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 тренажераханализ 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 управленияархитектура, методика обучения и построения ней-роконтроллеров, формирующих прогнозно-оптимизационное управление на траекторном уровнеформирование 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.

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.