Законы управления и схемы автоматов тяги

Рассмотрим систему автоматического управления скоростью, использующую автомат тяги с пропорциональным законом управ­ления (А(р) = 1). Примем, что полином В(р)=Тдр+ 1. Будем по­лагать, что самолет летит горизонтально и автопилот стабилизирует заданную высоту так, что колебания угла 0 отсутствуют. Для этого случая (Д0 = 0) скорость полета определяется зависимостью

pLV —av&V = а§Д&д.

В наиболее простом случае стабилизации скорости автомат тя­ги должен обеспечить выдерживание скорости У3, равной той ско­рости У0, которую имел самолет в момент включения автомата тя­ги. Сигнал, пропорциональный отклонению A, V, выдается коррек­тором скорости в вычислительное устройство, к выходу которого подключен сервопривод, перемещающий РУД (рис. 3.90). Соответ­ствующая структурная схема показана на рис. 3.91. На ней вычис-

1

литель и сервопривод представлены звеном ivy звено——————— отра-

ТяР + 1

жает динамические характеристики двигателя.

В целях общности изображения передаточных функций звеньев

1 #§

введены обозначения Гс =— и kc =—————- в передаточной функции

dy av

самолета.

В более общем случае автомат тяги должен обеспечивать пере­настройку на выдерживание любой заданной скорости. Для этого в его составе имеется устройство, вырабатывающее сигнал У3 и сравнивающее его с сигналом текущей скорости V (рис. 3.92). Сиг­нал отклонения A, V подается в вычислительное устройство.

Рис. 3.90. Автомат тяги для стабилизации скорости V'(

 

Рис. 3.91. Структурная схема
автомата тяги

Принципиально возможны и другие методы формирования сиг — іала A, V. Например, для этого можно суммировать сигнал коррек­тора скорости с сигналом разности между новой и начальной за­данными скоростями

hV3 — V3 — V зв, (3.166)

де V3 — новая заданная скорость;

Уя—заданная скорость -в момент включения корректора скорости V*o=Vq).

Структурная схема (см. рис. 3.91) будет справедлива и для об — дего случая стабилизации скорости, если считать, что заданная жорость V3 может также отличаться от Vo. Вместе с тем следует /казать, что часто более удобной оказывается несколько другая :хема (рис. 3.93), на вход которой подается сигнал AV3. Выходным шгналом является не текущая скорость V, а ее отклонение AV от начальной установившейся скорости. Возможность перехода к этой эквивалентной схеме вытекает из уравнений (1.15 и 3.166). Заме­тим также, что, применяя эту схему к рассмотренному вначале слу — *аю стабилизации исходной скорости V0y необходимо положить V3 = 0.

тя Тср2 4* (Тл 4* Тс) р + 1 4 iykc

і ykc ТлТс/?2 + (Тя + Тс) р 4 1 4* tyke

Запишем некоторые передаточные функции:

Положив р=^0 в передаточной функции (3.167), определим ве­личину отклонения установившейся текущей скорости от заданной

Это отклонение является статической ошибкой автомата тяги, имеющего пропорциональный закон управления (3.161). Очевидно,

Рис. 3.93. Эквивалентная
структурная схема

что статическая ошибка отсутствует только при АУ3=0. Следова­тельно, при перенастройке автомата тяги на стабилизацию ско­рости У3ФУ3о появляется статическая ошибка.

До сих пор мы рассматривали вопрос стабилизации скорости в горизонтальном полете. Проведя аналогичные рассуждения при­менительно к полету по наклонным траекториям (0=^=0), можно по­казать, что изменение угла наклона траектории также приводит к появлению статических ошибок. Если, например, автомат тяги был включен в горизонтальном полете, то при движении по глиссаде скорость самолета отличается от заданной. Величина статической ошибки выдерживания скорости, вызванная изменением угла накло­на траектории, определяется по формуле

где Д03 — изменение угла наклона траектории.

Из зависимостей (3.168 и 3.169) следует, что величины статиче­ских ошибок сильно зависят от передаточного числа iv. Однако увеличивать это передаточное число в реальных системах можно лишь до определенной величины. При больших передаточных чис­лах качество стабилизации скорости ухудшается. Кроме того, боль­шие передаточные числа приводят к очень резким перемещениям РУД, что также нежелательно. Как показывают расчеты и резуль­таты испытаний, при таких ограничениях статические ошибки ста­билизации скорости в области эксплуатационных режимов захода на посадку получаются недопустимо большими.

