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. 3.91. 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:
|
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.