автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Аэрометрические преобразователи информационно-управляющих систем летательных аппаратов

Инв. № 181АП-1

Для служебного пользования На правах рукописи Экз. №

УДК 629: 13:531.767:621.317. 629.735 (532.5:389+533.6)

Сапаров Игорь Борисович

АЭРОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИОННО - УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность : 05 . 13 . 05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1 996

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева на кафедре " Приборов и автоматов летательных аппаратов ".

Научный руководитель : Заслуженный изобретатель РФ,

заслуженный деятель науки л техники РТ, доктор технических наук, профессор

Ференец В.А.

Официальные оппоненты : - Ильин Г. И. - доктор технических наук,

профессор кафедры РЭКУ КГТУ нм. А. Н. Туполева ;

- Лобов Б. И. - кандидат технических наук, начальник отдела Всероссийского НИИ расходометрии.

Ведущее предприятие: Государственное научно-

производственное предприятие " Вертолеты МИ " (г. Казань)

Защита состоится 27 декабря 1996 года в 10 часов на заседании специализированного Совета К 063.43.05 Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева , в зале заседаний ученого совета по адресу : 420111, Казань, ул . К. Маркса, 10 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

Автореферат разослан 25 ноября 1996 года.

Ученый секретарь специализированного

Совета, кандидат технических наук , доцент _/ Козлов В .А .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы . Стремительное совершенствование навигационно-пнлотажного комплекса современных летательных аппаратов (ЛА), использующее достижения микроэлектроники, особенно в направлении миниатюризации сенсорных устройств, позволило разработчикам аэрокосмической техники сформировать прогрессивную концепцию инфомационно-управляющей системы (ИУС) ЛА'. Концепция, базирующаяся на общности дуальных вопросов управляемости-наблюдаемости ЛА ( как объекта управления ) , потребовала интеграции " проектных баз " разработчиков . Это возможно на основе внедрения в практику проектирования средств и методов оптимизации-автоматизации. Актуальность указанного наиболее остра в задачах проектирования измерительных преобразователей-объектов проектирования с "плохоформализуемой" структурой, использующих информационное преобразование сигналов различной физической природы. Тождественно актуальные требования экономической рентабельности этапов проектирования обусловили жизненную необходимость совершенствования аппаратно-алгоритмического обеспечения "сквозного" цикла проектирования подобных преобразователей. Аэрометрические преобразователи(приемники воздушных давлений) , появившиеся на борту ЛА одновременно с первыми аэронавигационными приборами, претерпели значительные изменения как в плане усложнения их конструкции, так и ужесточения комплекса требований предъявляемых к ним, особенно "со стороны" ИУС. Низкая параметрическая инвариантность аэродинамических процессов, определяющих характер информационного преобразования в этих преобразователях, делает задачу анализа-синтеза их моделей практически индивидуальной применительно к каждому конкретному случаю , включая даже модификационные изменения на борту ЛА. Задача наиболее проблематична на этапах натурного моделирования

- в летном эксперименте. В свою очередь, полунатурный аэродинамический эксперимент обладает ограниченной адекватностью синтезируемых (в его ходе) моделей. Указанное в совокупности объясняет круг комплексных многоальтернативных задач , требующих решения ' при оптимизации конструкции аэрометрических преобразователей (АМП) в ходе проектирования с использованием средств и методов оптимизации-автоматизации процесса проектирования. Известные тенденции развития аэро-космической техники 70-х годов обозначившие: возвращение низколетающих, мало-скоростных ЛА (вертолеты, штурмовики, крылатые ракеты); концепцию космического челнока

- определили объективную потребность в измерительных преобразователях "нового типа", в противоположность разработанным ранее - в ориентации на сверхзвуковые ЛА. АМП для указанных ЛА разрабатывались специализированными организациями на принципах адаптации серийных

конструкций применительно к другому типу ЛА. Наиболее рельефно задача обозначилась на рубеже 70- 80 -х годов - периода интеграции целого ряда научно-технических разработок ( проектов-конкурсов НАТО ) в области аэрокосмической техники: "европейский общевойсковой истребитель, транспортный вертолет, вертолет-штурмовик" и т. п. . Фирмы-победители конкурсных программ ("Боинг Вертол", "Хыоз"- США, "Белков"- ФРГ, "Аэрос Пасьяль"- Франция ) при реализации программ столкнулись с обозначенной проблемой. Дорогостоящая необходимость значительного объема аэродинамических продувок вместе с неизбежно-большим объемом летного эксперимента делали подобные разработки " под конкретый ЛА " изначально нерентабельными, в совокупности с низкими возможностями утилизации получаемого (в ходе эксперимента) материала применительно к другому типу ЛА .

Таким образом , актуальным является : исследование АМП ИУС ЛА , структурно реализуемое на принципах организации специализированного алгоритмического сопровождения и аппаратного обеспечения процесса проектирования АМП по комплексу критериев, формируемых разработчиком ИУС , при оптимизации как параметров самого преобразователя , так и про1!есса проектирования. Т. е. максимизация характеристик проектируемого АМП при минимизации совокупных затрат на проведение всего цикла разработки от технического предложения, до серийного образца Структурная организа11Ш должна прежде всего подразумевать возможность выработки рекомендаций по созданию проектных комплексов АМП ( как звена информационного преобразования ИУС ЛА ) , строимых на принципах САПР и АРМ.

Цель работы состоит в исследовании аэрометрических преобразователей информзционно-управляюпшх систем ( ИУС ) ЛА , с позиций выработки рекомендаций по их проектированию в едином контуре с информационными каналами ИУС.

