Глава 4. Летательные аппараты как объекты имитационного моделирования

В ТРЕНАЖЕРАХ

4.1. СУЩНОСТЬ ПОНЯТИЯ АДЕКВАТНОСТИ АВИАЦИОННЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

В авиационном тренажере искусственно реализуются — имитируются — математические модели технической и физической частей эргатической системы «ЛА — среда — летчик», а также всех необходимых взаимосвязей этой системы.

Поскольку тренажер²⁰ представляет собой высокоорганизованное имитационное обучающее средство, важно установить, насколько близко к полету реального Л А должны быть воспроизводимые в нем характеристики и условия. При этом необходимо иметь в виду, что речь идет не о каких-то единичных показателях, а о всем комплексе взаимосвязанных характеристик и условий, имитируемых в тренажере. Именно этого требует системно-эргономический подход к КАТ, для которого вопрос соответствия ЛА и тренажера принадлежит к числу ключевых.

Несмотря на наличие определенной отечественной и зарубежной литературы, посвященной характеристикам авиационных тренажеров, задача о необходимой степени соответствия их исходному ЛА пока еще рассмотрена недостаточно. Основные теоретические положения построения КАТ базировались на инженерном подходе: предполагалось, что правильный перенос на условия реального полета навыков, получаемых при обучении на тренажере, может быть обеспечен только за счет достаточно точного совпадения характеристик АТ и моделируемого ЛА. Однако насколько близкими должны быть эти характеристики, было не совсем ясно. Другие факторы, влияющие на меру соответствия, рассматривались недостаточно, либо же вообще не учитывались.

Длительное время без достаточного обоснования считалось, что допуски на отклонения характеристик тренажера (относительно соответствующего ЛА) должны быть как можно более жесткими. В последнее время стало ясно, что чрезмерное ужесточение требований к соответствию, сужение допусков на характеристики ведут к неоправданному усложнению тренажеров, увеличению

продолжительности цикла их создания и доводки, а в определенных случаях и к снижению надежности. При этом уровень обучения и достигаемая летная квалификация экипажей могут не повышаться. С другой стороны, понятно, что недостаточное соответствие, в особенности тех характеристик, которые играют решающую роль в осуществлении пилотирования (а значит, в формировании навыков при обучении), может стать причиной принятия в полете неверных решений или выполнения неправильных процедур. В конечном счете будет даже сформирован неверный навык, могут возникнуть ошибки пилотирования различного рода, а следовательно может снизиться безопасность полета. Исследования последних лет показывают, что значительные резервы кроются в усилении воздействия инструктора, использовании эталонов пилотирования, внедрении автоматизации обучения.

Таким образом, основной путь повышения обучающей эффективности тренажера заключается не в неоправданном сжатии допусков на отклонения характеристик, а в достижении максимально необходимой степени точности и полноты имитации условий полета, а также в использовании средств автоматизации обучения. Конечной задачей должно считаться обеспечение достаточной близости навыков и умений, формируемых в процессе обучения экипажей на тренажере, к тому уровню, который реализуется в реальных полетах. Одновременно требуется учет определенной системы технико-экономических показателей, в том числе надежности.

В качестве примера возникновения ошибочных навыков из-за значительного несоответствия одного из тренажеров реальным условиям полета на самолете можно привести случай, описанный в статье В. Козлова и Н. Литвинчука «Почему не помог тренажер?» (Авиация и космонавтика, 1984, № 12).

«Поскольку визуальное восприятие земли на тренажере существенно отличается от восприятия в реальном полете²¹, взлет, набор высоты на нем осуществляются преимущественно по приборам. Основное внимание в это время курсант уделяет контролю авиагоризонта. Привыкнув так распределять внимание, курсант после взлета на самолете переносил взгляд в кабину и, естественно, не мог глазомерно определять высоту и тенденцию ее изменения по вне- кабинным ориентирам. Это и приводило к неодинаковым управляющим действиям».

