Автоматизированная система управления авиационным распределением химических веществ

Припадчев Алексей Дмитриевич; Магдин Александр Геннадьевич

УДК 621.91: 678.5

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВИАЦИОННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Оренбургский государственный университет

Поступила в редакцию 26.09.2013

Сформулирована математическая модель автоматизации системы управления распределением химических веществ сельскохозяйственным летательным аппаратом. На основе принципиальной и структурной схем управления, реализующей принцип комбинированного управления, разработана структурно-функциональная схема системы управления.

Ключевые слова: структурно-функциональная схема автоматизированной системы управления, лётная операция, летательный аппарат

Применение сельскохозяйственного летательного аппарата (ЛА), как составной части авиационного специализированного комплекса, включающей совокупность подсистем, обеспечивающих данное применение, происходит в условиях операции, отражающей взаимодействие всех задействованных средств, участвующих в обеспечении и решении задач, поставленных при планировании агрохимических технологий [1]. Эффективное использование сельскохозяйственного ЛА описывается математической моделью и содержит описание многопараметрических процессов, протекающих в летной операции

МОД (W) | = <Act, Kon (Act , { U }>, (1) где W — показатели эффективности;

| = — знак оператора модельного отображения;

Act — совокупность действий, отражающих функционирование сельскохозяйственного ЛА;

Kon — совокупность противодействий;

{U} — условия проведения летной операции.

В математической модели летной операции для описания элементов вводятся два вида параметров: прогнозируемые параметры {я}={я1,я2,^,я1,}, как совокупность технических характеристик, описывающих выбираемый элемент подсистемы авиационного специализированного комплекса; тактические параметры {Т }={ Т 1, Т 2,..., Т s}, как совокупность характеристик, определяющих показатель эффективности сельскохозяйственного ЛА.

Тактические параметры представим функционально зависимыми от прогнозируемых и неноминальных значений параметров условий летной операции

Припадчев Алексей Дмитриевич, доктор технических наук, доцент кафедры летательных аппаратов. E-mail: apripadchev@mail.ru

Магдин Александр Геннадьевич, аспирант кафедры «Летательные аппараты»

т s = f [{л}, {U}], s = \,nT, (2)

На основе математической модели летной операции устанавливаем зависимость показателя эффективности сельскохозяйственного ЛА в виде

W = W ({ т}, {¡¡}, {U}), (3)

где {¡3} = {31, ¡3, ..., ¡3 m} — совокупность параметров противодействия;

{U} = {u1,uG ,..., uu} — совокупность параметров условий проведения летной операции.

Отсюда задача выбора рационального варианта а* сельскохозяйственного ЛА математически может быть сформулирована следующим образом W ( {т}*, {3 }, { U} ) ^ max, (4)

где

{т}* = a*= {т*1, T*2,...,Tn}. (5)

При формулировании задачи указывается на выбор рационального варианта сельскохозяйственного ЛА, поскольку в условиях неопределенности, обусловленных наличием {¡3} и {U}, выбрать однозначно оптимальный вариант невозможно. Исследование задач выбора при моделировании сложных технических систем и их взаимодействий с внешней средой является широкой и важной предметной областью, которая включает в себя задачи планирования и управления. Решение задач такого класса приводит к необходимости идентификации и классификации условий неопределенности, поскольку лишь такой подход позволяет, в результате, получить на выходе адекватные модели исследуемых многопараметрических, зачастую обусловленных известной периодичностью, процессов.

В связи с этим необходимо четко определить принципиальные различия между параметрами противодействия и условиями летной операции. Выявление таких различий возможно на основе приближенных качественно-количественных оценок степени их неопределенности.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №94(4), 2013

Комплекс параметров противодействия, представленный в модели (3) и описанный выражением {/ }={/1, /,,..., / т}, представляет собой совокупность негативных воздействий, направленных на снижение эффективности использования средства доставки при проведении летной операции.

Возникновение и существование комплекса параметров противодействия обусловлено, прежде всего, трудно прогнозируемыми последствиями антропогенной энтропии, находящей свое отражение в техногенных факторах. Соответственно, происхождение техногенных факторов связано, в подавляющем большинстве случаев, с побочными эффектами созидательной деятельности человека. К техногенным факторам следует отнести:

- снижение прямой видимости вследствие атмосферных выбросов промышленных предприятий, а также деятельности их инфраструктуры;

- повышение предельно-допустимых концентраций (ПДК) уровней загазованности и запыленности вследствие эксплуатации автомобильного и железнодорожного транспорта;

- электромагнитные излучения теле- и радиовещательных станций, технических служб и систем мобильной связи, а также сопутствующие им побочные эффекты (радиопомехи, внеполосные излучения, сплейтеры и т.д.).