Задача диссертационной работы заключается в исследовании и разработке аэрометрических преобразователей ИУС ЛА с улучшенными техническими характеристиками и расширенными функциональными возможностями по сравнению с серийными преобразователями , с учетом перспектив создания аппаратно-злгоритмической структуры их оптимального проектирования по заданным (ИУС) характеристикам при минимизации проектных затрат.

На защиту выносятся:

- физико-математическая модель информационного преобразования аэрометрического преобразователя ( АМП ), применительно к вопросам ее утилизации в задачах оптимизации их характеристик и автоматизации

проектирования по комплексу требований ( критериев ) информационно-управляющих систем ЛА;

- практические разработки отдельных вопросов алгоритмического обеспечения и аппаратного сопровождения процессов исследования АМП, ориентированные на возможность их сопряжения со структурами и процедурами специализированных САПР и АРМ;

- разработанные, апробированные и внедренные на предприятиях отрасли ряд образцов АМП для различного типа JIA ( включая внедрение на серийном ЛА, в составе штатного оборудования ) , обладающих улучшенными техническими и расширенными функциональными возможностями в сравнении с серийными преобразователями ;

- разработанные, апробированные и внедренные на предприятиях отрасли ряд образцов испытательных аппаратурных комплексов для исследований АМП, позволяющих повысить эффективность процесса проектирования подобных преобразователей ИУС ЛА , при существенном повышении рентабельности подобных работ.

Научная новизна диссертации состоит в применении системного подхода к задаче исследования , конкретно, в "двухконтурном" представлении ее структуры , способной в перспективе стать базовой в задаче оптимального проектирования АМП : а именно в ее представлении контурами: обьектно-опптмального проектирования и - аппаратно-апгоритмического оптимального обеспечения ( сопровождения ) , т. е. контур аппаратно-алгоритмической реализации проектного процесса. 1

Практическая ценность работы в разработанных и апробированных инженерных решениях отдельных этапов оптимального проектирования АМП, включая вопросы их (этапов) алгоритмизации и аппаратного обеспечения на примерах проектирования, изготовления и внедрения АМП на предприятиях отрасли для некоторых образцов авиационной техники ; - полученных рекомендациях по внедрению в практику разработки АМП ИУС ЛА названных средств и методов проектирования, при выполнения комплекса альтернативных начальных требований : максимизации получаемых технических характеристик АМП , в условиях минимизации проектных затрат.

Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-техннческих конференциях(симпозиумах) :Всесоюзных: "Предотвращение авиационных происшествий в гражданской авиации" (Ленинград, X, 1982); " Управление в механических системах " (Казань. VI, 1955); "Безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта"(Ленинград, X, 1985);"ХШ Гагаринские чтения" (Москва, IV, 1987); "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением" (Казань, IX,

1987); "Информационно-измерительные системы" (ЖукоБский, ХД987); "Вопросы повышения трассовых испытательных комплексов, автоматизация обработки материалов испытаний и исследования на крупномасштабных летающих моделях" (Жуковский, X, 1990) ; Всероссийских: "Новые электронные приборы и устройства"(Москва, I, 1982); "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (Москва, XI, 1982); "Системы автоматического контроля в гибких переналаживаемых комплексах" (Москва, V, 1985); "Математическое моделирование и оптимизация энерготехыологических процессов и тепловых установок" (Куйбышев, IV, 1987); "Системы автоматического контроля и регулирования техническими объектами" (Уфа, VI, 1987); "Прогрессивные малоотходные технологии кузнеч-но-штампового производства" (Челяб-к, X, 1988); "Наука и техника: история и современное развитие" (Самара, IV, 1995); Республиканских: "Проблемы автоматизации процессов разработки нефтяных месторождений" (Казань, IV, 1983); "Пути создания и совершенствования САПР" (Казань, X, 1987 ); "Актуальные" проблемы авиастроения" (Казань, XI, 1987); "Машинные методы в задачах устойчивости и управления " (Казань, VI, 1990 );Вузовск их : молодых ученых КАИ: (ХД982); (V,1987); итоговых КАИ (IV,1981); (IV, 1983); (IV,1985); (IV,1987); (IV,1989); итоговой КВВКИУ Ракетных войск и артиллерии ( Казань , XI , 1985 ) ; итоговой УПИ (Ульян-к , II , 1989 ) , М е ж д у н а р о д н ы х : "Феномены природы и экология человека" (Казань, VI, 1994); "Медицинская физика - 93" (Обнинск, X, 1993); "Медицинская физика - 95" (Москва, XII, 1995).

Образец аппаратно-алгоритмического комплекса для исследования АМП демонстрировался в сентябре 1989 года на Международной выставки в КНР (Пекин), павильон "Разработки ученых ВУЗов СССР".

Структура и объем работы : диссертация состоит из : Введения , 5-ти глав, Выводов, Заключения, Списка использованных источников (177 наименований), Приложений . Общий объем работы 302 страницы . В работе приведено: 66 рисунков, 53 таблицы.

Публикации : по теме диссертации опубликована - 31 печатная работа ; из них 5 - авторских свидетельств . Авторских (личных) публикаций - 7. Рукописных работ ( технические отчеты, протоколы испытаний, справки ) , непосредственно выполненых автором по теме диссертации - 28 .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задача исследований, определены основные положения и результаты диссертации , выносимые на защиту.

В первой главе работы рассмотрены общие вопросы исследования АМП и обусловленные ими задачи проектирования , а именно : физико-математические основы процессов информационного преобразования аэрофизических сигналов; проблематика формализации математических моделей АМП /1/ . Области применения АМП, равно как прикладные задачи аэрометрического обеспечения ИУС ДА , в настоящее время существенно расширились , включая специфические задачи . Обоснована методическая правомерность исследований АМП с позиций требований ( рис. 1 ), формулируемых в рамках задачи аэрометрии ( ЗАМ ) ,- т. е. обеспечение соответствующего канала ИУС ЛА аэрометрической информацией по заданныму комплексу требований ( критериев ) .

