CC BY
228
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 629.735.015:531.5:681.3:001.891.573
ОБ АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ЗАДАЧЕ
ИДЕНТИФИКАЦИИ
М.С. КУБЛАНОВ
На основе обобщения опыта формулируются рекомендации по разработке математических моделей динамики полета необходимой степени адекватности.
Проблема обеспечения необходимой степени адекватности результатов вычислительных экспериментов (ВЭ), получаемых с помощью математических моделей (ММ), поведению реального объекта оказывается сегодня одной из актуальнейших в таких наукоемких отраслях, как гражданская авиация (ГА). Это связано с широким внедрением ММ в решение практических задач в условиях недостаточной полноты информации о реальном функционировании объекта. Очевидно, что пренебрежение процедурой оценки адекватности ММ неизбежно приводит к грубым погрешностям ВЭ, ошибкам в интерпретации полученных результатов и, в конечном счете, к неверным практическим выводам.
В данной статье сделана попытка обобщить опыт автора в области математического моделирования динамики полета (ДП) летательных аппаратов (ЛА) и сформулировать рекомендации по разработке ММ, необходимой степени адекватности в указанной области исследований. Примеры, приведенные для иллюстрации в статье, выбраны только из собственной практики и из практики ближайших сотрудников, так как автор не может обсуждать подразумеваемую корректность постановки задач другими исследователями.
В теории математического моделирования [1 - 5] под адекватностью результатов понимают их соответствие поведению реального объекта. Это соответствие следует оценивать с точки зрения целей исследования. Поэтому возможны различные подходы к оценке адекватности различных моделей. Однако в любом случае для этого необходимо иметь:
- исчерпывающую информацию о поведении объекта исследования в конкретном случае;
- исчерпывающие данные результатов вычислительного эксперимента (ВЭ), воспроизводящего тот же случай поведения объекта;
- критерии оценки адекватности.
Очевидно, что для ММ движения воздушного судна (ВС) исчерпывающую информацию о поведении объекта исследования в конкретном случае собрать практически невозможно. Так, например, в каждый момент времени в каждой точке траектории невозможно зафиксировать:
- скорость и направление движения воздуха относительно земли;
- интенсивность дождя и связанного с ним ветра;
- коэффициент сцепления колес шасси с ВПП и многое другое.
Кроме этого, множество характеристик самого ВС определяются с невысокой точностью, как-то: масса, моменты инерции, тяга и расход топлива, аэродинамические характеристики планера, характеристики работы шасси.
В условиях такой неопределенности добиться удовлетворительной степени адекватности результатов ВЭ реальному поведению ВС можно только с помощью решения задачи идентификации. Идентификацией называется процесс определения неизвестных или уточнения недостаточно точно известных параметров ММ с целью добиться удовлетворительной степени ее адекватности экспериментальным данным. Для ММ динамики полета (ДП) летатель-
ных аппаратов (ЛА) общее количество таких недостаточно точно известных параметров может исчисляться десятками.
Существенно важным в теории математического моделирования является постоянное согласование всех аспектов построения ММ с задачами и целями исследования. Для задач ГА это означает возможность существенно сократить круг факторов и параметров, нуждающихся в идентификации.
Детальный анализ практических задач, решенных на ранних стадиях применения ММ [7 - 14], позволил сформулировать некоторые существенно важные для исследований в области гражданской авиации свойства этих задач [5], позволяющие сделать разрешимой задачу идентификации. Приведем самые важные из них.
1. Согласно [3 - 5] любая детерминированная (без имитации случайных явлений) ММ содержит в себе:
- уравнения движения,
- кинематические соотношения,
- другие функциональные зависимости,
- числовые данные (параметры объекта, начальные, конечные, граничные условия),
- методы вычислений.
Уравнения движения ВС, описывающие фундаментальные законы природы, а также кинематические соотношения сами по себе в идентификации не нуждаются. Чаще всего нет необходимости уточнять и краевые условия. Наибольшую трудность при разработке ММ представляет описание недостоверно известных характеристик объекта, как функциональных так и числовых. Таким образом, идентификация ММ динамики полета ВС сводится к "интерпретации" исходного приближенного числового материала и моделей тех отдельных элементов, которые не описываются законами природы.
Этот важнейший для дальнейших построений принцип вытекает из работ научной школы академика А.Н. Тихонова, обязанной своими успехами в теории обратных задач четкому пониманию, что любое решение обратной задачи (как, например, идентификации) следует рассматривать не более чем "интерпретацию данных наблюдений" [6].