Совокупность параметров условий летной операции, представленная выражением {и} = {п,,па,..., иш} и определяемая естественными факторами, под которыми следует понимать географические, метеорологические факторы и отдельные природные аномалии [2].

Наличие представленной совокупности усло-

вий может оказать решающее влияние на результаты планирования оптимальных технологий авиационно-химических работ на основе прогнозирования технологических параметров в зависимости от географических и метеорологических условий. Учет данных условий позволяет осуществлять выработку тактических рекомендаций для корректировки полетных планов в условиях изменяющейся обстановки, складывающейся на момент проведения летной операции.

Одним из наиболее важных показателей, определяющих типоразмер сельскохозяйственного ЛА и обусловливающий взлетную массу средства доставки т , массу забираемого топлива т и

0 7 ^ 1 топл.

загружаемую массу химикатов т . Рациональное соотношение перечисленных параметров непосредственным образом связано с географическими особенностями расположения авиационно-техни-ческой базы (АТБ) — высоты над уровнем моря.

Пределы изменения взлетной массы сельскохозяйственного вертолета (СХВ) в зависимости от высоты расположения взлетной площадки над уровнем моря, температуры окружающего воздуха в градусах Цельсия и заданной массе химикатов, приведены в табл. 1-3.

По результатам анализа табл. 1-3 взлетная масса СХВ т0 изменяется в зависимости от ряда факторов: высоты взлетной площадки Н, изменяющейся от 0 до 1000 м над уровнем моря; температуры окружающего воздуха Ь, изменяющегося от +10 до +40 градусов Цельсия; заданного значения массы химикатов т , изменяющегося

хм7

от 600 до 1000 кг.

Проведенный анализ позволяет сделать ряд заключений, свидетельствующих о наличии как минимум трех составляющих (компонент), кото-

Таблица 1. Пределы изменения взлетной массы СХВ т0, кг, при высоте взлетной площадки Н=0 м и заданной массе химикатов т

Н=0 м шхм =600 кг тХм = 700 кг Шхм =800 кг Шхм =900 кг Шхм =1000 кг

г = +10 3528 2993 3156 3264 3114

г = +20 3517 2948 3077 3161 2915

г = +30 3466 2887 2992 3044 2807

г = +40 3124 2655 2844 2878 2775

Таблица 2. Пределы изменения взлетной массы СХВ т , кг при высоте взлетной площадки Н=500 м и заданной массе химикатов т

Н=500 м Шхм =600 кг шхм =700 кг Шхм =800 кг шхм =900 кг шхм =1000 кг

г = +10 3548 3013 2957 3155 2918

г = +20 3497 2884 2936 3058 2814

г = +30 3376 2779 2845 2874 2604

г = +40 3098 2665 2726 2731 2545

Таблица 3. Пределы изменения взлетной массы СХВ т , кг при высоте взлетной площадки Н=1000 м и заданной массе химикатов т

Н=1000 м шхм =600 кг шхм =700 кг Шхм =800 кг Шхм =900 кг Шхм =1000 кг

t = +10 3531 2911 2847 3159 2864

t = +20 3467 2817 2751 3043 2734

t = +30 3368 2758 2676 2975 2688

t = +40 3217 2655 2567 2813 2595

рые необходимо принимать во внимание при планировании летной операции, связанной с производством авиационно-химических работ. Это географические G, метеорологические M и техногенные факторы. Последние представлены как искусственными препятствиями, так и электромагнитными помехами IM, создающими условия для возникновения активного и пассивного противодействия средству доставки — сельскохозяйственному ЛА.

Тогда условия противодействия можно представить функциональной зависимостью:

Kon (Act, { U }) = f(G, M, IM). (6) где G — географические факторы;

M — метеорологические факторы;

IM — электромагнитные помехи.

Тогда модель летной операции (1) примет вид МОД (W) | = < Act, f(G, M, IM) >, (7)

Данный вид отражает наличие выявленных факторов и условий функциональной зависимости (6).

Наряду с условиями и факторами противодействия, следует признать объективно существующими факторы содействия проведению технологической летной операции. К ним относится ряд локальных метеорологических состояний LMC, способствующих повышению качества внесения химикатов. К таким факторам следует отнести инверсию Inv, стоки холодных воздушных масс m, наличие тумана Du и конвекция C.