Проектируемый V

Практическая задача исследования АМП в рамках проектирования(НИОКР) ЛА и его навигационно-пилотажного комплекса

1ь=

Комплекс технических

характеристик АМП (регламентируемые ТУ техн,характеристики)

Комплекс технических характеристик разрабатываемого ЛА (регламентированные ТЗ тактико(летно)-технические характеристики и спец.требования)

Комплекс условий по - введению АМП в состав НПК ЛА ;

- и его эксплуатации на ЛА; Комплекс требований

обеспечивающий гарантированные "со стороны" НПК ЛА к АМП:

ТУ АМП эксплуатационные обеспечение НПК первичными сигналами характеристики. ^ высотно^коростных параметров

г г - в штатном режиме полета с заданными

метрологическими характеристиками; - во внештатной ситуации (критический режим полета) с максимальной достоверностью измеряемых параметров.

ч

Рис. 1. Обоснование задачи научного исследования АМП ( как звена информационного преобразования ИУС ЛА ) в рамках общей практической задачи - разработки навигационно-пилотажного комплекса проектируемого ЛА

Классификационно выделены : -прямая задача аэрометрии ( ЗАМ ) -измерение параметров движения ЛА относительно воздушной среды; -обратная ЗАМ- восстановление параметров движения ЛА относительно

воздушной среды по данным бортовых ( наземных ) измерений , непосредственно несвязных с прямыми аэрометрическими измерениями; -экстрапояяционная ЗАМ - формирование прогностических оценок об аэрометрических параметрах а предполагаемой зоне выполнения полетной задачи; - интерполяционная ЗАМ- формирование оценок аэрофизических параметров ( как правило метеосиноптических ) атмосферы на основе дискретно-произведенных пространственно-временных измерений; комбинированная ЗАМ - формирование оценок смешанного типа при одновременной реализации нескольких из приведенных задач . Последние три вида ЗАМ на рубеже 80- х годов потребовали интенсивных исследований , обусловленных разработками ИУС систем высокоточного оружия . Весь спектр ЗАМ в этот период во многом определился еще и разработкой новых типов ЛА ( широкофюзеляжные самолеты, космические челноки , крылатые ракеты) , при одновременном расширении областей применения авиационной техники , как с учетом принципиально новых возможностей указанных ЛА , так и за счет значительного совершенствования летно-технических характеристик ЛА .традиционных типов . В главе , в соответствии с приведенными задачами, последовательно рассматриваются :- области применения АМП и классификационного анализа ЗАМ ; - анализ состояния современных разработок АМП, а также методы и средства их проектирования ; - практика разработки АМП , включая методы аналитического проектирования и средства аппаратного обеспечения его отдельных этапов и циклов ; -специфичность комплекса требований ЗАМ, особенно в приложениях задачи повышения безопасности полетов ЛА; - формализация физико-математических моделей АМП в ориентации на продуктивные современные методы экспериментально-статистической идентификации.

Во второй главе рассмотрены результаты аналитического исследования методов формализации процессов информационного преобразования в аэрометрии 121. Существующие в настоящее время методики расчета АМП подразумевают- формализацию их структуры на уровне физико-технического представления- устройство, осуществляющее параметрическое преобразование энергетической компоненты(давление, расход, температура), характеризующей режим течения газового потока, как правило в детерминированной постановке. Проектирование АМП в едином контуре ИУС, однозначно потребовало перехода на интегральную сигнальную модель-модель вероятностно-статистического преобразования, общепринятую в настоящее время в теории проектирования систем.

С другой стороны, широко применяемые в рамках указанной теории методы экспериментально-статистической идентификации достаточно сложно адаптируются к задачам газовой динамики, конкретно к технически трудно

реализуемой задаче генерации тестовых снгналов(газодинамической природы)/3/. Указанное сдерживает широкое внедрение в практику проектирования АМП современных методов оптимизации-автоматизации.

Отмечается: аэродинамический эксперимент методически доминирует в "общем балансе" проектных процедур, одновременно технически лимитирует их потенциальные возможности в плане ограничений достоверности синтезируемых моделей. В рамках упомянутого экспериментально-статистического подхода , применительно к газодинамическому эксперименту, анализируются возможности утилизации и адаптации средств, и методов формализации моделей АМП .

Специфичность ИУС ЛА определяет достаточно конкретный комплекс критериев оптимизации АМП, анализ которых приводится в главе на примере наиболее показательной задачи- обеспечения безопасности полета ЛА. Критериальные комплексы разделены на: функциональный; метрологический; эксплуатационный; специальный . Глава завершается классификацией и характеристикой основных этапов оптимального проектирования АМП, на основе которых сформулированы принципы структурной организации главных циклов проектирования.

В третьей главе обоснована актуальность вопросов автоматизации процесса исследования АМП , в теории и практике их проектирования "в соответствующем канале ИУС ЛА, применительно к конкретной' ЗАМ". Отмечается необходимость ориентации на принципы оптимизации конструкции АМП - как неотъемлемые в современном проектировании технических объектов /4/. Алгоритмическое сопровождение процедур проектирования в современной теории систем базируемся на концепции оптимального управления, достаточно хорошо разработанной в теоретическом плане.

В рамках концепции процесс проектирования представляется логически направленным ( в длине организации процедур/Проектирования ) процессом воздействие на разрабатываемый объект (/см. рис. 2 ) . Управление, понимаемое как "проектное воздействие","имеет своей целью придание объекту проектирования заданного качества, о мере приближения к которому судят по критериям, характеризующим текущие качества объекта . С позиций критериальных комплексов , проводится анализ алгоритмического сопровождения проектирования АМП ИУС ЛА в плане возможности его реализации в условиях специализированного КБ /5/.

