Некоторые общие сведения об автопилотах

Автопилотом называют устройство, служащее для автома­тического управления движением самолета. Он представляет собой совокупность трех аналогичных по принципу действия и устройству автоматических регуляторов, обычно их называют каналами ав­топилота. В зависимости от того, какая угловая координата ими стабилизируется, различают каналы тангажа, крена и курса (рыс­канья). Часто каналы классифицируют в зависимости от того, на какую управляющую поверхность самолета они воздействуют: ка­нал руля высоты, канал элеронов, канал руля направления. Иногда удобно выделять продольный и боковой каналы, считая, что первый из них управляет продольным движением, а второй — боковым.

дальнейшем, говоря об автопилоте, мы будем в основном пользо — ться первой и второй классификацией, а говоря о системе управ — ения, содержащей, кроме автопилота, еще и другие элементы,— ретьей.

Для пояснения структуры автопилота рассмотрим один из его аналов, например канал крена (рис. 3.14). Он состоит из датчи — ісов сигналов (датчиков информации о параметрах движения само­лета), задающих устройств, вычислительного (счетно-решающего) устройства, усилителя и рулевого привода (рулевой машинки).

Снимаемые с датчиков информации сигналы у, у и у поступают І9 вычислительное устройство. Сюда же подаются. сигналы у3 и у3(^) задающих устройств, которыми являются пульты управления и севозможные (не входящие в состав автопилота) вычислители, вы­дающие сигналы заданного крена. В вычислительном устройстве втопилота формируются управляющие сигналы иу, подаваемые рез усилитель в рулевой привод, который отклоняет элероны, ‘силитель необходим, потому что управляющие сигналы на выходе ^числительного устройства автопилота обычно слабы для управ — ения рулевым приводом, мощность которого составляет не менее скольких ватт.

На самолетах с бустерным управлением рулевой привод воздей — гвует на элероны через бустер. При этом нет необходимости в мощ — м рулевом приводе. В некоторых случаях автономный рулевой ривод автопилота может вообще отсутствовать. Его функции вы- лняет бустер элерона, имеющий дополнительные входы, на кото — ые подаются сигналы от вычислительного устройства.

Современные бустерные устройства и рулевые приводы автопи — ‘Дотов обладают большим быстродействием, которое является их (важнейшей характеристикой. Поэтому различие в их принципах ‘ействия и устройстве оказывает влияние лишь на связи с вычисли — ельными устройствами автопилота и практически не сказывается ц’На законах управления автопилота.

Следует отметить, что в отечественной литературе по автопило­там рулевой привод (сервопривод) автопилота чаще всего называ­ют рулевой машинкой. Поэтому в дальнейшем изложении мы также в основном будем пользоваться этим термином. Однако в некото­рых случаях, где это нам будет представляться более удобным, будет употребляться термин привод (сервопривод).

Различают два режима работы автопилота: стабилизация и управление. В первом случае заданное значение стабилизируемого параметра сохраняется постоянным во времени. В общем случае заданное значение может быть отличным от нуля. Например, во время разворота самолета канал крена стабилизирует заданный с пульта управления автопилота угол крена у3. В режиме управления заданное значение стабилизируемого параметра меняется во вре­мени. К режимам управления могут быть отнесены изменение угла тангажа и крена самолета с помощью соответствующих органов на пульте управления автопилота.

Рассматривая в начале данной главы общую задачу стабилиза­ции самолета на заданной траектории, мы выявили возможность разделения ее на две частных задачи. Тогда же мы установили, что при автоматическом управлении самолетом на посадочной траек­тории основная задача автопилота состоит в том, чтобы стабилизи­ровать заданные вычислителем значения параметров, по которым ведется управление, например крен, угол тангажа. Очевидно, что при этом автопилот также работает в режиме управления.

Вместе с тем, учитывая, что сигналы системы траєкторного уп­равления, если не говорить о помехах в этих сигналах, являются медленно меняющимися. Поэтому режим работы автопилота в большинстве случаев может рассматриваться как режим стабили­зации. В дальнейшем основное внимание мы уделим режимам ста­билизации положения самолета относительно его центра масс.

Самолет и установленный на нем автопилот образуют замкну­тую систему стабилизации и управления самолет-автопилот. Ха­рактеристики движения такой системы определяются динамически­ми свойствами и характеристиками самолета, являющегося объектом регулирования (стабилизации и управления), и законом управления автопилота. Закон управления, или алгоритм, автопи­лота представляет собой уравнение, устанавливающее связь между отклонением управляющей поверхности самолета и сигналами дат­чиков и задающих устройств.

