Методика формирования управляющих воздействий для объективной оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Деревянчук, Наталия Владимировна

• Деревянчук, Наталия Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Деревянчук, Наталия Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Состояние и тенденции развития авиационных технических средств подготовки и обучения авиационных специалистов

1.2 Современные подходы к разработке технических средств обучения управлением летательными аппаратами.

1.3 Методологические основы и принципы объективной оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров

1.4 Постановка задачи. Выбор методов исследования поставленной задачи

1.5 Выводы.

2 ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА В АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРАХ

2.1 Моделирование деятельности оператора на основе прогнозно-оптимизационного управления

2.2 Формирование управляющих воздействий на основе прогнозно-оптимизационного управления

2.3 Математические модели кинематики и динамики движения самолета в авиационных тренажерах

2.4 Декомпозиция процессов управления по иерархическому принципу

2.5 Выводы.

3 ФОРМИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРАХ НА ОСНОВЕ НЕЙРОСЕТЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ . .88 3.1 Применение искусственных нейронных сетей для траекторного уровня управления моделью динамики полета.

3.2 Выбор архитектуры и методики обучения нейроконтроллеров

3.3 Нейросетевое управление вращательным движением модели динамики полета на траекторном уровне

3.3.1 Формирование нейросетевого управления по угловой скорости крена

3.3.2 Формирование нейросетевого управления по угловой скорости тангажа

3.3.3 Формирование нейросетевого управления по угловой скорости рыскания

3.4 Нейросетевое управление поступательным движением модели динамики полета на траекторном уровне

3.4.1 Формирование нейросетевого управления по продольной перегрузке.

3.4.2 Формирование нейросетевого управления по нормальной перегрузке.

3.4.3 Формирование нейросетевого управления по поперечной перегрузке.

3.5 Использование нейроконтроллеров при управлении пространственным движением модели динамики полета

3.6 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В СОСТАВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОБЪЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

4.1 Разработка структурной схемы модуля формирования управляющих воздействий.

4.2 Разработка пилотажного уровня управления для модуля формирования управляющих воздействий

4.3 Формирование управления на этапе взлета на основе прогнозно-оптимизационного управления

4.4 Формирование управления на этапе посадки на основе прогнозно-оптимизационного управления

4.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика формирования управляющих воздействий для объективной оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров»

Повышение профессиональной подготовки летных экипажей по управлению летательными аппаратами непосредственно связано с совершенствованием и активным использованием авиационных тренажеров (AT) [7, 40, 43,44,50] . Большой вклад в решение проблем разработки AT внесен работами Безбогова A.A., Годунова А.И., Горячева В.А., Ефремова A.B., Красовского A.A., Мееровича Г.Ш., Мыльникова В.Г., Предтеченскго А.Н., Пономаренко В. А., Сотникова Д.А. и др.

К тренажерам предъявляются строгие требования при их испытаниях, которые проводятся с целью оценки и подтверждения соответствия характеристик AT характеристикам реального воздушного судна. Традиционно при испытаниях AT проверка режимов полета, например, руление по взлетно-посадочной полосе (ВПП), взлет, набор высоты, заход на посадку осуществляется с помощью летчика и носит субъективный характер.

Современные требования, предъявляемые к авиационным тренажерам в «Нормах годности авиационных тренажеров для подготовки авиаперсонала воздушного транспорта», международном стандарте, в стандартах FAA США и ICAO, ставят задачу получения объективной оценки характеристик авиационных тренажеров. При этом необходимо автоматически формировать управляющие воздействия, аналогичные тем, которые осуществляет летчик при оценке характеристик на данных режимах полета. Обычно такие управляющие воздействия получают из записей, полученных в летных испытаниях. Однако, это сопряжено с большими трудозатратами, связанными с обработкой информации. Использование же летчика-эксперта для многократного повторения тестов в процессе оценки летно-технических характеристик (ЛТХ) является неэффективным. К тому же, выполняемые летчиком управляющие воздействия могут отличаться (не являются идентичными), что также затрудняет оценку ЛТХ.

Для обеспечения испытаний тренажера в соответствии с принятыми нормативами и для решения выше обозначенных проблем необходима разработка средств автоматизации. В связи с этим актуальной является задача разработки методики формирования управляющих воздействий.

