Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом (1987), страница 2

Перспективы и проблемы развития техники чправления летательными аппаратами Всякий летательный аппарат (ЛА) может быть охарактеризован по крайней мере с двух сторон. С одной стороны, о нем можно говорить как о средстве транспортирования различных грузов, В этом случае внимание сосредоточивается на таких данных ЛА, как далыюсть полета, платная нагрузка, маневренность, ресурс, комфорт и тд. Эти данные представляют собой летно-технические характеристики ЛА [1.11. С другой стороны, ЛА можно рассматривать как объект управления.

При этом для пилотируемых ЛА определяются простота и удобство пилотирования или управления движением, воэможность эффективного выполнения полетного задания, безопасность полета и т.д. Указанные свойства суть пилотажные характеристики ЛА [1.2, 1.31. Естественно, что улучшение летно-технических и пилотажных характеристик ЛА тесно связано с прогрессом авиационной техники. На первых этапах развития авиации достижение требуемого уровня названных характеристик обеспечивалось улучшением двигателей, аэродинамики, конструкции и материалов ЛА. Но уже в 30-х годах появляются и быстро распространяются бортовые средства автоматики [1.3 — 1.51, на которые возлагается задача улучшения пилотажных характеристик самолетов. При этом круг функций, выполняемых средствами автоматики, постоянно расширяется.

В результате существенно облегчается пилотирование самолета на маршруте, автоматизируется управление движением ЛА на различных этапах полета. В то же время стремление достичь наиболее высоких летно-технических характеристик заставляет изыскивать все новые возможности комплексного совершенствования ЛА. Быстрое развитие авиационного электронного оборудования привело к тому, что начиная с 70-х годов перспективы значительного улучшения летно-технических характеристик стали связываться с более рациональным распределением различных функций между рис. ад. расширение эксплуатационных Н,км областей легких самолетов: 1, й, Ш— условные номера поколений Фп аэродинамикой, конструкцией, двигателем и техническими средствами управления полетом, При этом за счет расширения функции бортовых средств удается существенно снизить веса и габариты силовых элементов конструкции ЛА, умень. шить энергетические потери, связи~- ные с выполнением полета, что в свою очередь позволяет повысить дальность полета, платную нагрузку д 2 и другие летно-технические характеристики ЛА.

Соответствующая идеология известна как идеология активного управления ЛА и получила распространение в литературе [1.6 — 1.81 . Учет возможностей управления на ранних стадиях проектирования ЛА приводит к концепции, согласно которой аэродинамическая компоновка определяется требованиями и возможностями управления 11.71 .

Эволклия летно-технических характеристик ЛА, прогресс авиационной техники можно интерпретировать как расширение эксплувтационнъи областей в пространствах состояний (в общем случае многомерных) с одновременным повышением надежности, точности и безопасности выполнения полетных заданий. Эксплуатационные области пространства состояний ЛА назначаются из соображений сохранения высокой эффективности ЛА в решении поставленных задач н обеспечении необходимого уровня безопасности полета.

Некоторые сечении пространства состояний являются общепринятыми для задания и иллюстрации наиболее важных летных ограничений. К ним относится показанная на рис. 1.1 плоскость "высота — число Маха" (отношение воздушной скорости полета ЛА к скорости звука на данной высоте полета). Переход от одного поколения ЛА к другому и даже эволюция одного поколения в процессе модификаций, как правило, сопровождаются расширением эксплуатационных областей. Это иллюстрируют (чисто качественно) области 1 — Ш. Здесь же показаны значения скоростного напора <у (давления, создаваемого набегающим воздушным потоком), широкий диапазон изменения которого в значительной степени определяет широкие диапазоны изменения динамических свойств ЛА. Расширение эксплуатационных областей может быть достигнуто, в частности„применением средств адаптации (т.е. приспособления к условиям полета) аэродинамических форм ЛА и силовой установки: развитием механизации крыла, применением крыла изменяемой стреловидности„ выпускаемых органов управления, органов непосредственного управления аэродинамическими силами, разработкой адаптивного крыла, применением управления входными и выходными устройствами силовой установки.

Эволюцию средств адаптации конструкции самолета н его силовой установки иллюстрирует рис. 1.2, содержащий далеко не полный перечень техии- гаар гада гара Фаа Годы рис. П2. Эвоюодии средств вдаитадии коистрткиии ЛА и его двигателя ческих решений, способствовавших достижению высоких летно-технических характеристик [1,91 . В то же время зти средства и органы адаптации управляются пока в основном вручную или автоматически по жестко заданным программам в зависимости от времени или параметров полета. Ручное управление резко ограничено психофизиологическими возможностями человека, а автоматическое управление по заданной жесткой программе не реализует обширных воэможностей «далтации и автоматизации. Таким образом, эволюция средств адаптации ЛА и силовых установок вступает в противоречие с методами управления. Эксплуатационные диапазоны изменения характеристик современных и особеню перспективных ЛА настолько широки, что неадаптивное или ограниченно адаптивное (с самонастройкой небольшого числа передаточных чясел) управление становится все более затруднительным.

