Разработка подхода к обеспечению траекторной безопасности в системах автоматического управления полетом
В статье обосновано применение дополнительных органов управления самолетом и соответствующих алгоритмов управления для обеспечения траекторной безопасности в системах автоматического управления полетом.
В соответствии с установившимися взглядами современной теории автоматического управления [1], при организации управления самолетом на всех этапах полета решаются задачи программирования заданной траектории (ЗТ) и стабилизации самолета относительно ЗТ. ЗТ определяется исходя из соображений достижения целей применения летательных аппаратов (ЛА) эвристически либо методами оптимизации [1]. ЗТ воспроизводится в полете с помощью вычислителей управляющих систем верхнего уровня организации управления. Решение задачи стабилизации ЗТ х*(t) (заданного фазового вектора х, в состав которого в общем случае входят параметры траектории) возлагается на систему автоматического управления (САУ) и должно осуществляться с учетом представления о наилучшем способе решения возникающего переходного процесса (ПП), являющегося приращением η к заданному значению х*.
В результате этого фазовый вектор, вектор управления, с помощью которого фактическая траектория удерживается вблизи ЗТ, будет иметь вид:
х=х*+η, u=u*+Δu,
где u* - управление, соответствующее программному движению х*;
Δu – добавочное управление для гашение η(t).
Это обстоятельство иллюстрирует взаимосвязь задач программирования ЗТ и стабилизации ЛА относительно ЗТ, поскольку обе задачи решаются за счет одного ресурса управления. Поэтому основным требованием к ЗТ является ее реализуемость при ограничениях на управление u в условиях помех, которые могут приводить к отклонениям η, для ликвидации которых управление Δu может оказаться недостаточным, что может потребовать в определенных условиях подключения дополнительных ресурсов управления в виде дополнительных органов управления.
При рассмотрении задачи автоматической стабилизации ЗТ безопасность полетов (БП) понимается как отсутствие (невозникновение) опасных ситуаций (ОС), связанных с недопустимыми отклонениями η, с заданной вероятностью в заданных условиях полета [2], характеризуемых входными управляющими и возмущающими воздействиями. Вероятность возникновения недопустимых отклонений всецело определяется динамическими характеристиками замкнутого контура управления, образованного САУ.
Обеспечение максимального уровня БП при отсутствии отказов составных частей САУ и сопряженного оборудования эквивалентно соблюдению условия практической невероятности аварийной ситуации (АС), катастрофической ситуации (КС) - непревышения вероятности недопустимых отклонений, вызванных действием возмущений, заданного достаточного малого числа 10 в -7 ст. за час полета. При этом методами летно-модельных испытаний выполнение этого условия должно быть подтверждено экспериментально.
Исходя из теории автоматического управления [2], гарантированное отсутствие либо непревышение отклонений регулируемой координаты при всевозможных входных воздействиях возможно лишь при обеспечении условий инвариантности в технически реализуемом виде (с точностью до заданного числа ɛ). Это возможно далеко не во всех практически важных случаях структурного построения САУ и, как правило, требует измерения (оценивания) действующих возмущений. В большинстве случаев при традиционных структурных схемах САУ [3, 4], для повышения точности управления должен быть увеличен коэффициент усиления разомкнутого контура [1], который ограничивается своим критическим значением, определяемым исходя из условия нахождения системы на границе устойчивости. Это означает, что требуемая точность управления в полном диапазоне входных управляющих и возмущающих сигналов при использовании данного контура управления обеспечена быть не может, что делает в большинстве случаев задачу стабилизации фазовой координаты вектора состояния ЛА в заданном диапазоне с заданной вероятностью (с заданной точностью) в условиях помех или даже в их отсутствии, соответствующей прямой постановке задачи обеспечения требуемого уровня БП, нерешаемой.
Обеспечение БП возможно вследствие:
1). Выдерживания условий полета и режимов работы бортового оборудования, при которых возникновение ОС хуже, чем усложнение условий полета практически маловероятно;
2). Предотвращения ОС типа АС и КС за счет принятия правильных и своевременных мер экипажем либо автоматически при отказах оборудования либо возникновении существенных возмущений и отклонений.
Применительно к автоматическим режимам стабилизации указанные мероприятия означают:
по 1) – существенное ограничение условий применения ЛА, что снижает эффективность его применения;
по 2) – постоянный контроль со стороны летчика, что не гарантирует предотвращение ОС, или применение дополнительных автоматических устройств.