Среди коллективов, занимавшихся вопросами формирования управляющих воздействий для оценки соответствия характеристик АТ характеристикам реального воздушного судна, следует отметить Летно-исследовательский институт им.Громова. Специалисты этого института предлагают формировать данное управление на основе классических методов теории автоматического управления.

Данная работа является продолжением исследований в этом направлении с использованием современных подходов, с учетом достижений вычислительной техники и интеллектуальных технологий.

Целью исследования является теоретическое обоснование, разработка, алгоритмическая и программная реализация методики формирования управляющих воздействий для объективной оценки ЛТХ модели динамики полета в авиационных тренажерах.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить задачи: обоснование разработки методики формирования управляющих воздействий для оценки ЛТХ модели динамики полета в авиационных тренажерах; анализ существующих подходов к автоматическому формированию управляющих воздействий в технических средствах подготовки и обучения авиационных специалистов;

- анализ структуры и особенностей формирования управляющих воздействий летчиком по управлению летательным аппаратом (ЛА) и учета этих особенностей в разрабатываемой методике;

- разработка структуры модуля формирования управляющих воздействий для объективной оценки ЛТХ модели динамики полета в авиационных тренажерах;

- разработка методики, алгоритмов и программного обеспечения модуля формирования управляющих воздействий для оценки ЛТХ модели *динамики полета в авиационных тренажерах.

Для решения поставленных задач использовались методы современной теории управления и эргатических систем, теории математического моделирования и системного анализа, теории искусственных нейронных сетей и инженерной психологии. В экспериментальных исследованиях применялось цифровое моделирование с использованием ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в разработке: методики формирования управляющих воздействий для объективной оценки летно-технических характеристик АТ с помощью иерархического управления по трехуровневой схеме и на основе прогнозно-оптимизационного управления;

- схемы построения управления на траекторном уровне, позволяющей формировать заданные перегрузки и заданные угловые скорости модели динамики полета ЛА для обеспечения движения по заданной пространственной траектории с заданным угловым положением;

- схемы построения управления на пилотажном уровне, позволяющей формировать управляющие сигналы органов управления для обеспечения достижения и выдерживания заданных перегрузок и заданных угловых скоростей модели динамики полета ЛА;

- архитектуры, методики обучения и построения ней-роконтроллеров, используемых в качестве нейрорегулято-ров для формирования прогнозно-оптимизационного управления на траекторном уровне.

Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных разработок и исследований, направленных на повышение эффективности использования авиационных тренажеров. Результаты работы внедрены в производство в Пензенском конструкторском бюро моделирования и использованы при разработке комплексных тренажеров семейства самолетов Ту-204.

На защиту выносятся:

- методика формирования управляющих воздействий в АТ с помощью иерархического управления по трехуровневой схеме;

- принципы построения управления на траекторном уровне, формирующем заданные перегрузки и заданные угловые скорости модели динамики полета ЛА;

- принципы построения управления на пилотажном уровне, формирующем управляющие сигналы органов управления; архитектура, методика обучения и построения ней-роконтроллеров, формирующих прогнозно-оптимизационное управление на траекторном уровне; формирование управляющих воздействий для различных этапов и режимов полета в АТ.

Работа состоит из введения, четырех глав и заклюг чения.

В первой главе проводится анализ состояния проблемы. Обосновывается необходимость формирования управляющих воздействий для оценки ЛТХ АТ аналогичных управляющим воздействиям летчика. В качестве теоретической базы при разработке методики формирования управляющих воздействий предлагается теория прогнозно-оптимизационного управления с использованием иерархической схемы управления и использованием обученных нейросетей в качестве нейроконтроллера. Дается анализ существующих и перспективных систем, использующих последние достижения в области аналитических и интеллектуальных технологий для построения технических средств подготовки и обучения авиационных специалистов.

Во второй главе обосновываются принципы формирования управляющих воздействий для оценки ЛТХ модели динамики полета АТ на основе прогнозно-оптимизационного управления и психофизиологического механизма деятельности человека. Представлены модель динамики полета и модель движения по ВПП, принятые для моделирования. Исходя из структуры действий летчика по управлению ЛА и высокой размерности уравнений модели динамики полета, предложено формировать управление по иерархической трехуровневой схеме с разделением на программный, тра-екторный и пилотажный уровни. Предлагается декомпозировать модель динамики полета на траекторный и пилотажный уровни.