Добавим, пилот* не приобрел необходимых навыков в осуществлении правильного, подсознательного контроля ряда важных параметров, упоминавшихся в гл. 2 (угла тангажа, удаления от земли, вертикальной скорости и др.). Как указывается в статье, неверно сформированный навык чуть не послужил причиной возникновения в одном из полетов предпосылки летного происшествия. Допущенная ошибка была парирована энергичным вмешательством

инструктора, не давшим тем самым возникшей ситуации развиться до опасных пределов.

Далее авторы статьи совершенно справедливо отмечают: «Визуализацией наземной и воздушной обстановки на тренажере удается передать пилоту почти весь комплекс внекабинной информации. Если же она отсутствует (или плохо, не адекватно имитируется, прим, авт.), то об изменениях скорости, тангажа, рыскания пилот может судить только гіо показаниям приборов и отработка навыков визуального полета невозможна».

Заметим, в описанном случае суть вопроса заключалась не в чрезмерном допуске, а в слишком большом отличии имитируемой закабинной визуальной обстановки, искажающей формируемый навык пилотирования. Таким образом, для формирования правильных навыков очень важно осуществить адекватную имитацию внешней обстановки, не допуская больших искажений.

Проблема обеспечения необходимой степени соответствия тренажера конкретному ЛА может быть решейа только на основе системно-эргономического подхода, принципы которого были указаны в гл. 2. Напомним, один из принципов требует учета всех существенных факторов, а также внешних и внутренних взаимосвязей. Исходя из этого, при рассмотрении соответствия тренажера и ЛА, помимо характеристик последнего должны также учитываться требования к воспроизведению внешних условий, в первую очередь, визуальной картины. Нельзя также упускать из вида три других компонента — РЛЭ, методику обучения, средства, которыми располагает инструктор (рис. 4.1). Ведь навыки и умения, формируемые на тренажере, в очень большой мере определяются этими компонентами. Кроме того, должны учитываться результаты

Рис. 4.1. Факторы и условия, подлежащие учету при определении соответствии КАТ моделируемому ЛА

сертификации ЛА и система РС, также оказывающие большоевлияние на облик КАТ.Другой принцип системного подхода требует рассмотрения технических объектов и связанных с ними эргономических категорий на нескольких иерархических уровнях: агрегатном, системноми полном (комплексном).

Прежде всего, необходимо уточнить понятийный аппарат, используемый для характеристики сходства между ЛА и его КАТ. При определении сходства должно учитываться большое числофакторов, в том числе общая структура ЛА, отличия физическихпринципов построения ЛА и КАТ, имитационный характер самоготренажера и ряд других моментов. Нельзя забывать, что областьОУЭ, в которой должен уверенно действовать пилот после прохождения курса обучения, представляет собой размытое множество. Сжать и конкретизировать его при имитации условий в КАТ можно только на основе строгой методологии анализа соответствияобъектов и аппарата РС.

С другой стороны, требования к КАТ как обучающему средству заключаются, в конечном счете, в том, чтобы заданный объемустойчивых частных навыков и умений, а в пределе — полныйуровень профессионального мастерства — достигались, в основном, в процессе наземного обучения с минимальным количеством реальных тренировочных полетов на ЛА*.

В технической литературе, посвященной моделированию и имитации, существует определенный ряд терминов, описывающих различные степени сходства: тождество, эквивалентность, изоморфизм, подобие, адекватность. Все перечисленные понятия могут рассматриваться как выражения некоторой различающейся меры сходстваили близости объектов; следовательно, каждая из перечисленныхмер должна характеризоваться некоторой системой допусков.

Тождество предполагает полное или практически полное совпадение всех характеристик. Оно относится к объектам не толькоодной и гой же физической природы, но и повторяющим друг другав деталях. Допуски в данном случае являются минимальными; налагаемые на ряд важных характеристик допуски близки к нулю. Из сказанного ясно, что в связке «ЛА —- тренажер» этот терминможет относиться только к натурным элементам, например к кабине и ее интерьеру. Однако в большинстве случаев даже здесь полноетождество по ряду причин не соблюдается.