2. Для решения практических задач гражданской авиации, т. е. летной эксплуатации готового самолета, не следует подвергать сомнению утвержденные изготовителем ЛА аэродинамические характеристики, характеристики силовой установки, шасси и систем управления, основные требования Руководства по летной эксплуатации (РЛЭ). Лишь три группы параметров могут нуждаться в идентификации:
- исходные эксплуатационные параметры состояния объекта (весовые, центровочные и т.п. характеристики ЛА);
- параметры описания внешней среды (отклонения от стандартной атмосферы, ветер, дождь, состояние взлетно-посадочной полосы (ВПП));
- параметры модели управления объектом (манеры конкретного пилота или системы автоматического управления во всех каналах управления: значения отслеживаемых параметров, коэффициентов реакции ("усиления"), интервалов времени между очередными моментами наблюдения и вмешательства, периодов задержки реакции, размеров зон нечувствительности).
Однако их вполне достаточно, чтобы сделать задачу неразрешимой однозначно. Для отыскания хотя бы одного частного решения необходимо прибегать к методу проверки гипотез, выдвигаемых по результатам каждого отдельного летного испытания (ЛИ).
3. В целях разработки рекомендаций по летной эксплуатации и выявления особенностей пилотирования самолета в усложненных условиях важнейшей задачей является оценка динамических и пилотажных качеств. Это означает необходимость иметь данные ЛИ самолета в сугубо нестационарных условиях полета, например, на взлете и посадке. Эти данные долж-
ны иметь высокую точность, достоверность и быть самосогласованными. Не всякие данные ЛИ удовлетворяют этим требованиям - их выполнение следует проверять на предварительной стадии исследований.
Сложность задач и целей исследований, большое количество существенных параметров движения и необходимость учета перечисленных выше особенностей приводят к необходимости объемной, кропотливой работы по доведению ММ до необходимого уровня адекватности. Кроме того, существуют неизбежные недостатки самих ММ, проистекающие из недостаточно аргументированного комплекса упрощений, как самого математического описания так и применяемых методов вычисления [15].
Обобщая вышесказанное, можно сформулировать следующий тезис. Обратные задачи, в том числе и задача идентификации, представляют собой процесс расследования причинноследственных связей. Если мало фактов (данных, информации), то гипотез, способных объяснить этот малый набор фактов, оказывается неизбежно много. Если фактов много, то количество правдоподобных (с вероятностью, приближающейся к 1) гипотез мало. Построить их сложнее, так как в них надо увязать большее количество информации.
Главный вопрос обратной задачи - для чего она! Цель и оправдывает выбираемые средства - гипотезы и их количество, принимаемые во внимание факты и их количество. Так, адекватно восстановить с помощью ММ режим висения вертолета или его плавного разгона
- набора высоты (т.е. Н(1), У(1)) можно с помощью модели "подъемного крана" - достаточно воспроизвести массу ЛА, как материальной точки, и задать силу тяги несущего винта (НВ) [16]. Но для восстановления динамичных процессов (нестационарности в Н(1), Ь(1), 2(1), У(1), Ф(1), у(1), у(1)) необходимо дополнительно к предыдущему случаю знать положение центра масс ЛА, его моменты инерции и реактивный момент НВ [17]. Существенно нестационарные процессы (например, маневр "подрыва" или попадание в вихревое кольцо) требуют дополнительной информации о нестационарных характеристиках НВ и рулевого винта (РВ) [18].
Аналогичная ситуация наблюдалась на ранних стадиях применения Системы математического моделирования (СММ) [8] - для самолетов. Так, для воспроизведения адекватных значений дистанций пробега по ВПП достаточно было строить несложные модели динамики конкретного типа ЛА, использующие осредненные данные о состоянии ВПП и атмосферы. Для восстановления продольного движения самолета по ВПП (Ь(1), У(1)) необходима ММ, учитывающая изменение характеристик всех способов торможения в зависимости от скорости движения [12]. Для расследования причин АП при существенно нестационарном и непрямолинейном движении по ВПП в сложных погодных условиях (Ь(1), 2(1), Ь (1), 2 (1), Ф(1), у(1), у(1)) необходима ММ высокой степени адекватности, учитывающая кроме перечисленного выше и закономерности поперечного движения самолета, и изменение характеристик торможения в зависимости от положения самолета на ВПП, и изменение состояния ВПП в продольном и поперечном направлениях [19 - 21].
