СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ САМОЛЕТОМ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использовано в системах управления маневренных летательных аппаратов (ЛА).
Современные самолеты, как показала практика их использования, способны попадать в такие критические режимы, как сваливание и штопор, именно из-за потери устойчивости и управляемости при маневрировании на больших углах атаки [ВИНИТИ, «Проблемы безопасности полета», №3, 1989 г., Москва]. Одной из причин этого является то, что в ряде случаев летчик способен, совершенно не желая того, «обмануть» систему управлении и спровоцировать сваливание, энергично воздействуя на органы управлении при маневренном воздушном бое на больших углах атаки, где приходится не только управлять самолетом для выполнения нужного маневра, но и устранять естественные признаки полета на больших углах атаки (нарастание путевых колебаний при управлении по крена, тряска и т.п.). Отклонение ручки управления с частотой, близкой к частоте собственных колебаний самолета, может привести к появления резонансных явлений, опасность которых возрастает при приближении самолета к границам области устойчивости, что имеет место при полете на больших углах атаки, когда даже не большие по величине колебания могут привести к потере устойчивости. Использование демпферов (тангажа, крена, направления) на больших углах атаки не позволяет эффективно парировать такие колебания из-за недостатка аэродинамической эффективности органов управления при малом отклонении рулевых органов от рулевых агрегатов. С другой стороны, величина допустимых углов атаки, реализуемых в системах ограничителями предельных режимов (ОПР) и улучшением устойчивости и управляемости (СУУ) зависит от большого числа параметров: числа М, конфигурации, наличия подвесок, наличия
скольжения, инерционного взаимодействия и целого ряда других факторов, учесть которые и запомнить в ОПР и СУУ практически невозможно [ЦАГИ, «Техника воздушного флота», №3, 1991 г.]. Таким образом, максимально допустимый угол атаки в данных системах закладывается со значительным запасом, что снижает маневренные и боевые характеристики самолета.
Существующие в настоящее время ЛА имеют большой диапазон углов атаки скольжения и крена. Повышение боевой эффективности ЛА связано с использованием режимов близких к критическим.
Известна система управления самолетом, содержащая сумматор, первый вход которого соединен с системой ручного управления, а выход соединен с исполнительным органом системы управления самолетом; последовательно соединенные датчик угловой скорости, вычислительное устройство сервопривод, выход которого соединен со вторым входом сумматора. [Белогородский С.Л. Автоматизация управления посадкой самолета - М: Транспорт, 1972 стр.90-93, рис.3.14].
Использование данной системы в процессе обучения летного состава (особенно на начальных этапах обучения) нецелесообразно из-за большой вероятности попадания в закритические режимы (сваливание, штопор), что приводит к снижению безопасности полетов. Вследствие чего целесообразно ограничить диапазон допустимых углов в зависимости от уровня подготовки летчика.
Задачей данной полезной модели является повышение безопасности полетов ЛА на этапе обучения летного состава.
Для решения данной задачи в систему управления самолетом между системой ручного управления и сумматором установлен ограничитель, который задает диапазон углов атаки скольжения и крена в зависимости от уровня подготовки летчика. Уровень подготовки летчика определяется коэффициентом натренированности (Кн.), который вычисляют в наземной базе данных по результатам летной подготовки индивидуально для каждого летчика, рассчитанной на основе количества упражнений программы подготовки летчика,
н
качества их выполнения и периодичности. Методика и алгоритм рассчета К, изложены в приложении 1.
При выполнении боевых задач указанный ограничитель отключают с целью использования любым летчиком предельных возможностей ЛА.
Предлагаемая полезная модель может применяться для любых типов летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и т.д.). Наиболее актуальна полезная модель для высокоманевренных ЛА. Предлагается использовать при разработке перспективных ЛА, а также для модернизации существующих высокоманевренных ЛА.
На фиг 1 изображена структурная схема системы управления самолетом.
н
Система управления состоит из демпфера, включающая в себя, последовательно соединенные: датчик угловой скорости 1, вычислительное устройство 2, сервопривод 3, выход сервопривода 3 соединен с первым входом сумматора 4, а также системы ручного управления 6, которая через ограничитель 7 соединена со вторым входом сумматора. На второй вход ограничителя 7 поступает сигнал пропорциональный коэффициенту натренированности К, который формируют в наземной базе данных.
н
н
Система работает следующим образом: сигнал угловой скорости поступает на вход вычислительного устройства 2, далее на вход сервопривода 3, с его выхода на первый вход сумматора 4, с сумматора 4 перемещение поступает на руль 5. Система ручного управления 6 работает параллельно демпферу и выходы обоих систем объединяют в результирующее отклонение руля 5 через сумматор 4. На второй вход ограничителя подают сигнал пропорциональный коэффициенту натренированности К, который формируют в наземной базе данных. Методика расчета К, изложена в Приложении 1.
Приложение 1.
МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ УРОВНЯ НАТРЕНИРОВАННОСТИ-ОПЕРАТОРА ПРИ УПРАВЛЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ (НА ПРИМЕРЕ ЛЕТЧИКА)
i
i
доп
Задача обучения летного состава может быть задана в следующей постановке. За определенное время (например, учебный год) необходимо обеспечить освоение каждым летчиком учебной программы на заданном уровне при наличии ограничений на годовой налет всего авиационного (АП) полка. Формально это можно записать следующим образом. Пусть U - уровень подготовки i-го летчика на конец года; m - число летчиков в АП; Т - налет i-го летчика за год; Т - допустимый налет за год всех летчиков АП. Тогда:
iзад
где U - заданный уровень летной подготовки i - го летчика.
i
Величину U можно рассматривать как некоторую функцию двух обобщенный характеристик - степени обученности летчика и степени его натренированности. Под степенью обученности будем понимать характеристику, определяемую качественной стороной выполнения полетного задания, то есть степенью эффективности использования летчиком авиационной техники при решении поставленных задач с учетом вопросов безопасности.
Под уровнем натренированности будем понимать степень стабильности качественных показателей выполнения полетного задания при аналогичных условиях повторения полета с теми же качественными характеристиками,
которые уже достигнуты, насколько стабильны результаты полетов того или иного летчика. Результаты каждого полета зависят от большого числа объективных и субъективных факторов не всегда формализуемых, порой чисто случайных. Тем не менее, качественная характеристика полета имеет детерминированную составляющую, определяемую способностью к обучению и натренированностью. Если натренированность рассматривать как функцию количественных характеристик программы прохождения КБП, то она может служить критерием оценки хода освоения этой программы. На основе наблюдения за ней может быть организован контроль за ходом прохождения летным составом курс боевой подготовки КБП.
н
Степень натренированности обозначим коэффициентом К. Рассмотрим методику его расчета и факторы на него влияющие. Будем полагать, что:
1. Натренированность возрастает лишь в том случае, когда какая-либо операция (фигура, элемент полета) выполняется (повторяется) практически.
2. С течением времени натренированность непрерывно уменьшается при отсутствии повторов выполнения операций (упражнений).
3. При выполнении составных (комплексных) упражнений возрастает натренированность в выполнении каждого из элементов этого упражнения.
4. Состав элементов при выполнении каждого упражнения не изменяется в течении времени освоения программы или элемента летной подготовки.
5. Оценки, фиксирующие качество выполнения полетного задания, выставляются, как правило, достаточно объективно.
Известно, что в процессе освоения каких-либо практических навыков степень их закрепления подчиняется экспоненциальному закону
Н
где К(t) - степень закрепления навыков к моменту времени t
К(0) - масштабный коэффициент
t - время тренировки
а - коэффициент
H
Исходя из анализа задач летной подготовки можно сделать вывод о возможности описания изменения К.
H
H
Hmax
H
H
H
H
Рассмотрим диапазон изменения величины К, его смысл и интерпретацию. Поскольку K является ненаблюдаемым (неизмеряемым), определим его граничные значения следующим образом. Исходя из формулы (2), его значение не может быть меньше нуля. Тогда примем К=1. Очевидно, что К=0 соответствует ситуации, когда натренированности нет. Наибольшая натренированность соответствует случаю предельной возможной стабильности результатов полетов при любом их числе. Практически это недостижимо. Отсюда следует, что К=1 соответствует лишь техническим объектам со стабильной (жесткой) программой управления. К таким устройствам относятся конечные автоматы (например, автопилот). Для человека-оператора время достижения К=1 равно бесконечности. В результате получаем закон изменения коэффициента K(t) в процессе тренировки в виде:
T
где t - время тренировки.
H
T
Hуст
T
П
П
При a·t≥3, K(t)≈K, т.е. дальнейшее изменение происходит в пределах 5% на интервале [t, ∞]. При больших затратах изменение K, очень незначительно. Данную точку графика будем считать предельной для человека-оператора. С помощью масштабного коэффициента эта точка может быть принята за 1, т.е. , где К - промасштабированный коэффициент натренированности человека-оператора. Если тренировка производится не по времени, а по числу циклов тренировки, то формула (3) приобретает вид:
П
где R - число циклов тренировки. Уменьшение К(t) является лишь функцией времени перерыва в тренировке и определяется выражением:
П
0
0
0
где K(t) - натренированность на момент времени t; b - коэффициент, определяемый для каждого летчика экспериментально; t - текущий (заданный) момент времени. Всегда очевидно, что t≥t
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАСШТАБНЫХ КОЭФИЦИЕНТОВ
В формулах (4), (5), присутствуют эмпирические коэффициенты а и b. Величина а может быть вычислена из уравнения
T
H
T
T
H
П
Пусть at=3, тогда К(t)=0.95. Отсюда . Физический смысл его в том, что это величина обратная одной третьей времени достижения максимальной натренированности. Она индивидуальна как для каждого летчика, так и для каждого упражнения. Кроме того, в определенной степени зависит от методики обучения и условий полета. Точное значение этого коэффициента может быть определено на основе эксперимента через величину t по достижении К=0.95 (К=1). Это требует большого; объема экспериментальных
исследований. Во-вторых, его использование становиться невозможным до завершения процесса тренировки. Ориентировочно значение для "среднего" летчика может быть рассчитано на основе КБП.
