АВТОМАТИЧЕСКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ

Подставим уравнения выхода (7.16) и входа (7.17), а также законы управления (7.18) и (7.19) в уравнение состояния (7.15) и выполним преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях:

(pi — AnK)YnK(p) = BL(DL + Dnny)AXB(p) •

Получим вектор передаточных функций самолета в продольном корот­копериодическом движении самолета по угловой скорости тангажа, углам атаки и тангажа на отклонение пилотом колонки штурвала при включен­ном автомате продольного управления:

жтуАПУ _ ^пк(Р) _ ‘ т * ^-ІОУ /Гр. ПАПУ — тт пк. чг/ — ■ — • / v — пк/ ‘ ^гтк }

&MPJ

_ /ТчАПУ ( Ш /гчр, тчАПУ

= Фпк (pj *>Ьк (^Ьк + *Лк ) ‘

Переходная матрица состояния продольного короткопериодического движения самолета при включенном автомате продольного управления

Фп. ПУ(р) ^рІ-АнкГ1. (7.20)

Сравнивая выражение (7.20) с выражением для переходной матрицы состояния продольного короткопериодического движения самолета без автоматики (3.84), приходим к выводу об их идентичности. Это существен­но упрощает дальнейшие преобразования, приводящие к следующему виду передаточных функций:

. (кш. в + кх )кщ (Т9р + 1)

W£(p) = — —————— ! ———— ;———- (7.21)

Тр2 + 2Т„^цр + 1

/Y — v — Л

д (кш. в + к*) ка

(Р) —————————— г

Т,)р2 + 2Т(£„р + 1

. (кш.„ + к* )к» (Тер + 1)

Wt‘(p) =——— ;—— :——————

р[ТУ + 2Т„^иР + 1]

Сравнивая передаточные функции (7.21)-(7.23) с передаточными функ­циями самолета без автоматики, приведенными в табл. 3.1, приходим к выводу, что их структура не изменилась. Специфика включения автомата продольного управления с законом управления (7.9) проявляется лишь в изменении коэффициентов усиления,

Проведем аналогичные исследования, если автомат продольной управ­ляемости имеет закон управления (7.10). Тогда в модели (7.15) —(7.19) вместо (7.19) получим

Д5*пу (t) = D^vYnK (I) + D*nyAx„, (7.24)

где [D*ny]T = [кШ; С 0].

|ФЬПУ(Р)| *

= р [р2 + 2hAnyp + (соАПУ)2] = ДАПУ (р).

Коэффициент демпфирования и частота продольных короткопериоди­ческих колебаний самолета при включенном автомате продольного управ­ления имеют вид:

Ь^ПУ= — д(ас. + aa, a + V.5A=

= — CARz — ^ ^ ■

(®* ) ^©z,©z^a, a ®’a, ro^©la+ ^aa^©ihB,^©a

— а^а^к, С = MaR, + M£F“ + + К).

Д{р) Р А (Р) а°’1в* Ра».<о, ао. а) Ш

Д(р) Р A(p)*a“l’“‘_ а<!1А^<о.) ®

Тогда матрица переходных функций состояния

Д (р) + k*,) am,,s. (р ао. а) р г(кш, в + kja^a^jp — а^)

w?„ny(p) =

А(Р)

 

С учетом новых обозначений получим:

„АПУ

к;* (Тф +1)

•т-АПУ, 2 2 -_АПУСЛПУ„ , .

а. ) р + 2т„ р +1

„АПУ „АПУ „ , , ,

где 1 а, 4а — время и относительным коэффициент демпфирования продольных

„АПУ „АПУ

короткопериодических колебаний самолета с включенным АПУ; кщ, к„в — коэффициенты усиления самолета с включенным АПУ.

Эти характеристики определяют следующим образом:

рЛПУ2 1

асцаащв8, га, аа, аЕа<йга6жк(^кд _ 1

,£апу — / , . ч

~ ~ ъ (авчюя а«,а ^

^ V аа»всожаа, а аа,<огаюг, а aa, wza®zа5вЦпу^о

х +м; + Р +^<ч +чс),

Анализ передаточных функций показывает, что АПУ не влияет на их’ структуру, но изменяет характеристики образующих звеньев. Выбором, передаточных коэффициентов km и удается обеспечить требуемые значения времени, относительного коэффициента затухания и частоты продольных короткопериодических колебаний. Выбором передаточного коэффициента удается сохранить требуемые коэффициенты усиления самолета и снизить негативное воздействие на эффективность продольного управления демпферной составляющей и составляющей перегрузки закона управления (рис. 7.12).