Эти обстоятельства практически исключают использование ав­томатов тяги с пропорциональным (статическим) законом управ­ления. Как правило, в системах автоматического управления по­садкой применяются автоматы тяги с астатическим законом управ­ления (А(р)Ф 1). Чаще всего это достигается введением в закон управления члена, пропорционального интегралу от величины A, V. При этом

A{p) = + Ll — (3.170)

р

где і j — передаточное число по сигналу J*A, V.

На рис. 3.94 дана структурная схема для общего случая автома­тического управления скоростью применительно к уравнениям (3.160, 3.162, 3.165 и 3.166). Соответствующие передаточные функ­ции имеют вид:

Рис. 3.94. Структурная схема автомата тяги в общем случае

 

АК __ V__WV =____________________ fVM(P)_____________ .

АУ3 V3 Кз~ lvkcA(p) + BU>)(Tcp+ 1) ’

AV3 ~ АКз (Р)~" ivkcA (р) 4- В (р) (Тср + 1)

^’V w, LtVi eQkcB(P)

■ =———- = И/дО (/?) ———————————————————————

А03 3 аь [ivfccA (р) + Я (р) Тср + 1)]

Используя эти передаточные функции, легко убедиться, что если значение А(р) определяется зависимостью (3.170), а В(р) = = Гд/7+1, то статические ошибки выдерживания скорости при изме­нении V3 и 0з отсутствуют.

Для реализации зависимости (3.170) в вычислительном устрой­стве автомата тяги применяют интегратор. Сервопривод автомата тяги при этом должен работать как усилительное звено. Это может быть достигнуто за счет использования жесткой обратной связи по отклонению выходного устройства сервопривода (рис. 3.95). Закон управления такого автомата тяги имеет вид:

81 = І, Д-У + Л-+ (3.1711

Р Р J

Введение в закон управления интегрального члена приводит к ухудшению качества переходных процессов. В связи с этим целе­сообразно порцию ^-сигнала, пропорционального J Д, У, иметь воз­можно меньшей.

Поскольку в состав автоматов тяги входит двигатель, служащий для перемещения РУД, оказывается возможным построить схемы, не содержащие интегратора. По такой схеме построен автомат, представленный на рис. 3.96. В этой схеме для введения в закон члена, пропорционального интегралу от A, Vy используется силовой

		Усилитель		ДНигатпель
ЪГ	———— ———— v<2/
	Интегра.-				жесткая оо-
	тор			% I 1

Рис. 3.95. Блок-схема ав­томата тяги, реализую­щего закон управления (3.171)

двигатель-генератор, охваченный скоростной обратной связью. За­кон управления этого автомата имеет вид:

рЬ:[ = іу&У + ifpb, V = + (3.172)

Особенностью этого закона управления является необходимость формирования сигнала производной (рД, У). Для этого в вычисли­теле необходимо иметь дифференциатор. Сигнал скоростной обрат­ной связи снимается с двигателя-генератора.

Сравнивая между собой рассмотренные выше схемы автоматов тяги, следует отметить, что в целом схема (см. рис. 3.96) более предпочтительна. Большинство отечественных автоматов тяги по­строено по этой схеме.

Сигналы текущей скорости V, подаваемые в вычислитель авто­мата тяги, содержат высокочастотную составляющую /у, являю­щуюся следствием пульсаций скоростного напора из-за атмосфер­ной турбулентности. Для уменьшения влияния этой составляющей, как правило., сигналы отклонения Д,1/ пропускают через фильтр

низких частот с передаточной функцией W (р) =——————— . Однако на

ТфР + 1

этом’ фильтре происходит также запаздывание полезного сигнала, что сказывается на динамике управления скоростью. Для компен­сации этого запаздывания используется сигнал продольного уско­рения, этот сигнал подается через тот же фильтр, что и сигнал A, V. В таком случае суммарный сигнал на выходе фильтра име­ет вид:

где ij — порция сигнала ускорения.

Полагая в первом приближении jx~P&,V и обеспечив ij получим зависимость

Таким образом, на выходе фильтра выделяется неискаженный сигнал A, V и лодавлен-ная фильтром помеха /у.

