АВТОМАТИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ УГЛОМ КРЕНА

9.2.1. Автопилоты угла крена

Устройство и работа. Самолет как объект управления статичен в быст­ром боковом короткопериодическом движении при действии внешнего момента крена или бокового ветра. Ручное управление углом крена пилот осуществляет, воздействуя на колонку штурвала и наблюдая при этом за изменением угла крена по указателю авиагоризонта. Удерживая элероны в отклоненном положении, пилот стабилизирует крен или изменяет его соответствующим образом. Для освобождения пилота от этой задачи служит автопилот угла крена.

Автопилот’угла крена (АПу)—средство автоматического управления, обеспечивающее управление и стабилизацию быстрого бокового коротко­периодического движения самолета на всех этапах полета путем отклоне­ния элеронов при возникновении рассогласования между значениями теку­щего и заданного углов крена. .

Простейший автопилот утла крена реализует следующий закон управ­ления элеронами: ■

§*ПУ’ — *у (у— Y зад ) ,

где 8Э ^автоматическое отклонение элеронов от балансировочного положения автопилотом угла крена; у, узад — соответственно приращения текущего и заданного значений угла крена; ку-передаточный коэффициент по углу крена, определяющий, на какой угол должны отклониться элероны при возникновении рассогласования между значениями текущего и заданного угла крена в Г.

Другими словами, автоматическое отклонение элеронов от балансиро­вочного положения автопилотом утла крена пропорционально угловой скорости крена и разности текущего и заданного утла крена.

Исполнительные устройства сервоприводов автопилотов угла крена включаются по параллельной схеме в механическую проводку управления элеронами в прямых обратимых системах управления и по последователь­ной или параллельной схеме в бустерных и электродистанционных систе­мах управления. При воздействии пилота на штурвал автопилот выключа­ется и освобождает механическую проводку управления элеронами. Авто­пилоты утла крена бывают электромеханическими и электрогидравличе­скими.

В состав автопилота (рис. 9.16) входят датчик угловой скорости крена ДУС, датчик угла крена-гировертикаль ГВ, задатчик утла крена-рукоятка

управления РУ «Крен», механизм согласования МС и сервопривод элеро­нов С778э. Механизм согласования вместе с сумматором сервопривода образует канал элеронов вычислителя автопилота ВАПу.

Автопилот угла крена работает в трех режимах: согласования, стаби­лизации и управления углом крена. В режиме согласования происходит запоминание текущего значения угла крена и обнуление сигнала рассогла­сования крена на входе сервопривода. Рулевая машина элеронов не вклю­чена. Так как включение автопилота производится в тот момент, когда

Рис. 9.16. Функциональная схема аналогового электромеханического автопилота угла крена

самолет сбалансирован по моментам крена и элероны находятся в балан­сировочном и близком к нейтральному положению, обнуления сигнала обратной связи рулевой машины, как правило, не требуется. На вход механизма согласования с гировертикали поступает сигнал иу, пропорцио­нальный текущему значению угла крена уф 0. Электромеханическая сле­дящая система механизма согласования обнуляет этот сигнал таким обра­зом, что к моменту включения режима стабилизации угла крена сигнал на входе сервопривода равен нулю и автопилот готов к безударному включе­нию для управления элеронами.

В режиме стабилизации угла крена рулевая машина включается в управление элеронами. Размыкается электромеханическая следящая си­стема согласования и на вход сервопривода поступает сигнал, пропорцио­нальный отклонению самолета Ау = (у — у0) от того угла крена у0, кото­рый он имел в момент включения режима стабилизации. Если значение у0 невелико и не превышает 5-6°, то автопилот приводит самолет к горизон­тальному полету и начинает стабилизировать угол курса (об этом подроб­нее в следующем параграфе). В противном случае стабилизируется угол крена.