Эквивалентность как мера наиболее близка к тождеству, но соответствует более слабой сходимости (или большим различиям). Онаможет относиться к объектам, отличающимся частично или полностью своей физической природой. Допуски также близки к миниальным; на многие характеристики они шире, чем в тождествах

но для важнейших показателей допускается лишь самое минимальное расхождение. Это понятие может относиться и к различным по своей природе технологическим процессам, в том числе к процессам обучения: именно здесь может идти речь об эквивалентности результатов. В частности, уместно ставить задачу об эквивалентности навыков и умений, формируемых различными путями.

Изоморфизм означает такое соответствие между объектами, при котором имеет место тождество их форм или структуры, но могут существовать заметные различия в других характеристиках. Применительно к оценке соответствия между ЛА и КАТ эти свойства не являются достаточными и определяющими. Однако применительно к анализу процедурных или функциональных тренажеров такие свойства могут стать решающими. Поэтому для этих тренажеров понятие изоморфизма может быть использовано.

Нерационально применять при оценке соответствия ЛА и наземных тренажеров также такое распространенное в технике понятия, как подобие. Оно предполагает значительную близость определенных качеств и характеристик сравниваемых объектов при одинаковости их форм и соблюдении некоторых соотношений (критериев подобия), но различии в размерах. Кроме того, предполагается близость физических свойств и процессов функционирования. В этом смысле понятие подобия широко используется в аэромеханике и экспериментальной аэродинамике для объектов, подверженных воздействию воздушных или тепловых потоков. Примеромс соответствия, характеризуемого аэродинамическим подобием, является ЛА и выполненная по особым законам летающая или продувочная модель, для которой соблюдены определенные соотношения.

Применительно к задачам и методам имитационного моделирования наиболее подходящим понятием, оценивающим сходство исходного и имитируемого объекта, следует считать адекватность. Этот термин означает воспроизведение в имитируемом объекте результирующих функций, а также внешних и внутренних связей, соответствующих исходному объекту с такой точностью, которая достаточна для решения поставленных задач в необходимом объеме, при этом отличие результата от требуемого должно лежать в поле назначенного допуска.

В теории моделирования принято считать, что адекватная модель должна математически и логически отражать с заданной степенью приближения определенные качества исследуемой системы. Существенно, что при этом гарантируется эквивалентность определенных конечных результатов (характеристик). Понятие адекватности может быть с успехом применено и к указанию соответствия между размытым реальным множеством характеристик и имитирующей его областью условий, воспроизводимых с помощью моделирую- щего устройства.

Если применить все вышеизложенные положения к задачам обучения экипажей ЛА на наземных имитационных средствах, то ясно,что тренажер в целом может считаться адекватным соответствую, щелу Л А, если приобретенные с его помощью навыки и умения пилотирования эквивалентны получаемым в реальном полете. Такимобразом, условия эквивалентности навыков (умений) должны быть положены в основу формирования требований к адекватности на высшем комплексном уровне.

На более низких уровнях рассмотрения должны использоваться критерии, оценивающие совпадение целей, адекватность основных компонентов тренажера и сходство отдельных имитируемыхэлементов с соответствующими техническими и физическими элементами ЛА, а также целями полета. При этом следует помнить, что тренажер является полунатурным имитационным средством. Поэтому для некоторых натурных элементов КАТ в рамках общейадекватности могут, как уже говорилось выше, соблюдаться болеесильные степени сходства, близкие к тождеству.

Можно выделить следующие основные компоненты общей адек- ватности тренажера (рис. 4.2):

адекватность целей и условий;

адекватность интерьера (рабочих мест членов экипажа); адекватность информационных потоков; динамическую адекватность; ргономическую адекватность; психологическую адекватность.

