УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ САМОЛЕТА

В любом процессе управления участвуют объект управле­ния и управляющая система. При управлении полетом объектом управления является самолет. В режиме автоматического управле­ния управляющей системой является автопилот; а в режиме ручного (штурвального) управления — летчик с необходимым комплексом пилотажно-навигационных приборов.

Процесс управления осуществляется по замкнутому контуру, в котором самолет можно рассматривать как звено системы управ­ления. . ‘

Если управляющей системой является автопилот, то в совокуп­ности с самолетом они образуют систему автоматического управле­ния — САУ.

Укрупненно структуру САУ можно представить в виде схемы (рис. 9.1).

Рнс. 9.1. Укрупненная схема замкнутой САУ самолетом

В этой схеме выходной величиной является управляемый или контролируемый параметр движения у, например Ь или Я, или пуа. Входной величиной является заданное значение t/aaa этого пара­метра движения, постоянное (г/эад = const) или переменное І£/Зад (/) ], а также возмущающее воздействие /. Значение параметра t/3tm на входе вводится летчиком или специальным блоком.

Обратная связь делает систему управления полетом замкнутой. Она реализуется с помощью измерительного элемента автопилота, который измеряет фактическое значение уф в каждый момент вре­мени.

С измерительного элемента информация поступает в устройство сравнения САУ, в котором фактическое значение параметра движе­ния у* сравнивается с заданным £/зад и определяются в каждый момент времени ошибка управления или рассогласование е = =: t/Ф — ї/аад. По рассогласованию е вычислительное устройство САУ в соответствии с заложенным в нем законом управления вырабаты­вает сигнал управления и. Сигнал управления поступает в испол­нительный элемент автопилота, а затем на рулевой привод, который отклоняет соответствующий орган управления на 60. у Лля устране­ния рассогласования.

Замкнутая система самолет — автопилот должна быть устойчи­вой и обеспечивать высокое качество процессов управления — обла­дать достаточной точностью и быстродействием при выполнении тре­бований безопасности полета.

При одновременном управлении несколькими параметрами дви­жения самолета САУ имеет несколько взаимосвязанных замкнутых контуров управления. Такие системы называются многосвязными или многоконтурными.

При ручном режиме управления летчик сравнивает фактические значения t/Ф параметров движения самолета — перегрузки, углов тангажа, рыскания, крена, угловых скоростей, высоты, скорости полета и других с желаемыми для выполнения того или иного ма­невра уж*л. При рассогласовании он отклоняет соответствующие органы управления непосредственно через тяги от рычага управле­ния для обратимой системы или через силовой привод — бустер для необратимой системы управления на б0,у Под действием воз-

I’нс. 9.2. Укрупненная схема замкнутой системы ручного управления самолетом

пикающих при этом моментов меняются углы атаки, скольжения, крена и, как следствие, — силы, действующие на самолет, пере­грузки, а также углы тангажа и рыскания и другие параметры дви­жения (рис. 9.2). Приспосабливаясь к особенностям реакции само­лета на отклонение органов управления, летчик непрерывно кон­тролирует отличие фактических параметров движения от желае­мых — осуществляет управление с обратной связью, обеспечивая тем самым малость отклонений даже при наличии возмущающих воздействий /. При анализе ручного управления часто говорят о системе самолет—летчик, как о единой замкнутой системе управ­ления движением.

Независимо от развития автоматических систем, ручное управле­ние самолетом остается основной формой управления на наиболее ответственных этапах полета. Летчик обладает большой приспособ­ляемостью к изменению внешних условий. Он способен управлять самолетом при неполной информации и в неожиданных ситуа­циях.

Вместе с тем возможности летчика ограничены. Он сравнительно медленно и неточно производит вычислительные Операции, у него значительное запаздывание реакции и т. д. Летчик в состоянии обеспечивать Всей системе самолет—летчик хорошие динамические качества только в том случае, если сам объект управления — само­лет имеет хорошие характеристики устойчивости и управляемости во всем диапазоне возможных режимов полета. Это означает, что отклонения рычагов управления самолетом и усилия на них опре­деленным образом связаны с режимом полета. Должна быть исклю­чена возможность непреднамеренного вывода самолета на опасные режимы. Переходные процессы при отклонении органов управления должны протекать быстро и плавно без значительных забросов. Однако на современных многорежимных самолетах, рассчитанных на полет в широком диапазоне скоростей (чисел М) и высот полета, обеспечить приемлемые характеристики устойчивости и управляе­мости только средствами аэродинамической компоновки, выбором центровки и параметров оперения и органов управления не удается.

Улучшить статические характеристики управляемости можно, вводя в необратимую систему ручного управления автоматы регули­ровки управления (АРУ), меняющие передаточный коэффициент рулевого тракта и градиент загрузки рычагов управления по режи­мам и условиям полета.

Рис. 9.3. Укрупненная схема системы ручного управления самолетом с СУУ

Этот автомат не формирует сам отклонения органа управле­ния 60> у, но меняет соотношение между отклонением органа управ­ления и соответствующего рычага управления летчиком в зависи­мости от измеренных значений высоты, скорости полета и т. п. Это соотношение — передаточный коэффициент рулевого тракта определяется как

дЬ

дхл ’ где Хд — перемещение рычага (ручки, педалей) летчиком. Меняя автоматически величину Кт по режимам полета, АРУ. уменьшает изменение, таких характеристик управляемости, как расход рычага управления на выполнение того или иного маневра, упрощая тем самым управление самолетом. Регулирует АРУ и требуемое уси­лие Ря на рычаге управления для необратимых бустерных систем управления, облегчая пилотирование на различных режимах полета.