К характеристикам системы самолет-автопилот предъявляется ряд требований, вытекающих из необходимости обеспечения за­данной точности стабилизации положения самолета относительно центра масс и на заданной траектории, безопасности и комфорта полета. Во всех случаях движение должно быть устойчивым, а ко­лебательность переходных процессов и перерегулирование строго ограниченными. Время переходных процессов стабилизации задан­ных угловых положений должно быть по возможности минималь­ным. Однако при этом в некоторых случаях из соображений без-
ености и комфорта полета могут накладываться ограничения на гонения управляющих поверхностей, величины угловых скоро — й движения самолета относительно центра масс, перегрузки и др. ыное внимание уделяется вопросам точности отработки сигна — задающих устройств и минимизации ошибок стабилизации ре — Лируемых параметров при воздействии различных возмущений. систему самолет-автопилот.

’ Удовлетворение перечисленных требований, зачастую имеющих ‘тиворечивый характер, составляет основную трудность при боре закона управления автопилота и его параметров. При ре­нии этой задачи наряду с расчетными методами широко приме­ни моделирование системы самолет-автопилот. На начальных иях разработки автопилота ведется математическое моделиро — ие на электронно-вычислительных машинах. На следующих іах моделирование осуществляется с подключением реальных ментов автопилота. Окончательный выбор параметров закона явления автопилота происходит в процессе летных испытаний.

Законы управленая автопилота

Рассмотрим простейший закон управления:

Д8 = г’Д-ср,

Дб — угол отклонения управляющей поверхности; і — передаточное число (передаточное отношение, коэффициент усиления) автопилота;

.:Д,<р=фз — ф — отклонение текущей величины регулируемого параметра от его заданного значения.

£При этом законе управления угол отклонения управляющей по — ” юности всегда пропорционален отклонению регулируемого пара — ра. Очевидно, что такой закон мог бы быть реализован при онечно большом быстродействии автопилота, что нереально, че говоря, уравнение (3.9) представляет собой закон управле — ‘ идеального автопилота. С учетом инерционного запаздывания :пилота простейший закон управления приобретает вид:

(Га/?+1)Д8 = іД, ср,

/Ґ» — постоянная времени автопилота.

.Автопилоты с таким законом управления получили название ^пилотов с жесткой (позиционной) обратной з ь ю, что поясняется рис. 3.15, а. Вычислительное устройство іилота в данном случае является сумматором, в который по­тея сигналы заданного и текущего значения регулируемого па — етра и обратной связи. Рулевая машинка, обычно представляю — собой электрический или гидравлический двигатель, в первом лижении является интегрирующим звеном (рис. 3.15, б). Уси — "льное звено с коэффициентом усиления k характеризует усиле-
ниє в прямом тракте, а звено с коэффициентом &ж. о.с— жесткую

fajj к (Д. Ср ——- к>к. О.С^^І

(позиционную) обратную связь. Тогда А8= —^ =—————————— —1———

или />Аб=Л(А/<р —Лж. о.сДб), откуда

(Р + ^ж. о.с)А8 = £Д, с?« (З*11-

Вводя подстановки

а ьь ’

""ж. о.с

1

i=== к

%.о. с.

в завцсимости (3.11), мы придем к уравнению автопилота (3.10К Из уравнения (ЗЛ2) вытекает, что инерционное запаздывание автопилота, характеризуемое постоянной времени Га, зависит от коэффициентов k и йж. о.с* Соответствующим выбором этих величин добиваются того, что постоянная времени Та<0,1ч-0,3 сек. Учиты­вая, что время переходных процессов угловых движений самолета измеряется секундами, в подавляющем большинстве случаев иссле­дования динамики системы самолет-автопилот можно пренебречь постоянной времени автопилота и считать, что автопилот с жесткоії обратной связью имеет закон управления типа (3.9).

При таком рассмотрении усилитель, рулевую машинку и обрат­ную связь целесообразно выделить в отдельный контур, так назы­ваемый контур рулевой машинки или контур сервопривода (рис. ЗЛ6). Цепь обратной связи здесь уже не проходит через вычисли­тельное устройство автопилота. Теперь входным сигналом контура рулевой машинки является, входной сигнал t/B, формируемый в вы­числительном устройстве автопилота. Тогда, при исследовании ди­намики системы самолет-автопилот контур рулевой машинки с жесткой обратной связью, как правило, можно заменить усилитель­ным звеном с коэффициентом усиления і.