Сделаем следующие допущения:
П
1. Процесс тренировок идет непрерывно. За этот период снижением величины К(t) можно пренебречь.
2. Все упражнения (полеты) по данному элементу летной подготовки выполнены с хорошим качеством.
3. Упражнение выполняется впервые. Выполнены все предыдущие полеты по данному упражнению в объеме установленном КБП.
При данных условиях можно считать, что в процессе тренировок величина ЛГ" изменилась от 0 до 0.95, а время тренировки равно трем постоянным времени экспоненты (3/а). Отсюда определяется величина а для "среднего" летчика. Реальные значения коэффициента для каждого летчика корректируются относительно среднего значения коэффициента через дополнительный множитель, зависящий от качества выполнения полета. Таким образом, здесь учитывается с одной стороны опыт боевой подготовки, заложенный в нормативы КБП. С другой стороны учитываются индивидуальные способности каждого конкретного летчика.
H
З
H
Методика расчетов коэффициента b заключается в следующем. Пусть коэффициент натренированности К равен 0.95. Предельные перерывы между полетами по каждому упражнению определены в КБП. За данное время (t) коэффициент К изменяется с величины 0.95 до величины 0.5, что соответствует снижению качества выполнения полетного задания до оценки «неудовлетворительно». На основе зависимости (5) получим
З
Откуда bt=ln(0.95)-ln(0.5). Индивидуальная коррекция может быть выполнена на основе оценок за контрольный полет после перерыва длительностью Δt.
МЕТОДИКА УЧЕТА КАЧЕСТВА ВЫПОЛНЕНИЯ ПОЛЕТНОГО ЗАДАНИЯ
П
П
В зависимости от того, с каким качеством выполнено полетное задание у летчика на основе осредненных коэффициентов а и b будет различное время снижения качества до минимально допустимого уровня. Отсюда следует, что в модели расчета коэффициента К должно учитываться качество выполнения каждого полетного задания. Единственной информацией о качественных характеристиках полета являются оценки, выставленные за полет. Методика выставления оценок за отдельные элементы полета и за полет в целом подробно изложена в разделах, а так же существуют нормы КБП. Оценки «удовлетворительно», «хорошо» и «отлично» соответствуют 3, 4 и 5 баллам. Если задание выполнено на «неудовлетворительно» выставляют 2 балла. Один балл выставляют в том случае, когда упражнение выполнялось, но не было выполнено. В зависимости от качества баллов за полет назначается коэффициент поправки корректирующих таким образом величину К. При системе оценки «зачет-незачет» в случае назначается 3.6 балла, во втором случае 2 балла, если задание выполнено на 1 балл, если задание не выполнено, но выполнялось.
i
Введем коэффициенты С, i=1...5, зависящие лишь от выставленной оценки.
CP
Пусть летчик выполнил упражнение 1 раз на некоторую «среднюю» оценку А. В качестве такой принимается оценка 3.6 балла или 4 балла. В этом случае коэффициент С, соответствующий «средней оценке» примем равным 1. Другой летчик выполнил упражнение с оценкой, отличающейся от «средней».
П
Тогда формула для величины К примет вид:
Для того чтобы повысить «качество» полета со «среднего» значения до максимального (соответствует 5 баллам), необходимо затратить дополнительное время на тренировку Δt. Тогда можно считать, что оба летчика достигнут одинакового уровня натренированности за первый полет. В результате чего будет справедливо равенство:
Преобразуя выражение (8) получим уравнение:
Решая уравнение относительно С, получаем:
1
2
3
4
Аналогично находят С, С, С, C.
i
Подобная методика позволяет соотнести между собой длительности тренировок для достижения одинаковой натренированности при различных оценках за полет. Соотношение 5-бальной шкалы и величин С определяют для каждого элемента программы летной подготовки. Величину Δt берут средней по множеству летчиков.
Как было сказано ранее, коэффициент натренированности зависит главным образом от объема тренировок и перерывов между тренировками.
П
Каждый из факторов описывается математической зависимостью типа экспоненты. Таким образом, зависимость К, во времени будет предоставлять совокупность отдельных экспонент, представляющих непрерывную функцию.
0
П
0
T1
1
0
T1
Пусть в некоторый момент времени t K(t)=0. После тренировки продолжительностью t величина коэффициента в момент времени t=t+t будет равна:
i
где С - коэффициент.