Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблемы повышения безопасности полетов и повышения эффективности выполнения полетного задания все более тесно связываются с необходимостью учета человеческого фактора. Так анализ статистических данных Federal Aviation Administration и NASA об авариях и катастрофах самолетов США за последние двадцать лет показывает, что причиной более чем половины аварий являлись неправильные действия экипажей. При этом оказалось, что свыше 70% инцидентов, не приведших к авариям, тоже должны быть отнесены на счет человеческого фактора, причем наибольшее число причин возникновения таких аварийных ситуаций связано с проблемой предотвращения столкновений самолетов на земле и в воздухе.
Большая доля авиационных происшествий по оценкам НИИ авиационного оборудования, связанных с человеческим фактором, обусловлена следующим:
во-первых, возросшей сложностью авиационной техники, увеличением интенсивности воздушного движения и, следовательно, необходимостью усвоения летным составом большого объема знаний по принципам работы разнотипных бортовых систем и действиям по управлению ими и пилотированию в особых ситуациях, причем количество этих ситуаций может достигать десятков тысяч;
во-вторых, недостаточно эффективной информационной связью "человек -машина", не всегда позволяющей пилоту правильно оценивать сложившуюся ситуацию, понимать состояние и режимы работы бортовых систем и, следовательно, безошибочно и эффективно управлять ими и самолетом в целом.
Задача состоит в том, чтобы совместными усилиями авиационных фирм, НИИ и ВУЗов сформировать такие условия работы, чтобы свести к минимуму вероятность ошибочных действий экипажа, а в случае их возникновения исключить переход особой ситуации в авиационное происшествие. Успешное решение данной задачи связано с проблемой синтеза интегрированных систем автоматизированного и автоматического управления (ИСАУ) полетом в ее различных постановках.
Важное направление исследований связано с разработкой эргатических исследовательских макетов пассивной макроволновой радиолокационной станции (ПМРЛС), обеспечивающей автономное обнаружение, опознавание и сопровождение конфликтующего самолета. ПМРЛС входит в состав пассивного бортового комплекса радиолокации (ПКБР), который, в свою очередь, является подсистемой системы предупреждения столкновений (СПС) и интегрированного бортового комплекса (ИБК) летательного аппарата (ЛА) в целом. Управляющей подсистемой ПКБР является иерархическая многофункциональная ИСАУ.
Академиком РАН А.А. Красовским и его учениками Буковым В.Н., Кулабухо-вым B.C., Максименко И.М., Рябченко В.Н., Наумовым А.И., Шендриком B.C., Федосеевым А.С, Чудиновой В.Г. и др. разработано научное направление теории оптимизации по неклассическим функционалам качества. Методы этой теории реализуют единственный, уникальный в мировой практике, подход к синтезу управлений ИСАУ в реальном времени. Однако и в такой постановке задачи оптимизации ИСАУ не решены в полной мере вопросы синтеза самоорганизующихся регуляторов на основе исходных нелинейных уравнений динамики воздушного судна, принятия решения
летчиком в условиях неопределенности, интеграции возможностей человека-оператора и ЛА.
Этим и определяется актуальность проводимых в диссертации исследований, которая подтверждена получением в соавторстве 3 грантов РФФИ (проекты № 97-01-00014, № 99-01-00285, № 09-08-00945).
Целью диссертационной работы является разработка теории и алгоритмического обеспечения интегрированной системы управления и ПКБР в целом.
Для достижения цели необходимо решить ряд взаимосвязанных задач:
а) создание на единой основе (принцип расширения, неклассические функцио
налы качества) итерационных приближенных методов решения задач оптимального
управления, и их реализация в методиках и алгоритмах точной и приближенной оп
тимизации управляющей подсистемы на командном и исполнительном уровнях;
б) разработка полной логико-вероятностной модели принятия решения в усло
виях неопределенности на информационном уровне ИСАУ и обеспечение интеллек
туального взаимодействия человека - оператора с внешней средой через нечеткий
регулятор - антропоцентрическую модель летчика;
в) развитие структуры алгоритмов и теории интерферометрического определе
ния координат основной подсистемы ПКБР - ПМРЛС с малыми базами.
Объектом исследования являются интегрированные САУ, ПМРЛС с малыми базами для летательных аппаратов различного назначения. Предмет исследования -методы синтеза высокоточных всережимных ИСАУ и ПКБР в целом.
Методы исследования. В диссертации использованы группа методов теории оптимального управления; аппарат нечетких логик, статистические методы обнаружения сигналов, методы математического и статистического моделирования, методы прикладной теории нелинейного функционального анализа, методы теории информации.
Научная новизна. Все результаты, полученные в работе, являются новыми.