В третьей главе для формирования управляющих воздействий предложено использовать предварительно обученный нейроконтроллер. Дается анализ наиболее эффективных в вычислительном отношении алгоритмов обучения искусственных нейронных сетей (ИНС). Проанализированы основные схемы обучения нейроконтроллеров, и для задачи формирования управляющих воздействий в АТ разработана архитектура нейроконтроллера на базе рекуррентной ИНС, а также предложена схема предварительного непосредственного обучения нейроконтроллера управлению по обучающим выборкам. Разработаны нейроконтроллеры для траекторного уровня управления.

В четвертой главе на основании предложенной методики формирования управляющих воздействий в составе автоматизированной системы испытаний АТ разработан модуль формирования управляющих воздействий для объективной оценки ЛТХ АТ. Разработаны математические модели и схемы построения управления на траекторном и пилотажном уровнях, представлены результаты экспериментальных исследований по формированию управляющих воздействий для различных этапов и режимов полета.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Деревянчук, Наталия Владимировна

7. Результаты работы внедрены в производство и использованы при разработке комплексных тренажеров семейства самолетов Ту-204.

8. Полученные результаты могут быть использованы при разработке современных технических средств обучения операторов динамических объектов. Дальнейшие направления исследований необходимо вести в направлении разработки автоматизированных обучающих систем в составе АТ, советующих систем, интеллектуальных обучающих систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена методика формирования управляющих воздействий для объективной оценки ЛТХ АТ с помощью иерархического управления по трехуровневой схеме и на основе прогнозно-оптимизационного управления. На основании предложенной методики формирования управляющих воздействий в составе автоматизированной системы испытаний АТ разработан модуль формирования управляющих воздействий для объективной оценки ЛТХ АТ.

2. Модуль формирования управляющих воздействий может использоваться на всех этапах разработки, испытаний, эксплуатации АТ и позволяет формировать управляющие воздействия, аналогичные управляющим воздействиям летчика, обеспечивая выполнение нормативных требований. Показано, что применение методики формирования управляющих воздействий позволяет повысить эффективность авиационных тренажеров, осуществить автоматизированную проверку АТ по объективным критериям, сократить временные затраты при испытаниях АТ в 6-8 раз, снизить объем летной оценки ЛТХ АТ, выполняемой летчиком-экспертом.

3. Разработана схема построения управления на траекторном уровне, позволяющая формировать заданные перегрузки и заданные угловые скорости модели динамики полета ЛА для обеспечения движения по заданной пространственной траектории, формируемой на программном уровне. Траекторный уровень управления является унифицированным, не зависящим от типа ЛА.

4. Разработана схема построения управления на пилотажном уровне, позволяющая формировать управляющие сигналы органов управления для обеспечения достижения и выдерживания заданных перегрузок и заданных угловых скоростей модели динамики полета ЛА.

5. Предложены архитектура, методика обучения и построения нейроконтроллеров, используемых для формирования прогнозно-оптимизационного управления на траектор-ном уровне управления. Вычислительная эффективность одного нейроконтроллера на два порядка выше, чем непосредственное использование алгоритмов прогнозно-оптимизационного управления, что позволяет использовать подобные нейроконтроллеры при формировании управления в авиационном тренажере в реальном масштабе времени.

6. Показано, что для некоторых режимов полета, когда необходимо стабилизировать заданные параметры, предпочтительней формировать управляющие воздействия по одноуровневой схеме управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Деревянчук, Наталия Владимировна, 2005 год

1. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. — М.: Медицина. 1975. — 220 с.

2. Аэромеханика самолета: Динамика полета: Учебник для авиационных вузов / Бочкарев А.Ф., Андреевский В.В., Белоконов В.М., и др. — М.: Машиностроение, 1985. 360 с.

3. Белоцерковский С.М., Кочетков Ю.А., Красовский A.A., Новицкий В.В. Введение в аэроавтоупругость. — М., Наука, 1980. 384 с.

4. Береговой Г.Т., Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Поно-маренко В. А. Экспериментально-психологические исследования в авиации и космонавтике. — М.: Наука, 1978. — 302 с.