Аппаратурное обеспечение, также подчиненное концепции оптимального управления (проектирования) , как отмечено, лимитируется техническими возможностями устройств генерации тестовых аэрофизических сигналов, особенно в части их метрологических характеристик /6,7/. Повышение

Циклы и процедуры

аналитического"

проектирования

Экспериментальные варианты проектируемых АМП для ИУС ЛА

Рис. 2, Проектные связи процесса разработки АМП ИУС ЛА , определяющие направления задачи научного исследования в плане создания ее апнаратно-алгоритмического сопровождения

достоверности синтезируемых моделей АМП с использованием этих устройств, возможно обеспечить ценой либо значительного увеличения объема экспериментального ( статистического ) материала, либо- малооправданным усложнением ( удорожанием ) самих устройств.Единственно разумной альтернативой является рациональное сочетание алгоритмии и аппаратных средств , позволяющее в рамках соответствующей процедуры , синтезировать модель с заданным уровнем ее достоверности, который мог бы быть повышен при контролируемом увеличении проектных затрат /8,9/.

Концепция построения проектного комплекса, как оптимально-управляемого объекта, порождает дуальность свойств, характеризующих подобный комплекс. Во-первых,- "объектные" характеристики, обретаемые самим объектом ( проектирования ) в результате реализации проектных процедур, во-вторых- свойства, характеризующие уровень совершенства аппаратно-алгоритмического комплекса ( проектные затраты ) . Указанное определило принципы структурной организации процесса оптимального проектирования АМП - двухконтурная структура: контур объектного ( АМП ) проектирования и аппаратно-алгоритмический контур. Глава заключена рассмотрением особенностей синтеза статических и динамических моделей. В качестве основного метода для статических моделей применен факторный

статистически-оптимальный эксперимент ( класс - факторные регрессионные полиномиальные модели ) . Для динамических- типовая идентификация систем- анализ реакции на тестовый сигнал, с применением элементов теории статистически-опмалыюй обработки сигналов. С учетом указанных технических ограничений обсуждаются принципы разработки стендового оборудования, позволяющего реализовать проектные процедуры , использующие представленные методы / 10 /.

В четвертой главе представлены практические исследования и разработки АМП, а также сопутствующие им результаты реализации некоторых задач автоматизации исследований и оптимального проектирования АМП НУС ЛА. Больший обпьем практического материала автором получен в результате проведения НИР в рамках Отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Измерительные преобразователи" Казанского авиационного института, в 80-е годы являвшейся Отраслевой НИЛ Минавиапрома СССР. Разработки представлены тремя направлениями: НИР по вопросам приложений аэрометрии к задачам обеспечения безопасности полетов; - результаты разработки и апробации различных АМП; - характеристики методов и средств оптимального проектирования АМП, апробированных в ходе выполнения НИР. Первый раздел, в свою очередь, рассматривает три основных направления ПИР: исследования в области аэрометрии на винтокрылых и малоразмерных ЛА /И/ ; - системы предупреждения критических режимов полета ЛА /12/ ; -системы метеосиноптического прогноза атмосферных процессов /13/.

Винтокрылые ЛА отличает отсутствие возможности измерения компонент вектора воздушной скорости традиционными АМП ( трубка Пито-Брабе-Прандтля ) , ввиду индуктивного потока от несущего винта .

Малоразмерные - характеризует высокая динамика собственного движения и соизмеримость компонент полезных составляющих аэрометрических сигналов с шумовыми , обусловленными метео - синоптическими процессами мелкомасштабной атмосферной турбулентности . Для подобного класса ЛА ( сюда же следует отнести ЛА вертикального взлета-посадки и т. п. ) при измерении воздушных параметров на борту аэрометрическими средствами по существу решается эктраполяционная задача - предсказание измеряемой компоненты за пределами сильно возмущенного погранслоя ЛА ( на шаг упреждения - в спокойную атмосферу ) . Отсюда вытекает комплекс специальных требований (критериев) для АМП указанных ЛА / 14/.

Значительного изучения потребовал л сам процесс информационного преобразования , с целью конкретшации проектной задачи до уровня , допускающего его адаптацию в комплексе оптимального-автоматизированного проектирования . Системы предупреждения режимов полета ЛА отличают

повышенные требования к точности измерения аэрометрических параметров, в силу быстротечности процессов принятия решения ИУС ( в критическом режиме полета ) , наряду с высокой "динамикой" самих измерительных процессов / 15 /. В данной задаче аэрометрическую информация ( однозначно определяющую характеристики устойчивости и управляемости JIA в полете ) характеризует высокая информативная ценность , ЗАМ классифицируется как комбинированная: в полетном режиме - прямая; в режиме принятия решения ( ИУС ) - экстраполяционная; в режиме активного парирования возмущения -обратная ( по классификации первой главы ).

Значительно возросшая в последние годы интенсивность воздушного движения, обусловила расширение метеосиноптического минимума в районах аэропортов, при которых разрешается посадка ЛА , что продиктовано тенденцией коммерциализации полетов.' В этой связи значительно возрастает роль служб обеспечения безопасности движения JIA, а также уровень их технической оснащенности, особенно в части средств долговременного прогноза / 16/. Рассматриваются результаты НИР по созданию наземной аэрометрической системы метеосиноптического прогноза развития атмосферных процессов в районе аэропорта . ЗАМ классифицируется как интерполяционная - пространственно-временное наблюдение поля аэрофизических параметров, с последующим синтезом вероятностной прогностической модели на их основе.