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что динамика контура рулевой машинки оказывает большое влияние на режимы работы элементов этого контура, а следовательно, на их надежность. Как показывает многолетний опыт эксплуатации, именно контур руле-

6)

ю	у		1
)—■-			Р

Дд

У о. а

Рис. 3.15. Схемы автопилота с жесткой обратной связью:
а — функциональная; б — структурная

вой машинки является наименее надежной частью автопилота. Поэтому при создании автопилотов ему уделяется особое внимание.

Исследуя переходные процессы в этом контуре, рулевую машин — <Ку уже нельзя рассматривать как идеальное интегрирующее звено. С учетом ее инерционности рулевая машинка отображается сое­динением интегрирующего и апериодического (с постоянной вре — ■ени Тм) звеньев. На рис. 3.17 они объединены вместе с усилитель­ным звеном. Тогда передаточная функция прямой цепи контура улевой машинки будет:

wvu(p)=——— . (3.13)

рм . (7>+1)р V ‘

С учетом жесткой обратной связи передаточная функция замк-

Обычно постоянная времени Тм составляет десятые и сотые до — и секунды. Поэтому постоянная времени Ті значительно меньше Постоянной времени автопилота Га=Г2.

Для улучшения динамических характеристик контура рулевой Машинки нередко используется скоростная обратная связь (рис. %Л8). Сигнал, пропорциональный угловой скорости отклонения — управляющей поверхности, чаще всего получают с помощью тахо­генератора. На рис. 3.18 скоростная обратная связь отражена зве — Нюм с передаточной функцией кСг0Хру а жесткая обратная связь — звеном с передаточной функцией km,0tC.

Передаточная функция этого контура имеет тот же вид, что и Передаточная функция (3.14) контура рулевой мишинки с жесткой

братной связью (см. рис. 3.16), но в этом случае і =

T2=

1 — f — £fec, O.C

2 VTMkkx.0.c

Из этих зависимостей ясно, что скоростная обратная связь, пе оказывая влияния на величину передаточного отношения г, позво­ляет эффективно воздействовать на величину коэффициента за­тухания £.

При исследовании динамики контура рулевой машинки необхо­димо учитывать наличие в характеристиках его элементов различ­ного рода нелинейностей (ограничений, люфтов, зон нечувствитель­ности и т. п.) ‘.

Наиболее полно характеристики контура рулевой машинки мо­гут быть изучены путем моделирования и натурных[12] стендовых ис­следований с применением нагрузочных устройств.

Автопилоты с простейшим законом управления (3.9) довольно часто не позволяют получить удовлетворительные динамические характеристики системы самолет—автопилот. В подобных случаях для повышения устойчивости движения и улучшения качества пере­ходных процессов в закон управления вводят дополнительные чле­ны. Так закон управления

Д8 = /«р Д,(р + /-/7<р (3.15)

обеспечивает отклонение управляющей поверхности не только про­порционально отклонению регулируемого параметра, но и пропор­ционально скорости его отклонения.

Отклонение управляющей поверхности автопилотом с законом управления

(3.16)

кроме того, пропорционально интегралу от отклонения регулируе­мого параметра. В дальнейшем будет показано, что интегральный

член ^ц. Л,у j вводится для устранения статических ошибок.

Коэффициенты^* ifjf в уравнениях типа (3.15 и 3.16) являют­

«ІР Один и тот же закон управления может быть реализован раз — , &Уными способами. Для реализации закона управления (3.15) можно * суммировать в вычислительном устройстве автопилота сигналы ■’ двух датчиков информации-: датчиков сигналов А,<р и <р. Порции суммируемых сигналов определяются соответствующими передаточ — — ными отношениями i9 и i9 .

Т = ■* я

При другом способе, если <р3—постоянная или очень медленно меняющаяся величина, требуется только датчик сигналов А, ф, так как

В этом случае в вычислительном устройстве предусматривается ■дифференцирующее устройство (обычно — дифференцирующая це­почка RC). Снятый с него сигнал А,<р затем суммируется с сиг­налом А, ф.

Для формирования сигнала, пропорционального $ А, фdt в вы-

Ж*:- о

жйслительных устройствах автопилотов, имеющих закон управле — » ая типа (3.16), предусматривается интегрирующее устройство, гализация которого сложнее дифференцирующего.