5. Бешчев Ю.И. и др. Концепция построения специализированных компьютерных тренажеров для летного и инженерно-технического состава модернизируемых и перспективных ЛА // А и Т. 2001. - №7. - С.26-36.

6. Боднер В.А., Закиров P.A., Смирнова И.И. Авиационные тренажеры. — М.: Машиностроение, 1978. — 192 с.

7. Бодрунов С.Д. Авиационное тренажеростроение в России, история, современное состояние, перспективы развития // Тренажерные технологии и симуляторы: Сборник докладов конференции. — С-Петербург, 2002. — С.4-12.

8. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. — М.: Наука, 1987. — 231 с.

9. Буков В.Н., Красовский A.A. Операционный алгоритм оптимального управления // А и Т. — 1974. — №10. — С.5-12.

10. Бюшгенс Г.С., Студнев Р. В. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения. — М. : Машиностроение, 1979. — 349 с.

11. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. 4.1. Линейные системы регулирования одной величины. — М. ; JI.: Энергия, 1965. — 396 с.

12. Губинский А.И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. — Л.: Наука, 1982. — 216 с.

13. Деревянчук Д.М., Деревянчук Н.В., Лапшин Э.В. Методы автоматического расчета режимов набора высоты и снижения в авиационных тренажерах // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. — Пенза, 2002. — С.230-231.

14. Деревянчук Д.М., Деревянчук Н.В. Методы автоматического расчета режимов разгона и торможения в авиационных тренажерах / / Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Труды международной конференции. — Пенза, 2002. — С.150-151.

15. Деревянчук Д.М., Деревянчук Н.В. Коррекция динамических характеристик авиационного тренажера на основе алгебраических инвариантов // Тренажерные технологии и симуляторы: Материалы второй научно-технической конференции. — С.-Петербург, 2003. — С.26-31.

16. Деревянчук Н.В. Формирование оптимальных траекторий полета в авиационных тренажерах // Надежность икачество: Труды международного симпозиума. — Пенза, 2004. С.285-287.

17. Деревянчук Н.В. Нейросетевое управление при формировании оптимальных траекторий полета в авиационных тренажерах // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. — Пенза, 2004. — С.287-288.

18. Деревянчук Н.В., Деревянчук Д.М., Лапшин Э.В.с

19. Формирование оптимального управления на этапе взлета в авиационных тренажерах // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. — Пенза, 2004. — С.293-295.

20. Деревянчук Н.В., Деревянчук Д.М., Лапшин Э.В. Формирование оптимального управления на этапе посадки в авиационных тренажерах // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. — Пенза, 2 004. — С.2 91-2 93.

21. Динамика полета: Учебник для авиационных вузов / Мхитарян A.M., Лазнюк П.С., Максимов B.C. и др. — М. : Машиностроение, 197 8. — 424 с.

22. Доброленский Ю.П. и др. Методы инженерно-психологических исследований в авиации. — М.: Машиностроение, 1975. — 280 с.

23. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. — М.: Машиностроение, 1969. — 252 с.

24. Дружинин Г.В. Анализ эрготехнических систем. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 160 с.

25. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Круглов В.В. MATLAB 5.3.1 с пакетами расширений./ Под ред. проф. В.П. Дьяконова. — М.: Нолидж, 2001. — 880 с.

26. Дьяконов В.П., Круглов В.В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 448 с.

27. Калман Р., Фалб П., Арбиб. Очерки па математической теории систем. — М.: Мир, 1971. — 400 с.

28. Касти Д. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы. — М.: Мир, 1982. — 216 с.

29. Козиоров J1.M., Колчин A.A., Пономаренко В. А., Сильвестров М.М. Автоматизация управления летательными аппаратами на различных этапах полета с учетом человеческого фактора. — М.: Воениздат, 1984. — 233 с.

30. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). — М.: Наука, 1973. — 831 с.

31. Красовский A.A. Основы теории авиационных тренажеров. — М.: Машиностроение, 1995. — 303 с.

32. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. — М.: Наука, 1973. 558 с.

33. Красовский A.A., Буков В.Н., Шендрик B.C. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. — М.: Наука, 1977. — 271 с.

34. Красовский A.A., Лопатин В.И., Наумов А.И., Са-молаев Ю.Н. Авиационные тренажеры. — М. : ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1992. 320 с.