Результаты разработки АМП приведены во втором разделе, который тематически построен симметрично первому . АМП "вертолетного" типа , разработаны с учетом специфических требований повышения помехоустойчивости и расширения диапазона измерений (в сторону малых скоростей, низких высот ) , что определено прежде всего тактико-техническими характеристиками ЛА этого класса /17 / . АМП систем предупреждения критических режимов полета ЛА разработаны для канала прогнозирования-парирования воздействия на полет атмосферных зон, обладающих ветровым сдвигом. Критериальный^ комплекс, определяющий этот тип задач проектирования, отличают: высокие требования к динамическим характеристикам АМП ; высокая техническая сложность при габаритно-массовых ограничениях конструкции /18/. Аналогичный комплекс для АМП метеосиноптических систем . тождественен предыдущему, за исключением конструктивного усложнения систем пыле-влагозащиты. В разделе представлены конструкции различного типа АМП, разработанные для упомянутых задач/19/.

Random )5 /Random{L[A(xlfl)I}

Rändern {L(Ai,j)|

/Random{L(i ,j)j

Рис. 3. Операционная структура процедуры рондомизация матриц факторного эксперимента при синтезе регрессионных полиномиальных моделей АМП, поясняющая нерентабельность реализации метода

В третьем разделе рассмотрены методы и средства оптимального-автоматизированного проектирования АМП , разработанные в процессе выполнения указанных НИР . Разработки алгоритмического сопровождения касаются вопросов адаптации ряда эффективных процедур проектирования, известных на теоретическом уровне, к возможностям их практического использования в условиях специализированного КБ / 20 / .

Представлены методические разработки по организации факторного эксперимента , применительно к условиям аэродинамического эксперимента . Приведенная та рис . 3 функционально-операционная схема реализации процедуры рондомизации блока матрицы планирования факторного эксперимента , подразумевает существенны? ограничения в "технологии" его реализации . Последнее обуславливает значительное снижение рентабельности процедур факторного анализа , аналитически оцениваемых дисперсией "предсказания" идентифицируемой функций отклика ( Kiefer J., 1965 ) :

d(x) = E

ifMb-e,)

= ^'(xHff)'1 -f(x)= crfT(x)-M-' -f(x)

Вероятностно-статитическая модель формирования оценок (1):

P[a<s<ß) = -

Ф

ß-e

, где

a4i) Ф[ os/2 )

- P(a<s<ß) - вероятность попадания погрешности (распределенной по

О)

(2)

нормальному закону) е в допусковые пределы а,/? ; -табулированная (центрированная нормированная) функция Лапласа (интеграл

вероятности) ; ■ симметричности

Р =

Ф

Я ■

а-

•Л

£ - мат. ожидание допусков а, р = Л

Л-е

- а с.к.о.

зависимость

погрешности. При (2) упрощается :

-Ф

<тл/2

Предложен алгоритм , формализующий

факторных моделей на принципах статистически-Условием оптимизации служит максимизация

сР

достоверности синтезируемых оценок эмпирических статистик : — = 0 . При

процедуры синтеза оптимальной САУ

■параметрической независимости е и сг0

вариационнои:

ЗР _ да~

а-~е а4г

дф(х

ОХ !

дх , ) <?Ф(х 2 да дх 1

оа

правомерна редукция задачи

дх ■

к

дсг

= 0 , где

(Р-е)1

(3)

11-аГ

для ст^О, имеем-{р~е)е 2с/ =(б-а)е 2^

вероятностных оценок : сг3 =

Логарифмируя (3) получим оптимизационное уравнение относительно текущих

а при а=(3-

-Т£{а-Р)-Р

21л

Е-а

гкъ

1п

£ + Л £-И

(4),

е-р

(для вероятности попадания погрешности в симметричный относительно нулевого значения отрезок Я= 1 при а = р) или :

Оп =

"УАгсШ;

д гР дет2

<0)

(5)

Предложенный адаптивный алгоритм синтеза полиномиальной регрессионной модели АМП ( (4)-(5) ), позволяющий упростить процедуры рондомизации плана эксперимента (значительно экономя проектные затраты), за счет формирования дополнительных градиентных, оценок в вероятностном пространстве синтезируемой модели.

Обсуждается разработанный алгоритм ( рис. 4 ) формирования статистически-оптимальной картины обтекания характерных узлов АМП и зон их установки на ЛА , с использованием теории принятия решений ( статистических гипотез ), формируемых посредством анализа картин деформации поля скоростей /21/ . Анализируется метод базовых матриц, разработанный с целью унификации результатов факторных экспериментов, реализованных с различными АМП /22/.

Обосновывается локальная оптимальность динамических моделей АМП, синтезируемых в рамках типовой идентификации, с позиций которой предлагается редакция соответствующего алгоритма .

Задание комплекса экономических характеристик

(Г

а

Г-З-'

Задание априорной модели структуры потока в ЗГВ АМП

Задание комплекса метрологических характеристик

Модифицирование модели под реальные условия эксперимента

Объем эксперимента гарантирующий точность

1

Тип, характер аппроксимирующих зависимостей

Точность аппроксимирующего

Операции , установки \системы зондов /

1 Аналитическое1 задание структуры I полинома I

-10-

\Лперации задания у \ координатного / базиса

СИЮ

Рис. 4. Резидентный модуль алгоритма формирования статистически-отимальной статической модели измерительного преобразован!« АМП ИУС ЛА на основе теории принятия решений: анализа адекватности последовательно-формируемых моделей ( статистических гипотез ) картин деформации аэрофизического параметра поля обтекания АМП воздушным потоком

Разработан экспресс-алгоритм ( метод факторного фильтра ) , в основе содержащий модель- структуру, перестраиваемую по пляням факторного анализа до требуемого уровня адекватности ( по ее отклику на сигнал-стимул )/23/ . Считая оценку ("Фрсдгольмовского типа") оптимальной на классе