Предложено и получило развитие новое научное направление в теории приближенно-оптимального синтеза регуляторов, основанное на многометодной технологии: на совместном использовании достаточных условий оптимальности и необходимых условий (стационарности, в форме принципа минимума) и метода продолжения по параметру. Сформулирована новая синергетическая постановка решения задач синтеза в условиях вырожденности.
Предложены основы обобщенной теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР) в вырожденной формулировке.
Разработана вероятностная методология оценки опасных ситуаций в СПС.
Разработана теория и алгоритмическое обеспечение определения координат конфликтующего самолета для ПМРЛС с малыми базами.
5. Разработана методика синтеза многофункциональной нелинейной ИСАУ.
На защиту выносятся следующие положения:
Многометодная технология решения задач управления в вырожденной формулировке на основе совместного применения методов интервальной оптимизации (достаточных условий Беллмана - Кротова) и локальной оптимизации (квазилинеаризации), продолжения по параметру.
Итерационно - релаксационный метод решения двухточечных краевых задач управления непрерывными динамическими объектами, основные теоремы и
общая структура нечетких алгоритмов с прогнозирующей моделью по схемам динамического программирования (ДП): схеме дифференциального ДП, схеме приближений в пространстве политик, аналогу вариационной схемы.
3. Основы теории АКОР по неклассическим функционалам качества в вырож
денной формулировке:
основные теоремы принципа минимума ФОР по схемам ДП;
изопериметрические условия для квадратичной, степенной форм, суммы степеней квадратичных форм и формы с аддитивными функциями затрат на управление в новом неклассическом функционале качества общего вида;
нечеткие алгоритмы по схемам ДП при различных стратегиях управления с прогнозированием;
метод и алгоритмы решения сингулярно-вырожденных задач АКОР для схемы дифференциального ДП;
необходимые и достаточные условия оптимальности задачи АКОР в вырожденной формулировке для схемы дифференциального ДП.
Полная логико-вероятностная антропоцентрическая модель летчика - продукционная система поддержки принятия решения в условиях физической и информационной неопределенностей.
Алгоритмы СПС и интерферометрической теории определения координат радиоизлучающей цели.
Методика синтеза многоуровневых систем управления ЛА на основе декомпозиции его нелинейной модели по уровням (информационный, траекторный, пилотажный).
Результаты исследований разработанных алгоритмов в траекторных задачах динамики управляемого полета (стабилизация углового положения и заход на посадку, предупреждение столкновений двух ЛА в воздухе).
Прикладная ценность работы состоит в следующем:
Разработанные алгоритмы, их модификации и программное обеспечение могут быть положены в основу методологии создания эргатического ПКБР: в ПМРЛС -через разработку высокоточных алгоритмов интерферометрического определения координат радиоизлучающей цели, в интегрированной САУ - через совместное оценивание и прогнозирование состояний ЛА и летчика.
Основные результаты диссертационной работы могут быть использованы научно-исследовательскими учреждениями при разработке перспективных нелинейных интегрированных систем автоматического управления ЛА с элементами самоорганизации на основе аппарата нечетких логик и в других областях науки и техники.
По результатам исследований получено в соавторстве 2 патента РФ на полезную модель и 1 патент РФ на способ управления.
Реализация полученных результатов. Результаты диссертации использовались при разработках исследовательских макетов ПМРЛС второй очереди на летающей лаборатории ПКБ «Раменское» (самолет ТУ-154 М); внедрены в опытно-конструкторские разработки АВПК им. Сухого (ИАПО «Иркут»). Результаты диссертации были использованы в 12 отчетах о НИР (МО РФ, ИКМ, ПКБ «Раменское», ВНК ВВС, ИАПО «Иркут» и др.), а также в учебном процессе ВВА им. Н.Е. Жуковского - Ю.А. Гагарина, Иркутского ВВАИУ (ВИ), Воронежского ВАИУ при препо-
давании дисциплин «Системы автоматического управления полетом», «Пилотажно-навигационные (и комплексные) тренажеры».
Достоверность научных результатов и выводов диссертации подтверждается следующим:
I). Методы и алгоритмы с прогнозирующими моделями по неклассическим функционалам качества, разработанные автором, базируются на фундаментальных результатах современной теории автоматического управления.
II). Свойства разработанных методов приближенно-оптимального синтеза регуляторов, одновременно использующих необходимые и достаточные условия оптимальности, сопоставлены со свойствами общепризнанных методов через решение тестовых примеров.
