АВТОМАТИЧЕСКОЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ПО ТАНГАЖУ

6.1.1. Демпферы тангажа

Устройство и работа. Необходимость демпфирования продольных ко­роткопериодических колебаний самолета возникает при недостаточной степени его продольной статической устойчивости по перегрузке и сильно выраженной колебательности переходных процессов при возвращении са­молета к исходному режиму по нормальной перегрузке после непроизволь­ного отклонения под действием внешнего момента тангажа или вертикаль­ного ветра. Чтобы решить эту задачу, пилот, наблюдая за изменением угла тангажа по прибору, воздействует на колонку штурвала и отклоняет руль высоты таким образом, чтобы колебания самолета по тангажу прекрати­лись. Для освобождения пилота от ручного демпфирования продольных короткопериодических колебаний самолета служат демпферы тангажа.

Демпфер тангажа (ДТ) средство автоматического управления, обеспе­чивающее демпфирование продольных короткопериодических колебаний самолета на всех этапах полета путем отклонения руля высоты при возникновении угловой скорости тангажа.

Простейший демпфер тангажа реализует следующий закон управления рулем высоты: ■

A§fT= k«,2coz, (6.1)

где -автоматическое отклонение руля высоты от балансировочного положения демпфером тангажа; кШг — передаточный коэффициент по угловой скорости тангажа,

показывающий, на какой угол должен отклониться руль высоты при изменении угловой скорости на Г/с (1 рад/с).

Демпферы тангажа устанавливают на самолеты с бустерной или элект­родистанционной системой управления рулем высоты. Это позволяет обеспечить последовательную схему включения исполнительного устройст­ва демпфера в механическую проводку руля высоты. При совместном управлении самолетом пилотом и демпфером тангажа общее отклонение руля высоты от балансировочного положения А8В равно алгебраической сумме ручного отклонения пилотом от колонки штурвала А5§ и автома­тического отклонения демпфером тангажа:

Д8„ = Д8£ + Д8^. (6.2)

В состав аналогового демпфера тангажа (рис. 6.1) входят датчик угло­вой скорости тангажа ДУС, вычислитель В и сервопривод руля высоты С775в. Сервопривод включает сумматор С, усилитель У, исполнительный механизм ИМ и датчик обратной связи ДОС. Сервопривод охватывается жесткой обратной связью. В качестве исполнительного механизма служит гидропривод, который вместе с датчиком ДОС образует рулевой агрегат

РИС. 6.1. Функциональная схема аналогового демпфера тангажа 176

РА. Датчик ДУС помещается в блок демпфирующих гироскопов (БДГ). Вычислительное устройство вместе с электронной частью сервопривода, сумматором и усилителем образуют электронный блок демпфера БД в канале руля высоты. .

Демпфер тангажа работает следующим образом. При возникновении угловой скорости тангажа датчик ДУС вырабатывает сигнал, пропор­циональный этой скорости. Сигнал подается в вычислитель, который в соответствии с законом управления (6.1) вырабатывает управляющий сигнал ив на вход сумматора сервопривода. Сервопривод преобразует этот

TTf

сигнал в перемещение штока рулевого агрегата А5В. Одновременно с датчика обратной связи снимается электрический сигнал обратной связи иос, пропорциональный перемещению штока рулевого агрегата. Как только сигналы иос и ив уравновесят друг друга на входе сумматора сервопривода, отработка руля высоты рулевым агрегатом прекращается и руль остано­вится в некотором положении, пропорциональном возникшей угловой скорости coz.

Отклонение руля высоты вызовет появление управляющего аэродина­мического момента М^, противоположного по знаку возмущению, при­ведшему к появлению угловой скорости coz. Поэтому угловая скорость (0Z начнет уменьшаться, а вместе с н^й и сигнал сц с датчика ДУС. Когда

угловая скорость cdz станет равной нулю и ив = 0, то под действием сигнала обратной связи иос сервопривод возвратит руль высоты обратно в балан­сировочное положение. Таким образом колебательность продольного дви­жения будет погашена.

Отклонение руля высоты А5£ создается пилотом путем перемещения колонки штурвала КШна величину Ахв от балансировочного положения. Посредством дифференциальной качалки осуществляется взаимодействие демпфера тангажа с системой управления рулем высоты (СУП РВ) согласно (6.2). Через рулевой привод формируется отклонение руля А5В.