Маневры самолета в продольной плоскости осуществляются пилотом энергичным отклонением колонки штурвала. На этапе короткопериоди­ческого движения происходит формирование новых значений угловой скорости тангажа, угла атаки и нормальной перегрузки: .

кшДкш.* + kv)AxB

1 + 4;(kffl[ + Цк"’)

(Дпуа)уст = lim[AxBW^;(p) W^-(p)] =

,a p->0 ‘

V® kvfk»i., + l£s)ix1

— f£———————- .

g ‘ 1 + k®‘ (kWi + knk"’)

При кх = к“’г(кш + кп к”у) установившиеся значения параметров корот — копериоди’ческого движения самолета с включенным АПУ равны значе­ниям этих параметров без автоматики, т. е. АПУ сохраняет эффективность продольного управления, компенсируя недостатки демпфера тангажа и автомата продольной устойчивости.

Реакция самолета на ступенчатое отклонение колонки штурвала AxB(t) = l(t)AxB, изображение которого по Лапласу Ахв(р) = АХв/р, описы­вается следующими переходными функциями:

sAny

Ах. km“ (Т9р + 1)

Acoz(p) = Wt;(p)= ?тАПУ, дпу ’

F P C(T„ )2p2 + 2Ttt a p + 1]

Ay 1 V°

An (P) = ■ (p) wt‘(p):—- F£

y‘ P * SP

АПУ2 *

Перейдем от изображения An (р) к оригиналу:

+ arcsin У1 — (^nv)2 J Дхв.

Выражение (7.33) определяет переходный процесс в продольном корот­копериодическом колебательном движении самолета при отклонении пилотом колонки штурвала и включенном автомате продольного уп­равления.

7.2.1. Автоматы продольного управления

Устройство и работа. Демпферы тангажа и автоматы продольной устойчивости обладают одним общим недостатком: снижают эффектив­ность продольного управления самолетом от колонки штурвала. Если к тому же самолет обладает неудовлетворительными характеристиками продольной управляемости, пилоту приходится компенсировать снижение эффективности продольного управления дополнительным отклонением колонки штурвала и руля высоты. Автоматы продольного управления служат для освобождения пилота от решения этой задачи.

Автоматы продольного управления (АПУ) — средства автоматического управления, обеспечивающие улучшение продольной управляемости са­молета на всех этапах и во всех режимах полета путем отклонения руля высоты при воздействии пилота на колонку штурвала.

Простейший автомат продольного управления реализует следующий закон управления рулем высоты:

Д5*пу = кхДхв, (7.9)

где Д5ВПУ-автоматическое отклонение от балансировочного положения руля высо­ты автоматом продольного управления; — передаточный коэффициент по откло­нению колонки штурвала, показывающий, на какой угол должен отклониться руль высоты при перемещении пилотом колонки штурвала от балансировочного положе­ния на 1 мм; Дхв-отклонение пилотом колонки штурвала.

Рис. 7.5. Функциональная схема аналогового автомата продольного управления

Обычно автомат продольного управления объединяется демпфером танга­жа или автоматом продольной устойчивости. Тогда их совместные законы управления имеют следующий вид:

Л8>пу = kffl©2 + kvx Дхв; (7.10)

Дй, пу = az + fcn дПу + кх>Дх,. (7.11)

Последовательное включение исполнительного устройства автомата в механическую проводку бустерной или электродистанционной системы управления рулем высоты позволяет суммировать отклонения руля высоты пилотом и автоматом.

Рассмотрим функциональную схему аналогового автомата продольного управления, включенного в бустерную систему управления (рис. 7.5). В со­став автомата входят датчик угловой скорости тангажа ДУС, датчик линейных ускорений ДЛУ, датчик положения колонки штурвала ДП, вычислитель В и сервопривод руля высоты СУ75В. Вычислитель и электрон-, ная часть сервопривода образуют электронный блок автомата БА в канале, руля высоты.

