2. Основные положения синтеза комплексного авиационного тренажера

Синтез комплексного авиационного тренажера ставит целью оп­ределение рациональных значений параметров и характеристик многочисленных компонентов и взаимосвязей, входящих в состав НОАЭУС, с тем чтобы была достигнута наибольшая степень общей и частной адекватности. Ввиду того, что тренажер пред­ставляет собой очень сложный многоконтурный, многокомпонент­ный комплекс, содержащий большое число имитаторов, формули­ровка задачи синтеза и тем более ее решение представляют боль­шие трудности. В настоящее время эта задача решается прибли­женно в несколько этапов.

На первом этапе предполагается, что КАТ представляет собой, в некотором смысле, сумму отдельных имитаторов; каждый имита­тор является независимым, самостоятельным устройством с кон­кретными функциями, имеющими аналог в реальном полете ЛА. Эти аналоги могут быть функциональными, или же представлять собой определенные системы, входящие в состав бортового оборудования. Функциональными аналогами являются: имитированные характе­ристики движении и управления ЛА (динамический аналог); со во-

купность характеристик, создающих у пилота ощущение внекаби« ного пространства (внекабинной визуальной обстановки); парамет ры, создающие акселерационные ощущения и иллюзию полета.

Каждый имитатор строится таким образом, чтобы в нем наибо. лее полно и адекватно воспроизводились характеристики реаль. ного аналога — информационные, исполнительные и динамически« свойства.

Основная посылка первого этапа синтеза заключается в следую, щем: каждый отдельный имитатор должен создавать адекватный «стимул» управляющей, оперативно-мыслительный и другой деятель­ности. Сопряжение необходимого числа таких имитаторов в единую структуру образует эффективный (с позиций общей адекватности) тренажер. Опирается указанная посылка на известную в инженер­ной психологии схему «стимул — управление — динамическая ре- акция». Реализация ее в КАТ обеспечивает правильное формиро­вание навыков и умений летной деятельности.

Каждый имитатор, по существу, формирует (моделирует) специ­фический информационный канал; информация, поступающая по этому каналу, может быть названа специфическим «стимулом» пилотирования. Предполагается, что пилотирование является ре­зультатом сложения независимых и зависимых стимулов. Получив акселерационную, пилотажную или визуальную информацию (сти­мулы) пилот принимает необходимое решение и формирует управ­ляющие сигналы, которые поступают на вход имитатора динамики. В последнем происходит моделирование движения ЛА, результатом которого является соответствующее изменение траектории в фазовом пространстве. Это, в свою очередь, изменяет характеристики движе­ния, показания пилотажных приборов, визуальную картину закабии- ного пространства. Это опять же изменяет специфические инфор­мационные потоки, на основании чего образуются новые стимулы и происходит дальнейшее развитие управляемого движения. На сле­дующих этапах синтеза возможно перераспределение нагрузки на отдельные имитаторы, уменьшение одних стимулов за счет других Рассмотрим в качестве примера общую схему синтеза имита­тора динамики полета. Постановка задачи будет для общности сформулирована в векторной форме.

Предположим, необходимо построить имитатор динамики полета КАТ, который был бы с определенной степенью точности адеква­тен математической модели полета и управления конкретного ЛА При этом необходимо учитывать различные состояния ЛА, возмож­ные в заданной области ОУЭ, «штатные» режимы и отказы функцио­нальных систем, изменения конфигурации, предусмотренные пр⁰' граммой или осуществленные пилотом.

Изменение фазовых координат ЛА, характеризующих полет Л* на всех его этапах от страгнвания на ВПП до посадки и пробег** можно с хорошим приближением описать системой дифференииз-^1Ь ных уравнений первого порядка следующего вида:

ШшЩВ ⁽⁴

Здесь х — вектор фазовых координат дс₂...х_/...х_т размерности т\ V—и • (и_д; и_н) — вектор управления, включающий дискретные и непрерывные процедуры; обладает размерностью /;

А, В, С — многомерные матрицы параметров (коэффициентов), характеризующих динамические свойства ЛА, его управляемость, устойчивость, маневренность и пр.

Коэффициенты, входящие в матрицы А, В и С, зависят от боль­шого числа факторов, среди которых:

к₁ — параметры, характеризующие конфигурацию ЛА;

$! — параметры, характеризующие возникновение или наличие отказов либо иных нарушений;

а_у —- параметры, характеризующие атмосферные, эксплуата­ционные и иные условия.

Таким образом,

Л=А[(£/); («/); Ц); («у); (и,)...]

2. (4.2)

   = £,.[(*,); (_5/); (*,); (а,.); (и,.)...]

3. = С, [(£,); (5,); Ц); (а_}); (а,)...]