35. Красовский A.A., Кудиненко A.B. Пилотажно-навигационные и комплексные тренажеры. — М. : ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1984. 204 с.

36. Куратовский К., Мостовский А. Теория множеств. — М.: Мир, 1970. 416 с.4 6.Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 736 с.

37. Мамаев В.Я. Болевые точки тренажеростроения и возможные пути их устранения. // В ж.: Мир авионики, №1, 2003. С. 38-39.

38. Меерович Г.Ш., Годунов А.И., Ермолов O.K. Авиационные тренажеры и безопасность полетов. — М. : Воздушный транспорт, 1991. — 341 с.

39. Меньшов А.И., Рыльский Г.И. Человек в системе управления летательными аппаратами. — М. : Машиностроение, 1976. 192 с.

40. Месарович М.Д., Макр Д., Такахара У. Теория многоуровневых иерархических систем. М.: Мир, 1973. — 367 с.

41. Нейрокомпьютеры в авиации (самолеты)./ Под ред. В.И. Васильева, Б.Г. Ильясова, С.Т. Кусимова. Кн.14: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радиотехника, 2004. — 496 с.

42. Нейроматематика. Кн. 6: Учеб. Пособие для вузов / Агеев А.Д., Балухто А.Н., Бычков A.B. и др.; Общая ред. А.И. Галушкина. М.: ИПРЖР, 2002. - 448 с.

43. Остославский И.В. Аэродинамика самолета. — М. : Оборонгиз, 1957. — 556 с.

44. Пашковский И.М. Динамика и управляемость самолета. — М.: Машиностроение, 1987. — 248 с.

45. Платонов К.К., Гольдштейн Б.М. Основы авиационной психологии. — М.: Транспорт, 1987. — 222 с.

46. Пономаренко В.А. Психология духовности профессионала. — М.: Изд. Дом «Русский врач», 1997. — 296 с.

47. Пономаренко В.А., Лапа В.В. Профессия летчик. - М.: Наука, 1985. - 136 с.

48. Попов О.С., Третьяков A.B. Задачи построения компьютерных систем обучения для пилотов гражданскойавиации. // В ж. : Авиакосмическое приборостроение, №9, 2003. С. 38-40.

49. Практическая аэродинамика маневренных самолетов. /Под общ. ред. Лысенко Н.М. — М.: Воениздат, 1977 . — 439 с.

50. Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю. Нейросете-вые системы управления. Кн. 8: Учеб. Пособие для вузов / Общая ред. А.И.Галушкина. М. : ИПРЖР, 2002. - 480 с.

51. Фаворова Г. Н., Болдырев И. В., Цаплина Н. А. Структура системы автоматизированного контроля адекватности комплексного тренажёра гражданского самолёта. Научно-технический сборник № 222, 1990.

52. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. — М.: Физматгиз, 1963. — 549 с.

53. Хартман Ф. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Мир, 1970. - 720 с.

54. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. — М.: Мир, 1975. — 534 с.

55. Цибулевский И.Е. Человек как звено следящей системы. М.: Наука, 1981. - 288 с.

56. Шеридан Т.Б., Феррелл У.Р. Системы человек-машина: Модели обработки информации, управления и принятия решений человеком-оператором. — М. : Машиностроение, 1980. 400 с.

57. Battiti R. First and second order methods for learning: Between steepest descent and Newton's method. // Neural Computation. 1992. Vol. 4, № 2. P. 141-166.

58. Beale E.M.L. A derivation of conjugate gradient in F. A. Loostma. // Numerical method for nonlinear optimization. London: Academic Press, 1972.

59. Dennis J.E., Schnabel R.B. Numerical methods for unconstrained optimization and nonlinear equations. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall,1983.

60. Fletcher R., Reeves C.M. Function minimization by conjugate gradient // Computer Journal. 1964. Vol. 7. P. 149-154.

61. Hagan M.T., Demuth H.B., Beale M.H. Neural Network Design. Boston, MA: PWS Publishing, 1996.

62. Hagan M.T., Menhaj M. Training feedforward networs with the Marquardt algorithm. // IEEE Transactions on Neural Networks. 1994. Vol.5,№ 6. P. 989-993.

63. Riedmiller M., Braun H. A direct adaptive method for faster backpropagation learning: The RPROP algorithm // Proceeding of the IEEE International Conference on Neural Networks. 1993.