АВТОМАТИЧЕСКОЕ УЛУЧШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПО ПЕРЕГРУЗКАМ

Устройство и работа автоматов продольной устойчивости. Автоматы демпфирования не полностью решают проблему улучшения пилотажных свойств самолета, так как компенсируют лишь недостаточное собственное демпфирование самолета. Вследствие действия внешних продольных воз­мущений, даже при включенном демпфере тангажа, у самолета могут измениться угол атаки и нормальная перегрузка. Поэтому необходимо сохранить исходный режим полета по углу атаки и нормальной перегрузке. Для освобождения пилота от решения этой задачи служат автоматы продольной устойчивости.

Автомат продольной устойчивости (АПУ) -средство автоматического управления, обеспечивающее повышение устойчивости самолета по углу атаки и нормальной перегрузке на всех этапах полета путем отклонения Руля высоты при возникновении приращения угла атаки или избыточной нормальной перегрузки. ‘

Рис. 7.1. Функциональная схема автомата продольной устойчивости

Простейшие автоматы продольной устойчивости реализуют следующие законы управления рулем высоты:

‘ ‘ Д5£пу = каЛа, (7.1)

A5aAny =K^n„ (7.2)

где Д8АПУ-отклонение руля высоты автоматом продольной устойчивости; Да = = (а — а0) — приращение угла атаки относительно опорного значения, имевшего место в момент включения автомата; Дпу = (пу — 1)-избыточная нормальная пере­грузка; ка-передаточный коэффициент по приращению угла атаки, показывающий, на какой угол должен отклониться руль высоты при изменении угла атаки на 1°; kR-передаточный коэффициент по избыточной нормальной перегрузке, показываю­щий, на какой угол должен отклониться руль высоты при изменении избыточной нормальной перегрузки на единицу.

В связи с недостаточной точностью датчиков угла атаки и необходи­мостью создания специальных схем для запоминания опорного значения угла атаки закон управления (7.1) большого распространения не получил. Поэтому обычно используется закон управления (7.2), который часто комплексируется с законом управления демпфера тангажа:

Л8ГУ = + к„ ДПу. (7.3)

То есть отклонение руля высоты автоматом продольной устойчивости пропорционально угловой скорости тангажа и избыточной нормальной перегрузке.

Благодаря последовательному включению исполнительного устройства автомата в механическую проводку бустерной или электродистанционной системы управления рулем высоты при совместном управлении самолетом пилотом и автоматом полное отклонение руля высоты от балансировочно­го положения А5В равно алгебраической сумме

А6„ = Д8ї +А5АПУ-

В состав автомата продольной устойчивости (рис. 7.1) входят датчик линейного ускорения ДЛУ, датчик угловой скорости ДУС, вычислитель ВАЛУ и сервопривод руля высоты СП8В. Автомат продольной устойчи­вости работает следующим образом. При изменении нормальной пере­грузки на вход вычислителя В с датчиков ДУС и ДЛУ поступают сигналы иш и un. Сигнал un преобразуется в сигнал u4n.

Эти сигналы суммируются согласно закону управления (7.3). Управ­ляющий сигнал и0 вызывает отработку сервоприводом руля высоты. При отклонении руля высоты на угол Д5*ПУ возникает управляющий аэродина­мический момент mz8, противоположный по знаку возмущению. Поэтому угловая скорость toz й избыточная нормальная перегрузка начнут умень­шаться, а вместе с ними и сигналы с ДУС и и с ДЛУ. Когда угловая скорость тангажа станет равной нулю (coz = 0), руль высоты все еще будет отклонен автоматом продольной устойчивости благодаря еще имеющему­ся сигналу un с ДЛУ (тогда как демпфер тангажа в этот момент возвращал руль высоты* в балансировочное положение). Поэтому угловая скорость тангажа (oz поменяет знак и избыточная перегрузка Апу начнет интенсивно уменьшаться. Когда сигналы ии и ич уравновесят друг друга, АПУ вернет руль высоты в балансировочное положение. Дальнейшая отработка руля будет вызвана сменой знака суммы сигналов и.,, и и, что приведет к плавному возвращению самолета к исходной нормальной перегрузке.

