Адаптивный имитатор загрузки ручки управления полетом

 

1. АДАПТИВНЫЙ ИМИТАТОР ЗАГРУЗКИ РУЧКИ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ, содержащий ручку управления, кинематически связанную с датчиком ее перемещений и загрузочным устройством, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности обучения путем адаптивной подстройки загрузочной характеристики к величине ошибки управления, в него введены блок нормирования ошибок управления, устройство сравнения и модулятор, причем к первому входу модулятора подключен выход датчика перемещений ручки управления, к второму входу модулятора подключен выход блока нормирования ошибок управления, а выход модулятора подключен к входу загрузочного устройства, вход блока нормирования ошибок управления соединен с выходом блока сравнения, один из входов которого соединен с ручкой управления, а второй вход является входом устройства.

2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что блок нормирования ошибок управления включает блок резисторов и соединенные через разделительной диод усилитель и инвертор, выход которого является выходом блока, а вход блока соединен через блок резисторов с входом усилителя.

3. Имитатор по п. 1, отличающийся тем, что модулятор выполнен в виде эмиттерного повторителя с отрицательной обратной связью по току, причем первым входом модулятора является базовая цепь транзистора, вторым входом - эмиттерная цепь, а выход модулятора подключен к эмиттерной нагрузке транзистора. Изобретение относится к обучающим устройствам и может быть использовано в тренажерах динамических объектов, например, самолетов. Известно загрузочное устройство рычага управления полетом авиационного тренажера, воспроизводящее различные исследуемые характеристики посредством загрузочных цилиндров, связанных между собой через имеющие изменяемое соотношение плеч качалки, между которыми установлен дифференциальный механизм, а к штокам загрузочных цилиндров подключены регулируемые штоки. Известен также имитатор загрузки ручки управления самолетом, содержащий ручку управления, кинематически связанную с датчиком ее перемещений и загрузочным устройством. Недостатком данного устройства является низкая эффективность обучения ручному управлению объектом, характеристики которого имитируются. Это связано с тем, что в данном случае величина усилий, противодействующих перемещению ручки управления, отражает только воздействие на объект внешних факторов и не связана с качеством управления. Кроме того, загрузочная характеристика данного устройства, т.е. вид зависимости величины противодействующих усилий от величины перемещений ручки управления не зависит от квалификации оператора. Целью изобретения является повышение эффективности обучения операторов ручному управлению объектом путем адаптивной подстройки загрузочной характеристики к величине ошибки управления. Это достигается тем, что в адаптивный имитатор загрузки ручки управления полетом, содержащий ручку управления, кинематически связанную с датчиком ее перемещений и загрузочным устройством, введены блок нормирования ошибок управления, блок сравнения и модулятор, причем к первому входу модулятора подключен выход датчика перемещений ручки управления, к второму входу модулятора подключен выход блока нормирования ошибок управления, а выход модулятора подключен к входу загрузочного устройства, вход блока нормирования ошибок управления соединен с выходом блока сравнения, один из входов которого соединен с ручкой управления, а второй вход является входом устройства. Кроме того, блок нормирования ошибок управления включает блок резисторов и соединенные через разделительный диод усилитель и инвертор, выход которого является выходом блока, а вход блока соединен через блок резисторов с входом усилителя. При этом модулятор выполнен в виде эмиттерного повторителя с отрицательной обратной связью по току, причем первым входом модулятора является базовая цепь транзистора, вторым входом эмиттерная цепь, а выход модулятора подключен к эмиттерной нагрузке транзистора. На фиг.1 приведена структурная схема адаптивного имитатора загрузки ручки управления полетом; на фиг.2 принципиальная схема блока нормирования ошибок управления; на фиг.3 представлен алгоритм функционирования вычислителя; на фиг.4 зависимость противодействующего усилия от угла отклонения ручки управления. Адаптивный имитатор загрузки ручки управления полетом содержит ручку управления 1, датчик 2 ее перемещений, модулятор 3, блок 4 нормирования ошибок управления, загрузочное устройство 5 и блок сравнения 6. Ручка управления кинематически связана с датчиком 2, подключенным к первому входу модулятора 3. Второй вход модулятора 3 подключен к выходу блока 4 нормирования ошибок управления. Выход модулятора 3 подключен к входу загрузочного устройства 5, выход которого кинематически связан с ручкой управления 1. Ручка управления 1 также кинематически связана с первым входом блока сравнения 6, второй вход которого является входом имитатора. Выход устройства сравнения 6 подключен к входу устройства 4 нормирования ошибок. Имитатор работает следующим образом. Если ручка управления 1 находится в исходном положении, то сигнал на выходе датчика 2 отсутствует, при этом независимо от величины сигнала, поступившего на второй вход модулятора 3 с блока нормирования