Система уравнений (4.1) определена на некотором интервале времени (участке полета) Т_аол. В многомерной области ОУЭ сис­тема (4.1) определена для любых значений х„ лежащих в некотором диапазоне разрешенных или допустимых координат {х,}_доп. Анало­гично этому вектор V определен в многомерной области допустимых управлений {и}_яоп. Таким образом,

INCLUDEPICTURE "F:\\мамаев\\:::Downloads:\\localhost\\Temp\\FineReader11.00\\media\\image8.jpeg" \* MERGEFORMATINET

Очевидно, что система уравнений (4.1) определяет некий управ­ляемый процесс. Ход этого управляемого процесса будет определен на некотором интервале [|₀; , если на этом интервале задан

вектор и в виде:

(4.3)

[/*=£/(*, а,, Щ.'!)

Вектор-функцию (4.3) называют фактическим программным уп­равлением. Каждому выбору такой функции и каждому заданному состоянию системы t*=t₀ х₀ = х(1)\ /— Т соответствует, согласно уравнению (4.1), непрерывная функция координат *„(/, х₀, Т), которая представляет собой реализацию программного движения системы при заданном управлении.

Согласно РЛЭ, для ряда конкретных условий полета существует программное управление

(4.4)

Очевидно

В условиях полета, при заданных начальных условиях, выбранном векторе управления 1/«*(У_ЛА(0 и других конкретных фактора*

■*ЛА“**(0'

Если система уравнений (4.1) реализована в тренажере, то ей соответствуют координаты х_АТ и управление ы_АТ.

Соотношение, определяющее невязку (в векторной форме)

А*(0 ^жсХла(0 *ат(0» (4.5)

является основным объективным критерием динамической адекват­ности авиационного тренажера имитируемому летательному аппа­рату. Для оценки точности воспроизведения летных характеристик летательного аппарата в авиационных тренажерах можно исполь­зовать выражение вида:

I ^Д*.<0| = ^тН *'ЛА( 0 - *<АТ <*)| ■ (4-6)

где *,_.(*) — летные характеристики, полученные в результате натур­ных испытаний летательного аппарата;

*,(0 — летные характеристики, моделируемые в КАТ при тех же начальных условиях, тождественных воздействиях внешней сре­ды, отказах, эквивалентном управлении и пр. согласно (4.1).

Для оценки полета ЛА с системой автоматического управления (САУ) вектор управления (4.3) представим в виде:

и(0=ОХ(0+ЕХ_пр(0, (4.7)

где

й — матрица управления по обратной связи;

Е — матрица управления по вектору программных сигналов; Х_пр — вектор программных сигналов.

Решение системы (4.1) и (4.7) для момента времени ^/<>^запи‘ шем в форме

Х(()=Ф(< - /„)*(<„) +Г ((- /„)£*„. «о), («•>)

где

Выражение (4.8) описывает характеристики системы «ЛА —* САУ», которые представляется возможным сопоставить, согласно (4.6), с характеристиками системы сАТ — имитатор САУ».

Задача синтеза имитатора динамики полета может быть сфор­мулирована следующим образом.

Для выбранного РС, т. е. выбранной совокупности внешних и внутренних условий, определить параметры матриц (Л_АТ, вдт» ЯМ' реализуемых в тренажере так, чтобы при заданном управлении

(4.3) и (4.4) параметры невязки (4.5) не превосходили заданный допуск 6_Д0„ (в векторной форме)

(4.9)

Поскольку возможно несколько решений, удовлетворяющих сис­теме условий (4.9), отличающихся составом коэффициентов, предпо­чтение следует отдавать наиболее простым вариантам, обладаю­щим наименьшей размерностью. В этом случае матрицы, обладаю­щие наименьшей размерностью, могут быть идентифицированы по материалам натурных экспериментов наиболее точно и быстро.

На втором этапе синтеза учитывается ограниченность числа имитаторов, их взаимосвязи. КАТ как модель представляет собой множество имитаторов (число их составляет л_АТ), которые только частично и приближенно воспроизводят совокупность Л/_ЛА реальных процессов в системе «летчик — летательный аппарат», подлежащих рассмотрению, т. е.

^ПАТ^Л/_ла.

Соединение ограниченного числа адекватных, т. е. достаточно достоверных, имитаторов в единой иерархической структуре может привести к образованию суммарных погрешностей, которые небла­гоприятно сказываются на точности моделирования обстановки поле­та, искажают воспринимаемую пилотом приборную, визуальную и акселерационную информацию. Это требует дополнительных иссле­дований.