Автомат продольного управления работает следующим образом. При отклонении пилотом колонки штурвала КШ датчик ДП вырабатывает электрический сигнал иДх, пропорциональный Ахв. Этот сигнал преобра­зуется в вычислителе В согласно закону управления (7.11) в сигнал и0>, который вызывает отработку сервоприводом руля высоты. Полное откло­нение руля высоты Д5В равно Л5£ + Д5ВПУ.

Отклонение руля высоты вызовет появление управляющего аэродина­мического момента Mzg, который изменит угловую скорость тангажа (ог и избыточную нормальную перегрузку Дпу. Сигналы, пропорциональные этим параметрам ищ и иДп поступят с датчиков ДУС и ДЛУ па вычисли­тель и вызовут уменьшение сигнала ив. Тогда сервопривод вернет шток рулевого агрегата в нейтральное положение. В это время угловая скорость тангажа coz и избыточная перегрузка Дпу примут новые установившиеся значения, пропорциональные отклонению руля высоты пилотом с по­мощью колонки штурвала. При возвращении пилотом колонки штурвала 212

в балансировочное положение все процессы повторяются в обратном порядке.

Влияние автоматов продольного управления на характеристики управляе­мости самолета. Автоматы демпфирования и устойчивости обладают од­ним общим недостатком-снижают эффективность ручного управления

самолетом, увеличивая градиенты перемещений (х^Оді и усилий (Рв’)дт на колонке штурвала. Поэтому демпферная составляющая кщ юг и составляю­щая перегрузки knAny законов управления (7.10) и (7.11) вызывают тот же эффект. Использование сигнала Лхв в АПУ приводит к увеличению значе­ния коэффициента штурвала в силу того, что

где кш в кш в + кх>.

Такое увеличение коэффициента штурвала компенсирует уменьшение градиентов перемещения и усилий, так как

Таким образом, автомат продольного управления позволяет сохранить статические характеристики продольной управляемости в заданных пре­делах. ,

Влияние автомата продольного управления на динамические характе­ристики видно из рис. 7.6. Демпферная часть закона управления автомата обеспечивает уменьшение колебательности короткопериодического движе­ния по угловой скорости тангажа, делая его почти апериодическим. Составляющая закона управления АПУ, пропорциональная отклонению колонки штурвала Ахв, обеспечивает равенство установившегося значения

Рис. 7.7. Структурная схема автомата продольного управления

 

угловой скорости (raz)yCT установившемуся значению угловой скорости без применения автоматики. Тем самым сохраняется эффективность продоль­ного управления. .

Особенности законов управления автоматов продольного управления.. В аналоговых автоматах продольного управления получил распростране-; ние закон управления

А6*пу = кю о, + кх> (1 — К)Ахв • (7.12) І

Передаточный коэффициент по отклонению колонки штурвала кх зави-1 сит от ее балансировочного положения следующим образом: ‘

в. бал. о Т ^в. бал

где Ахв6ало-постоянное отклонение колонки штурвала, характерное для данного; самолета; Ахв6ал — отклонение колонки штурвала из нейтрального положения в ба — п „

лансировочное; хв"зад заданный для данного самолета градиент перемещения колон­ки штурвала на единицу нормальной перегрузки.

Величины Ахв. баЛ о и х^задявляются постоянными и реализуются в вы­числителе в виде соответствующих опорных напряжений. Для измерения отклонения колонки штурвала из нейтрального положения в балансиро-: вочное устанавливают. дополнительный датчик положения (ЦП). Наиболее просто сигнал, пропорциональный Ахв бал, можно получить, измеряя откло­нение штока механизма эффекта триммирования. Механизм используется’ пилотом для снятия усилий с колонки штурвала и ее перемещения в балан­сировочное положение. Тогда в функциональной схеме рис. 7.5 появляется еще один ДП с электрическим ВЫХОДОМ иДх>б1я.

Автомат с законом управления (7.12) позволяет сохранить постоянство статических характеристик продольной управляемости самолета в различ­ных режимах полета. Так обеспечивается улучшение продольной устойчи­вости и управляемости с помощью системы САУ-154 (рис. 7.7).

