CC BY
58
УДК 623.418
Годунов А. И., Мусин Н.Ж.
ФГБОУ ВПО « Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
Военный институт Сил воздушной обороны Республики Казахстан им. Т.Я.Бегельдинова, Казахстан, г. Актобе
МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ДЕЙСТВИЙ ЛЁТНОГО ЭКИПАЖА ПО УПРАВЛЕНИЮ ВОЗДУШНЫМ СУДНОМ В ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ ПОДГОТОВКИ И ОБУЧЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ
Контроль точности пилотирования. Экипаж, выполняя полет по заданной траектории, должен управлять процессом движения ВС. Если экипаж обнаруживает отклонения от курса движения, либо от заданной высоты и скорости, то в штурвальном и директорном режимах такие отклонения ликвидируются действиями самого экипажа. Для оценки точности пилотирования рассмотрим понятие близости кривых. Кривые у = f (х) и у = fi(x) близки в смысле близости k-го порядка, если модули разностей
\f (х)- f (х)|>
\f ’ (х)~ f ( х )|,
/(k)(x)-flk)(x)|,
достаточно малы [1].
Чтобы интерпретировать смысл введенного понятия близости применительно к траекториям полета ВС, предположим, что заданная траектория у =f(x) изображается отрезком прямой, совпадающей с
осью х [2] . Тогда на интервале [хо,х;] расстояние нулевого порядка будет равно у =|/ї(х) =У ,хо -
х- Xi, т.е. оно представляет собой абсолютную величину максимального линейного бокового уклонения ВС от заданного маршрута 2max.
Точность выдерживания скорости ВС при ее заданном значении оценивается как разность фактически выдерживаемой скорости полета и заданной.
Для оценки точности пилотирования необходимо фиксировать не только отклонение фактической траектории от заданной, но и определять длительность того или иного отклонения, что требует определения обоснованной частоты контроля отклонения параметров движения. С этой целью для представления траектории движения используем линейную аппроксимацию. В этом случае максимальное значение погрешности будет равно [4, 5]:
пах
d2 у dt2
I б •
пах
где At - интервал квантования по времени; y = f ния ВС.
Решив приведенное соотношение относительно At, квантования по времени:
At =
8 d
пах
(t) - уравнение фактической траектории движе-
получим выражение для определения интервала
Таким образом, для контроля точности пилотирования необходимо через интервалы времени At определять величину бокового уклонения, величины отклонений по высоте и скорости, фиксировать случаи прерывания этих отклонений от заданных нормативов и длительность таких превышений, а также определять максимальные отклонения за время выполнения контролируемых действий. Рассмотрим алгоритм, реализующий указанные действия для каждого из контролируемых параметров. Исходными данными для работы алгоритма являются значения параметра г, измеряемого с определенной частотой, текущее значение времени t, значения верхнего и нижнего Гв, Гн пределов измерения параметра. Алгоритм должен вырабатывать записи ошибок регулирования контролируемого параметра, содержащие информацию о времени выхода параметра за один из пределов t, максимальном значении параметра Гэ и времени входа параметра в заданные пределы t2.
Поскольку для определения длительности выхода контролируемого параметра за заданные допустимые отклонения необходимо на каждом шаге контроля использовать информацию о результатах контроля на предыдущем шаге введем две вспомогательных логических переменных k1 и k2:
ki=1, если на предыдущем шаге измерения выполнялось условие г> Гв в противном случае ki=0;
k2=1, если на предыдущем шаге измерения выполнялось условие г> Гн в противном случае k2=0.
Запись информации об очередной ошибке на текущем шаге контроля производится в том случае, если на предыдущем шаге измерений выход контролируемого параметра за заданные параметры имел место, а в текущем шаге не имеет места. В этом случае фиксируется момент входа параметра в заданные пределы и осуществляется запись информации об имевшей место ошибке. Каждая новая ошибка фиксируется в том случае, если на предыдущем шаге не было ошибки, а в текущем шаге ошибка появилась. Тогда ti принимают равным t - моменту текущего контроля на данном шаге. Алгоритм параметрического и временного контроля параметров управления движением ВС представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Алгоритм параметрического и временного контроля параметров управления движением воздушного судна
Логический контроль управления движением ВС заключается в проверке соответствия действий лётного экипажа требуемой логике управления в текущий момент времени. Такой контроль должен фиксировать выдачу ошибочных управляющих воздействий, а также недопустимо длительное бездействие лётного экипажа при необходимости управления. Логический контроль осуществляется при выходе контролируемого параметра из заданной допустимой зоны значений. Обнаружение логических ошибок управления осуществляется на основе контроля логической взаимосвязи знака отклонения управляющего воздействия на текущем шаге контроля от управляющего воздействия на предыдущем шаге и знака отклонения контролируемого параметра от верхней и нижней границ допустимой зоны. Фиксация логической ошибки управления производиться в случае выполнения следующих условий на 1-том шаге контроля.