Для улучшения устойчивости и динамических характеристик управляемости автомата регулировки управления недостаточно. Необходима быстродействующая автоматическая система, работа­ющая непрерывно, параллельно летчику при ручном управлении самолетом и обеспечивающая для летчика’ приемлемые характери­стики устойчивости и динамической управляемости (рис. 9.3). Такая система — система улучшения устойчивости и управляемости (СУУ) формирует управляющие сигналы на основе измерения мгновенных отклонений углов, атаки, скольжения, крена, тангажа, рыскания, перегрузок, уЬповых скоростей (о*, <о„, (о* от их значений, соот­ветствующих прн идеальном управлении текущим действиям лет­чика (положениям рычагов управления) или опорному движению.

При работе таких автоматов летчик воспринимает самолет вместе с СУУ как объект управления, обладающий удовлетворительными характеристиками независимо от собственных характеристик изо­лированного самолета. В зависимости от задач, решаемых СУУ, в’ них применяются автоматы различных типов. Простейшим из автоматов является автомат демпфирования или демпфер. Этот автомат включает измерительное устройство для измерения угловой скорости тангажа, рыскания или крена (датчик угловой скорботи
‘IV(‘) и исполнительный механизм, позволяющий параллельно м-‘чику и независимо от него формировать сигнал на отклонение і пипаетствующего органа управления. Суммарное отклонение органа правления 60. у складывается в этом случае из отклонения по сиг­налу летчика б0.у. л и демпфера 60.у. а

60. у — йо. у. л + 6о. у. а — (9-8)

(in гнал от демпфера пропорционален угловой скорости (о в соответ­ствующем канале управления

6о. у.а = Ки(0. (9.9)

Для канала тангажа это (oz, для крена — (оя, для рыскания — (о„.

Знак отклонения 60. у. а выбирается так,| чтобы гасить, демпфи­ровать возникшее вращение. Демпфер позволяет уменьшить коле­бательность возмущенного движения, сделать его более плавным.

Рассмотрим принцип работы демпфера для канала тангажа. Пусть опорное движение самолета — установившийся прямолиней­ный полет (coz = 0). Положим далее, что под действием порыва ветра или по другим причинам самолет начал вращаться с угловой скоростью (о2 > 0. Если летчик не вмешивается в управление (6„, „ = = 0), то автомат демпфирования отклонит руль высоты, причем на йц. а >0, т. е. против вращения. Отклонение руля создаст пики­рующий момент (Мг (бв. а) < 0), препятствующий вращению, и, если этот момент достаточен, вращение прекратится. Если же посту­пает сигнал от летчика (6„. л Ф 0), то он складывается с бв. а. При этом летчик всегда может «пересилить» автоматику бв. л > > 6В. а, т. е. он сохраняет контроль за самолетом и может выполнить любой требуемый маневр’, в том числе и с угловой скоростью ю$ ф 0.

Заметим, что без вмешательства летчика демпфер может остано­вить вращение, но не возвращает самолет в исходное положение, к исходным значениям угЛов атаки, скольжения, перегрузки п£в, п°а и т. п. Как только вращение прекращается, сигнал от демпфера исчезает.

Возвращение на исходный режим .полёта обеспечивает более сложный автомат — автомат устойчивости, в котором сигнал бс, у,а формируется по измерению не только угловой скорости, Но й угло­вого огклонения — Да, Др или отклонения перегрузок Дпуа, Дл2а (отклонение перегрузки пропорционально при данной скорости по­лета значениям Да, ДР). Например, для автомата продольной ус­тойчивости (канал тангажа) руль высоты отклоняется по закону

6в. а = Яи<о2 + К«Да (9.10)

при измерении отклонения угла а или

бв. а = Ки№г “Ь Кп ДПуа (9. П )

при измерении отклонении перегрузки от расчетного значения в опорном движении. "

Автоматы устойчивости, как ясно из названия, повышают устой­чивость, а при правильном подборе Кы и Кп (Ко) — улучшают динамические характеристики самолета как объекта управления.

И автоматы устойчивости, и демпферы могут примениться во всех каналах управления при управлении рулем высоты, рулем направления и элеронами (или другими органами управления в каналах тангажа, рысканья и крена).

Заметим, что и САУ, и летчик, и СУУ воздействуют на движение самолета только через отклонение органов управления и изменение режима работы двигателя. Поэтому при любом способе управления результат управления будет зависеть от характера реакции самолета на отклонение органов управления. Если управляемость самолета не обеспечена, то никакая автоматика не улучшит ее характеристик.

Для самолетов с АРУ, автоматами демпфирования и устойчивости требования к показателям устойчивости и управляемости относятся не к изолированному самолету, а к самолету с автоматикой, если только обеспечена ее надежность (практическая безотказность). Если практическая безотказность не обеспечена, то даже при нали­чии автоматики изолированный самолет должен иметь удовлетвори­тельные характеристики, чтобы отказ автоматики не привел к опас­ной ситуации (отказобезопасные автоматы). При этом требования к изолированному самолету с отказобезопасной автоматикой могут быть менее жесткими, чем без автоматики.

Дополнительная литература

[12] с. 107—123, [8], с. 301—303, [4] с. 54—81, [2] с. 243— 250, [11] с. 180—218.

Контрольные вопросы

1. Почему возникает необходимость в постановке задачи об устойчивости не­возмущенного (опорного) движения?

2. Что понимается под управляемостью и устойчивостью движения самолета?

3. Что понимается под статической устойчивостью самолета?

4. Дайте определение устойчивости невозмущенного движения по Ляпунову.

5. Какие автоматы используются в СУУ?