Автоматизированная система управления авиационным распределением химических веществ

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 ) | = ,    (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

{ Л }={ Л 1 , Л 2,..., Л i,}, 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.

Магдин Александр Геннадьевич, аспирант кафедры «Летательные аппараты»

Т s — f s [{ Л }, {U o } ], s = 1, П _Т ,      (2)

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

W- W({ Т }, { P }, {U}),        (3)

где { P } - { P 1 , P j , ..., P m } — совокупность параметров противодействия;

{U} — {u 1 ,u CT ,..., u u } — совокупность параметров условий проведения летной операции.

Отсюда задача выбора рационального варианта а^* сельскохозяйственного ЛА математически может быть сформулирована следующим образом w( { Т }, { P }, { U} ) ^ max, (4) где

{ Т } * — a * — { Т *1 , Т 2 ,., Т _п }.        (5)

При формулировании задачи указывается на выбор рационального варианта сельскохозяйственного ЛА, поскольку в условиях неопределенности, обусловленных наличием { P } 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.

Комплекс параметров противодействия, представленный в модели (3) и описанный выражением { Р }={ Р 1 , Р j ,™, P m } , 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 {U} = {и^и ст ,..., u u } 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 m₀ , массу забираемого топлива m_топл. и загружаемую массу химикатов m_хм . Рациональное соотношение перечисленных параметров непосредственным образом связано с географическими особенностями расположения авиационно–технической 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 m₀ изменяется в зависимости от ряда факторов: высоты взлетной площадки Н, изменяющейся от 0 до 1000 м над уровнем моря; температуры окружающего воздуха t , изменяющегося от + 10 до + 40 градусов Цельсия; заданного значения массы химикатов m_хм , изменяющегося 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 m₀ , кг, при высоте взлетной площадки Н=0 м и заданной массе химикатов m_хм

Н=0 м	m хм =600 кг	m хм =700 кг	m хм =800 кг	m хм =900 кг	m хм =1000 кг
t = +10	3528	2993	3156	3264	3114
t = +20	3517	2948	3077	3161	2915
t = +30	3466	2887	2992	3044	2807
t = +40	3124	2655	2844	2878	2775

Таблица 2. Пределы изменения взлетной массы СХВ m₀ , кг при высоте взлетной площадки Н=500 м и заданной массе химикатов m_хм

Н=500 м	m хм =600 кг	m хм =700 кг	m хм =800 кг	m хм =900 кг	m хм =1000 кг
t = +10	3548	3013	2957	3155	2918
t = +20	3497	2884	2936	3058	2814
t = +30	3376	2779	2845	2874	2604
t = +40	3098	2665	2726	2731	2545

Таблица 3. Пределы изменения взлетной массы СХВ m₀ , кг при высоте взлетной площадки Н= 1000 м и заданной массе химикатов m_хм

Н=1000 м mхм =600 кг mхм =700 кг mхм =800 кг mхм =900 кг mхм =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 ) | = < f(Inv, m, Du, C) , f(G, M, IM) > , (9) представляющее собой уточненную модель проведения тактической летной операции сельскохозяйственным ЛА при производстве авиационно–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 Y_ц 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:

Y_ц — целевая функция; U — управляющее воздействие; Y — выходной показатель; F —возмущения

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 LMC можно сформулировать математически в виде нечеткого множества:

X LMC ( Р Indef ) = { р } Indef , р О Р Indef , Indef= 1, n . (10)

В данном случае под n 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

LMC = f(Inv) ,             (11)

где LMC — локальные метеорологические состояния;

Inv — инверсия.

Или, в вероятностном аспекте

LMC =Р f(Inv) ,             (12)

где Р — вероятность зарождения и развития инверсии.

AUTOMATED SYSTEM OF AIR

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.