CC BY
221
УДК 517.977
ВЛИЯНИЕ ОПЕРАТОРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕТЧИКА НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ «ЛЕТЧИК - КОМПЛЕКСНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ - САМОЛЕТ» В.А. Демчук, Н.И. Сельвесюк, Е.В. Озеров
Рассмотрены факторы, обуславливающие учет специфических особенностей человека-оператора, как важного звена в системе «летчик - комплексная система управления - летательный аппарат». Обусловлена необходимость комплексного подхода к определению математической модели летчика на основе результатов летных испытаний, глубокого исследования психофизиологических и профессиональных особенностей человека
Ключевые слова: система управления, человек-оператор
Проектирование комплексных систем управления (КСУ) современных высокоманевренных летательных аппаратов (ЛА), также как и формирование алгоритмов управления, в условиях интегрированной совокупности взаимодействующих подсистем, не мыслится без всестороннего использования вычислительной техники. При этом центральным и специфически характерным моментом является этап проектирования систем управления, названный в [1] этапом анализа и синтеза. На первой стадии осуществляется преобразование, анализ и упрощение математической модели объекта управления (ЛА). После синтеза законов управления выполняется анализ системы в условиях, при которых она была синтезирована, а затем - с учетом факторов, опущенных при упрощении модели объекта. Процесс проектирования в целом, как и этап анализа и синтеза системы управления носят итерационный характер до тех пор, пока не будут выполнены требования технического задания.
Одной из центральных задач становится задача разработки и внедрения в расчетную практику современных методов исследования, ориентированных на использование ЭВМ, с учетом особенностей объекта управления как многосвязной динамической системы.
Тем не менее, главным действующим лицом на современном маневренном ЛА по-прежнему остается летчик. Уже на этапах предварительного синтеза КСУ с применением ЭВМ возникает сложная задача учета «человеческого фактора» в замкнутой системе «летчик - КСУ - ЛА». Распространение машинных методов на процесс синтеза законов управления требует создания адекватной модели, формализующей поведение человека-оператора в терминах теории автоматического управления. Основными требованиями к модели летчика являются функциональная адекватность и конструктивность, то есть возмож-
Демчук Валерий Анатольевич - ВАИУ, начальник факультета, тел. 8(4732) 36-03-72, e-mail: [email protected]
Сельвесюк Николай Иванович - ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры, тел.8-985-419-96-64 Озеров Евгений Викторович - ВАИУ, адъюнкт, тел. 8-919-249-38-01
ность получения результатов на основе имеющихся средств и методов не в описательном виде, а в виде, пригодном для инженерных расчетов.
Препятствием к применению методов математического моделирования является трудность создания универсальной модели, описывающей поведение летчика в замкнутом контуре управления, поскольку рефлексия человека зависит от динамики, летных свойств конкретного ЛА, алгоритмов формирования индицируемых сигналов и пр. Исследования показали, что человеку свойственна не только высокая способность к адаптации, но и зависимость характеристик от уровня тренированности, загрузки дополнительной работой и т.д. [2, 3, 4].
Большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных данному направлению, свидетельствуют о сложности проблемы [5, 6,
7, 8, 9, 10]. Если динамические характеристики контура «ЛА - СУ» известны, то в отношении летчика как динамического звена в контуре управления дело обстоит совсем иначе.
Во-первых, индивидуальные особенности,
свойственные каждому летчику, характеризующие его технику пилотирования, могут приводить к существенным различиям в поведении летчика, в оценке обстановки, принятии решения и т.д. Эти особенности объясняются различиями в степени натренированности, а также физическими, физиологическими и психологическими различиями людей, их характером, темпераментом, типом нервной системы и т.п.
Во-вторых, летчик как управляющее звено является исключительно сложной системой, не имеющей, по-видимому, однозначного математического
описания вида Хы = р(Ха), где Хы, например, перемещение рычага управления, а Хвх - один
из параметров полета, воспринимаемых летчиком.
Рассмотрим процесс изменения профессиональных и физиологических показателей у летчиков при заходе на посадку в зависимости от налета на данном типе самолета (рис. 1) [5].