Р,—ор1 с1'т 91 ) Р(еУ^)) относительно компонент множества синтезируемых моделей АМП => : V ) , ее матричный вектор невязки определим на

абсолютном полном множестве всех динамических моделей АМП ( физически реализуемом ) : Зч = {(5?^ • 3?,,. )С<м(гА,гж)} ■'. Очевидно существование оценки вида & 3"' —> J ПрИ соблюдении условий диагонализации матрицы т.е. скч матрицы внедиагональных элементов асимптотически стремятся к минимальному значению обобщенной дисперсии

Г 1 2

'^i,\Cov(rlt..,»},.)]—. Для дискретизированного множества

возможных моделей-отклика - \7[и, А*] должно существовать отображение на множество параметров тсст-сигналов :

Чву => 3 : ©'(бу) »:¥[П,Д1] = 0{¥[6(Г>Д)]} , (6)

как функциональное преобразование , порождающее соответствующую сигнальную модель "вход-выход". Условие (6) сужает класс синтезируемых моделей АМП: • '

Э:Р>'(»'1и))е0'(...)=>У0,оВ:У[п,Д1] = 0''{¥д.[е(Г>Д)]}, (7)

связывая в единый алгоритм ограничения структурного типа, налагаемые на саму модель , и - методические , налагаемые на генерируемый тест-аэросигнал. В работе обобщается : синтез статистически-оптимальных динамических моделей АМП целесообразен с позиций (7), с учетом коррекции критериев :

" ИГ») Соу(глЛ >}"; , Мет0ДИЧеСКИ в пространстве

. ' состояний Б можно указать

(г^ >«' > (8) полную группу событий вден-

Ьа-^и/и^Со-у)2- тификации текущего состояния ■ '■' .... (вида и типа модели АМП):

в : Одновременно следует определить : вектор

^р р . р р . (9) результатов наблюдений 2,(хи...,х„); вектор

вероятностей локализации состояния

( условных вероятностей , предполагающих вектор решений С: ••.,/„,). Возможно задание : вектора функция потерь II(5,,, учитывающего последствия выбора той или иной модет АМП на основе критерия качества -К(П) . Традиционно для теории статистических решений указаны функции среднего ( "а" ) и условного ( "б") риска : . : ,

К=1рл=2:1рд1,р{(^....х.)ек4/5Л» (10а)

/=0 4 «С .

? = £п,р{лЯ}=¿п„р{(*,.....X.) (10 б)

в которых р{(.г,,...,*„) бК^З1,}. условная вероятность попадания выборки (х,,...,*„) в область К,(п) , при условии истинности состояния(модели) АМП о, . Пусть условные вероятности неискаженной (истиной) идентификации иредставимы рядом Р(20/5,„),Р(21 /£,„,/.£„), тогда ошибки 1- го и 2- го рода представимы : 3 : V/^/; 3 : V/Ф ] , сами же

решения представимы : "решение /„" - "состояние системы ^"-"гипотеза Н0" далее - у, уш —>Н„ . Тогда функция потерь может быть

определена как неотрицательная функция штрафов (полезности, желательности) П,к =П(5'у,/1)>0. В итоге, нижняя граница множества значений функционалов среднего риска может быть определена как : ^Ггг т тРДи*-.*./-?,) . П1 . . (11)

Последнее условие позволяет произвести нормировку функции потерь. Разумным основанием при формировании численных оценок (11) является : - а. априорное предположение доминирующего влюпшя на характер динамической модели - Р°°"т одного из типовых звеньев САУ ; - б. вероятностное распределение достоверности аналогичного влияния остальных звеньев

-> Р""~к;...;51°"" из числа полной группы событий . Обсуждается

априорная нормировка вероятностей п, а., б. соответствующих вероятностных оценок (11).

Аппаратное обеспечение представлено образцами стендового оборудования, реализующими упомянутые алгоритмические разработки, апробированные при проектировании перечисленных АМП. Приводятся данные по: комплекту оборудования для синтеза статических моделей АМП (вертолетного типа) методом факторного анализа; стенда автоматизированного построения статистически оптимальных моделей обтекания характерных узлов АМП и зон их установки на ЛА ¡комплекта оборудования для синтеза динамических моделей каналов преобразования АМП методом факторного фильтра/24/; стенда для автоматизированного построения динамических моделей АМП методом типовой идентификации по каналу формирования : модульных оценок (вектора воздушной скорости); аналогичный стенд - канал \ формирования угловых оценок /25/ , фунуциональная схема которого приведена на рис. 5 .

Пятая глава работы посвящена вопросам развития и совершенствования полученных результатов решения задачи исследования АМП , в ориентации на вопросы автоматизации основных этапов ггроектирспашьт и возможные области приложений в смежных с ИУС ЛА областях . В первом разделе рассмотрены вопросы экономической

Канап формирования движения исследуемого АМП

о > о Ю

иГз

Ш

>

СУ

эп-ип

>

СУ

1—

ЭП-АП]

1Г

"гт

птс " г

Канал формирования движения турбулшатора ^

Л 12 13

Рис. 5. Функциональная схема стенда идентификации динамических моделей АМП . Формирование тест-аэросигналов с нормированными корреляционными, функциями угловых компонент поля скоростей воздушного потока ( обтекающего АМП ) , воспроизводящих модель измерения АМП крылатой ракеты в условиях ветрового подхвата в локально-неоднородной зоне атмосферной турбулентности .( 1-строб-генератор; 2, 3 фильтры моделирующие "динамику" ЛА и атмосферы ; 4 ,. . . , 7 каналы управления электроприводами -8, 9; 10- исследуемый АМП; 11- турбулизатор)

эффективности комплекса мероприятий по автоматизации проектирования АМП/26 /.