Закон управления (9.32) в этом режиме принимает вид

§^Пу = ки юх + ктДу. (9.33)

Сигнал Цд-р пропорциональный разности (у — у0) поступает на серво­привод, который отрабатывает элероны до тех пор, пока сигнал обратной связи с датчика обратной связи рулевой машины ДОС ижос не уравновесит сигнал иДу. Роль в этом процессе сигнала иш с ДУС была подробно рассмотрена при изложении принципа действия демпфера крена. Отклоне­ние элеронов вызовет появление управляющего аэродинамического момен­та Мхб, противоположного по знаку возмущению, вызвавшему рассогласо­вание ’(у — у0). Поэтому рассогласование будет уменьшаться, а вместе с этим и сигнал с выхода МС иДу. Когда текущее значение угла крена у сравняется с требуемым значением у0, сервопривод под действием сигнала обратной связи ижое возвратит элероны обратно в балансировочное положение. Таким образом, самолет вернется к тому значению угла крена, который он имел в момент включения режима стабилизации.

Пилот, воздействуя на рукоятку «Крен», задает управляющий сигнал иу. Автопилот парирует сигнал рассогласования, пропорциональный (уузад), аналогично парированию рассогласования от внешнего возму­щения (у — у0). Управление углом крена от рукоятки осуществляется, как правило, «по положению».

Функциональная схема аналогового электрогидравлического автопило­та угла крена аналогична схеме автопилота угла тангажа, представленной на рис. 9.2.

Влияние на процесс управления быстрым боковым движением. Рассмот­рим процесс устранения начального отклонения угла крена Уо с помощью автопилота (рис. 9.17). Отклонение автопилотом элеронов создает управ­ляющий момент элеронов Мх6, пропорциональный у0- Под действием
этого момента появляется угловая скорость га*, а угол крена начинает уменьшаться. Когда динамический демпфирующий момент Мхщ достигает величины, равной моменту Мх6, аэродинамический момент крена М, меняет знак и угловая скорость со, начинает уменьшаться. Для плавного возвращения самолета с недостаточным собственным демпфированием к заданному значению угла крена автопилот использует сигнал, пропор­циональный юх. Тогда элероны проходят исходное положение раньше, чем угол крена, и создают момент, тормозящий движение самолета во время приближения к заданному значению угла крена. Переходные процессы, возникающие при этом, представлены на рис. 9.18. Если (у — умд) > 0, то при возвращении к заданному значению крена угловая скорость самолета а>% < 0. Поэтому сигнал, пропорциональный сох, стремится уменьшить отклонение элеронов. Уменьшение углового отклонения самолета также приводит к уменьшению отклонения элеронов. В момент времени t2 отклонение элеронов 5Э и его управляющий момент Мх5 обращаются в нуль. Аэродинамический момент крена Мх обращается в нуль еще раньше, в момент времени t1; вследствие влияния момента демпфирования Мх(0. Таким образом обеспечивается своевременное изменение знака мо­мента Мх и предотвращается перерегулирование.

Исследования показывают, что для сокращения времени переходного процесса устранения начального отклонения по углу крена передаточный коэффициент к7 должен быть обратно пропорционален квадрату времени переходного процесса, а передаточный коэффициент — обратно пропор­ционален времени переходного процесса. Считается, что автопилот угла

Рис. 9.18. Процесс устранения началь­ного отклонения угла крена при нали­чии в автопилоте сигнала, пропорцио­нального угловой скорости крена

Рис. 9.17. Процесс устранения началь­ного отклонения угла крена с по­мощью автопилота

крена обладает требуемым качест­вом, если переходный процесс, выз­ванный ступенчатым управляющим воздействием, не выходит из области допустимых значений показателей ка­чества: точности стабилизации угла крена Ду = | Ау — АУзад I» значения пе­ререгулирования угла крена 5У и вре­мени регулирования угл. а крена tper.

Идеальный переходный процесс по углу крена, которому соответствуют оптимальные значения передаточных коэффициентов закона управления автопилота угла крена (9.32) ку и кщ>, аналогичен переходному процессу по углу тангажа (см. рис. 9.5).