Комплексный

уровень

Системный

уровень

Агрегатный

уровень

Рис. 4.2. Иерархическая структура адекватности авиационных тренажеров

Указанные компоненты адекватности не являются независимыми, а тесно переплетены между

собой. Так, адекватность интерьера, динамическая и информационная адекватность могут в определенной мере рассматриваться в качестве составных частей эргономическойадекватности. Адекватность целей и условий служит важнойпредпосылкой информационной, динамической и эргономическойадекватности.Коснемся сначала содержания первых двух компонентов. Структура адекватности целей и условий охватывает адекватность целей, адекватность состояний и адекватность условий полета (рис. 4.3)

Первая из них предполагает возможность постановки одинаковыхцелей пилотирования на тренажере и ЛА как для полета в целом,так и для отдельных его этапов или участков.При этом должнаобеспечиваться одинаковая степень достижения этих целей.Адекватность состояний требует воспроизведения как нормальных режимов работы, так и других состояний систем ЛА.При этом должнаобеспечиваться не только имитация в тренажере тех же конфигураций, отказов и т. п., что и на ЛА (в рамках принятой системыРС), но и адекватное воспроизведение изменений характеристик.Аналогично этому адекватность условий требует воспроизведениятех же атмосферных, эксплуатационных и иных факторов, а главноеадекватного влияния этих факторов как на ощущения пилота,так и на характеристики движения и управления.Адекватность интерьера требует, чтобы размеры рабочей зоныкабины, расположение и размеры сидений экипажа, приборнойдоски, рычагов управления и т. д., размещение, вид, компоновка,окраска, освещение и т. п. приборов, ручек, кнопок, ламп исигнализаторов были одинаковыми на тренажере и на ЛА; Однакополное тождество кабин практически не осуществимо и в рядеслучаев не нужно. Так, например, в кабине КАТ могут разме-щаться рабочее место и пульт инструктора, дополнительная аппа- ратура для контроля деятельности и т. п.

4.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ, ДИНАМИЧЕСКАЯ И ЭРГОНОМИЧЕСКАЯ

АДЕКВАТНОСТЬ

Компоненты адекватности, указанные в заголовке настоящегораздела, целесообразно рассматривать в едином контексте. Дляраскрытия их содержания следует сопоставить взаимодействие пилота с Л А и его системами в реальном полете и в имитированных условиях на тренажере (рис. 4.4, 4.5). Эти взаимосвязи, осуществляются по информационным и исполнительным (операционным) каналам. По информационным каналам информация о полете

и функционировании систем ЛА поступает к оператору. Воздействия, сформированные оператором на основе этой информации, ввиде процедур пилотирования через управляющие органы и исполнительные каналы передаются на соответствующие системы, а затем на ЛА в целом. В результате ЛА совершает целенаправленноедвижение в соответствии с программой полета, а его системы выполняют необходимые для этого функции.

Навыки, приобретаемые при обучении, как и качество пилотирования, в очень сильной мере зависят от характеристик информационных и исполнительных каналов и от взаимодействий с нимипилота. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Часть сведений о движении ЛА и состоянии его систем пилот получает в виде инструментального информационного потока от пилотажной системы, системы сигнализации и контроля. Эти системывключают приборы, сигнальные лампы, световые табло, звуковуюсигнализацию, а в последнее время — интегральные дисплеи. Важ- ную информацию (она также может быть отнесена к инструментальной) пилот воспринимает в виде усилий от основных управяющих органов — штурвала и педалей.

Остальную информацию составляет неинструментальный поток, включающий визуальную картину внешней (закабинной) обстановки, акселерационное и акустическое воздействие и т. д. Этотпоток поступает непосредственно на анализаторы оператора — зри- тельный, вестибулярный, слуховой и др.

В результате обработки информации, поступающей по всемперечисленным потокам, пилот формирует обобщенную информационную модель состояния ЛА и его положения в многомерном фазовом пространстве координат. Эту модель он сопоставляетс заданной программой и сформированной на основе накопленных знаний, навыков и полетного задания концептуальной моделью. Напомним, концептуальная модель представляет собой обобщенноепредставление о траекториях ЛА, выполняемом задании, реакцииЛА и его систем на управляющие действия, влиянии среды и т. д. В результате сопоставления формируется интегральная оценка, исходя из которой вырабатываются решения различного уровня, согласно которым пилот осуществляет необходимые процедуры пилотирования. Через управляющие органы они оказывают исполнительные воздействия на движение ЛА и работу систем.