Рассматриваются интерпретационные модели, поясняющие технико-экономические механизмы образования эффекта от внедрения разработанных средств и методов. Выделены наиболее значимые направления их совершенствования. Рассмотрены результаты внедрения разработок АМП ( тахо-сгшро-метрических трубок ) для медицинских пульмонологических систем диагностики функции внешнего дыхания /27 , 28, 29, 30/ . Анализируется обусловленность названных вопросов проектирования АМП, вопросами права (в рамках концепции страховой медицины) /31/ . Формулируется на уровне блочного описания облик перспективного автоматизированного комплекса оптимального проектирования АМП.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ :

1. В работе определены пути , возможности и приоритетные направления исследований АМП ИУС ЛА в рамках задачи диссертации :

аппаратно-алгоритмического синтеза априорной физико-математической модели АМП как звена информационного преобразования ИУС ЛА с использованием современных продуктивных подходов инфоромационно-статистической теории преобразования сигналов ; .. '

- формализации физико-математических апостериорных моделей АМП' в плане их рентабельности, адаптивности к специфике авиационной техники, а также возможности алгоритмической реализации в условиях специализированной организации при проектировании ИУС ЛА ;

- формирования аппаратно - алгоритмического облика комплекса, позволяюшего осуществить оптимальное проектирование АМП(в условиях специализированного КБ), ИУС для вновь разрабатываемого ЛА .

2. Применение системного подхода к задаче исследования позволило :

- представить и исследовать структуру проектного комплекса АМП ИУС ЛА - "двухконтуркой" , а именно, в ее представлении контурами : обьектно-оптимального проектирования и - аппаратно-алгоритмического оптимального обеспечения ( сопровождения ) , т. е. контур аппаратно-алгоритмической реализации проектного процесса;

- принять данную структуру в задаче исследования проектирования за базовую, т.е. структуру оптимального проектирования АМП(как как звена информационного преобразования ИУС ЛА) и решить ряд прикладных задач разработки отдельных образцов АМП ;

- разработать, апробировать и внедрить на предприятиях отрасли ряд образцов АМП для различного типа ЛА (включая внедрение на серийный ЛА, в состав штатного оборудования) обладающих улучшенными техническими и расширенными функциональными возможностями в сравнении с серийными преобразователями;

- разработать, апробировать и внедрить на предприятиях отрасли ряд образцов испытательных аппаратурных комплексов для исследований АМП, позволяющих повысить эффективность процесса проектирования подобных преобразователей ИУС ЛА, при существенном повышении рентабельности подобных работ.

4. Практическая значимость проведенных исследований заключена в • апробированных инженерных решениях отдельных этапов оптимального проектирования АМП ;

- в представленных решениях вопросов алгоритмизации и аппаратного обеспечения проектировашм АМП для некоторых образцов авиационной техники ;

- полученных рекомендациях по внедрению в практику проектирования АМП методов алгоритмического сопровождения и средств аппаратного обеспечения .

5. В практике проектирования подобных преобразователей специатизированными организациями могут быть использованы :

- разработанная физико-математическая модель информационного преобразования аэрометрического преобразователя (АМП), применительно к вопросам ее утилизации в задачах оптимизации характеристик и автоматизации проектирования по комплексу требований ( критериев ) информационно-управляющих систем JIA;

- разработки отдельных вопросов алгоритмического обеспечения и аппаратного сопровождения процессов исследования АМП, ориентированные на возможность их сопряжения со структурами и процедурами специализированных САПР и АРМ;

- методологические примеры конструктивных реализаций отдельных образцов: АМП (для различных приложений в области авиационной аэрометрии) и стендового оборудования, для процессов автоматизированного исследования их характеристик в рамках задач проектировашм АМП для ИУС JIA.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора: (

1. Сапаров И. Б., Порунов А. А. Оценивание параметров аэромеханических систем.- Тез. докл. ВНТК "Управление в механических системах". Казань, КАИ, 1985. с. 22.

2. Порунов А. А., Сапаров И. Б. и др. Оценка информативности аэродинамического поля" одновинтового вертолета. - Тез. докл. ВНТК "Безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта". Л., ОЛАГА, 1985. с. 54.

3. Сапаров И. Б., Порунов А. А. Синтез тестовых полигармонических аэросигналов.-Тез. докл. ВНТК "Системы автоматического контроля в гибких переналаживаемых комплексах". М., НТО "Приборпром" им. С. И. Вавилова, М.,1985.с. 51-52.

4. Сапаров И. Б. САПР измерительных преобразователей пневмо-гидросистем с оптимальными динамическими характеристиками.- Тез. докл.

РНТК "Путч создания и совершенствования САПР". Казань, НПО "Волга", 1987.С.86-87.

5. Порунов А. А., Сапаров И. Б., Харитонов С. М. Моделирование эквивалентных схем аэрометрических преобразователей,- Тез. докл. ВНТК "Развитие и использование аналоговой и аиалогово-цифровой вычислительной техники". М., НТОРЭС им. А. С. Попова, 1981. с. 144-145.

6. Сапаров И.Б. и др. Унифицированный пневмофункциональный модуль для информационно-измерительных систем. -Тез. докл. ВНТК "Информационно-измерительные системы". М., НТО "Приборпром" им. С. И. Вавилова, 1982. с.8 7-88.

7. Сапаров И. Б. и др. Разработка и исследования функционального преобразователя для пневматических систем контроля и регулирования. -Тез. докл. РНТК "Проблемы автоматизации процессов разработки нефтяных месторождений". Казань, НТО "Приборпром" им. С. И. Вавилова, 1983. с. 4445.