ЛА с пилотом в контуре управления будет представлять эрга- тическую систему, для которой система уравнений (4.1) примет вид:

х(/)=(А-ВСР)х(0, (4Л0)

где

С — матрица параметров информационной модели полета,

Р — матрица параметров пилота,

и(1)=РСх( 0- (4.11)

Деятельность пилота по управлению летательным аппаратом — пилотирование — рассматривается как сложный поведенческий акт, включающий процессы восприятия и переработки информации, фор­мирование и выполнение на этой основе двигательных действий. В структуре сенсомоторного навыка пилотирования двигательный ком* понент является интегральным показателем, отражающим полноту и качество переработки пилотом информации, поступающей по ка­налам различных анализаторов. В конечном итоге почти вся инфор­мация, воспринимаемая пилотом, реализуется в управляющих * движениях. Поэтому целесообразно ввести оценку расхождения управлений в виде:.

I о «*>иу, _А—£/_ат| 6^.лд — многомерное управление, формируемое пилотом в полете на летательном аппарате, идт — упра вление, формируемое пилотом а тренажере, б_доп — вектор допусковт Соотношение (4.12) будет, в конечном счете, структуры деятельности пилота на летательном аппа­рате и авиационном тренажере при выполнении одинаковых задач и заданных режимах полета; оно же определяет необходимую и достаточную полноту моделирования условий «полета» в авиацион­ных тренажерах. Адекватность структуры деятельности пилота может быть оце­нена тождественностью следующих структур; пространственно-временных характеристик движений пилотом органами управления на летательном аппарате и авиацион­ном тренажерединамических реакций летательного аппарата и авиацион­ного тренажера на рассматриваемом интервале времени дви­жения объекта управления; психофизиологических реакций пилота на летательном ап­парате и авиационном тренажере на рассматриваемом отрез­ке движения. Изложенные обобщенные оценки охватывают все внешние прояв­ления деятельности пилота и определяют необходимую и достаточ­ную полноту и точность моделирования.Обобщенная характеристика структуры деятельности пилота на ЛА может быть выражена функцией

Лпа= [/1. (*1). Ы*гЬ •••/„(*<.)]•

Аналогично обобщенная характеристика структуры деятельности пилота на тренажере выражается функцией

^АТ= (М* 1+Д*|). /₂(*2 + Д*₂). +

где

Ал:,, Ах₂, ..Лх„ — ошибки, обусловленные погрешностями моде­лирования.

Различие в структуре деятельности пилота можно оценить раз­ностью обобщенных характеристик:

Ж Рдт” Рлд [/1 (*| ) (•*„) ] /*ат (Л (*1 ) •••

•••/«(**+Д*Л]. (⁴;!³)

Разность (4.13) можно представить в виде

Ш

ШШМ’ ж^Лх'^: ШШ ⁽⁴¹⁴⁾

гм1 ;■

где

определяет чувствительность характеристики И к измене-

о К,

нию /-го критерия в оценке структуры деятельности,

<*я,

— характеризует чувствительность /-го критерия к измене­нию параметра х\на тренажере,

\х_/— ошибка воспроизведения сигнала х,в тренажере, при которой структура деятельности пилота может претерпевать изме­нения по сравнению со структурой деятельности в полете на ЛА.

Выражения (4.13—4.14) характеризуют зависимость структуры деятельности пилота от полноты и точности моделирования ха­рактеристик летательного аппарата в КАТ. Система допусков на отклонения характеристик определяет допустимую величину достаточную полноту и точность моделирования, а также требова­ния к математическим моделям динамики полета и бортовым сис­темам, реализуемым в тренажерах.

На одном из последующих этапов синтеза следует учесть много- контурность КАТ, а также неравнозначность информации, поступаю­щей к пилоту в течение цикла управления. Один вид информа­ции необходим пилоту в начале цикла, другой — в ходе пилоти­рования. Исходя из этого, функции пилота при управлении летательным аппаратом можно распределить по иерархической структуре на следующие информационные контуры управления: контур усилий на органах управления (проприоцептивный контур) или контур, информирующий о начале движения ор­ганами управления;

контуры визуальной и акселерационной информации, через которые поступают данные, характеризующие начало движе­ния летательного аппарата, возмущения и т. п., контуры приборной и визуальной информации, характеризую­щие движение летательного аппарата как реакцию на управле­ние.

Рассмотрим более подробно взаимосвязь между сигналами, по­ступающими к пилоту. Пилот при управлении ЛА прикладывает некоторую мускульную энергию для перемещения органов управ­ления. При перемещении ему приходится преодолевать усилия, создаваемые специальными загружателями при бустерной системе управления или вызванные непосредственно шарнирными момента­ми в безбустерной системе управления. Математически (обобщенно) можно описать работу системы управления в виде следующей системы уравнений:

1,2,...я,

(4.15)

Щ

Ж где

х,, /\ — перемещения и усилия на органах управления, ^о (р)> ИРХр) — передаточные функции органов управления со­ответственно по перемещению и усилиям, р—— оператор дифференцирования.