Когда говорят о широте эксплуатационных областей ЛА, обычно в основном имеют в виду 11.Ц широкие диапазоны изменения высот, чисел Маха, скоростного напора (см. рис. 1.1). Однако надо отметить, что сопровождающие расширение этих областей адаттация конфигурации ЛА, статические упругие деформации крыла и других элементов конструкции в свою очередь вызывают изменения свойств ЛА как объектов управления, усиливая потребность в адаптативюм управлении. Чрезвычайное разнообразие и сильное влияние внешних подвесок, необходимость обеспечения управления в условиях отказов части агрегатов управления и повреждений ЛА требуют адаптации и даже самоорганизации системы управления. Хотя учет всех факторов (кроме, вероятно, повреждений) может осуществляться путем контроля происходяпвгх изменений в компоювке планера и контроля режима полета с последующей корректировкой передаточных чисел системы управления, трудно ожидать достаточно полной реализации такого решения; Это объясняется как необходимостью контроля и учета большого числа факторов, так и исключительно высокой потребюй памятью Б11 ВМ.

В связи с указанными выше факторами увеличивается разнообразие характеристик ЛА как объекта управления. Даже для жесткого маневренного самолета минимальное число параметров нелинейной математической модели пространственного движения составляет десятки, а с учетом аэро- Ю $ Ю «Ю 4~ бО ф иых а тЪу ~с 1 е.

Сравнение сложности неадаативных САУ 11 автоупрутосги сотни 11.101. Для систем автоматического управления с ограшеченными функциями управления полетом, заведомо не включающими задачи активного управления, число режимов работы, количество контролируемых передаточных чисел и общее число контролируемых параметров неуклонно увеличиваются. Возрастание сложности типовых (1-6) систем автоматического управления самолетов П и рд поколений иллюстрирует рис. 1.3. Проектирование и испытание неадалтнвных САУ в этих условиях недопустимо затягиваются (даже с внедрением систем автоматизированного проектирования — САПР), а номенклатура неадаптнвных САУ увеличивается.

Обеспечение многомерных ограничений вырастает в самостоятельную острую проблему, которая не может быть решена без адаптации. Дело в том, что "точные" и "истинные" ограничения существуют в многомерном пространстве сЬстояний, имеют сложную форму и изменяются прн смене подвесок, конфигурации, повреждениях. От того, насколько полно используются разрешенные или допустимые области, непосредственно завиап летно-тактические возможности ЛА. С другой стороны, приближение к границам областей, вообще говоря, связано с ростом верояпюсги возникновения опасных ситуаций.

В то же время реальные возможности летюка уверено контролировать и выдерживать различные ограничения существенно ограниченъ1. Для известных неадаптивных автоматов безопасности (средств предотвращения нарушения границ эксплуатационных диапазонов параметров полета) характерны, во-первых, небольшое число ограннчнваемьех параметров, а во-вторых, жеспсость программ работы, что снижает достигаемый эффект автоматизации выдерживания ограничений Противоречие между полнотой использования возможностей техники и безопасностью полета может быль решено только на основе высокосовер. шенных адаптивных мноегопараметрических автоматов ограничений.

Принципиально новые возможности открывыотся перед системами управления полетом с внедрением достаточно развитых бортовых цифровых вычислительных систем (БЦВС). Использование БЦВС 11 11 — 1.131 для обработки информации, управления и контроля имеет целый ряд преимуществ по сравнению с аналоговой техникой: — уменьшение числа элементов оборудования (одна или несколысо однотипных электронных вычислительных машин могут обеспечить решение всех задач управления движением ЛА); — гибкость использования (изменение алгоритмов управления и настройка коэфффициентов системы могут быть осуществлены путем изменения программ); — применение более совершенных алгоритмов управления, позволяющих оптимизировать движение ЛА; — ограничение точности вычислений только длиной слов; — широкие возможности самоконтроля работы системы и контроля различных параметров в процессе полета н при техническом обслуживании ЛА.

Освоение высокоразвитых БЦВС является основой для глубокой интеграции бортового оборудования и для создания интегрированного бортового комплекса (ИБК), с которым связываются перспективные поколения ЛА. Вообще говоря, понятие ИБК пока не является общепринятым. Некоторые специалисты под ИБК понимают все бортовые комплексы с распределенными вычислительными системами. В ряде работ 11.14-1.161 интеграция бортовых систем связывается с объединением осуществляемых функций управления. Здесь ИБК понимается в самом широком смысле в соответствии с 11.171 (направление всех ресурсов на решение главной задачи; резкое повышение автоматизации управления; строго обоснованная минимальная информационная избыточность; автоматическая оптимальная реконфигурация; адаптивное оптимальное управление; распределенная мультиплексная БЦВС).

В ИБК с высоким уровнем интеграции предусматривается комплексирование на уровне простых первичных измерителей. При этом почти вся обработка информации осуществляется в БЦВС. Это облегчает использование новых принципов построения систем управления полетом ЛА и, кроме того, создает возможность значительного сокращения объема, массы, стоимости ИБК с одновременным резким повышением точности, контролеспособностн, надежности, эксплуатационной технологичности бортовых комплексов ЛА в целом. В то же время с переходом к интегрированным комплексам возрастает роль математического обеспечения, которое, по существу, и определяет облик ИБК. Технические и эксплуатационные характеристики БЦВС (а следовательно, н всего комплекса) все в большей степени становятся зависимыми от свойств соответствующего математического обеспечения. Особую окраску приобретают мероприятии по обеспечению надежности ИБК.