Рассмотрим процесс устранения автопилотом угла крена с жесткой обратной связью в сервоприводе внешнего ступенчатого моментного "

возмущения (рис. 9.19). Внешний мо­мент крена Мхв вызывает появление угловой скорости сох и кренение самолета. Автопилот отклоняет элероны пропорционально сумме сигналов рассогласования по углу крена и угловой скорости. При этом управляющий

момент элеронов Мх5 складывается с демпфирующим моментом Мхт_ и результирующий момент крена Мх в момент времени tj меняет знак, когда устанавливается их равенство внешнему моменту Мхв. Тем самым обеспечивается торможение самолета при подходе к установившемуся значению угла крена Лууст. Угловая скорость шх стремится к нулю и элеро-

с>АПу ^

ны принимают такое положение оэ. ус;., при котором управляющий момент (Мх8 )уст уравновешивает внешний момент Мхв. Это приводит к появлению статической ошибки по углу крена ууст, которая определяется выражением

Мхв 2 kY Mx’SlpV2

Статическая ошибка прямо пропорциональна возмущающему моменту и обратно пропорциональна передаточному коэффициенту автопилота по углу крена ку. .

Так как режим стабилизации крена в современных автопилотах как самостоятельный режим применяется редко, принципиального значения такие статические ошибки не имеют. Поэтому специальных мер по обеспе­чению астатизма контура управления углом крена (например, введение изодромной обратной связи в сервопривод) не применяют.

Особенности законов управления аналоговых автопилотов угла крена.

Рассмотрим структурную схему системы САУ-86 в режиме управления от рукоятки «Крен» (рис. 9.20).

Датчик угловой скорости крена ДУС размещен в блоке демпфирующих гироскопов БДГ. Датчиком текущего угла крена является инерциальная курсовертикаль ИКВ. Задатчиком угла крена служит рукоятка управления РУ «Крен», находящаяся на пульте управления ПУ. Механизм согласова­ния МС, сумматор С и предусилитель-преобразователь сервопривода элеронов СПЬ3 размещены в агрегате управления АУ, выполняющем функции вычислителя автопилота ВАПу. Усиление управляющего сигнала по мощности производится в блоке магнитных усилителей ЕМУ.

Особенность закона управления-использование апериодического свой­ства следящей системы механизма согласования МС, которое проявляется в отработке сигнала заданного угла крена не мгновенно, а с задержкой времени Тг Значение Тг поддерживается в пределах 1-1,2 с. Кроме того, для предотвращения формирования слишком больших управляющих сиг­налов в механизме согласования предусмотрен специальный ограничитель, имеющий передаточную функцию нелинейного звена с зонами насыщения:

F,-!1 приГ”^« (9.34)

^

Уз*ад. и,

— при умс > Уз* д,

Умс

где Уэд = 20°. ■

Тогда закон управления имеет вид

Если рукоятка «Крен» находится в нейтральном положении, то система стабилизирует тот угол крена, который имел самолет в момент включения канала крена.

Аналогичным образом формируется закон управления САУ-1Т-2-62 в режиме управления от рукоятки «Крен». Отличие заключается в исполь­зовании в качестве датчика текущего угла крена центральной гировертика­ли ЦГВ-10П.

Рис. 9.21. Структурная схема САУ-154 в режиме управления углом крена

 

Рассмотрим структурную схему системы САУ-154 в режиме управления от рукоятки «Крен» (рис. 9.21). Датчиком текущего угла крена является малогабаритная гировертикаль МГВ. Функции вычислителя автопилота выполняет блок автопилота БАП. В системе не предусмотрено согласова­ние по сигналу угла крена и отсутствует механизм согласования. Включение канала крена должно производиться при нулевом угле крена. Фильтрация и ограничение сигнала заданного утла крена от рукоятки управления производятся с помощью электронной схемы. Закон управления имеет следующий вид:

Твр Г кт -]

5’ = *ЧТ п’эЛ Ш* + *4? “ ртт„1 .Ун ’

гТ,„р + 1 L Тур + 1 J

где Ру определяется аналогично (9.34).