Влияние автоматов продольной устойчивости на устойчивость и управляе­мость. Покажем, что с помощью автомата продольной устойчивости повышается степень продольной статической устойчивости по перегрузке. Влияние демпферной части закона управления (7.3) на характеристики продольной устойчивости и управляемости показано в § 6.1. Рассмотрим влияние составляющей закона управления по избыточной нормальной перегрузке.

При отклонении руля высоты автоматом продольной устойчивости появляется приращение коэффициента момента тангажа

Amz = m?" Д6»пу = mz*k„Any.

С учетом того, что на малых углах атаки Any = к“ Да, где 1с" — коэффи­циент пропорциональности, степень продольной статической устойчивости по перегрузке самолета, управляемого АПУ, определится согласно (3.30) следующим образом:

Так как mf‘ < 0, то приращение степени продольной статической устой­чивости по перегрузке при использовании автомата продольной устойчиво­сти АаУ1У < О. Следовательно, | о„пу | > | ап |.

Покажем, что с помощью автомата продольной устойчивости улучша­ется динамическая устойчивость продольного движения. Как видно из рис. 7.2, характеристики динамической устойчивости самолета с АПУ-пе­риод колебаний Тк и время затухания ^„-уменьшаются. Автомат про­дольной устойчивости так же, как и демпфер тангажа, позволяет снизить колебательность продольного короткопериодического движения самолета и уменьшить длительность переходных процессов. Вместе с тем увеличи­вается частота продольных короткопериодических колебаний vK.

Величина v, зависит от запаса статической устойчивости самолета по

перегрузке, который в течение полета меняется в широких пределах. Пр^ этом увеличение запаса устойчивости ухудшает демпфирование. Демпфер­ная часть закона управления (7.3) увеличивает коэффициент демпфирования

и попутно способствует некоторому увеличению частоты собственных колебаний vK. Составляющая закона управления по перегрузке также увеличивает частоту vK. Таким образом, подбором передаточных коэф­фициентов кЮг и кДп удается снизить запас статической устойчивости по перегрузке, компенсируя смещение фокуса вперед обратной связью по перегрузке. ‘

Другим важным преимуществом автоматов продольной устойчивости является их способность возвращать самолет к исходному режиму полета по нормальной перегрузке. При длительном возмущении появляется ста­тическая ошибка в виде установившегося значения избыточной перегрузки Лпууст. Поэтому АПУ с законами управления (7.2) и (7.3) называют статическими. Для ликвидации статической ошибки применяют более сложные законы управления, например с интегрированием сигнала с дат­чика ДЛУ. ’

Основной недостаток автомата продольной устойчивости уменьшение эффективности управления рулем высоты от колонки штурвала, так как отклонение руля высоты автоматом Д5вПУ вычитается из отклонения руля высоты пилотом Л8§. Это приводит к уменьшению интенсивности верти­кального маневра.

Устройство и работа автоматов боковой устойчивости. Демпферы крена и рыскания не могут противодействовать изменению угла скольжения и боковой перегрузки. Поэтому наряду с задачей демпфирования боковых короткопериодических колебаний возникает задача сохранения исходного режима полета по углу скольжения и боковой перегрузке. Особенно это актуально при развороте, когда пилот воздействует на элероны. Для противодействия возникающему при этом скольжению и связанной с ним боковой перегрузке пилот, наблюдая за указателем угла скольжения, отклоняет руль направления. Разворот при этом становится координиро­ванным. Для освобождения пилота от решения этой задачи служат авто­маты боковой устойчивости.

Рис. 7.2. Переходные процессы в коьтуре угловой скорости тангажа и нормальной перегрузки при кратковременном внешнем возмущении: а-свободный самолет; б-при включенном автомате продольной устойчивости 208

. Автомат боковой устойчивости (АБУ)- средство автоматического управления, обеспечивающее повышение устойчивости самолета по углу скольжения и боковой перегрузке на всех этапах полета путем отклонения руля направления при возникновении приращения угла скольжения или боковой перегрузки.