В [5] изложены принципы так называемого «комбинированного» или совмещенного управления. Эти принципы предусматривают параллельное функционирование контуров ручного управления (РУ) и автоматического управления с разделением либо без разделения по областям фазового пространства (отклонений регулируемой координаты) зон включения корректирующих алгоритмов, работающих при наступлении либо при прогнозе наступления существенных рассогласований. При этом в качестве корректирующего элемента для летчика, осуществляющего ручное пилотирование, выступает САУ и наоборот. Такое построение «комбинированного» контура управления ЛА основано на признании ограниченных динамических характеристика летчика как элемента контура управления [5]. В ряде случаев это не обеспечит заданной точности РУ, а также означает неспособность традиционной САУ, в рамках реализованных в ее алгоритмах ограничений на параметры полета, обеспечить решение задачи траекторного управления.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, на практике следует учитывать, что традиционные САУ [3, 4], не реализующие принципы инвариантного управления, в большинстве случаев не в состоянии в полном диапазоне входных управляющих и возмущающих воздействий осуществлять высокоточное управление, гарантирующее соблюдение условий БП. Отсюда следует необходимость усовершенствования структуры контура управления ЛА, которое призвано обеспечить либо, по крайней мере, фактически повысить уровень БП. Это утверждение никоим образом не противоречит практике, поскольку строгая вероятностная постановка задачи обеспечения БП [2], как правило, в испытаниях и эксплуатации ЛА строгими статистическими методами не подтверждается, а осуществляется методами экспертного оценивания. Возникающие впоследствии существенные отклонения, приводящие к зафиксированным ОС, в рамках формальной процедуры корректировки статистических данных по фактическому уровню БП в учет не принимаются.
Следовательно, при разработке комплекса мер по обеспечению БП при решении задач целевого применения ЛА во всех случаях следует оценивать потенциально достижимую на практике точность автоматического управления и его достаточность для обеспечения требуемого уровня БП с помощью САУ и в случае ее недостаточности осуществлять соответствующие технические мероприятия. При этом следует еще раз подчеркнуть, что как это следует из фундаментальных принципов теории автоматического управления [6], организация высокоточного управления в полном диапазоне входных воздействий для САУ, работающих «по отклонению» без формирования дополнительных корректирующих воздействий по входным сигналам и возмущениям, может оказаться невозможной.
Одним из мероприятий по повышению точности выдерживания заданного параметра полета ЛА является увеличение энергии его управления с целью скорейшей ликвидации возникших опасных или неблагоприятных с точки зрения БП отклонений управляемой координаты. Это возможно за счет подключения нескольких (не менее двух) разноскоростных каналов управления с разнородными законами управления и/или рулевыми органами, образующими «каскад» контуров управления. При этом:
- если используется один и тот же или однородный орган управления, то первоначальный режим управления должен быть отключен, а управление должно осуществляться в соответствии с новым алгоритмом, энергично препятствующим развитию отклонения по той же фазовой координате и уменьшающим его с заданным темпом, например, прекращение выполнения режима управления маловысотного полета (МВП) с управлением с помощью руля высоты (РВ) при выходе из зоны безопасного управления по параметрам МВП с формированием сигнала принудительного увода, осуществляемого с помощью РВ;
- если используется неоднородный орган управления, оно должно осуществляться в соответствии с новым алгоритмом, энергично препятствующем развитию отклонения по выходной фазовой координате, непосредственно связанной дифференциальными уравнениями с фазовой траекторной координатой, управляемой предшествующим алгоритмом, и уменьшающим ее с заданным темпом. При этом первоначальный режим управления может быть отключен или же указанные алгоритмы могут работать одновременно независимо (по набору входных сигналов), либо с организацией перекрестной связи, например, коррекция отклонения по высоте полета в МВП может осуществляться независимым контуром управления с непосредственным управлением подъемной силой (НУПС). При этом возможно потребуется компенсация моментных возмущений, действующих на ЛА, обусловленных отклонением органов НУПС.
Во всех случаях должны быть правильно выполнены:
- выбор органов управления, достаточных для ликвидации неблагоприятных по условиям БП отклонений от заданной траектории полета ЛА;
- определения условий переключения (подключения) дополнительных алгоритмов управления, предусматривающих использование дополнительных органов управления.
Исходя из вышеизложенного, следует, что для обеспечения требуемого уровня БП при траекторном управлении может потребоваться применение избыточного количества (с точки зрения минимально-необходимого их числа) различных органов управления ЛА. При этом САУ может иметь структуру переопределенной системы управления, у которой число рулевых органов превышает число, необходимое для управляемости системы. К их числу могут относиться рулевые органы, предназначенные для:
- создания управляющих моментов (отклоняемые аэродинамические поверхности и отклоняемый вектор тяги (ОВТ) [7]);
- непосредственного управления аэродинамическими силами (НУАС) или составляющих сил в связанной системе координат (отклоняемые аэродинамические поверхности и отклоняемый вектор тяги), силовая установка.