Система управления ЛА формирует сигнал по перемещению и но усилию. Пилот, перемещая органы управления, получает сиг-

? ЖЙ

нал о начале движения органов управления как первую реакцию ЛА на приложенное управляющее воздействие, т. е. использует первый информационный контур управления.

Перемещение органов управления вызывает отклонение рулевых поверхностей и ЛА, изменяет траекторию движения. Для условий полета это можно представить следующей системой уравнений:

1'„=Пл(Р)в,) ’

где

б, — угол отклонения рулевых поверхностей;

У_й — акселерационная информация;

(р), Щ\ь[р) — соответствующие передаточные функции систе­мы управления (СУ) и летательного аппарата. Подставляя лг, в (4.16), получим:

^(р) ^су (Р) Ща (Р)Н- (4.17)

Выражение (4.17) подтверждает известное положение о том, что акселерационная информация поступает к пилоту со сдвигом во времени по отношению к усилию, прикладываемому к орга­нам управления; сдвиг определяется параметрами передаточных функций. Одновременно пилот получает насыщенную, многоплано­вую визуальную информацию, а также обширную инструменталь­ную информацию. С одной стороны, акселерационный канал содер­жит данные об изменении траектории движения и, следовательно, об изменении пространственного положения ЛА, с другой стороны — сведения о внешней среде. По всей совокупности информации пилот убеждается, что от воздействия на органы управления летатель­ный аппарат совершил правильное движение, или наоборот — реакция на управление неправильна. Описанные информационные контуры характеризуют, таким образом, неразрывную связь харак­теристик ЛА, его управления, параметров внешней среды и коор­динат фазовой траектории. Весьма важные количественные харак­теристики о параметрах полета пилот в реальных условиях получает от системы отображения пилотажно-навигационной информации. Эту информацию — отклонения стрелок приборов и командных пла­нок, различные индексы и т. д. можно обобщенно выразить уравнением вида:

где

Ула— параметры летательного аппарата, уI — отклонение стрелок, указателей и т. д.,

&’_и(р), УР„„(Р) — передаточные функции бортовых измерителей и пилотажно-навигационных приборов. Подставив (4.17) в (4.18), получим:

, . у^.КАр) И(р):'*ла(р) 1111ЩЛрЬ_ч . <⁴ *⁹⁾

Выражение (4.19) предлагает передаточные свойства информации о полете летательного аппарата с учетом реакции на приложенное управляющее воздействие.

В замкнутой системе «летчик — летательный аппарат» в простей­шем случае имеем:

| У(Р)— , ₊ 1^_л(р)^_лд(_р) "к. (4.&0)

где и(р) — управляющее воздействие, формируемое пилотом;

/7_К — программа полета или концептуальная модель;

ы)_л(р) — передаточная функция летчика;

Додд(р) — передаточная функция ЛА.

При действии внешних возмущений, помех и внутренних «шу­мов» ^выражения (4.19) и (4.20) существенно усложняются.

При реализации неинструментальных информационных потоков в тренажерах с помощью СИВВО приходится учитывать возможные искажения картины, воспринимаемой пилотом, ухудшение ее качест­ва, запаздывание по отношению к реальным данным, специфи­ческие ограничения и т. п. То же самое относится к сис­теме подвижности, в которой возможны значительные отклонения от реальных (полетных) значений почти всех параметров — пере­мещений, перегрузок, углов, угловых и линейных скоростей. Все эти отклонения и искажения могут быть аппроксимированы соот­ветствующими передаточными функциями, характеризующими ими­таторы КАТ как обучающего эргатического средства. Задача син­теза тренажера в части выбора параметров СИВВО и СИКП за­ключается не только в выборе параметров этих функций, но и в их конструктивном воплощении в конкретных схемах. Конечная цель заключается в создании адекватных информационных потоков, сти­мулирующих адекватные управляющие действия пилота. Только так можно обеспечить формирование навыков, эквивалентных реальному полету.

Для воспроизведения в КАТ комплекса параметров, характери­зующих реальную среду, адекватную реальной внешней среде, необходимо разрабатывать системы имитации исходя из двух групп требований, рассматриваемых при синтезе совместно. Эти группы требований вытекают из упоминавшихся выше условий адекват­ности. Первая группа требует, в конечном счете, обеспечения оди­накового восприятия пилотом не только самой внешней среды, но и ее проявлений. Это позволит формировать одинаковые стимулы пило­тирования, адекватные реальному полету. Несоответствие между получаемой информацией на тренажере и в полете приводит к соз­данию ошибочных иллюзий и неадекватным реакциям.

Вторая группа требований исходит из необходимости об.еспе- ^ чения адекватного влияния среды на характеристики функцнональ- ЦЦ ных систем ЛА, на динамику полета и на управление.

INCLUDEPICTURE "F:\\мамаев\\:::Downloads:\\localhost\\Temp\\FineReader11.00\\media\\image9.jpeg" \* MERGEFORMATINET