• Закон управления автопилота типа (3.16) можно сформировать без применения специальных интегрирующих устройств. Выше упоминали, что рулевая машинка может рассматриваться как ітегрирующее звено, но в рассмотренных автопилотах контур ру — евой машинки потерял интегрирующие свойства в результате при — енения жесткой обратной связи. При отсутствии обратной связи гредаточная функция контура рулевой машинки

<*>;.«= (3.18)

К (7ар + 1)/>

эвпадает с передаточной функцией (3.13). При этом i=k, Та — Тм. ;■£ Автопилоты, у которых контур рулевой машинки не имеет обрат — аДрй связи, получили название автопилотов без обратной івязи. Закон управления простейшего автопилота этого типа ЗДмеет вид:

(Тар+ 1)/?Д5=/д. ср.

1Т Член уравнения, содержащий постоянную времени Та, отражает "инерционность контура рулевой машинки. Для ее уменьшения при­меняют скоростную (гибкую) обратную связь. Передаточная функ­ция контура рулевой машинки со скоростной обратной связью такая же, как и у контура без обратной связи (3.18). Однако в этом [13]

рД& = /Д. ср.

Таким образом, идеальный автопилот, описываемый уравнением (3.19), отклоняет управляющую поверхность со скоростью, пропор­циональной величине отклонения регулируемого параметра. Иначе говоря, угол отклонения управляющей поверхности пропорциога-

-. 4, с

лен интегралу от отклонения регулируемого параметра Д8 = г —- . Законы управления:

/?До = і — £>А<» -|- 1-р2о (З.-0’і

рЬ — і^ + /"p2<p + /jA'(p (З. о 11

аналогичны законам управления (3.15 и 3.16) соответственно.

Для реализации закона управления (3.21) необходимо им ть датчики сигналов Д, ф, ф и ф или формировать сигналы производ­ных с помощью дифференцирующих элементов в вычислительном устройстве автопилота. Поскольку получение качественных сигна­лов вторых производных путем дифференцирования на пассивных элементах связано с большими трудностями, то обычно в автопило­тах, работающих по закону (3.21), для стабилизации угловых по­ложений самолета применяют гироскопические датчики угловых скоростей ф и ускорений ф.

В последние годы широкое применение находят автопилот >; с изодромной обратной связью. Из их названия ясно, что в цепи об­ратной связи контура рулевой машинки таких автопилотов включе­но изодромное звено (рис. 3.19).

Передаточная функция контура

(т* p + 1)p

і O’ и р — ь 11

Т + Т2р2 + р

Ти — постоянная времени изодромного звена (изодрома);

Йи. о.с —коэффициент усиления изодрома.

Постоянная времени изодрома составляет. несколько секу — 11 на динамику контура рулевой машинки практически — не оказыгзе1

3.20. К реализации изо — много закона управления в САУ-1Т

ияния. При необходимости улучшить динамику этого контура па — ллельно изодромной обратной связи включают еще и скоростную атную связь.

Закон управления идеального автопилота с изодромной обрат — й связью в простейшем случае может быть выражен следующим разом:

pAb=i(T„p — j-1) А’ср.

— До = г’*А-с. г,

Автопилот с изодромной обратной связью отклоняет управляю — ю поверхность со скоростью, пропорциональной величине управ — щего сигнала и его производной. Отсюда становится ясной важ — особенность такого автопилота: для формирования закона уп­’ялений типа (3.20 и 3.21) не нужен сигнал второй производной. Довольно часто используется еще одна форма записи закона Давления автопилота е изодромной обратной связью:

1 -+- кки0<:

‘Особенно удобной она оказывается в тех случаях, когда в пра — части закона управления имеется несколько членов.

Реализовать закон управления (3.22) можно не только путем ‘ючения изодрома в цепь обратной связи. На рис. 3.20 представ — а упрощенная схема формирования закона управления, приме — іая в канале тангажа системы автоматического, управления ‘а САУ-1Т. Здесь контур рулевой машинки содержит жесткую и устную обратные связи. Кроме того, сигнал А6 пропускается электромеханическую следящую систему с большой постоян — времени, имеющую передаточную функцию апериодического

а — • Сигнал с выхода этой следящей системы вычи-

ТцР + 1

‘я из основного сигнала б. Тогда при условии, что &и = £ж. о.с = — о. с получаем

^и. о.с __ ‘

иходим к схеме автопилота с изодромной и скоростной обрат — : связями.