Пример 7.1. Рассчитаем характеристики управляемости самолета с автоматом продольного управления, имеющим закон управления (7.12) для исходных данных примеров 3.1, 3.2 и 6.1. .

214

В начале полета Ахв6ал = Л5в6ал/кш в = — 90 мм, где Д5В 6ал = -8°, =

= (Дхв. бал. о + Дхв. бал)/хвлад = — 0,915, ЩЄ Дхвбал0 = — 20 мм, хв. зад= і 120 мм, (х"у)апу= (хвУ)дТ/(^ — кх.) =- 145мм, (Рв’)Ате= (хв’)апуРвУ Ро=214Н.

В конце полета Абв. бал = — 8°, Ахв.6ал.0 = — 20 мм, (х“’)апу= — 126 мм, (Рв’)апу = 191 Н. .

Таким образом, автомат продольного управления существенно снизил разброс значений характеристик управляемости по режимам полета, сделав их практически постоянными. Так, градиент перемещения колонки штурва­ла теперь меняется от —145 мм в начале полета до —126 мм в конце полета, а градиент усилий на колонке штурвала меняется от 214 Н в начале полета до 191 Н в конце полета, что практически незаметно для пилота.

Влияние отказов автомата продольного управления на управление про­дольным движением. Пассивный отказ автомата продольного управления по сигналу Дхв приводит к прекращению отработки руля высоты через контур автоматического управления при воздействии пилота на колонку штурвала. Эффективность продольного управления самолетом падает, градиенты перемещений и усилий на колонке штурвала возрастают.

Полный пассивный отказ автомата, комплексированного с демпфером тангажа, приводит к снижению эффективности демпфирования продольных короткопериодических колебаний и возрастанию эффективности продоль­ного управления.

Активный отказ автомата продольного управления аналогичен актив­ному отказу демпфера тангажа и сопровождается отработкой штока рулевого агрегата на максимальный ход, ограниченный концевыми выклю­чателями. Ограничение хода штока рулевого агрегата АПУ сказывается на эффективности продольного управления, особенно при вертикальном ма­невре, когда часть рабочей зоны отклонения руля высоты расходуется демпферной составляющей автомата. —

Цифроаналоговые автоматы продольного управления. Ужесточение тре­бований к характеристикам продольной устойчивости и управляемости самолета и, как следствие, усложнение законов управления АПУ привели к необходимости реализации автоматов на цифроаналоговой схемотехнике.

В состав автомата входят датчики положения колонки штурвала ДП, угловой скорости тангажа ДУС и нормальной перегрузки ДЛУ, аналого­вый блок управления БУ, цифровой вычислительный блок устойчивости и управляемости БВУУ и рулевой агрегат высоты Л45в (рис. 7.8).

Формирование закона управления осуществляется одновременно в ана­логовом вычислителе Б блока управления БУ и цифровом вычислителе БВУУ. При этом аналоговый закон управления реализует функции автома­та продольной устойчивости по сигналам нормальной перегрузки и угло­вой скорости тангажа. .

Цифровой закон управления выполняет собственно функции АПУ по сигналам отклонения колонки штурвала, а также сигналам и разовым командам от смежных систем и датчиков. Сигналы с датчиков ДП, ДУС и ДЛУ -напряжения постоянного и переменного тока иДх, uffl и иДп. Часть

Рис. 7.8. Функциональная схема цифроаналогового автомата продольного управле­ния АСУУ-96

 

сигналов со смежных датчиков также имеет аналоговую форму. Ряд сигналов со смежных систем поступает в виде последовательного биполяр­ного кода. Разовые команды подаются в виде напряжения постоянного тока 27 В.

Аналоговые сигналы и разовые команды преобразуются в БВУУ к цифровому виду. Управляющее воздействие формируется в цифровом виде с последующим преобразованием в аналоговый сигнал иа». Этот сигнал подается в блок управления, где суммируется с управляющим сигналом ист. аналогового контура. Сервопривод АПУ СП6В формирует ■отклонение руля высоты Л5вПУ. В случае отказа цифрового контура продолжает работать аналоговый контур с сохранением основных функций демпфирования колебаний самолета по тангажу и устранения избыточной перегрузки.