LMC = f(Inv, m, Du, C), (8)

где LMC — локальные метеорологические состояния;

Inv — инверсия;

M — воздушные массы;

Du — наличие тумана;

C— конвекция.

При условии Act = f (LMC)после подстановки аналитического выражения получим новое математическое описание МОД (W) I = < f(Inv, m, Du, C), f(G, M, IM) >, (9) представляющее собой уточненную модель проведения тактической летной операции сельскохозяйственным ЛА при производстве авиацион-но-химических работ.

На основе принципиальной и структурной схем управления, реализующей принцип комбинированного управления, разработана структурно-функциональная схема системы управления, представленная на рис. 1.

Целевой функцией Уц системы управления качеством является мониторинг и выдерживание технологических параметров. Информация об отклонениях, превышающих допустимые нормативы, через датчики обратной связи и преобразующее устройство обратной связи в виде измеренных значений, поступает на сравнивающее устройство параллельно с данными о заданной технологии. При наличии значительных отклонений сравнивающее и исполнительное устройства формируют управляющее воздействие U на изменение параметров технологического процесса.

Рис. 1. Структурно-функциональная схема автоматизированной системы управления: Уц — целевая функция; V — управляющее воздействие; Г — выходной показатель; Г —возмущения

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 15, №°4(4), 2013

Наряду с данными об отклонениях, поступающих по цепи обратной связи, на систему управления воздействуют возмущения, представленные информацией с датчиков о возмущениях, включающих информацию о зарождении и развитии локальных метеорологических состояний.

Поскольку локальные метеорологические состояния, во многом определяющие условия распределения химических веществ, обусловлены неопределенностью и представлены взаимодействием многопараметрических процессов, примем множество описывающих их параметров прогнозируемыми величинами. Определение каждого параметра из данного множества представим в виде задачи прогнозирования Indef. Тогда задачу прогнозирования локальных метеорологических состояний ЬЫС можно сформулировать математически в виде нечеткого множества:

ХШС (РШе/) = {Р }шеГ , V О РШ/ ^в/^П . (10) В данном случае под п понимается количество решаемых задач при неопределенном числе значимых параметров. Примем установку, в соответствии с которой наиболее важным условием содействия повышению качества внесения химикатов, является инверсионная составляющая локальных метеорологических состояний. Тогда ЬЫС = /(1пю), (11)

где ЬЫС — локальные метеорологические состояния; 1пю — инверсия. Или, в вероятностном аспекте

ЬЫС =Р /(1т), (12)

где Р — вероятность зарождения и развития инверсии.

Математическая формулировка тактической схемы проведения летной операции при производстве авиационно-химических работ носит слишком общий характер и не отражает ряда влияющих условий и факторов. Анализ и классификация параметров и факторов противодействия приводят к выводу о наличии как минимум трех составляющих (компонент), которые необходимо принимать во внимание при планировании технологической летной операции, связанной с производством авиационно-химических работ. Это географические, метеорологические и техногенные факторы. Наряду с условиями и факторами противодействия следует признать объективно существующими факторы содействия проведению технологической летной операции. К ним относится локальные метеорологические состояния, способствующие повышению качества внесения химикатов. К таким факторам следует отнести инверсию, наличие стелящегося тумана, стоки холодных воздушных масс и конвекцию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богданов Ю.С., В.С. Брусов. Оценка эффективности транспортных вертолетов. М.: МАИ, 1982. 45 с.

2. Вартанесян В.А. Радиоэлектронная разведка. М.: Воениздат, 1975. 255 с.

3. Магдин А.Г., Н.В. Вагапова. Разработка информационно-поисковой системы средствами dBASE : метод. указания. Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. 28 с.

4. Припадчев А.Д. Основные летно-технические показатели воздушного судна и условия сопоставимости при экономической оценке // Современные проблемы науки и образования. М.: 2009. №4. С.134-137.

AUTOMATED SYSTEM OF AIR DISTRIBUTION OF CHEMICALS

Orenburg State University

We formulate a mathematical model of the automation system for controlling the distribution of chemicals in agricultural aircraft. On the basis of fundamental and structural control schemes, implementing the principle of combined management, developed structural-functional diagram of the control system. Keywords: structural and functional diagram of the automated control systems, flight operations, aircraft

Alexey Pripadchev, Doctor of Technics, Associate Professor at the Aircraft Department. E-mail: apripadchev@mml.ru Alexandr Magdin, Graduate Student at the Aircraft Department

AUTOMATED SYSTEM OF AIR DISTRIBUTION OF CHEMICALS

Текст научной работы на тему «Автоматизированная система управления авиационным распределением химических веществ»