Диссертация (Разработка адаптивного алгоритма автоматического управления посадкой пассажирского самолета на основе антропоцентрического подхода)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»МАИНа правах рукописиЧИНЬ ВАН ТХАНЬРАЗРАБОТКА АДАПТИВНОГО АЛГОРИТМААВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА НА ОСНОВЕАНТРОПОЦЕНТРИЧЕСКОГО ПОДХОДАСпециальность 05.07.09«Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов»Диссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКостюков Вячеслав МихайловичМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕОГЛАВЛЕНИЕ......................................................................................................2СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ……………………………………………………..4ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….5ГЛАВА I – АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯПОСАДКОЙ И МОДЕЛЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕТЧИКА ПРИПИЛОТИРОВАНИИ ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА………………..10I.1.

Существующие схемы посадки самолета…………………………...10I.2. Существующие ММ поведения летчика-оператора припилотировании самолета………………………………………………………...14I.2.1. Модель компенсационного слежения деятельностичеловека-оператора……………………………………………………………..17I.2.2. Оптимальные модели поведения человека-оператора........19I.3.

Техническая постановка задачи решаемой в диссертации………...21I.4. Математическая постановка задачи…………………………………22ГЛАВА II – ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ ИОБЩИЙАЛГОРИТМКОМПЛЕКСНОГОМОДЕЛИРОВАНИЯДВИЖЕНИЯ ПРИ ПОСАДКЕ………………………………………………..24II.1. Существующие методы решения задач оптимальногоуправления……………………………………………………………………….24II.2. Решение задачи оптимального управления самолетом…………...25II.2.1. Алгоритм решения задачи оптимального управленияградиентным методом………………………………………………………….26II.2.2. Численный алгоритм реализации градиентного методарешения задачи оптимального управления…………………………………….27II.3. ММ и общий алгоритм комплексного моделирования движенияпассажирского самолета при посадке…………………………………………..33II.3.1.

Используемые системы координат……………………….33II.3.2. Система уравнений движения самолета…………………38II.3.3. Влияние близости поверхности земли – экранныйэффект…………………………………………………………………………...43II.4. Объект управления…….…………………………………..………...46ГЛАВА III – ММ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕТЧИКА ПРИ ЭНЕРГИЧНОММАНЕВРЕ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕВЫХОДОМ САМОЛЕТА НА ГЛИССАДУ……………...…………………503III.1. Нелинейная ММ оптимальной деятельности летчика при выходесамолета на глиссаду…………………………………………………………….50III.2.

Алгоритм идентификации параметров критерия в нелинейнойММ оптимальной деятельности летчика при выходе самолета наглиссаду…………………………………………………………………………..54III.2.1. Метод поиска минимума Флетчер-Ривса…………...….....56III.2.2. Зашумление данных………………………………………..57III.2.3. Схема решения задач………………………………………57III.3. Автоматическое оптимальное управление выходом самолета наглиссаду с найденным критерием…………..…………………………………60III.4. Выводы…………...……………………………………………….....73ГЛАВА IV – ММ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕТЧИКА ПРИ НЕЭНЕРГИЧНЫХМАНЕВРАХ (ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ПО ГЛИССАДЕ И ВЫРАВНИВАНИЯ)ИАВТОМАТИЧЕСКОЕОПТИМАЛЬНОЕУПРАВЛЕНИЕВЫРАВНИВАНИЕМ САМОЛЕТА…….........................................................74IV.1.

ММ деятельности летчика при неэнергичных маневрахсамолета..................................................................................................................74IV.2. Алгоритм деятельности летчика при ручном выравнивании…..76IV.3. Ограничения на вектор состояния самолета в момент касанияВПП……………………………………………………………………………...78IV.4. Алгоритм выбора оптимальной высоты начала выравнивания наоснове антропоцентрического принципа……………………………………..80IV.5. Анализ полученных результатов…………………………………85IV.6.

Идентификация параметров критерия оптимального управлениявыравниванием…………………………………………………………………..90IV.7. Автоматическое оптимальное управление выравниваниемсамолета с полученным критерием………………………………….………….93IV.8. Выводы……………………………………………………………..101ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….102СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...104ПРИЛОЖЕНИЯ I, II, III И IV……………………………………….............1144СПИСОК СОКРАЩЕНИЙЛА– Летательный аппаратСАУ– Система автоматического управленияАСП– Автоматизированная система посадкиВПП– Взлетно-посадочная полосаПО– Программное обеспечениеИВК– Измерительно-вычислительные комплексыММ– Математическая модельСК– Система координатСА– Стандарная атмосфераПО– Программное обеспечениеБИНС– Бесплатформенная инерциальная навигационная системаСНС– Спутниковая навигационная системаБЦВМ– Бортовая цифровая вычислительная машинаРВ– Радиовысотомерм– Метрс– Секундарад.– Радианград.– ГрадусГц– ГерцРис.– РисунокТабл.– Таблицаразд.– Раздел5ВВЕДЕНИЕФормирование траектории движения самолета на всех участках полета,включая посадку, осуществляется на трех уровнях:- Верхний уровень – это навигационная задача поиска траектории,обеспечивающей выход из одной точки пространства в другую.