Таким образом, полная деятельность пилота по управлению ЛА, описанная в гл. 2 разд. 2.3, включает решение следующих частных задач:

формирование концептуальной модели полета на основе цели полета, указаний РЛЭ, имеющегося опыта, знаний и навыков; . получение информации о реальных параметрах полета, работе силовой установки, функционировании бортового оборудо- вания, возникновении отказов;

получение информации о внешней среде и закабинном пространствепреобразование полученной информации (путем логического мышления) в информационную модель полета;сравнение концептуальной модели с информационной модельюи выработка решений различного уровня;осуществление необходимых процедур пилотирования;контроль за реакцией ЛА и систем на управляющие воздействия.На выполнение перечисленных операций пилот затрачиваетот десятых долей секунды до нескольких и более секунд. При этомотдельные шаги, функции или действия могут выполняться одновременно с другими.В условиях полета на современном ЛА временные характеристики отдельных звеньев системы и пилота оказывают существенное влияние на качество управления.На тренажере схема взаимодействия пилота с ЛА как объектомуправления и внешней средой, включающая решение перечисленныхзадач в полном объеме, должна совпадать с описанной. Должнытакже совпадать временные и точностные характеристики. Однакоиз-за несоблюдения каких-либо условий адекватности могут иметьместо определенные, иногда существенные отличия. Эти отличиямогут сказаться на каждом шаге алгоритма деятельности пилота,а следовательно на приобретаемых навыках.Информационные потоки, воспринимаемые экипажем, включают;визуальную картину внешней (закабинной) обстановки;показания пилотажных приборов, систем сигнализации и контроля;акселерационное воздействие (перемещения, перегрузки, ускорения и т. п.);акустическое воздействие;другие виды воздействий — дым, световые вспышки, ударыи т. п.При воспроизведении информационных потоков в КАТ (см.рис 4.5)отличия могут состоять как в ухудшении качества тойили иной информационной составляющей, так и в возникновениизапаздывания по отношению к действительности. Информационнаяадекватность может быть применена к каждой из перечисленныхсоставляющих. В этом случае она оценивает соответствие имитируемых информационных потоков, воспроизводимых в тренажере,их реальному образу. Адекватность предполагает не только достаточно точную имитацию каждой отдельной составляющей, но иопределенное, высокое качество воспроизведения, точный учетдинамики ее изменения, а также синхронизацию информации,поступающей от различных источников, друг с другом и с дина-мическими компонентами полета. В связи с тем, что на тренажереможно за счет одних информационных потоков компенсировать недостатки и ограничения других (главным образом это относитсяк визуализации, компенсирующей в ряде случаев акселерационное воздействие), приходится говорить о комплексной информационной адекватности.Динамическая адекватность предусматривает необходимую близость характеристик управляемого движения, имитируемого во всейобласти ОУЭ, к характеристикам движения ЛА при одинаковыхвозмущениях и близких управляющих действиях.Эргономическая адекватность означает близкое соответствиемежду всеми элементами, характеризующими взаимодействие пилота с ЛА и его системами. В частности, должна иметь местоадекватность реакции ЛА на управляющие воздействия от любогооргана управления на тренажере и в полете. Необходимо такжеадекватное восприятие оператором этих реакций. С другой стороны,эргономическая адекватность предполагает столь же близкое (поточности и времени) восприятие оператором отказов и возмущений,действующих на ЛА и его имитируемый образ. Заметим, что эргономическая адекватность может быть также названа операционно-функциональной.На агрегатном уровне каждая из перечисленных видов адекватности проверяется и оценивается применительно к отдельнымсоставляющим в конкретных РС. На системном уровне можно говорить об адекватности всех составляющих в одном из РС. Накомплексном уровне приходится рассматривать адекватность всехкомпонентов применительно ко всей установленной системе РС.Исходя из этого можно говорить об ограниченной адекватностина различных уровнях, например о частичном несоответствии одного или нескольких каналов в одном, двух или более РС.