В последнем приведенном примере ярко проявляется еще один аспект построения ММ. "Глубина" решаемых проблем (целей исследования) диктует требования к возможностям ММ. Согласно предложенному в [5, 15] принципу опережающей математической строгости и глубины феноменологического описания явления при математическом моделировании ДП ЛА необходимо построение физических закономерностей на порядок более строгих и глубоких, чем это диктуется непосредственно постановкой конкретной задачи. Так, для адекватного воспроизведения поведения самолета на ВПП в сложных метеоусловиях только большого объема привлекаемой информации недостаточно. В ММ необходимо описание движения шасси с помощью полноценного уравнения импульса для его подвижной части. Уравнения демпфирования, не воспроизводящего колебания, а тем более уравнения статики, не описывающего вертикального движения, недостаточно [4].
Выбор математических методов вычисления (в том числе и связанных с явлением "жесткости" [22 - 24]) также диктуется постановкой задачи и принципом опережающей математической строгости. Этот вопрос весьма важен, так как любой метод вычисления связан, по существу, с заменой исходной решаемой задачи на другую, которая должна ее аппроксимировать.
Таким образом, можно дать следующие рекомендации по разработке ММ ДП ЛА необходимой степени адекватности.
1. Четко сформулировать задачу исследований.
2. Проанализировать результаты ЛИ с наиболее полной и самосогласованной записью параметров полета.
3. Обеспечить в ММ принцип опережающей математической строгости и глубины феноменологического описания рассматриваемых особенностей явления.
4. Выбрать методы вычисления, соответствующие задаче исследований и феноменологическому описанию в плане необходимого уровня аппроксимации.
5. Провести объективную оценку достигнутого уровня адекватности полученной ММ для решения поставленной задачи исследования, в случае неудовлетворительного уровня адекватности повторить все вышеприведенные этапы.
В качестве еще одной рекомендации можно предложить методику применения ММ ДП ЛА, состоящую из следующих этапов [5]:
1) настройка ММ ДП ЛА на исследуемый тип ЛА (подготовка, ввод, проверка и необходимая корректировка всех параметров и характеристик ЛА и среды);
2) подготовка данных средств объективного контроля полетной информации на исследуемом участке контрольного полета (данных ЛИ в условиях, максимально приближенных к исследуемым);
3) формирование и расчет начальных условий на исследуемом участке контрольного полета;
4) разработка сценария контрольного полета по данным средств объективного контроля (составление данных, описывающих этап полета, а также изменение управляющих воздействий на нем и внешних условий);
5) воспроизведение участка контрольного полета на ММ (контрольный ВЭ);
6) оценка адекватности результатов контрольного ВЭ, в случае неудовлетворительной степени адекватности - внесение изменений, диктуемых характером несоответствия, и повторение работы с п. 4 или п. 1;
7) планирование ВЭ с целью решения конкретной практической задачи исследования (составление перечня анализируемых вариантов полета, обеспечивающего полноту информации для разработки выводов);
8) формирование и расчет начальных условий на исследуемом участке анализируемого варианта полета (отдельного случая ВЭ);
9) разработка сценария анализируемого варианта полета на исследуемом участке (с помощью РЛЭ, Норм летной годности [40] или данных средств объективного контроля);
10) имитация анализируемого варианта полета на исследуемом участке (расчет варианта);
11) обработка результатов имитации анализируемого варианта (построение таблиц и графиков);
12) анализ результатов ВЭ (в случае необходимости - внесение изменений и повторение работы от п. 7);
13) разработка практических предложений и рекомендаций.
Пункты 1 - 6 представляют собой методику решения собственно задачи идентификации ММ движения ЛА в определенных условиях для обеспечения приемлемой степени адекват-
ности реальному поведению ЛА по ограниченному числу параметров, принимаемых за критерии. Без проведения этой работы дальнейшие исследования бессмысленны, так как их результаты будут расходиться с реальностью.
Пункты 7 - 12 составляют методику проведения целевого ВЭ, который может включать в себя расчеты большого количества вариантов. В последнем случае необходимо применение методик планирования ВЭ, основанных на теории планирования эксперимента и сопутствующих математических приемах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дыхненко Л.М. и др. Основы моделирования сложных систем: Учебное пособие для втузов. - Киев: Вища школа, 1981.
2. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях. - М.: Радио и связь, 1989.
3. Ибрагимов И.А. и др. Моделирование систем: Учебное пособие. - Баку: Азинефтехим, 1989.