Модель объекта –точка, критерии: время, стоимость, безопасность;- Следующим уровнем является переход ЛА с одного участка траектории надругой. На этом этапе происходит энергичное движение самолета, поэтомунеобходимо учитывать общую нелинейную модель самолета и использоватьсложный критерий оптимизаций таких эволюций. Критерий должен учитыватьограничения на энергичное движение самолета (перегрузки, допустимыеотклонения органов управления самолета и т.д.). Данный этап относится ккатегории наведения самолета с одного участка на другой;- Третий уровень: задача стабилизации объекта относительно найденных надвух первых уровнях желаемой траектории. Задача стабилизации обычнорешается на основе линеаризованных моделей объекта, линеаризация которыхпроведена относительно найденных на предыдущем этапе траекторий.Автоматическое управление ЛА позволяет осуществлять полет от взлета допосадки.

Однако, столь глубокий уровень автоматизации несет опасность в случаесбоевавтоматическойсистемыуправления.Поэтомупассажирскийитранспортный самолеты сейчас и в будущем будут иметь на борту летчиков,которые взаимодействуют с САУ в достаточно активном режиме.Важнейшей задачей в этой связи является согласование характеристикрежима автоматического управления с режимами вынужденного перехода наручной режим управления.В случае перехода на ручной режим, важнейшем является возможностьлетчика быстро включиться в режим ручного управления.6Летчик в процессе обучения ручному управлению получает навык вдействиях, при которых обеспечивается благополучное завершение полета.На борту ЛА могут развиваться разные неблагоприятные ситуации, которыемогут потребовать разные варианты осуществления ручного управления, чтобыблагополучно завершить полет. То есть возможно разные структуры ручногоуправления полетом, при котором исключаются варианты выхода на параметрытраектории, при которых есть опасность катастрофических последствий (выход напредельные углы, недопустимая вертикальная скорость, недопустимый пролет вточке касания полосы в случае если летчик не может включить реверс).Наиболее опасным режимом автоматического управления является посадка.Режим посадки является не столь продолжительным по отношению к общемувремени полета пассажирского самолета, поэтому проводить оптимизациютраектории, исходя из показателей экономических, временных и прочих неявляется безоговорочно верным решением.

Самым главным при посадке являетсябезопасность с возможностью эффективного ручного резервирования. То естьтраекторию автоматической посадки по-видимому следует выбрать максимальнопохожей на траектории, реализуемые летчиком (исходя из анализа действияконкретного летчика когда он осуществляет на тренировке по ручномууправлению) тогда переход в любой момент времени на ручной режим невызывает у летчика стресс и будет повышена вероятность благополучногозавершения посадки.Варианты ручных посадок, используемые в обосновании траекторийавтоматической посадки, очевидно следует выбирать исходя из анализа развитияситуаций на борту ЛА, навыков летчика и его состояния, т.е. алгоритм долженбыть адаптивным.Целью диссертационной работы является разработка адаптивного ктекущему состоянию и навыкам летчика алгоритма управления автоматическойпосадкой пассажирского самолета исходя из максимизации удобства перехода7летчика при необходимости на ручной режим управления на основе согласованиятраекторий ручного и автоматического управления посадкой.Исходя из этого, в диссертационной работе необходимо было:1.

проанализировать существующие методы ручной и автоматическойпосадки, траектории, схемы реализации автоматической посадки, ММповедения летчика при пилотировании им самолета;2. построитьММкомплексногомоделированиядвиженияпассажирского самолета при посадке;3. решить задачи выявления ММ поведения летчика в управлениисамолетомприпосадкеиреализоватьалгоритмымоделированияуправляющих воздействий, совершаемых летчиком в процессе ручнойпосадки;4. проанализировать влияние параметров траектории посадки таких каквысота выравнивания, так и параметров ММ динамики летчика иобосновать алгоритм управления и параметры траектории, позволяющиеснизить нагрузку на летчика за счет максимизации допустимых для летчикаошибок;5.

разработатьалгоритмиПОавтоматическогооптимальногоуправления для найденных желаемых траекторий пространственногодвижения самолета при посадке.Объектом исследований является контур ручного и автоматическогоуправления движением пассажирского самолета при посадке.Предметом исследований являются алгоритмы и ПО бортового комплексаизмерения и управления, обеспечивающие решение задачи посадки самолета.Методы исследования базируются на теории управления, идентификациии оптимизации, теории экспериментальных исследований человеко-машинныхсистем и имитационном моделировании.8Новизна научная состоит в том, что алгоритм управления и основныепараметры траектории автоматической посадки самолета выбираются адаптивноиз расчета и оптимизации предполагаемой деятельности данного летчика приручномуправлении,чтопозволяет вслучаевынужденногоотказа отавтоматического управления с минимальными перегрузками для летчика перейтина ручной режим, то есть в применении антропоцентрического принципаоптимизации автоматического контура управления посадкой.Научные результаты, выносимые на защиту:1.

алгоритм и реализация алгоритма формирования желаемой траекторииавтоматическойпосадкипассажирскогосамолетанаосновеантропоцентрического принципа;2. идентификацияММдеятельностилетчикавформеоптимальногорегулятора при пилотировании им самолета при посадке;3. модификация градиентного алгоритма решения задачи оптимальногоуправления движением самолета при посадке;4. комплекс моделирования, реализующий все вышеуказанные алгоритмы наязыке программирования С++.Практическая ценность состоит в том, что летчику предложены принеобходимости отказа от автоматического управления наиболее комфортныеусловия для управления, учитывающие его навыки и позволяющие совершатьмаксимально большие относительные ошибки пилотирования.