1.2. Особенности реализации идп в цифровых эвм.
Вследствие больших вычислительных и логических возможностей ЦВМ при реализации нелинейных и многомерных функциональных зависимостей, алгоритмов решения дифференциальных уравнений, ИДП цифровых тренажеров потенциально обладают существенно меньшими погрешностями имитации движения ЛА. Однако и в этом случае ИДП может иметь функциональные ограничения.
Одной из основных задач разработки программно-математического обеспечения цифровых тренажеров является выбор метода многомерной аппроксимации и синтез соответствующих баз данных и алгоритмов аппроксимации. При выборе в качестве метода аппроксимации представления многомерной характеристики через сумму произведений одномерных характеристик сохраняются все методические погрешности, связанные с пренебрежением перекрестными связями. Поэтому при цифровой реализации необходимо применять методы именно многомерной аппроксимации, которые позволяют учесть в модели аэродинамики ЛА, его инерционно-массовых характеристиках перекрестные связи, присущие реальному ЛА. Анализ системы программного обеспечения конкретного цифрового ИДП позволяет сделать выводы о степени учета перекрестных связей и, соответственно, функциональных возможностях тренажера в части имитации этапов полета, на которых эти перекрестные связи играют существенную роль.
Принятые при аппроксимации аэродинамических характеристик допустимые диапазоны изменения параметров полета также влияют на функциональные возможности тренажера: выполнение элементов техники пилотирования, в процессе которых возможен выход за допустимые диапазоны изменения параметров, на тренажере не имитируется (например, фигура «колокол», в начальной фазе скольжения на хвост угол атаки близок к 180 градусам).
Другими важными характеристиками цифрового ИДП являются выбор метода численного интегрирования и величины шага численного интегрирования модели движения ЛА. Обе эти характеристики тесно связаны между собой и принятым методом аппроксимации аэродинамических характеристик через располагаемое быстродействие ЦВМ. При этом определяющее значение имеет объем вычислений (число арифметических и логических операций процессора ЦВМ), который необходимо выполнить на один шаг численного решения уравнений движения, от величины шага численного интегрирования рассматриваемый объем вычислений не зависит.
При недостаточном быстродействии ЦВМ существует три пути решения:
1. Увеличение шага численного интегрирования, что эквивалентно уменьшению частоты выполнения объема вычислений на один шаг численного интегрирования.
Недостатками является то, что при увеличении шага возрастают ошибки численного интегрирования и при превышении некоторого порога может возникнуть численная неустойчивость метода, а также «человеческий фактор». При увеличении шага численного интегрирования более 75 мс, опытный оператор (летчик) начинает замечать дискретность моделирования (скачкообразность изменения параметров)1. Граница потенциальной численной неустойчивости определяется собственными динамическими свойствами ЛА, на рисунке 1 по оси абсцисс отложена частота наиболее «быстрого» собственного движения ЛА.
2. Применение метода численного интегрирования Рунге-Кутта при одновременном снижении вычислительных затрат на аппроксимацию аэродинамических характеристик. Недостаток такого подхода заключается в том, что снижение вычислительных затрат возможно при упрощении модели аэродинамики и пренебрежении перекрестными связями, что эквивалентно увеличению методической погрешности моделирования.
3. Применение одного из многошаговых методов численного интегрирования Адамса без упрощения модели аэродинамики ЛА. Недостаток такого подхода заключается в том, что всякий многошаговый метод численного интегрирования искажает вводимые в модель движения внешние управляющие сигналы (формируемые летчиком или автоматической системой управления).
Величина этого искажения определяется числом учитываемых в методе прошлых точек траектории движения и величиной шага численного интегрирования.
Рисунок 1 Определение величины шага численного интегрирования: а) область вычислительной устойчивости; б) область потенциальной вычислительной неустойчивости; в) ограничение по «человеческому фактору» |
В цифровых тренажерах, построенных на основе УВК М-6000 и СМ-2М, вследствие недостаточной вычислительной производительности в ИДП применяется метод Симпсона (3.40). Если для описания кинематики углового движения в цифровом ИДП применяются уравнения (4.9), то такой тренажер имеет функциональные ограничения на маневрирование в вертикальной плоскости в окрестности точек . Применение эквивалентных форм записи уравнений не устраняет особых точек метода и не позволяет устранить указанное ограничение. |
Для его устранения необходимо использовать для описания кинематики углового движения уравнения для матрицы направляющих косинусов или уравнения для кватернионов.
В целом за счет реализации нелинейной модели динамики полета, полных моделей сил и моментов, частично многомерной аппроксимации аэродинамических характеристик цифровые ИДП находящихся в эксплуатации тренажеров обеспечивают погрешность имитации параметров полета на установившихся режимах не хуже 5%, а на переходных – не хуже 10%. В качестве типовых функциональных ограничений этого поколения тренажеров можно указать ограничение на маневрирование в вертикальной плоскости, ограниченные допустимые диапазоны имитации аэродинамических углов, нереализованность явления штопора.
Функциональные возможности ИДП тренажера по обеспечению мероприятий по безопасности полетов определяются, в частности, имитацией неблагоприятных внешних воздействий, оказывающих влияние на движение ЛА. К ним относятся: турбулентный ветер, явление сдвига ветра, боковой ветер на взлетно-посадочных режимах, интенсивные осадки, обледенение и др. При формировании перечня неблагоприятных внешних воздействий учитываются как ожидаемые условия эксплуатации ЛА, так и вероятность возникновения того или иного фактора и статистика особых ситуаций по данному фактору для рассматриваемого типа ЛА.
Имитация турбулентного ветра выполняется аналоговым или цифровым способом на основании известной модели Драйдена [ ]. Аналоговые имитаторы турбулентности применяются как в аналоговых тренажерах, так и в некоторых цифро-аналоговых тренажерах, в которых ИДП выполнен в ЦВМ. При цифровом моделировании турбулентного ветра его расчет выполняется в ИДП.
Постоянный ветер задается для некоторого района и тесно связан с решением навигационных задач. Поэтому задание параметров постоянного ветра обычно выполняется в имитаторе навигационной обстановки.
Явление сдвига ветра представляет особую опасность для неманевренных ЛА, его имитация может выполняться путем задания функциональной зависимости приращения величины продольной составляющей ветра в зависимости от высоты полета или применением распределенных табличных моделей ветровых возмущений при сдвиге ветра, рекомендованных ИКАО.
Обледенение конструкции ЛА в полете имитируется путем соответствующего изменения значений аэродинамических коэффициентов ЛА.
Управление проявлением неблагоприятных внешних воздействий и их интенсивностью осуществляется инструктором с помощью органов управления тренировкой на тренажере.
На лекции мы закончили рассмотрение функциональных возможностей имитатора динамики полета и рассмотрели принципы построения и функциональные возможности имитатора силовой установки.
Задание на самостоятельную подготовку: /1/, с. 128 – 158. В процессе самостоятельной работы необходимо особое внимание уделить особенностям реализации ИДП и ИСУ в аналоговых и цифровых ЭВМ, используя рисунки /2/, с. 4 – 6.
Разработал: подполковник А. Бакланов
(должность, воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)