4.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СИНТЕЗА КОМПЛЕКСНОГО

АВИАЦИОННОГО ТРЕНАЖЕРА

Синтез комплексного авиационного тренажера ставит целью оп-ределение рациональных значений параметров и характеристикмногочисленных компонентов и взаимосвязей, входящих в составНОАЭУС, с тем чтобы была достигнута наибольшая степеньобщей 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 кон-кретными функциями, имеющими аналог в реальном полете ЛА. Этианалоги могут быть функциональными, или же представлять собойопределенные системы, входящие в состав бортового оборудования.Функциональными аналогами являются: имитированные характе-ристики движения и управления ЛА (динамический аналог); совокупность характеристик, создающих у пилота ощущение внекабинного пространства (внекабинной визуальной обстановки); параметры, создающие акселерационные ощущения и иллюзию полета.Каждый имитатор строится таким образом, чтобы в нем наибоее полно и адекватно воспроизводились характеристики реального аналога — информационные, исполнительные и динамическиесвойства.Основная посылка первого этапа синтеза заключается в следующем: каждый отдельный имитатор должен создавать адекватный«стимул» управляющей, оперативно-мыслительный и другой деятельности. Сопряжение необходимого числа таких имитаторов в единуюструктуру образует эффективный (с позиций общей адекватности)тренажер. Опирается указанная посылка на известную в инженерной психологии схему «стимул — управление — динамическая реакция». Реализация ее в КАТ обеспечивает правильное формирование навыков и умений летной деятельности.Каждый имитатор, по существу, формирует (моделирует) специфический информационный канал; информация, поступающая поэтому каналу, может быть названа специфическим «стимулом»пилотирования. Предполагается, что пилотирование является результатом сложения независимых и зависимых стимулов. Получивакселерационную, 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, результатомкоторого является соответствующее изменение траектории в фазовомпространстве. Это, в свою очередь, изменяет характеристики движения, показания пилотажных приборов, визуальную картину закабинного пространства. Это опять же изменяет специфические информационные потоки, на основании чего образуются новые стимулыи происходит дальнейшее развитие управляемого движения. На сле-дующих этапах синтеза возможно перераспределение нагрузки наотдельные имитаторы, уменьшение одних стимулов за счет других.Рассмотрим в качестве примера общую схему синтеза имитатора динамики полета. Постановка задачи будет для общностисформулирована в векторной форме.Предположим, необходимо построить имитатор динамики полетаКАТ, который был бы с определенной степенью точности адекватен математической модели полета и управления конкретного ЛАПри этом необходимо учитывать различные состояния ЛА, возможные в заданной области ОУЭ, «штатные» режимы и отказы функциональных систем, изменения конфигурации, предусмотренные программой или осуществленные пилотом.Изменение фазовых координат ЛА, характеризующих полет ЛАна всех его этапах от страгнвания на ВПП до посадки и пробега,можно с хорошим приближением описать системой дифференциаль-ных уравнений первого порядка следующего вида:

Здесь х— вектор фазовых координат х_{, х₂..,х_і...х_/п размерности т;

U—U• (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 боль- шого числа факторов, среди которых:

kj— параметры, характеризующие конфигурацию ЛА;

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

a.j— параметры, характеризующие атмосферные, эксплуата- ционные и иные условия.