Если рукоятка «Крен» находится в нейтральном положении уру = 0, то система стабилизирует нулевой угол крена.

Цифроаналоговые автопилоты угла крена (рис. 9.22). Датчиком текущих параметров положения и движения самолета является инёрциальная нави­гационная система ИНС, вырабатывающая в виде последовательного биполярного кода сигналы, пропорциональные угловой скорости крена сох, углу крена у и боковой перегрузке nz. Закон управления формируется в цифровом вычислительном блоке управления полетом БВУП. Управ­ляющие сигналы в виДе напряжений постоянного тока и5 и подаются на аналоговые сервоприводы элеронов СП8Э и руля направления СП8Н.

Согласование угла крена происходит в режиме совмещенного управ­ления. При включении этого режима автопилот осуществляет стабилиза-

цию угла крена, если усилие на штурвале или его перемещение не превы­шают пороговых значений, а текущий угол крена превышает 5°. Вмеша­тельство пилота фиксируется по условию превышения усилия на штурвале или его перемещения пороговых значений в течение определенного време­ни. Тогда режим стабилизации угла крена отключается и происходит согласование угла крена.

Структурная схема цифроаналогового автопилота угла крена (рис. 9.23) реализует следующий закон управления элеронами и рулями направ­ления: .

5н = k5 Fj [of + of + ої + of — + o"],

sf

of = km o)K, of = krFy2 (y — Fvly0), of7 = kJiyF^y, (9.37)

= 4т,

n, fa, 1 с — н с

of — = ks 5jat, о” = FMM.

Составляющая закона управления по угловой скорости крена of1 обес­печивает демпфирование боковых колебаний самолета. Управление углом

крена осуществляется составляющей ct^y. Нелинейные звенья Fy] и Fy2 ограничивают диапазоны изменения опорного угла крена у0 и приращения

угла крена Ау. Интегральная составляющая закона управления a, AY обес­печивает устранение статической ошибки по углу крена. Эта составляющая включается в закон управления релейным звеном FAy, если приращение угла крена Ау превышает заданное значение. Нелинейное звено с насыще­нием F[Ay ограничивает диапазон изменения интеграла от Ау.

Для выполнения координированных разворотов без скольжения авто­пилот угла крена формирует управляющее воздействие на сервопривод рулей направления. Это воздействие пропорционально приращению угла

крена ст^у, текущему углу крена ст™, боковой перегрузке ст“% интегралу

боковой перегрузки ст|,п% отклонению закрылков стн“‘ и числу М полета ст”.

Таким образом осуществляется стабилизация угла крена самолетов Ил-96 и Ту-204 с помощью системы ВСУП. .

Влияние отказов и характеристик элементов автопилота угла крена на управление боковым движением. Пассивные отказы автопилота угла крена в контуре сервопривода приводят к потере автоматической стабилизации и управления углом крена. Если сервопривод канала элеронов используется также в режиме стабилизации курса, то теряется и эта функция. Активные отказы автопилота угла крена приводят к отработке элеронов на полный ход вала рулевой машины или штока рулевого агрегата. Пассивный отказ по сигналу угловой скорости крена приводит к уменьшению эффективности демпфирования боковых короткопериодических колебаний и раскачке са­молета по рысканию. Пассивный отказ по сигналу текущего угла крена приводит к потере автоматической стабилизации угла крена и автопилот начинает работать как демпфер крена. Отказы в схемах согласования могут привести к грубому включению автопилота в режим стабилизации угла крена.

Погрешности измерителей угла крена и угловой скорости крена, а также дрейф нулей датчиков приводят к появлению статических ошибок в управ­лении углом крена. Влияние разрегулировок передаточных коэффициентов закона управления аналоговых автопилотов угла крена аналогично влия­нию разрегулировок в аналоговых автопилотах угла тангажа.