Управляющее воздействие АПУ Д5впу суммируется с управляющим воздействием ручного контура А56 электродистанционной системы управ-: ления по усилию на колонке штурвала.

В обобщенном видб закон управления такого АПУ выглядит следую­щим образом: —

Д8впу = стї + о“, ої = <# + of’,

<у1 = of* + of + о? + ст£нупс + о£АД,

<‘ = k.>®z. of’ = кДп Дпу,

(7.13)

 

tff1 = ^ka (Аа, М) [а — а0 (М)],

Лпу, а),

ст£ад = Рсад^ад(Дпу).

Составляющая закона управления по угловой скорости тангажа ст“’ обеспечивает демпфирование колебаний самолета по тангажу. Составляю­щая закона управления по избыточной нормальной перегрузке а*"» улуч­шает продольную устойчивость самолета. Составляющая закона управле­ния по отклонению колонки штурвала улучшает продольную управ­ляемость самолета, причем передаточный коэффициент кх корректируется по углу отклонения стабилизатора ф, а сигнал Ах„ пропускается через апериодический фильтр с постоянной времени Тх.

Составляющая закона управления по приращению угла атаки а»“ обес­печивает улучшение продольной устойчивости и ограничение угла атаки при убранных закрылках. Требуемое значение угла атаки а0 корректируется по числу М. Передаточный коэффициент корректируется по разности Аа = a — а0 и числу М.

Составляющая закона управления ст" обеспечивает ограничение ско­рости полета самолета путем дополнительного отклонения руля высоты при изменении числа М при убранных закрылках.

При включении автомата непосредственного управления подъемной силой (АНУПС) формируется составляющая закона управления СТвНУПС, которая корректируется по отклонению колонки штурвала, избыточной перегрузке, приращению угла атаки и управляющему воздействию вы­числительной системы управления полетом.

Назначение и особенности формирования этой составляющей будут рассмотрены в гл. 8.

При включении системы активного демпфирования (САД) формируется составляющая закона управления ст£АД, которая корректируется по из­быточной нормальной перегрузке. Назначение и особенности формирова­ния этой составляющей будут рассмотрены в гл. 8.

Так обеспечивается улучшение устойчивости и управляемости продоль­ного движения с помощью системы АСУУ-96 (рис. 7.9).

Распространен также вариант реализации цифроаналогового АПУ (рис. 7.10) без суммирования управляющих воздействий аналогового и циф­рового контуров.

Отличие этой схемы заключается в том, что основным контуром управления является цифровой. Аналоговый автоматический контур, а также ручной контуры подключаются к сервоприводу электродистанцион­ной системы управления только при отказе цифрового контура. Контроль и коммутация производятся в аналоговых блоках управления и контроля (БУК).

Чах*

Сигналы от смежных • систем и датчиков
и6ї
5ВУУ
Отказ цифрового контура
uUi
ДУС	БУК
Уг! у_
Ибі
6У
МУ
мл
РВ
‘РУ
&Sg
№дп кг
тЛ

Ргге. 7.11. Структурная схема цифроаналогового автомата продольного управления АСШУ-204

В обобщенном виде закон управления такого А1ПУ выглядит следую­щим образом:

Д8,пу = (Tt V ’

Дх„

Дхв, Да пу л о)2

‘ ВЦ ’ ВЦ 1 ВЦ 1 ВЦ “

«и — ^х, Ахв

к. (Ш

(7.14)

 

г 1 1

<?вц = «чр (ф — Фзад) + ГР<ДАхв> а, wz, п ) , L V — I

I

Т<в„Р + 1

uUt) = AS£<t) + A5£ny(t), A$e(t) = D^AXjtt), A5?ny(t) = D*nyAx„(tK

Так обеспечивается улучшение устойчивости и управляемости с по­мощью системы АСШУ-204 (рис. 7.11).

(715)

xni(t) = Anilxm(t) + B^uLU),

(7.16) (7.16) (718) (7.19)

Упк(1) = Xm(t),

д<мо аш„а 9 Да (t) • АПІ = аа, шг аа, а ® A9(t) «Лі, 0 0

где х„к№

аы„5. О о

Г)Р — If Г)АПУ к ^ПК ЛШ. В ’ ^ПК = Лх