Простейшие автоматы боковой устойчивости реализуют следующие законы управления рулем направления: ■

‘ Л5*БУ = крДр, (7.4)

А§нБУ = — knnz, (7.5)

где Д5АБУ- отклонение руля направления автоматом боковой устойчивости; Ар =

= (Р — Р0)- приращение угла скольжения относительно опорного значения; Кр, к„ — передаточные коэффициенты по приращению угла скольжения и боковой" перегрузке Ко = 0).

Невысокие точностные характеристики известных датчиков угла сколь­жения не позволяют широко применять закон управления (7.4). Поскольку углы скольжения обычно малы, то боковая перегрузка практически про­порциональна углу скольжения. Так как измерение боковой перегрузки не вызывает затруднений, закон управления (7.5) распространен более широко. .

Обычно автомат боковой устойчивости объединяется с демпфером рыскания и имеет закон управления

А5^БУ = к0) соу — к„п2. (7.6)

При совместном управлении пилотом и автоматом полное отклонение руля направления от балансировочного положения равно алгебраической сумме

А5Н = A5S + А5*БУ.

Функциональная схема автомата боковой устойчивости аналогична схеме АПУ. Отличие заключается в том, что датчик угловой скорости ДУС ориентирован по измерительной оси ОУ, а датчик линейных ускорений ДЛУ-по измерительной оси OZ. Вычислитель ВАБУ вырабатывает уп­равляющий сигнал иа согласно закону управления (7.6) на основе сигналов иш и un. Автомат содержит сервопривод руля направления СП5Н. Работа АбУ аналогична работе АПУ.

Влияние автоматов боковой устойчивости на устойчивость и управляе­мость. Покажем, что с помощью автомата боковой устойчивости повыша-

„ „ „ я

ется степень путевой статической устойчивости по углу скольжения Шу.

Демпферная часть закона управления (7.6) обеспечивает увеличение степени

U U и „ <0.

путевой статической устойчивости по угловой скорости рыскания т. Л Рассмотрим влияние составляющей закона управления по боковой пере­грузке.

При отклонении руля направления автоматом боковой устойчивости появляется приращение коэффициента момента рыскания.

Известно, что при малых углах скольжения пг = к„гАР, где кп -коэф­фициент пропорциональности. Тогда приращение частной производной коэффициента момента рыскания по углу скольжения

ДіПу = т®’кПік^Д(і,

Следовательно, при включенном автомате боковой устойчивости:

(Шу)АБУ = Шу + ДгПу,

Анализ влияния автомата боковой устойчивости на динамические ха-, рактеристики бокового движения аналогичен проведенному анализу для АПУ. Недостатком автомата боковой устойчивости является уменьшение эффективности путевого управления.

Особенности законов управлення автоматов продольной н боковой устой­чивости. Для обеспечения астатизма управления при длительных внешних

Рис. 7.4. Структурная схема автомата боковой устойчивости

 

возмущениях в закон управления АПУ вводят сигнал, пропорциональный интегралу от избыточной нормальной перегрузки (рис. 7.3):

Д3В = к Г! і + Лпу + (П’Апу — (7-7)

1огР+1 ‘ V

где kjn — передаточный коэффициент по интегралу от избыточной нормальной перегрузки. .

Для ликвидации статической ошибки автоматов боковой устойчивости по углу скольжения при длительных внешних возмущениях применяется интегрирование сигнала с датчика ДЛУ либо использование скоростной обратной связи в сервоприводе автомата:

РД3Н = ^6у_1Чп*- (7-8)

Тогда в законе управления (7.8) вместо сигнала угловой скорости соу следует использовать ее производную юу для сохранения демпфирующих свойств автомата (рис. 7.4). Так обеспечивается улучшение путевой устой­чивости с помощью систем САУ-62 и САУ-86. .