ui _ ui_1 < о при r > riB
или ui — ui _i < 0 при ri < rH
Если условие
Г Г > rB
ui — ui—1 = 0 при \ (1)
Уп < Пн
выполняется в течении времени tk<Tk, то фиксируется бездействие оператора при необходимости управления. Здесь tk - время, в течение которого выполняется условие (1).
Контроль действий управления бортовыми системами. Контроль действий по управлению бортовыми системами может быть осуществлен на основе проверки адекватности фактической деятельности лётного экипажа нормативным требованиям, задаваемым с помощью формализованных моделей (ФМ).
Автоматизация контроля действий по управлению бортовыми системами может быть осуществлена только для тех операций, для которых разработаны и введены в систему объективного контроля (СОК) формализованные модели. Выбор конкретных этапов деятельности, для которых необходим автоматизиро-ванный контроль действий по управлению бортовыми системами, осуществляется инструктором, исходя из конкретных целей учебно-методического процесса.
Автоматизированный контроль действий прекращается при выявлении в этих действиях отклонений от нормативных требований ФМ или при завершении формализованных участков деятельности. Для возобновления оперативного контроля управления необходимо использовать признаки, позволяющие на основе анализа текущего состояния бортовых систем идентифицировать действия управления, выполняемые в соответствии с ФМ.
Совокупность признаков позволяющих идентифицировать действия управления, выполненные в соответствии с ФМ, действия управления движением ВС и неформализованные действия назовем ключевыми.
Автоматизированный контроль управления бортовыми системами состоит в выявлении логических, временных отклонений и отклонений значений цифровых параметров от заданных ФМ. В зависимости от представления действий управления в ФМ в виде жестко или не жестко заданной последовательностью выполнения можно выделить два вида логических отклонений. Первый вид отклонений связан с нарушением последовательности выполнения операций, а второй вид отклонений связан с выполнением отсутствующей в ФМ операции.
Под временным отклонением от ФМ понимается ситуация, в которой оператор выполнил регламентированное ФМ действие с отклонением от нормативного времени, превышающим допустимое.
Под отклонением от ФМ значений цифровых параметров понимается ситуация, в которой после выполнения очередного действия значения цифровых параметров, задаваемых ФМ, не соответствуют фактическим .
Решение задачи автоматизированного контроля управления бортовыми системами обеспечивается пошаговым методом. На каждом шаге реализуется контроль или идентификация очередного выполненного действия управления. Алгоритм контроля заданной совокупности формализованных действий должен начинаться с идентификации начального состояния бортовых систем, которое необходимо для начала выполнения контролируемых действий. Идентификация осуществляется путем последовательного просмотра элементов ФМ и сравнения значений состояния сигнализаторов, органов управления, значений параметров бортовых систем, задаваемых ФМ с соответствующими фактическими значениями на момент времени, непосредственно предшествующий выполнению требуемых действий управления. Все сигналы о формализованных действиях должны сопровождаться соответствующей меткой. После проверки такой метки проверяется наличие очередного действия в перечне действий ФМ. Если такого действия нет, то формируется сообщение об отклонениях. Затем последовательно проверяется, нарушены ли порядок действий, временные нормативные отклонения и есть ли отклонения в значениях контролируемых параметров. При обнаружении отклонений в зависимости от их влияния на процесс управления инструктор может остановить выполнение заданных операций, либо процесс контроля перейдет в режим ожидания следующего действия.
