Методики оценки и коррекции параметров полета в авиационных тренажерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Деревянчук, Дмитрий Михайлович

• Деревянчук, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Деревянчук, Дмитрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА В АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРАХ

1.1 Методологические и организационные основы оценки характеристик авиационных тренажеров

1.2 Принципы автоматизированной оценки летно-технических характеристик авиационных тренажеров

1.3 Существующие методы оценки адекватности моделей летательных аппаратов

1.3.1 Сглаживание массивов исходной информации

1.3.2 Методологические аспекты оценки адекватности

1.3.3 Подходы к оценке адекватности моделей полета летательных аппаратов

1.4 Постановка задачи. Выбор методов исследования поставленной задачи.

1.5 Выводы

2 ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА САМОЛЕТА В АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРАХ

2.1 Принципы построения математической модели динамики полета самолета в авиационных тренажерах

2.2 Математическая модель движения самолета по взлетно-посадочной полосе

2.3 Численные методы расчета равновесных режимов полета самолета

2.4 Выводы.

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

3.1.1 Алгоритм перехода от описания объекта в пространстве состояний к полиномиальному описанию

3.1.2 Алгоритм синтеза уравнения модуля оценки соответствия характеристик объекта эталонным характери

3.2 Методика коррекции параметров модели динамики полета на основе использования алгебраических инвариантов

3.3 Метод формирования дополнительных управляющих воздействий для коррекции динамических характеристик авиационного тренажера по эталонным моделям

3.4 Выводы.

4 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИК ОЦЕНКИ И КОРРЕКЦИИ ПАРАМЕТРОВ

ПОЛЕТА ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ-ОЦЕНКИ ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ.

4.1 Расчет равновесных режимов полета в модуле автоматической балансировки

4.2 Расчет режимов полета в модуле автоматического пилотирования.

4.3 Синтез модуля оценки соответствия динамических характеристик AT на основе алгебраических инвариантов

4.4 Синтез модуля автоматической коррекции динамических характеристик для продольного короткопериодиче-ского движения самолета

4.5 Выводы. в правильной минимальной форме стикам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики оценки и коррекции параметров полета в авиационных тренажерах»

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.

2. 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.

3. Сокращение сроков разработки тренажеров также требует переноса большинства испытаний на компьютерные средства.

4. 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 АТ.

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-9б-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 результатам 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 АТ, которые используются в автоматизированной системе оценки ЛТХ АТ. 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 .

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.

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

9. Результаты работы внедрены в производство и использованы при разработке, испытаниях и эксплуатации комплексных тренажеров самолетов Ан-74, Ан-72, Ил-96-300, семейства самолетов Ту-204.

10. Дальнейшие направления исследований необходимо вести в направлении разработки методов параметрической идентификации параметров модели динамики полета по результатам летных испытаний с целью получения эталонных моделей, и использования их при оценке JITX.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены методики и методы оценки и коррекции параметров полета в АТ, позволяющие получить ЛТХ тренажера на начальных этапах разработки тренажера, при сертификационных испытаниях и в период эксплуатации.

2. Показано, что применение данных методик позволяет повысить эффективность применения авиационных тренажеров, осуществлять автоматизированную проверку АТ по объективным критериям, уменьшить время испытаний АТ в 6-8 раз.

3 . Предложено для получения статических характеристик модели динамики полета, а также для установки тренажера в начальную точку, в качестве наиболее эффективного метода расчета равновесных режимов полета использовать метод секущих с начальной системой опорных точек в виде вершин регулярного симплекса.

4. Разработан метод оценки соответствия динамических характеристик АТ на основе алгебраических инвариантов .

Получена общая формула и разработаны алгоритмы синтеза алгебраического инварианта для линейного динамического объекта, заданного в пространстве состояний.

5. В соответствии с изложенными теоретическими положениями разработаны модули оценки соответствия характеристик продольного короткопериодического и бокового движений АТ, которые позволяют оценивать соответствие характеристик движения модели по эталонным характеристикам при произвольных входных воздействиях.

6. Разработана методика коррекции параметров модели динамики полета, основанная на определении вклада каждого моделируемого параметра и аэродинамического коэффициента в формирование алгебраического инварианта.