ошибок 4, сигнал на выходе модулятора 3 будет отсутствовать. Устройство, вырабатывающее загрузку, находится в исходном положении и к ручке управления 1 противодействующие усилия не прикладываются. Если под действием усилий, прилагаемых человеком, ручка управления 1 отклоняется от исходного положения, датчик 2 вырабатывает соответствующий сигнал, который поступает на первый вход модулятора 3. Одновременно перемещение ручки 1 в блоке сравнения преобразуется в управляющие воздействия, изменяющие величину управляемого параметра, значения которого сравниваются с заданными, поступающими на второй вход блока сравнения 6. Рассогласование этих величин ошибка управления, поступает на вход блока нормирования ошибок 4, в котором сравнивается с величиной, допустимой в конкретном случае, ошибки управления. Если окажется, что величина ошибки управления превышает заданное значение, то сигнал на выходе блока нормирования 4 будет отсутствовать, поэтому величина сигнала на выходе модулятора 3 в этом случае будет зависеть только от величины сигнала, выработанного датчиком 2. В этом случае загрузочное устройство выработает противодействующее усилие для ручки управления 1, зависящее только от величины ее перемещения. Если ошибка управления на выходе блока сравнения 6 становится меньше заданного значения, то сигнал на выходе блока нормирования 4 возрастает. Это вызывает уменьшение величины сигнала на выходе модулятора 3 независимо от величины сигнала, поступающего на первый вход с датчика 2. В этом случае загрузочное устройство 5 уменьшает величину противодействующих усилий для ручки управления 1 независимо от величины ее отклонения. Конкретный имитатор является автономным устройством, которое может быть состыковано с различными типами тренажеров или их динамических моделей. В данном случае он является устройством, с помощью которого вырабатываются управляющие воздействия для динамической модели тренажера типа ТЛ1М, реализованный в виде набора программы для вычислителя, в качестве которого используется цифроаналоговый комплекс, включающий ЭВМ и устpойство сопряжения. Пультом инструктора является пульт управления ЭВМ. В качестве индикатора используется электронный осциллограф. Принципиально адаптивный имитатор загрузки ручки управления полетом представляет собой усложненную схему нуль-органа с двумя функционально идентичными частями, преобразующими сигналы различной полярности, вырабатываемые датчиком 2 в противодействующие усилия для ручки управления 1. Поэтому его реализацию и функционирование рассмотрим в отношении одной части схемы, например, той, которая обеспечивает преобразование отрицательных сигналов. Ручка управления 1 жестко закреплена на оси вращения, которая с помощью переходной муфты соединена с подвижной частью датчика 2 (проволочный потенциометр), корпус которого зафиксирован. Модулятор 3 представляет собой эмиттерный повторитель с отрицательной обратной связью по току и собран на транзисторе Т₁. Первым входом модулятора 3 является базовая цепь транзистора Т₁, вторым входом эмиттерная цепь. Выходом модулятора 3 является сигнал, снимаемый с эмиттерной нагрузки транзистора Т₁. Поскольку падение напряжения в этой точке определяется потенциалом на базе транзистора Т₁ и потенциалом на коллекторе транзистора Т₂, то выходной сигнал соответствует сигналу, поступившему на первый вход, модулированному сигналом, поступившим на второй вход. Блок 4 нормирования ошибок управления включает нормирующий усилитель и инвертор, подключенные через разделительный диод D₃. Вход нормирующего усилителя через блок резисторов подключен к переключателю П1. Резисторы R₁, R₂, R₃, R₄ определяют коэффициент усиления усилителя У₁, однако их номиналы выбраны таким образом, чтобы сигнал на выходе усилителя У₁ не превышал значений ±I_в. Коммутацией этих резисторов с помощью переключателя П1 обеспечивается линейность выхода усилителя У₁ в выбранном, допустимом диапазоне изменений входных сигналов и сохранение значения выходного сигнала усилителя У₁, равного ±I_в при выходе входных сигналов за границы допустимого диапазона с учетом их знака. В данном случае эта зависимость сохраняется в диапазонах ±9 в. ± 3 в, ± I_в, что эквивалентно отклонениям ручки управления 1 от положения, минимизирующего рассогласование реальных и заданных значений управляемого параметра на 30^о, 10^о, 3^о. Инвертор блока нормирования ошибок управления 4, собранный на транзисторе Т₂, является усилителем напряжения с коэффициентом усиления, равным I, и предназначен для согласования функционирования блока нормирования ошибок 4 и модулятора 3. Загрузочное устройство 5 представляет собой двухкаскадный усилитель мощности на транзисторах Т₃ и Т₄, имеющий нагрузкой двигатель постоянного тока. Вычислитель воспроизводит динамические характеристики объекта, преобразует сигналы перемещения ручки управления 1, в управляющие воздействия и вычисляет ошибки управления, которые преобразует в электрические сигналы. Алгоритм функционирования вычислителя включает: x_z заданное значение управляемого параметра; х_i реальное значение управляемого параметра в i-том интервале времени; U_i значение управлений в i-том интервале времени; Δ х_i ошибка управлений в i-том интервале времени; Н_z заданное значение независимого параметра; Н_i реальное значение независимой переменной в