Алгоритмы оценки качества процедурных действий. Под оценкой качества процедурных действий понимается определение комплекса показателей качества деятельности (ПКД) лётного экипажа, позволяющих на объективной количественной основе охарактеризовать выполнение поставленных задач. К ПКД предъявляются следующие требования:
чувствительность к изменению уровня подготовленности и тренированности лётного экипажа; ясный физический смысл, однозначная интерпретация лицами, ответственными за подготовку; возможность оперативного расчета по параметрам управления ВС и лётного экипажа; статистическая эффективность, позволяющая оценивать показатели с необходимой для практики точностью;
возможность определения экстремальных значений, характеризующих предельно достижимое качество управления;
согласованность с нормативными документами и мнением экспертов.
По уровню описания эффективности деятельности лётного экипажа при многоканальном управлении можно выделить частные и комплексные показатели качества.
Частные показатели представляют собой оценки управления по одному или нескольким каналам. Однако они не могут служить оценкой выполнения операции в целом. Частные показатели выполнения могут быть разделены на операционные и функциональные. Под операционными показателями понимаются итоговые характеристики выполнения операций: временные и точностные.
Операционные показатели рассчитываются на основе конечных значений параметров операции и могут быть получены после завершения операции.
Показатели, характеризующие функционирование оператора в процессе выполнения задания исходя из принятого критерия качества, назовем функциональными. В реализующих их алгоритмах можно выделить оперативную и послеоперационную часть. Оперативная часть выполняется в процессе операции. Исходными данными для оперативной обработки являются текущие значения параметров операции, поступающие в систему СОК с определенным шагом квантования. Результатом оперативной обработки являются элементы расчета показателей, и используемые в послеоперационной обработке.
Комплексные ПКД строятся на основе частных операционных и функциональных показателей и представляют собой обобщенную оценку процесса управления. В зависимости от уровня обобщения могут быть выделены комплексные показатели за операцию и за тренировку в целом.
В качестве операционных ПКД могут использоваться: бальная нормативная оценка; нормированная нормативная оценка.
Бальная нормативная оценка рассчитывается по конечным параметрам операции. Качество деятельности лётного экипажа в этом случае оценивается целочисленной безразмерной оценкой по выбранной шкале (десятибалльной, пятибалльной и т. д.) Оценка определяется в зависимости от фактических и допустимых отклонений оцениваемых параметров от их заданных значений.
В качестве оцениваемых параметров могут быть выбраны координаты объекта управления, временные показатели операций.
Такие оценки позволяют:
сравнивать между собой качество деятельности лётного экипажа по различным параметрам; строить интегральную оценку операторской деятельности.
Расчет бальной нормативной оценки к по одному параметру производится следующим образом. Эта оценка является функцией отклонения оцениваемого параметрам от заданного или номинального его значения Хп.
В общем виде эту оценку можно записать следующим образом:
к = к{6х,[ Xmx ],[ xmn ])
где Ах = х - хп- отклонение параметра от заданного значения;
[ Xmx ],[ Xmin ] - максимальное и минимальное допустимые значения оцениваемого параметра.
Обычно[ Xmx ],[ Xmn ] задаются из условия успешности выполнения задачи. В результате выполнения задачи параметр х должен находится в интервале: [xmax]£х £[*min]
Максимальное допустимое отклонение параметра от заданного [Ах] определяется следующим образом:
[D, {[ *_ ]-і 0
К -[ Xmn ] ^ < 0
Предполагается, что k є [kmin, kmax] . Численное значение х определяется в зависимости от величины Ах. Если оцениваемый параметр вне допустимых пределов, то kmin, в противном случае k є [kmin,
kmax] .
Возможно равномерное разбиение допустимых отклонений параметра на число уровней оценки. Число уровней определяется разностью максимальной и минимальной оценок. Соответствующий график оценок для пятибалльной системы показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - График оценок для пятибалльной системы
Аналитическое выражение бальной нормативной оценки имеет вид:
k (Ат) =
Ат
где
[Ат] =
kmax - int eger ^ jAL( kmax - kmin ) |, N £ [Ат]
kmin, если |Ах| > [Ат]
[ Xmax ]- Хп,АХ ^ 0
Х„ - I X,
[Xmin ],АХ < 0 ’
Дх = х - хп
п L min J
Для оценки качества деятельности по n параметрам описанную выше процедуру необходимо повторить n раз .