7. Предложен метод формирования дополнительных управляющих воздействий для коррекции динамических характеристик авиационного тренажера на основе синтеза прогнозно-оптимизационного управления по эталонным моделям .

8. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана встроенная автоматизированная система оценки JITX AT.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Деревянчук, Дмитрий Михайлович, 2003 год

1. Александров П.С. Лекции по аналитической геометрии. - М.: Наука, 1968. - 911 с.

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

3. Атанс М., Фапб П. Оптимальное управление. — М.: Машиностроение. 19 68. — 764 с.

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

5. Баранов H.A. и др. Численные методы динамики летательного аппарата в условиях аэродинамической интерференции. — М.: Наука, 2001. — 207 с.

6. Белов Ю.А., Диденко В. П., Козлов H.H. и др. Математическое обеспечение сложного эксперимента: обработка измерений при исследовании сложных систем. Т1. .- Киев.: Наук, думка, 1982. 304 с.

7. Белоцерковский С.М., Кулифеев Ю.Б. О создании математической модели летательного аппарата и экспериментальной проверке ее достоверности // Проблемы механики и теплообмена в космической технике: Сб. статей — М.: Машиностроение, 1982. — 271 с.

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

9. Береговой Г.Т., Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Поно-маренко В. А. Экспериментально-психологические исследования в авиации и космонавтике. — М.: Наука, 197 8. — 302 с.

10. Ю.Берестов А.М., Поплавский Б.К., Мирошниченко Л. Я. Частотные методы идентификации летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1985. — 184 с.

11. И.Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. — М.: Статистика, 1980. 263 с.12 . Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Экспертные оценки. — М.: Наука, 1973'. 159 с.

12. 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.26-3б.

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

14. Боднер В.А. Системы управления летательными ап-. паратами. — М.: Машиностроение, 1973. — 504 с.

15. 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 .

16. Бортовые системы управления полетом./ Под общ. ред. Байбородина Ю.В. — М.: Транспорт, 1975. — 336 с.

17. Боярский Г.Н., Белинский A.C. Метод установления адекватности математической модели полета самолета реальному объекту // Нормирование летной годности и безопасности полетов самолетов гражданской авиации. Киев: КНИГА, 1983. - с. 74-83.

18. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. М.: Наука, 1979. - 294 с.2 0. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. — М.: Наука, 1987. — 231 с.

19. Буков В.Н., Красовский A.A. Операционный алгоритм оптимального управления // А и Т. — 1974. — №10. С.5-12 .22 . Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движения. — М.: Машиностроение, 1979. — 349 с.

20. Годунов А.И. Методы идентификации систем «летчик-самолет» и «летчик-тренажер» // Труды ГосНИИ ГА. — М., 1980. Вып. 190. - С.41-49.

21. Голубков A.C., Коробаев В.П. Отбраковка недостоверных результатов телеизмерений // Метрология. — 1973. №2. - С.10-17.

22. Горбатенко С.А. и др. Расчет и анализ движения летательных аппаратов. Инженерный справочник. — М.: Машиностроение, 1971. — 352 с.

23. Горячев В.А. Психологические основы совершенствования летной оценки авиационного тренажера // Психологические основы тренажеростроения: Материалы II Всесоюзной конференции. Цахкадзор, 17-19 апреля 1984г. — Ереван: ЕГУ, 1984. С.78-83.

24. Горячев В.А. и др. Разработка методологии научных исследований по разработке критериев и Норм годности авиационных тренажеров. Отчет по НИР №1.01.02.42 г ГосНИИГА. М., 1982.

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

26. Деревянчук Д.М. Выбор численного метода расчета равновесных режимов полета ЛА в авиационных тренажерах

27. Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: Материалы Международной научно-технической конференции. — Пенза, 2001. — С.25-28.

28. 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.

29. 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.

30. Машиностроение, 1978. — 424 с.

31. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. — М. : Наука, 1987. 240 с.

32. Доброленский Ю.П. и др. Методы инженерно-психологических исследований в авиации. — М.: Машиностроение, 1975. — 280 с.46 . Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. — М.: Машиностроение, 1969. — 252 с.

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

34. Зеленков A.A., Мирошниченко О.Г., Синицын B.C. К задаче статистического анализа точности систем автоматического приземления. // Моделирование полета в задачах эксплуатации воздушных судов гражданской авиации:

35. Сборник научных трудов. Киев: КИИГА, 1985. - С.91-97.

36. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. — Киев: Техника, 1975.5 0 . Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерци-альная навигация. — М.: Наука, 1976. — 672 с.

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

38. Козлов В.И. Системы автоматического управления летательными аппаратами. — М. : Машиностроение, 1979. — 216 с.

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

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

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

42. Красовский A.A., Буков В.Н., Шендрик B.C. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами. — М.: Наука, 197 7. — 271 с.

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

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

45. Кулифеев Ю.Б. Дискретно-непрерывный метод идентификации непрерывных систем // Механика твердого тела: Изв. АН СССР. М., 1981. - №5. - С.47-55.

46. Кулифеев Ю.Б. О проверке достоверности математических моделей и их идентификация // Проблемы создания и применения математических моделей в авиации: Вопросы кибернетики. М., 1983. - Вып. 96. - С.94-111.

47. Куратовский К., Мостовский А. Теория множеств. — М. : Мир, 1970. 416 с.

48. Леондес К. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. — М.: Мир, 1980. — 408 с.

49. Леонов В.Н. Идентификация и определение моделей самолетов по регистрируемым в полете параметрам. В кн.: Динамика полета и управление самолетами. — М. : МАИ, 1982 .

50. Летов A.M. Динамика полета и управление. — М.: Наука, 1969. 359 с.

51. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление. — М. : Наука, 1966. — 176 с.

52. Матвеевский С.Ф. Основы системного проектирования комплексов летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1987. — 240 с.

53. Мироновский J1.A. Синтез устройства функционального диагностирования по записям сигналов объектов.// Сб. Вопросы технической диагностики, 1983. — С. 94-98.

54. Михалев И.А., Окоемов Б.Н. и др. Системы автоматического управления самолетом. — М.: Машиностроение, 1971. 464 с.

55. Нормы годности авиационных тренажеров для подготовки авиаперсонала воздушного транспорта. — М. 1998г. 107 с.

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

57. Острем К.Ю. Введение в стохастическую теорию управления. — М.: Мир, 1973. — 322 с.

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

59. Петров Б.Н. Теория автоматического управления. Избранные труды. Т.1. — М.: Наука, 1983. 429 с.

60. Петров Б.Н., Рутковский В.Ю., Земляков С.Д. Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами. — М.: Наука, 1980. — 348 с.

61. Пешель М. Моделирование сигналов и систем. — М.: Мир, 1981. 300 с.83 . Попович П.Р., Губинский А.И., Колесников Г.М. Эргономическое обеспечение деятельности космонавтов. — М.: Машиностроение, 1985. — 227 с.

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

63. Пугачев В. С Управление летными испытаниями. ЛА как средство повышения их надежности. В сб. Проблемы надежности ЛА. — М.: Машиностроение, 1985. — с. 90-96

64. Розенвассер E.H., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления. — М.: Наука , 1981. — 4 64 с.

65. Самарский A.A. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1977. 656 с.

66. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. — М.: Советское радио, 1978. — 320 с.

67. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. Красовского A.A. — М.: Наука, 1987. — 384 с.

68. ЭО.Тарасенко Ф.П. Непараметрическая статистика. — Томск.: Изд. ТГУ, 1976. 96 с.

69. Трахтенберг Г.М. Уравнения динамики самолета в полете. — М. : Отраслевой отдел НТИ и ТЭИ 1964. — 102 с.

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

71. Фомин А.Ф., Новоселов О.Н., Плющев A.B. Отбраковка аномальных результатов измерений. — М.: Энерго-атомиздат, 1985. — 200 с.

72. Фомин В . Н. , Фрадков A.JI., Якубович В. А. Адаптивное управление динамическими объектами. — М. : Наука, 1981. 447 с.

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

74. Хейфец М.И. Обработка результатов испытаний. Алгоритмы, номограммы, таблицы. — М.: Машиностроение, 1988. 168 с.

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

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

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

78. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. — М.: Мир, 1982. 235 с.

79. Экспертные оценки в управлении (методическая разработка) 4.1 4.6., М., 1977, ИУНХ.

80. Элементы теории испытаний и контроля технических систем /Под ред. Юсупова/. — JI.: Энергия, 1978. — 191