4. Кубланов М.С. Математическое моделирование. Методология и методы разработки математических моделей механических систем и процессов. Часть I. Моделирование систем и процессов. Изд. 3-е, перераб. и доп.: Учебное пособие.- М.: МГТУ ГА, 2004.
5. Кубланов М.С. Разработка теории и методов повышения уровня адекватности математических моделей на основе идентификации параметров движения для обеспечения летной эксплуатации самолетов гражданской авиации: Дисс. д-р техн. наук. - М., 2000.
6. Тихонов А.Н., Кальнер В.Д., Гласко В.Б. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990.
7. Анализ точности имитации движения самолета в особых случаях взлета и посадки с помощью математического моделирования: Отчет о НИР (промежуточный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01890017440; Инв. № 02890065188 - М.: МИИГА, 1989.
8. Система математического моделирования динамики полета воздушных судов на базе персональных ЭВМ: Отчет о НИР (промежуточный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01910018045; Инв. № 02910024435 - М.: МИИГА, 1991.
9. Кубланов М.С., Ципенко В.Г., Барилов Д.Д. Архитектура системы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов // Сб. научных трудов «Математическое моделирование в задачах летной эксплуатации воздушных судов». - М.: МИИГА, 1993.
10. Разработка общих рекомендаций по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в ожидаемых условиях эксплуатации и режимах, выходящих за ожидаемые условия эксплуатации, на этапах взлета, захода на посадку и посадки: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01930010176; Инв. № 02940003177 - М.: МИИГА, 1993.
11. Обоснование рекомендаций и предложений по летной эксплуатации самолета Ил-96Т на этапах взлета и посадки вблизи минимально-эволютивных скоростей, на больших углах атаки, с учетом аэроупругости конструкции: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. № ГР 01960000315 - М.: МГТУ ГА, 1996.
12. Кубланов М.С. Идентификация математических моделей по данным летных испытаний самолета Ил-96-300 // Решение прикладных задач летной эксплуатации ВС методами математического моделирования. - М.: МГТУ ГА, 1993.
13. Кубланов М.С. Идентификация математической модели посадки самолета Ту-154Б по данным летных испытаний // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 15, 1999.
14. Кубланов М.С. Математическое моделирование аварии Ил-76 в Иркутске 26.07.99 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 23, 2000.
15. Кубланов М.С. Основные принципы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 37, 2001.
16. Разработка рекомендаций и предложений по летной эксплуатации вертолета с грузом на внешней подвеске при проведении авиационных работ с применением специальных технических средств: Отчет о НИР (заключительный) / Руководитель М.С. Кубланов. Ответственный исполнитель В.В. Ефимов. № ГР 01200607252; Инв. № 02200704155 - М.: МГТУ ГА, 2007.
17. Бугай В.И., Кубланов М.С. Влияние попутного ветра на взлетную дистанцию вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138, 2009.
18. Бугай В.И., Ивчин В.А. Определение безопасных высот висения вертолета Ми-8 В конкретных условиях эксплуатации // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138, 2009.
19. Бехтина Н.Б. Комплексная методика определения коэффициента сцепления колес шасси с взлетнопосадочной полосой для математического моделирования // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 81, 2005.
20. Бехтина Н.Б. Математическая модель бокового коэффициента сцепления колеса пневматика шасси при движении ЛА по ВПП // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 97, 2006.
21. Бехтина Н.Б. Применение усовершенствованной математической модели работы шасси в системе математического моделирования для расследования инцидента при посадке самолета Ту-154 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 138, 2009.
22. Кубланов М.С. Устойчивый алгоритм моделирования работы шасси // Обеспечение безопасности полетов при эксплуатации гражданских воздушных судов: Сб. научных трудов. - М.: МГТУ ГА, 1991.
23. Кубланов М.С. Особенности разработки устойчивых математических моделей движения самолета // Сучасні авіаційні технології: Секція "Аеродинаміка та динаміка польотів": Матеріали IV міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2002", 23-25 квітня 2002 р., Т.3 / Національний авіаційний університет. - Київ: НАУ, 2002.
ABOUT MATHEMATICAL MODEL ADEQUACY AND IDENTIFICATION PROBLEM
Kublanov M.S.
Recommendations to working up flight dynamics mathematical model of necessary adequacy degree are formulated basing on experience summarizing.
Сведения об авторе
Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1968), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор более 90 научных работ, область научных интересов - механика, математические методы моделирования.