8. Сапаров И. Б. , Грушелевский И. М. Синтез статистически оптимального управления программируемого электропривода.- Тез. докл. РСНТК " Актуальные проблемы авиастроения". Казань, КАИ, 1987. с. 20.

9. Солдаткин В. М. , Сапаров И. Б. Статистически оптимальные процедуры градуировки преобразователей давления и расхода в задачах САПР.- Тез. докл. ОНТК " Прогрессивные малоотходные технологии холодноштамповочного производства ". Челяб-ск, Ур.ДНТП, 1988. с. 53-54.

10. Сапаров И. Б., Грушелевский И. М. Моделирование аэрофизических процессов технологических установок и циклов.- Тез. докл. ОСНТК " Математическое моделирование и оптимизация энергбтехнологических процессов и тепловых установок ". Куйбышев, КуПИ, 1987. с. 9.

11. Порунов А. А., Сапаров И. Б. и др. Повышение безопасности полетов вертолетов на основе многоканального измеригеля аэрометрической информации, - Тез. докл. ВНТК "Безопасноо-л. и эффективность эксплуатации воздушного транспорта". Л., ОДЛГА, 1985. с.55.

12. Солдаткин В- М. , Сапаров И. Б. Прогнозирование и идентификация аномальных тялений атмосферы при летных испытаниях.- Спецсборник. Жуловский, ЛИИ, 1989,с. 189-191.

13. Сапаров И. Б. и др. Статистически оптимальная адаптивная система измерения аэрометртеских параметров.- В сб. "Автоматизиро-ванные системы контроля и управления". Ульяновск, УПИ, 1989. с. 24-26.

14. Измеритель высоты и составляющих скорости вертолета.- А. с. СССР N 1190730. (Сапаров И.Б. в соавторстве).

15. Солдаткин В.М., Сапаров И.Б. Информационно-управляющая система обеспечения безопасности полета в неспокойной атмосфере.- Тез. докл. РНТК

" Машинные методы в задачах механики, устойчивости и управления ". Казань, КАИ, 1990. с. 45.

16. Устройство для измерения скорости потока.- А.с.СССР N 1128177. (Сапаров И. Б. в соавторстве).

17. Измеритель высотно-скоростных параметров летательного аппарата.-А. с. СССР N 1132682. (Сапаров И. Б. в соавторстве).

18. Порунов А. А. , Ференец А. В., Сапаров И. Б. Электронные каналы измерителей аэрометрических параметров.- В сб. " Новые электронные приборы и устройства ". М., МДНПТ, 1982. с. 63-69.

19. Пневматический потенциометр.- А. с. СССР N 1018154. (Сапаров И.Б. в соавторстве).

20. Солдаткии В. М., Сапаров И. Б. Статистически оптимальные методы градуировки измерителей воздушных параметров.- Спецсборник. ЛИИ, Жуковский, 1987, с. 136-138.

21. Солдаткии В. М. , Сапаров И. Б. , Тевяшов К. В. Экспериментально-статистическая идентификация датчиков аэродинамических углов.- Тез. докл. РСНТК"Актуальные проблемы авиастроения". К- нь,КАИ, 1987. с. 6.

22. Сапаров И. Б. Метод базовых матриц в задачах синтеза моделей класса PAP.- Тез. докл. РНТК "Машинные методы в задачах механики, устойчивости и управления". Казань, КАИ, 1990. с. 30.

23. Сапаров И. Б. Анализ устойчивости идентифицируемых моделей методом факторного фильтра.- Тез. докл. ВНТК " Аналитическая механика, устойчивость и управление движением". Казань, КАИ, 1987. с, 85.

24. Сапаров И. Б. , Грушелевский И. М. Синтез оптимальной структуры аэрометрического преобразователя методом факторного фильтра. - Тез. докл. РСНТК "Системы автоматического регулирования и управления техническими объектами". Уфа, УАИ, 1987. с. 11.

25. Сапаров И. Б. ,, Грушелевский И. М. Идентификация динамических характеристик объектов обтекания,- Тез. докл. ВСНТК " XIII Гагаринские чтения". М., МАТИ, 1987. с. 176.

26. А. с. СССР N 292222.- Спецтема. ( Сапаров И. Б. в соавторстве).

27. Сапаров И. Б. Итоги, направленность, перспективы-.НИОКР НПО "Медфизприбор" по созданию диагностических комплексов нового поколения,-В сб. "Состояние и перспективы развития Здравоохранения и Медицинской промышленности Республики Татарстан в новых условиях",- Казань, Медицина, 1994, с. 23-28.

28. Сапаров И. Б. . Концепция НИР отечественного медицинского приборостроения- ее историческая эволюция, адаптация к страховой медицине.- В сб. "Наука и техника: история и современное состояние". Самара, РГНТА,- с.51-57.

29. Сапаров И. Б. Концепция разработки, результаты исследований, практика эксплуатации клинического диагностического ваттметрического комплекса. Медицинская физика. N2. 1995. -РАМФ-РАМН.- с. 134-135.

30. Сапаров И. Б. Физическая интерпретация физиологических моделей в автоматизированных диагностических экспертных системах,- там же-с. 145-146.

31. Сапаров И. Б. Правовые вопросы внедрения во врачебную практику средств и методов диагностики, использующие новые феномены. В сб. Труды П-го Международного симпозиума "Феномены природы и экология человека".- Казань, АН РТ, 1994,- с.134-136.

Формат 60x34 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Печ.л. 1,26. Усл.печ. л. 1,16. Усл. кр. -отт. 1,21. Уч. -изд.л. 1,0. Тираж 90 экз.. Заказ № 444 ¡Р*- .

Для служебного пользования.

Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева .

Ротапринт Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева , 420012 , Казань , К. Маркса , 10.