Влияние демпферов тангажа на характеристики продольной устойчивости и управляемости. Покажем, что с помощью демпфера тангажа повышается степень продольной устойчивости по перегрузке. При отклонении руля высоты демпфером появляется приращение коэффициента момента тан­гажа

Amz = m"‘ А5; = т/ ^ coz = Am®1 coz, (6.3)

где Amz” = m^k^V/b,; mz определяется выражением (3.31).

Тогда степень продольной статической устойчивости по перегрузке

ПТ

самолета, управляемого демпфером тангажа ст„ , определяется согласно (3.30):

ггц’ К,. V т/ + — +———- г— = Ц!>Чі

(6.4)

 

Рис. 6.3. Переходные процессы в контура угловой скорости тангажа при отклонена пилотом руля высоты: а — свободный самолет; б-при включение демпфере тангажа

Рис. 6.2. Переходные процессы в контуре угловой скорости тангажа при кратковре­менном внешнем возмущении:

а-свободный самолет; б-при включенном демпфере тангажа

к ‘

Так как < 0, то приращение степени продольной статической устой-.

‘ ттт

чивости по перегрузке за счет использования демпфера тангажа Дст„ < 0. Следовательно,

1<*пТ| > 1<*п1, (6.5);

что доказывает повышение статической устойчивости продольного дви­жения.

Покажем, что с помощью демпфера тангажа улучшается динамическая устойчивость продольного движения. Переходный процесс, возникший в результате кратковременного внешнего возмущения (рис. 6.2,а), харак­теризуется периодом собственных продольных короткопериодических коле­баний Т„ и временем затухания (tjai). На рис. 6.2, б показан переходный процесс при наличии на самолете демпфера тангажа. Как видно из графика, характеристики динамической устойчивости самолета с демпфером тан­гажа Та и (^ат)дт лучше, чем у самолета без демпфера. Демпфер тангажа позволяет снизить колебательность продольного короткопериодического движения самолета и уменьшить длительность переходных процессов.

На рис. 6.3 показан переходный процесс, возникающий в результате ступенчатого отклонения пилотом руля высоты на угол Д8§. Как видно из графиков, демпфер тангажа делает переходные процессы по угловой ско­рости тангажа raz и углу тангажа А9 почти плавными. Однако так как 178

отклонение руля высоты демпфером Л5в вычитается из отклонения руля высоты пилотом Л5 £, общее отклонение руля высоты становится меньше. Следовательно, эффективность управления рулем высоты с помощью колонки штурвала уменьшается, что приводит к уменьшению устано­вившегося значения (Ю? )уст по сравнению с управлением без демпфера тангажа. Соответственно менее интенсивно растет угол тангажа А9. Это является основным недостатком демпфера тангажа с законом управления (6.1).

Для создания угловой скорости (coz)yCT пилот прикладывает большие усилия и дает большие перемещения колонки штурвала, компенсируя увеличение демпфером тангажа градиентов усилий (Р”’)дт и перемещений (С)дт*

Пример 6.1. Рассчитаем характеристики устойчивости и управляемости самолета с демпфером тангажа для примеров 3.1 и 3.2.

В начале полета:

(АіщДдт = т?-кШіУфа= — 16,3, где кш = 1,

<т? Т = стп + (Дт“г)дт/р = -0,488, 5"’ = -31°,

(х"’)дт = — 277 мм, (Р*-)дт= 372 Н.

В конце полета:

(Ат“!)дТ = -32,4, af = -0,414, (х*у)дт =-100 мм, (Р^дт = 160 Н.

Таким образом, демпфер тангажа повысил степень продольной статической устойчивости в начале полета с —0,408 до —0,488 и в конце полета с —0,344 до -0,414. Однако при этом увеличился градиент перемещения в начале полета с —23! до —277 мм и с —81 мм в конце полета до —100 мм и аналогично увеличился градиент усилия с 318 до 372 Н в начале полета и со 137 до 160 Н в конце полета.