III). Математическая модель пространственного движения ЛА протестирована на соответствие реальному объекту (самолету среднего класса ИЛ-76М) по результатам летных экспериментов. Работоспособность и эффективность синтезированных законов управления подтверждена сравнительным анализом результатов моделирования нелинейной САУ и штатной САУ-1Т-2Б.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2 Международных симпозиумах, на 11 Международных конференциях, на 8 Всероссийских конференциях, на 2 межвузовских и 13 региональных конференциях, на 9 научных семинарах РАН: на I Международной конференции по экранопланам (Иркутск, ИГУ, 1993), на Международной конференции по безопасности полетов (Жуковский, ЦАГИ, 1993), на Международной конференции "Фундаментальные исследования в аэрокосмической науке" (Жуковский, ЦАГИ, 1994), на Международной конференции "Экспериментальное оборудование и сертификация авиационной техники" (Жуковский, ЦАГИ, 1995), на Международной конференции "Авиационные технологии 2000" (Жуковский, ЦАГИ, 1997), на Международном симпозиуме под эгидой IF АС "Сингулярные решения и возмущения в системах управления" (Пере-славль-Залесский, ИПС РАН, 1997), на Международной конференции "Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления" (Ярополец, МГАИ(ТУ), 1998), на Международной конференции по проблемам управления (Москва, ИПУ РАН, 1999), на Международной конференции "Математика, информатика и управление" (Иркутск, ИПМ РАН, ИДСТУ СО РАН, 2000), на XII Байкальской международной конференции "Методы оптимизации и их приложения"(Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2001), на Международном симпозиуме "Обобщенные решения в задачах управления" (Переславль-Залесский, ИПС РАН, 2002), на IX Международной Четаевской конференции (Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2007), на научном семинаре РАН "Состояние и новые пути решения проблемы астероидной опасности" (Москва, ВАТУ, 1997), на XIII - XV Всероссийских научно- технических конференциях "Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов ЛА с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока" (Иркутск, ИВВАИУ (ВИ), 2003, 2005, 2008 г.г.), на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий (Ми-асс, РАН, Уральское отделение проблем машиностроения, механики и процессов управления, 2004), на Всероссийской научно-технической школе-семинаре "Передача, обработка и отображение информации" (Ставрополь, СВВАИУ (ВИ), 2006), на
XXVI всероссийской школе по голографии и когерентной оптике (Иркутск, ИВВАИУ (ВИ), 2007), на X и XI Всероссийских научно-технических конференциях "Научные исследования и разработки в области авиационных, космических и транспортных систем" (Воронеж, ВГТУ, 2009; г. Таруса, ИКИ РАН, 2010), на второй межвузовской научно-практической конференции "Транспортная инфраструктура Сибирского региона" (Иркутск, ИрГУПС, 2011), на XII Международной научно-технической конференции "Кибернетика и высокие технологии XXI века"(Воронеж, ВГУ, 2011), на конференциях и семинарах Военно-Воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского (1994 - 1999, 2002, 2004 г.г.), Иркутского высшего военного авиационного инженерного училища (военного института) (1992 - 1996, 1999-2008 г.г.); на семинарах научного общества "Теория и системы управления" (1995), Иркутского института динамики систем и теории управления СО РАН (1999, 2002 г.г.), Иркутской государственной экономической академии и кафедр теории систем и методов оптимизации Иркутского государственного университета (1995).
Под руководством автора подготовлена к защите 1 кандидатская диссертация и защищены 3 кандидатские диссертации.
Публикации. Непосредственно по теме диссертации опубликовано 75 работ, включая 3 монографии, 3 патента РФ на изобретение; 13 статей, рекомендованных по перечню ВАК РФ. Наиболее значимые работы приведены в списке публикаций.
Личный вклад автора. Основные результаты работы принадлежат лично автору. К ним относятся теоремы и доказательства о свойствах алгоритмов, методология синтеза интегрированных САУ и ПБКР в целом. Совместно с В.Н. Буковым разработана модификация итерационного метода АКОР на основе аппарата функций чувствительности, получены условия приведения исходной задачи динамического программирования к задаче оптимального управления по неклассическим функционалам качества, исследованы свойства многовариантности адаптивных прогнозирующих систем. Нелинейные математические модели траєкторного движения ЛА были разработаны совместно с А.И. Наумовым и А.В. Лущик. В остальных совместных работах, определяющих результаты исследований, автор выполнял непосредственное научное руководство.
Автор выражает признательность профессорам В.Н. Букову, Ю.Ф. Мухопаду за непосредственное участие в исследованиях и большую моральную поддержку, а также дружному коллективу кафедры Пилотажно-навигационных комплексов ЛА ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского - Ю.А. Гагарина, оказавшему помощь в подготовке модельных задач управления динамикой ЛА.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе и библиографического списка из 308 наименований. Объем диссертации - 302 страницы текста, включая 21 таблицу, 71 рисунок.