i-том интервале времени; ΔН_i приращение независимой переменной в i-том интервале времени; A₁ сигнал пуска вычислителя; i индекс времени. Пульт инструктора предназначен для управления режимами работы вычислителя и задания исходных данных. Индикатор воспроизводит визуальное отображение заданного х_z и реального значений управляемого параметра х_i. Имитатор работает следующим образом. На пульте инструктора набираются заданные значения управляемого параметра х_z и независимого параметра Н_z. Переключатель П1 ставится в положение, соответствующее выбранному диапазону адаптивной разгрузки ручки управления 1, например, в положение 1, соответствующее диапазону разгрузки, равному ± 30^о. По команде "Пуск", задаваемой с пульта инструктора, в вычислитель вводятся начальные условия и он выходит на ожидание команды начала полета (сигнал А1), после прихода которой начинается процесс вычислений х_i, H_i, Δ x₁, Δ H_i. Пусть заданное значение параметра х_z таково, что для минимизации ошибки ручку управления 1 необходимо отклонить от исходного положения на угол α_z (фиг.4). В этом случае, пока ручка управления 1 находится в исходном положении, делитель напряжения, которым является датчик 2, уравновешен, потенциал на базе транзистора Т₁ равен нулю и независимо от потенциала на коллекторе транзистора Т₂ равен нулю потенциал на эмиттере транзистора Т₁. При этом транзисторы Т₃, Т₄ усилителя мощности закрыты, ток в обмотке двигателя отсутствует, поэтому противодействующее усилие, препятствующее перемещению ручки управления 1 отсутствует. Если под действием усилий оператора ручка управления 1 отклоняется от исходного положения, то при этом смещается от нейтрального положения подвижная часть датчика 2, например вверх на фиг.2, и отрицательный потенциал на базе транзистора Т₁ возрастает. До тех пор пока α < α_i потенциал на выходе усилителя У₁ будет равен I_в, поэтому потенциал на коллекторе транзистора Т₂ будет равен нулю. В этом случае отрицательный потенциал на эмиттере транзистора Т₁ будет возрастать синхронного с возрастанием сигнала с датчика 2. При этом усилитель мощности открывается, ток в обмотке двигателя возрастает, вращательный момент на его валу увеличивается и соответственно возрастает усилие, противодействующее перемещению ручки управления 1. При изменении угла отклонения ручки управления 1 в диапазоне α_i < α ≅ α_z ошибка управления уменьшается до нуля, потенциал на выходе усилителя У₁ уменьшается до нуля, потенциал на выходе усилителя У₁уменьшается до нуля, потенциал на коллекторе транзистора Т₂ возрастает до -I_в, падение напряжения на эмиттерной нагрузке транзистора Т₁уменьшается, усилитель мощности закрывается и противодействующее усилие уменьшается до величины Р_мин. При дальнейшем увеличении угла α до величины α_iпротиводействующее усилие восстанавливается до величины Р_i и в дальнейшем возрастает в соответствии с загрузочной характеристикой. Процесс управления продолжается до тех пор, пока значения независимой переменной не превысят заданных, т.е. пока Н_i ≅ H_z, после чего процесс вычислений прерывается и печатаются результаты деятельности. Если качество управления с использованием выбранного диапазона разгрузки ручки управления 1 соответствует хорошей оценке, обучение продолжается в более узком диапазоне разгрузки, т.е. переключатель П1 ставится в соответствующее положение и процесс управления повторяется. Для определения положительного эффекта использовались сравнительные данные о качестве управления операторами с различной квалификацей динамической моделью тренажера ТЛ1М с использованием аппаратуры имитации загрузки из комплекта тренажера и адаптивного имитатора загрузки ручки управления. В экспериментах установлено, что при использовании данного устройства продолжительность обучения сокращается в 1,7 раза.

Формула изобретения

1. АДАПТИВНЫЙ ИМИТАТОР ЗАГРУЗКИ РУЧКИ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ, содержащий ручку управления, кинематически связанную с датчиком ее перемещений и загрузочным устройством, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности обучения путем адаптивной подстройки загрузочной характеристики к величине ошибки управления, в него введены блок нормирования ошибок управления, устройство сравнения и модулятор, причем к первому входу модулятора подключен выход датчика перемещений ручки управления, к второму входу модулятора подключен выход блока нормирования ошибок управления, а выход модулятора подключен к входу загрузочного устройства, вход блока нормирования ошибок управления соединен с выходом блока сравнения, один из входов которого соединен с ручкой управления, а второй вход является входом устройства. 2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что блок нормирования ошибок управления включает блок резисторов и соединенные через разделительной диод усилитель и инвертор, выход которого является выходом блока, а вход блока соединен через блок резисторов с входом усилителя. 3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что модулятор выполнен в виде эмиттерного повторителя с отрицательной обратной связью по току, причем первым входом модулятора является базовая цепь транзистора, вторым входом - эмиттерная цепь, а выход модулятора подключен к эмиттерной нагрузке транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4