Сплошная линия - среднее значение оценки качества выполнения захода на посадку; пунктирная линия - среднее значение частоты пульса при выполнении захода на посадку.
■ ■ - \ \
— ч ъ ч
к
ч
1 ч 2 ч
* \
'
■
. 1 J
Рис. 1. Изменение качества пилотирования и частоты пульса у летчиков при заходе на посадку в зависимости от налета (26 летчиков, 72 полета)
В процессе обучения, по мере повторения выполнения полетов, у летчиков происходит совершенствование управляющих движений, экономизация физиологических, биохимических и других процессов в организме. Энергоинформационное обеспечение организма все более точно приспосабливается к фактическим «запросам» полетного задания, предопределяя тем самым целесообразность закрепления наиболее адекватных, а главное, биологически выгодных реакций летчика. Это является предпосылкой развития адаптации к летной работе, связанных с ней соответствующих изменений в организме. Из рис. 1 следует, что на этапе захода на посадку по мере приобретения опыта вначале стабилизируется качество посадки, а затем физиологические показатели (в данном случае частота пульса). Оценки за качество посадки, данные руководителем полетов, вначале быстро растут (при налете до 100 часов), затем повышение качества выполнения захода идет медленно, а при налете 200 часов оно практически не изменяется; физиологические показатели стабилизируются после налета порядка 300 часов.
Исчерпывающие обобщающие материалы по стендовым исследованиям динамики полета самолета с летчиком изложены в работе Г.С. Бюшгенса и Р.В. Студнева [11]. Тем не менее, в ряде случаев поведение летчика удается аппроксимировать достаточно простой математической моделью, доступной для аналитических исследований. Результаты экспериментов и априорная информация о характере реакции человека-оператора позволяют обосновать следующую обобщенную структуру передаточной функции оператора:
F, (P) =
Kл (aT1P + 1) (
(T1P + r)(T2 P + 1)
-тp
(1)
где Кл - коэффициент передачи (усиления); т -время задержки реакции.
Рассмотрим более подробно составляющие передаточной функции (1). Время задержки реакции Т определяется временем возбуждения нервных окончаний, временем прохождения сигнала по нерву, временем обработки его в центральной нервной системе, а также временем, необходимым для формирования соответствующей реакции. Постоянные Т1 и Т2 характеризуют передачу сигналов по нервно-мышечной системе; коэффициент Т2 также отражает адаптируемость оператора (летчика) к конкретному ЛА, условиям и задаче пилотирования; а - коэффициент, учитывающий обученность, опыт, тренировку, утомление, вид занятия. Иногда реакцию оператора дополняют аддитивным шумом ¿,л,
создаваемым поисковыми движениями рычага управления и называемым ремнантой (рис. 2).
є K,(aT1P+ 1) е-тГ
(Tp+1)(T p+1)
i-ä-x -
Рис. 2 Квазилинейная модель человека оператора
Конкретные числовые параметры рассмотренной математической модели определяются в основном по стендовым испытаниям. Имея в распоряжении обработку летных испытаний [12, 13], полученных в Инженерном центре ОКБ им. А.И Микояна, можно с уверенностью утверждать, что передаточная функция летчика имеет следующий упрощенный вид:
F = К, (aT1 Р +1) ^p
л T p+1
(2)
Следует пояснить, что данная передаточная функция получена не простым отбрасыванием сомножителей, а на основе многолетних наблюдений и обработки летных экспериментов. Кроме того, на режимах прямолинейного горизонтального полета
при числе М < 1 лишь коэффициенты Кл, а и Т
в основном определяют устойчивость контура «летчик - СУ - ЛА».
Так как в [6, 7, 8, 10, 11] принято считать, что время запаздывания летчика Т при нормальном пилотировании характеризуется величиной Т ~ 0,2...0,3 с, то запаздывание в системе управления практически не оказывает влияния на пилотажные характеристики ЛА. Уменьшение времени запаздывания требует от летчика повышенной эмоциональной и физической нагрузки, что проявляется лишь в экстремальных ситуациях.