Общее выражение для i-ой частной оценки в этом случае имеет вид:
k (Ах,) =
kmax - int eger ^Щ ( kmax - kmin ) j ,|Ы £ [_Dxi ]
kmin, если |Ах| > [Ах]
где [Ах;. ]
[ Xmax i ]- Xn,,Ах, ^ 0 Хпг -[ Xmin i LАхі < 0
Дхі = хі - хпі, і = 1, п
Иногда ввиду дискретного характера бальной нормативной оценки ее точность оказывается недостаточной. В этом случае качество деятельности оператора оценивается нормативной оценкой q.
Алгоритм получения нормативной оценки предполагает преобразования конечных параметров операции с целью получения единой шкалы оценок для всех параметров.
Получение частных оценок qi осуществляется путем сравнения значений параметров с границами их изменения. Для построения шкалы оценок qi необходимо разбить шкалу возможных значений конкретного параметра на интервалы, соответствующие тому или иному уровню подготовки. Число таких интервалов определяется произвольно, но обычно достаточно задать границу номинальных и границу недопустимых значений. Эти границы задают области недопустимых значений (оценка строго меньше нуля), область номинальных значений (оценка в интервале нуль-единица), область значений лучше номинальных (оценка больше единицы).
Показатели качества неформализуемой деятельности. Показатели качества неформализуемой деятельности ( ПКНД ) делятся на частные и интегральные.
Под частным ПКНД понимается показатель, определяемый по одной характеристике оцениваемой деятельности.
Под интегральным ПКНД понимается показатель, определяемый по двум и более характеристикам оцениваемой деятельности.
Частный ПКНД может определяться с помощью оценочной шкалы из следующего соотношения:
< K ■ „, если X > е„
Kmax - 1 - int eger
d__( к - K - 1)
max min
Kmax, ЄСЛи Xі £ cmax/
К =
X - c
■ < x £ c ■ ■
max i і — min i
если c
где Kmax - максимальное значение бальной оценки; X, - относительная характеристика оцениваемой
деятельности; cmaxi - максимальное значение і-ой относительной характеристики оцениваемой деятельности, для которой устанавливается ПКНД = Kmax; Kmin - минимальное значение бальной оценки (целое неотрицательное число).
Значение Xi определяется из соотношения:
т
d,
где Xi - i-я абсолютная характеристика оцениваемой деятельности; di - максимально возможное значение i-й абсолютной характеристики оцениваемой деятельности; Стахі, Qnini, Kmax, Kmin представляют собой параметры оценочной шкалы, причем Kmax и Kmin определяют тип шкалы (при Kmax =5, Kmin = 2 имеем
пятибалльную оценочную шкалу).
Геометрическая интерпретация шкалы представлена на рисунке 3.
Ki ж
4
3
2
Рис. 3 - Геометрическая интерпретация пятибалльной оценочной шкалы
Интегральный ПКНД в случае различной важности i-х характеристик деятельности определяется с помощью оценочной шкалы из соотношений:
К =
К max, если £< cm
Kт[п, еСЛи h> Ст„ Кmax “I - int eger
e-c„
(Kmax Kmin
''min ''max
есЛи cmax <e< cmin
где
Cmax
m
Z C i ■ V-max i і
і=1
c
min
m
Z c • ■ V
min i і і=1
m
e = Z г ■ vі ; Vi- весовой коэффициент i-й характеристики i =1
деятельности.
Интегральный ПКНД в случае одинаковой важности частных характеристик деятельности определяется следующим соотношением:
Ke
1 m
— Z Ki, если все Кі > Kmin m i=1
Kmin, если хотя бы одна K- < K^n
Абсолютные частные характеристика оцениваемой деятельности вводятся инструктором.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. - М.: «Наука», 1965,
424 с.
2. Молоканов Г.Ф. Объективный контроль точности самолетовождения. - М.: Военное изд-во Мини-
стерства обороны СССР, 1980, 126 с.
3. Бугаев Б.П., Денисов В.Г. Пилот и самолет. - М.: «Машиностроение», 1976, 188 с.
4. Бростилов, А. Н. Методика ранжирования информации в авиационных тренажерах/А.Н. Бростилов,
А.И. Годунов, Ю.Г.Квятковский//Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. -т.
1. - С. 66-68.
5. Годунов, А.И. Обеспечение комплексной адекватности авиационных тренажеров /А.И.Годунов, Б.К.Кемалов, Н.К.Юрков// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 3 (19). - С. 15-24
6. Горячев Н.В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н.В. Горячев, А.В. Лысенко, И.Д. Граб, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2012. - Т. 2. - С. 239-240