Особенности законов управления. Разновидностью законов управления

демпферов тангажа является закон управления

ДТ

А5В = кйісо2 = K6zpcoz. (6.6)

Закон управления (6.6) использует в качестве управляющего параметра производную угловой скорости тангажа ooz = ро2 (р-оператор дифферен­цирования Лапласа), т. е. угловое ускорение. Так как физические датчики угловых ускорений не получили распространения, этот сигнал получают дифференцированием внутри ДУС сигнала a>z. Тогда передаточный коэф­фициент по угловому ускорению тангажа Кщ^ показывает, на какой угол должен отклониться руль высоты при изменении углового ускорения тангажа на 1°/с2 (1 рад/с2).

Разновидность закона управления (6.6) имеет вид

Тс&.Р

(6.7)

Рис. 6.4. Структурная схема демпфера тангажа

Изодромный фильтр Т^рДТ^р + 1) реализуется в вычислителе блока демпфера. В аналоговых демпферах это осуществляется с помощью КС-це — почки. Структурная схема демпфера тангажа с законом управления (6.7) представлена на рис. 6.4.

Законы управления демпферов та-нгажа (6.6) и (6.7) позволяют при достижении самолетом установившегося значения угловой скорости (»,)£ возвращать шток рулевого агрегата в нейтральное положение, когда (coz)yCTp = 0. Противодействие демпфера пилоту прекращается и рас­ход перемещения колонки штурвала для создания угловой скорости не изменяется.

Влияние отказов и характеристик элементов демпфера тангажа на управ­ление Продольным движением. Отказы в средствах автоматического управ­ления полетом принято классифицировать на пассивные и активные. Пассивные отказы не приводят к перекладкам рулей и их воздействие аналогично выключению автоматического средства из процесса управления полетом, активные отказы приводят к перекладкам рулей и непосред­ственным образом влияют на динамику управления полетом. Пассивный отказ демпфера тангажа, сопровождающийся возвращением штока руле­вого агрегата в нейтральное положение, приводит к тому, что эффектив­ность демпфирования продольных короткопериодических колебаний резко падает, а эффективность управления самолетом от колонки штурвала возрастает. Пилот, пытаясь воздействием на колонку штурвала демп­фировать колебания, может непроизвольно ввести самолет в «раскачку».

Активный отказ демпфера тангажа, сопровождающийся отработкой штока рулевого агрегата на максимальный ход, приводит к выводу самолета на недопустимые нормальные перегрузки. Если такой отказ происходит в условиях вертикального маневра, он может привести к пере­кладке штока рулевого агрегата из одного крайнего положения в другое и удвоению изменения перегрузки. Одним из активных отказов является обрыв цепи обратной связи в сервоприводе. Так как коэффициент усиления сервопривода с жесткой обратной связью обратно пропорционален коэф­фициенту обратной связи k*„c = 1 /кос, при обрыве обратной связи коэф­фициент усиления сервопривода возрастает до значения, равного произве­дению коэффициентов усиления усилителя и рулевого агрегата кс = кра ку. 180

В результате контур автоматического управления может потерять устой­чивость.

Из соображений безопасности автоматического управления полетом отклонение руля высоты демпфером тангажа обычно ограничивается опре­деленными пределами за счет ограничения хода штока рулевого агрегата. Это приводит к тому, что при достаточно больших возмущениях эффектив­ность демпфера тангажа в демпфировании колебаний снижается. Наиболее заметно ограничение хода штока рулевого агрегата сказывается при верти­кальном маневре, так как за счет постоянной составляющей угловой скорости отклоняется руль высоты демпфером. Нелинейность статических характеристик демпфера тангажа может существенно влиять на управление продольным движением. Так, ограничение по скорости перемещения штока рулевого агрегата может сделать неэффективным увеличение передаточно­го коэффициента демпфера, так как сервопривод будет быстро выходить на режим насыщения по скорости. Нелинейности характеристик ограничивают возможность расширения полосы пропускания сервопривода, зависящей от. коэффициента обратной связи. При большом коэффициенте усиления в кон­туре сервопривода могут возникать автоколебания низкой частоты.

Широкополосная помеха в сигнале угловой скорости тангажа с датчика _ ДУС может быть обусловлена вибрацией и изгибными колебаниями конструкции самолета. При расширении полосы пропускания сервопривода такая помеха способна вызывать так называемый «автопилотный флат­тер» рулевых поверхностей.

В аналоговых средствах автоматического управления одним из основ­ных факторов, влияющих на эффективность их эксплуатации, является «дрейф нулей» датчиков и разрегулировки передаточных коэффициентов.