г®.41′

Теперь рассмотрим, как получается сигнал, пропорциональный продольному ускорению jx. Корпус акселерометра жестко скреп­лен с самолетом и потому акселерометр измеряет величину проек­ции /.V, вектора ускорения (перегрузки) на ось Ох і связанной си-

Рис. 3.97. К формированию сигнала продольного уско­рения

стемы координат. Величины jx и /,Х| связаны следующей прибли­женной зависимостью:

Jx ~ Л, — £ Sin & ЯВ Л, — gK

где g — ускорение силы тяжести.

Следовательно, сигнал, пропорциональный продольному уско­рению /ж, можно получить алгебраическим суммированием сигна­ла jXl9 снимаемого с акселерометра, с сигналом gO, получаемым от гировертикали (рис. 3.97). В данном случае величина g может рас­сматриваться как порция сигнала тангажа. С учетом сказанного закон управления типа (3.172) приводится к виду:

ьу+тФ U*i — г») 1* (3.173)

тфр + 1

Структурная схема автомата тяги, имеющего закон управления (3.173), представлена на рис. 3.98.

В предыдущем параграфе отмечалась связь между колебаниями угла наклона траектории и колебаниями скорости. Изменения угла наклона, которые могут рассматриваться как возмущающий фак­тор, опережают изменения скорости. Поэтому для улучшения дина­мики управления скоростью оказывается целесообразным ввести в закон управления сигнал, пропорциональный изменению угла на­клона траектории. При этом можно считать, что по отношению к изменениям углам наклона траектории обеспечивается регулирова­ние по возмущению. Однако, как известно, в настоящее время от­сутствуют простые датчики таких сигналов. Заметим также, что для рассматриваемой цели обычно оказывается допустимым вместо сиг­нала изменения угла наклона траектории АО использовать сигнал изменения угла тангажа АО. Такой сигнал получить весьма просто, для этого, например, можно пропустить сигнал тангажа, снимае-

Рис. 3.99. Структурная схема автомата тяги, реализующего закон управления (3.173а)

мый с гировертикали, через изодромное звено (высокочастотный фильтр). Структурная схема автомата тяги, использующего этот сигнал, показана на рис. 3.99. Соответствующий ей закон управле­ния имеет вид:

ly ~Г Іур koTfip2

Ph = — T — * Iа’v + Гф(jXt — gb)] + —^7 »- (3.173а)

ТфР + 1 тьР + 1

Автомат тяги с таким законом управления обеспечивает хоро­шее качество переходных процессов и стабилизации заданной ско­рости при изменении угла наклона траектории, в частности, при переходе от горизонтального полета на снижение по глиссаде. Вве­дение в закон управления сигнала, пропорционального изменению угла тангажа, позволяет существенно уменьшить порции iv и/v4 что благотворно сказывается на помехозащищенности системы и качестве стабилизации скорости. Разумеется, сигналы, пропорцио­нальные изменению угла тангажа, целесообразно вводить и в за­коны управления типа (3.171). В этом случае оказывается возмож­ным уменьшить порции iv и iy, что весьма желательно.

Применяемые в настоящее время автоматы тяги принципиально не отличаются от рассмотренных выше. Однако в структурных схе­мах и законах управления некоторых из них имеются небольшие отличия.

Так, иногда в законе управления отсутствует член, пропорцио­нальный продольному ускорению. В отдельных случаях для форми­рования члена, пропорционального изменению угла тангажа, вмес­то сигнала гировертикали используется сигнал датчика угловой скорости тангажа.

Рассмотренные выше автоматы тяги в конечном счете стабили­зируют заданную скорость. В качестве основной информации, по­даваемой в вычислитель для формирования управляющих сигна­лов, в них используется отклонение A, V от заданной скорости. В последнее время началась разработка автоматов тяги, стабили­зирующих заданное значение угла атаки а. Такие автоматы обла­дают рядом преимуществ. Однако их разработка сопряжена с опре-

деленными трудностями, связанными с необходимостью создания точных и надежных датчиков сигналов угла атаки.

До сих пор мы говорили об управлении скоростью на этапах, предшествующих выравниванию. На этапе выравнивания управле­ние тягой двигателей сводится к постепенной уборке РУД. Обычно это достигается путем замены подаваемых на сервопривод автома­та тяги сигналов вычислителя постоянным эталонным сигналом (см. рис. 3.99). Такое переключение сигналов осуществляется в на­чале выравнивания, после чего автомат тяги, работая в режиме интегрирования, убирает РУД с постоянной скоростью.