. положение взлетно-посадочных средств, параметры атмосферы.
Теоретически данный модуль может быть построен на законах классической теории управления [75,15,17], на законах оптимального управления с использованием принципа максимума Понтрягина, метода динамического программирования Беллмана, фильтра Калмана-Бьюси [55] . Также могут быть использованы элементы модели деятельности оператора (МДО), построенной на основе теории прогнозно-оптимизационного управления.
Надо отметить, что по вопросам МДО опубликованы тысячи материалов, однако число практически применяемых эффективных подходов и моделей невелико [100,101,22,54]. Число опубликованных, в той или иной мере формализованных, общих и частных моделей деятельности человека-оператора весьма велико. Это модели типа систем массового обслуживания [72] и функциональных сетей [30,83], структурные схемы и математические операторы разного уровня сложности, в том числе простые передаточные функции.
В работе [5 7] предложена общая полуформализованная прогнозно-оптимизационная МДО. Главным достоинством такой МДО является то, что, отражая в общих чертах общую психофизиологическую модель деятельности оператора [2,9], в тоже время она имеет строго формализованный аналог в виде системы алгоритмов оптимального (субоптимального} управления. При этом данные алгоритмы допускают режим реального времени при существующих вычислительных средствах Расчет режимов набора высоты и снижения в модуле автоматического пилотирования
При наборе высоты или снижении осуществляется управление приборной скоростью или числом М полета с целью выдерживания заданных значений этих параметров через канал руля высоты при программном управлении оборотами двигателей и механизацией объекта. Блок автоматического пилотирования в данном режиме работает следующим образом [36].
Предварительно осуществляется автоматическая балансировка с заданными оборотами двигателей п на заданных высоте Я и приборной скорости Vnp. Далее необходимо осуществлять автоматическое пилотирование для выполнения заданного режима в модуле автоматического пилотирования. Здесь возможны различные методические подходы.