Целесообразность такого способа реализации закона управлении типа (3.22) объясняется тем, что следящая система, используемая

для формирования сигнала — ka — * — Л входит в так называемый

ТИР + 1

механизм тангажа, необходимый и для других целей. Хотя в данном случае изодрома в обратной связи автопилота в «чистом» виде неї, закон управления все же называется изодромным.

В рассмотренных законах управления автопилотов мы полага­ем, что на вход вычислителя подаются сигналы заданного и теку­щего значения регулируемого параметра или сигнал его отклоне­ния, а также в некоторых случаях — сигналы производных откло­нения того же параметра. В общем случае законы управления автопилота могут содержать члены, являющиеся функциями разно­родных входных параметров. Так, закон управления автопилота, стабилизирующего заданную высоту полета, может содержать чле­ны, пропорциональные отклонению от заданной высоты, углу тан­гажа и угловой скорости тангажа, крену и др.

Обобщить законы управления для таких случаев не представ­ляет трудности. Для этого в правых частях уравнений (3.9, 3.19 и 3.22) необходимо записать все дополнительные члены подобно то­му, как в уравнениях (3.15 и 3.16).

Запись в форме

А (р)Л5 = 5?1 (/>)’fi + £?*(/>) ¥2 + • * •JrB’?n(P)yn (3.23)

охватывает все рассмотренные выше законы управления для любо­го количества входных параметров. Оператор А(р) характеризует вид обратной связи, используемой в автопилоте. Очевидно, что Л(р) = 1—у автопилотов с жесткой обратной связью, А(р)— р — у автопилотов со скоростной обратной связью или без обратной

связи, А (р) — — —-■————— у автопилотов с изодромной обратной

Оператор B9k (р) определяется составом управляющих сигналов по входному параметру щ, поступаю­щих с вычислительного устройства в контур рулевой машинки. Напри­мер, В9/г (р) = Ц + /*ft p + i9k р2, если с вычислительного устройства по­ступают сигналы, пропорциональные параметру щ и его первой и второй производной.

В некоторых случаях операторы В9к (р) могут иметь довольно слож­ный состав, в частности, содержать фильтры низких и высоких частот.

Иногда операторы меняются в зависимости от режима полета.

; Таким образом, в общем случае оператор Вщ{р), как и опера — р А(р)> может быть дробнорациональной функцией.

При анализе динамики и построении структурных схем системы молет-автопилот закон управления автопилота удобно представ — ‘:ть с помощью передаточных функций. Чтобы перейти к такой рме записи, нужно разделить обе части уравнения (3.23) на ір). Тогда

д8=< (Р) Ь+КЛР)ъ+.—+Win ІР) <РЯ,

§

Пример структурной схемы, соответствующей уравнению (3.24), казан на рис. 3.21.

kQ(p) __ k (dmpm — f dm~ipm + .. * — f dxp + d0) P № CnPn — f Cn-rp4′[14] + . . . + CiP + Co

В свою очередь, передаточная функция по каждому входному эаметру может быть представлена в виде совокупности переда­нных функций последовательно включенных элементарных еньев: апериодических, интегрирующих, колебательных и форси — мцих. Входной координатой этой разомкнутой цепи является па — летр ф, а выходной — Дб. В ряде случаев эту передаточную їкцию целесообразно представлять в широко принятом в теории гоматического регулирования виде:

‘|$e 6 —коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиле-

ния всех звеньев;

•І Q(P)—полином, образованный произведением передаточных функций фор — сирующих звеньев;

р(р) — полином, образованный произведением знаменателей передаточных функций апериодических, интегрирующих и колебательных звеньев.

^ При отсутствии интегрирующих звеньев с0=1. При одном ^йтегрирующем звенес0=0 и С{=Л. При двух интегрирующих звень — % Со=’Сі=0 и с2= 1 и т. д. Необходимо подчеркнуть, что интегри­рующие звенья характерны для автопилотов со скоростной и изо — ЗДомной обратной связью или без обратной связи и для автопило­тов о жесткой обратной связью, имеющих интегральный член. Как вудет показано в дальнейшем, вид полинома Р(р) играет важ — рОйшую роль.

Рассмотренные выше законы отражают практически все примет емые в настоящее время законы управления автопилотов само-

летов гражданской авиации. Следует обратить внимание на то, ч Го все эти законы являются линейными до тех пор, пока не начин«. ются ограничения управляющих сигналов и отклонений управ, ляющих поверхностей. Делаются такие ограничения в основном из соображений обеспечения безопасности автоматического полета. О них будет идти речь в гл. 4.