Таким образом,

Система уравнений (4.1) определена на некотором интервале времени (участке полета) Т_пол.В многомерной области ОУЭ сис- тема (4.1) определена для любых значений х,, лежащих в некотором диапазоне разрешенных или допустимых координат {х,}_доп. Анало- гично этому вектор Uопределен в многомерной области допустимых управлений {м}_доп. Таким образом,

Очевидно, что система уравнений (4.1) определяет некий управ- ляемый процесс. Ход этого управляемого процесса будет определен на некотором интервале [/₀; /,), если на этом интервале задан вектор Uв виде:

(4.3)

Вектор-функцию (4.3) называют фактическим программным уп- равлением. Каждому выбору такой функции и каждому заданному состоянию системы t*=t₀x_Q — x{t)\ t*~Tсоответствует, согласно уравнению (4.1), непрерывная функция координат х_ш(і, х₀, Т), которая представляет собой реализацию программного движения системы при заданном управлении.

(4.4)

Очевидно

(4.3)

Согласно РЛЭ, для ряда конкретных условий полета существует программное управление

В условиях полета, при заданных начальных условиях, выбранном

векторе управления

и других конкретных факторах

Если система уравнений (4.1) реализована в тренажере, то ейсоответствуют координаты хАГ и управление иАГ.Соотношение, определяющее невязку (в векторной форме)

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

ных испытаний летательного аппарата;jс. (jf) — летные характеристики, моделируемые в КАТ при техже 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:

где

G — матрица управления по обратной связи;

Е — матрица управления по вектору программных сигналов;

Хпѵ — вектор программных сигналов.

Решение системы (4.1) и (4.7) для момента времени запишем в форме

Выражение (4.8) описывает характеристики системы «ЛА САУ», которые представляется возможным сопоставить, согласно(4.6), с характеристиками системы «АТ — имитатор САУ».Задача синтеза имитатора динамики полета может быть сфор-

мулирована следующим образом.Для выбранного PC, т. е. выбранной совокупности внешних внутренних условий, определить параметры матриц реализуемых в тренажере так, чтобы при заданном управлении(4.3) и (4.4) параметры невязки (4.5) не превосходили заданный

допуск (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.

этом случае матрицы, обладающие наименьшей размерностью, могут быть идентифицированыпо материалам натурных экспериментов наиболее точно и быстро.На втором этапе синтеза учитывается ограниченность числаимитаторов, их взаимосвязи. КАТ как модель представляет собоймножество имитаторов (число их составляет лАТ), которые только

частично и приближенно воспроизводят совокупность ІѴЛА реальныхпроцессов в системе «летчик — летательный аппарат», подлежащихрассмотрению, т. е.

Соединение ограниченного числа адекватных, т. е.

Достаточно достоверных, имитаторов в единой иерархической структуре можетпривести 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:

x(t)=(A-BCP)x(t), (4.10)

где

С — матрица параметров информационной модели полета,

Р — матрица параметров пилота,

u(t)=PCx(t). (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. Вструктуре сенсомоторного навыка пилотирования двигательный ком-

понент является интегральным показателем, отражающим полнотуи качество переработки пилотом информации, поступающей по каалам различных анализаторов.В конечном итоге почти вся информация, воспринимаемая пилотом, реализуется в управляющих4 движениях. Поэтому целесообразно ввести оценку расхождения

управлений в виде:,

(4.12)

где

U_nK— многомерное управление, формируемое пилотом в полете на летательном аппарате,

Uat — управление, формируемое пилотом на тренажере,

6_до(1 — вектор допусков.

Соотношение (4.12) будет, в конечном счете, характеризовать адекватность структуры деятельности пилота на летательном аппа- рате и авиационном тренажере при выполнении одинаковых задач и заданных режимах полета; оно же определяет необходимую и достаточную полноту моделирования условий «полета» в авиацион- ных тренажерах.

Адекватность структуры деятельности пилота может быть оце- нена тождественностью следующих структур:

пространственно-временных характеристик движений пилотом органами управления на летательном аппарате и авиацион- ном тренажере;

динамических реакций летательного аппарата и авиацион- ного тренажера на рассматриваемом интервале времени дви- жения объекта управления;

психофизиологических реакций пилота на летательном ап- парате и авиационном тренажере на рассматриваемом отрез- ке движения.