Наличие на ЛА органов НУАС позволит использовать разнообразные формы движений (маневры) [4], которые можно использовать как маневры по ликвидации ОС.
Требование обеспечения разнообразия качественного состава рулевых органов и их достаточного количества для обеспечения «переопределенности» САУ наряду с использованием ОВТ обязательно приведет к необходимости применения высокомеханизированного крыла для ЛА самолетной схемы. Такое крыло в некоторой перспективе должно приобрести форму так называемого «адаптивного крыла», обеспечивающего выполнение целого ряда функций по поддержанию характеристик устойчивости, управляемости, маневренности ЛА.
С другой стороны, обеспечение «переопределенности» ЛА как объекта управления открывает возможность создания «мультиструктурных» САУ. Они смогут поддерживать режимы работы САУ с помощью различных алгоритмов и органов управления, обеспечивать высокоточное управление за счет использования принципиально новых структурных свойств контура управления. А это в сочетании с соответствующей разработкой их архитектуры (функциональных и структурных схем), позволит существенно повысить надежность, отказобезопасность и живучесть САУ, проявляющихся при отказах ее функциональных элементов и сопряженных с ней бортовых систем, а также при повреждениях конструкции ЛА.
Наличие «переопределенности» ЛА как объекта управления позволит разработать адаптивную САУ, предусматривающую использование более чем одной структуры контура управления на одном режиме работы САУ, работающих неодновременно.
Таким образом, требование жесткого обеспечения БП при автоматическом управлении приводит к необходимости формирования нового взгляда на структуру САУ, основанного на фундаментальных положениях теории автоматического управления [6], заключающегося в использовании избыточного числа рулевых органов ЛА (однородных и неоднородных), что может обеспечить:
- технически реализуемую инвариантность управления к характеристикам внешних управляющих и возмущающих воздействий;
- «каскадность» управления для предотвращения развития ОС по параметрам траектории в случае невозможности обеспечения инвариантности;
- высокоточное управление за счет использования потенциально полезных свойств «перопределенности» САУ;
- адаптивность, живучесть САУ при изменении условий работы и состава минимально необходимых элементов для организации автоматического управления.
При этом «каскадность» управления для предотвращения развития ОС по параметрам траектории может по-прежнему использоваться и при РУ.
Процесс обеспечения БП траекторного управления при отказах систем бортового оборудования, образующих контур траекторного управления самолетом, предполагает:
- определение модели БП, содержащую описания дестабидизирующих факторов и их распределение по кластерам по степени однородности;
- в кластере дестабидизирующих факторов «надежность СУ и сопряженного оборудования» проведение FMEA - анализа [8], для определения перечня систем, вероятность отказа которых за 1 ч полета превышает некоторый пороговый уровень, с целью определения возможных последствий их отказа. Это позволит определить наиболее надежные и действенные элементы контура управления, на основе которых можно сформировать практически безотказный резервный контур увода от ОС, либо разработать требования к дополнительным элементам, реализующим подобный контур.
Таким образом, совокупность перечисленных технических мер поддержит требуемый уровень БП по обеспечению траекторного управления в предусмотренных эксплуатационных условиях и отказах элементов контура управления ЛА (в том числе и элементов конструкции ЛА).
Литература
1. Летов А. М. Динамика полета и управления- М.: Наука, 1969. - 360 с.
2. Безопасность полета ЛА. Методические основы./ Под ред. А. И. Старикова, М.: Транспорт, 1988 - 159 с.
3. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М .С. Системы автоматического управления самолетами. - М.: Машиностроение, 1987. - 240 с.
4. Гуськов Ю. П., Загайнов Г. И. Управление полетом самолетов: - М.: Машиностроение, 1980 - 213 с.
4. Сильвестров М. М., Козиоров А. М., Пономаренко В. А. Автоматизация управления ЛА с учетом человеческого фактора. - М: Машиностроение, 1986 - 184 с.
5. Чинаев П. И. Теория автоматического управления. - Киев: КВИАВУ ВВС, 1967. - 498 с.
6. Аэродинамика и динамика полета маневренных самолетов/ Под ред. М. И. Ништа, М: ВВИА им проф. Н.Е. Жуковского, 2006-837с.
7. Круглов М. Г., Шишков Г. М. Менеджмент качества как он есть. М.: Эксмо, 2006. – 539 с.