Особо следует остановиться на широко известном факте раскачки самолета летчиком. Известные из летной практики случаи продольной раскачки позволяют предположить, что его рефлекторные действия базируются в основном на предыдущем личном опыте и накопленных навыках, и первые его реакции на непредвиденные возмущения непропорциональны величине возмущений. Так, при возникновении возмущений летчик реагирует определенной «порцией» отклонения ручки управления самолета, не коррелируя величину «порции» с величиной возмущения. Косвенным подтверждением такого предположения могут служить общепринятые рекомендации летчикам не пытаться парировать возмущения и при возникновении раскачки бросить ручку, что эквивалентно размыканию контура «летчик -СУ - ЛА».
Таким образом, при автоматизированном проектировании систем управления крайне важен учет специфических особенностей летчика, как одной из главных составляющих системы «летчик - КСУ -ЛА». При создании адекватной математической модели летчика необходим комплексный подход, основанный на результатах летных испытаний, глубоком исследовании психофизиологических и профессиональных особенностей человека.
Литература
1. Справочник по теории автоматического управления // под ред. А. А. Красовского. - М.: Наука, 1987.
2. Бобровницкий, И.П. Анализ данных клиниколабораторных исследований летного состава в зависимости от состояния здоровья, возраста и профессиональных особенностей // Профессиональное здоровье летчиков и летное долголетие / И.П. Бобровницкий, Р.К. Киселев, А.А. Колчин. - М.: Воениздат, 1989.
3. Цибулевский, И.Е. Человек как звено следящей системы / И.Е. Цибулевский. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 288 с.
4. Исследование и моделирование операторской деятельности. - М.: Наука, 1981. - 120 с.
5. Богомолов, А.В. Методологические подходы к диагностике и оптимизации функционального состояния специалистов операторского профиля / А.В. Богомолов, Л.А. Гридин, Ю.А. Кукушкин, И.Б. Ушаков. - М. : ОАО «Издательство «Медицина», 2004. - 136 с.: ил.
6. Гуськов Ю.П. Управлением полетом самолетов / Ю.П. Гуськов, Г.И. Загайнов. - М. : Машиностроение, 1980.
7. Доброленский, Ю.П. Методы инженернопсихологических исследований в авиации / Ю.П. Доброленский и др. - М.: Машиностроение, 1975.
8. Епишкин, А.К. Исследование психофизиологических характеристик оператора в состоянии эмоционального стресса // Методические и технические вопросы экспериментальной психофизиологии / А.К. Епишкин, В.А. Шилова. - М.: Наука, 1980.
9. Кутепов, А.В. Влияние человеческого фактора на безопасность полетов: статья / А.В. Кутепов // Проблемы безопасности полетов. - 1990. - № 12. - С. 14-17.
10. Феррелл, У.Р. Система «человек-машина» / У.Р. Феррелл, Т.Б. Шеридан. - М.: Машиностроение, 1980. -399 с.
11. Бюшгенс, Г.С. Динамика самолета. Пространственное движение / Г.С., Бюшгенс, Р.В. Студнев. - М.: Машиностроение, 1983.
12. Определение описывающей функции летчика (летчика-испытателя) при управлении угловым положением ЛА (по результатам стендовых и летных работ): научно-технический отчет: 42-44 / ММЗ им. Микояна; рук. Синевич Г.М.; исполн.: Домрачев Е.В. и др. - М., 1976. -165 с.
13. Нахождение описывающей функции летчика, включая определение ремнанты, при заходе на посадку на подвижную платформу (по результатам реальных работ): научно-технический отчет : 48-50 / ММЗ им. Микояна; рук. Синевич Г.М.; исполн.: Иванов С.С. и др. - М., 1991. - 215 с.
Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж)
Военный учебный научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Москва)
EFFECT OF OPERATOR OF PILOT IN DESIGN SYSTEMS "PILOT - INTEGRATED MANAGEMENT SYSTEMS - AIRCRAFT" V.A. Demchuk, N.I. Selvesyuk, E.V. Ozerov
The factors causing the specific features of the human operator, as an important link in the "pilot - Integrated Management System - an aircraft." Due to the need for an integrated approach to the definition of a mathematical model of the pilot based on the results of flight tests, in-depth study of psy-hofiziologicheskih and professional individual
Key words: a control system, the human operator