Изложенные обобщенные оценки охватывают все внешние прояв- ления деятельности пилота и определяют необходимую и достаточ- ную полноту и точность моделирования.

Обобщенная характеристика структуры деятельности пилота на ЛА может быть выражена функцией

определяет чувствительность характеристики Fк изменению і-гокритерия в оценке структуры деятельности,

характеризует чувствительность /-го критерия к измене- нию параметра х, на тренажере,

Лх, — ошибка воспроизведения сигнала х, в тренажере, при которой структура деятельности пилота может претерпевать изме- нения по сравнению со структурой деятельности в полете на Л А.

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

На одном из последующих этапов синтеза следует учесть много- контурность КАТ, а также неравнозначность информации, поступаю- щей к пилоту в течение цикла управления. Один вид информа- ции необходим пилоту в начале цикла, другой — в ходе пилоти- рования. 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 ор- ганами управления;

контуры визуальной и акселерационной информации, через которые поступают данные, характеризующие начало движе- ния летательного аппарата, возмущения и т. п., контуры приборной и визуальной информации, характеризую- щие движение летательного аппарата как реакцию на управле- ние.

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

нал о начале движения органов управления как первую реакцию ДА 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:

Выражение (4.17) подтверждает известное положение о том, что акселерационная информация поступает к пилоту со сдвигом во времени по отношению к усилию, прикладываемому к орга- нам управления; сдвиг определяется параметрами передаточных функций. Одновременно пилот получает насыщенную, многоплано- вую визуальную информацию, а также обширную инструменталь- ную информацию. С одной стороны, акселерационный канал содер- жит 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 летатель- ный аппарат совершил правильное движение, или наоборот — реакция на управление неправильна. Описанные информационные контуры характеризуют, таким образом, неразрывную связь харак- теристик ЛА, его управления, параметров внешней среды и коор- динат фазовой траектории. Весьма важные количественные харак- теристики о параметрах полета пилот в реальных условиях получает от системы отображения пилотажно-навигационной информации. Эту информацию — отклонения стрелок приборов и командных пла- нок, различные индексы и т. д. можно обобщенно выразить

уравнением вида:

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 простей- шем случае имеем:

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

//„ — программа полета или концептуальная модель;

w_n(р) — передаточная функция летчика; ш_ЛА(р)— передаточная функция ЛА.

При действии внешних возмущений, помех и внутренних «шу- мов» .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 качест- ва, запаздывание по отношению к реальным данным, специфи- ческие ограничения и т. п. То же самое относится к сис-. теме подвижности, в которой возможны значительные отклонения от реальных (полетных) значений почти всех параметров — пере- мещений, перегрузок, углов, угловых и линейных скоростей. Все эти отклонения и искажения могут быть аппроксимированы соот- ветствующими передаточными функциями, характеризующими ими- таторы КАТ как обучающего эргатического средства. Задача син- теза тренажера в части выбора параметров СИВВО и СИ КП за- ключается не только в выборе параметров этих функций, но и в их конструктивном воплощении в конкретных схемах. Конечная цель заключается в создании адекватных информационных потоков, сти- мулирующих адекватные управляющие действия пилота. Только так можно обеспечить формирование навыков, эквивалентных реальному полету.

Для воспроизведения в КАТ комплекса параметров, характери- зующих 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 адекват- ности. Первая группа требует, в конечном счете, обеспечения оди- накового восприятия пилотом не только самой внешней среды, но и ее проявлений. Это позволит формировать одинаковые стимулы пило- тирования, адекватные реальному полету. Несоответствие между получаемой информацией на тренажере и в полете приводит к соз- данию ошибочных иллюзий и неадекватным реакциям.

. Вторая группа требований исходит из необходимости обеспе- чения адекватного влияния среды на характеристики функциональ- ных систем ЛА, на динамику полета и на управление.

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:

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 обеспечения адекватного влияния среды на характеристики функциональных систем ЛА, на динамику полета и на управление.