АВТОМАТИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ СКОРОСТИ И УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ПОЛЕТА

11.3.1. Автоматы тяги

Принцип действия. На этапах захода на посадку и посадки важное значение приобретает задача стабилизации скорости. Это связано с тем, что существенное изменение конфигурации самолета (выпуск шасси, закрылков, интерцепторов и т. д.) приводит к изменению аэродинамических силы лобового сопротивления и подъемной силы. Это в свою очередь вызывает

389

Рис. 11.11. Функциональная схема автомата тяги

отклонение скорости полета от заданной. Стремление снизить заданную посадочную скорость для уменьшения длины пробега ухудшает устой­чивость и управляемость самолета. Уменьшение скорости полета под действием внешних возмущений усложняет пилотирование и может вы­вести самолет на критические углы атаки. Поэтому на этапах захода на посадку и посадки стабилизация и управление скоростью полета осу­ществляются непосредственным воздействием на тягу двигателей. Это объясняется большей точностью и большим быстродействием контура управления скоростью путем изменения тяги по сравнению с контуром управления скоростью путем отклонения руля высоты.

При ручном пилотировании во время захода на посадку задачу стаби­лизации и управления скоростью решает пилот. Он наблюдает за измене­нием скорости по указателю и, воздействуя на рычаги управления двига­телями, изменяет тягу, чтобы самолет удерживал требуемую скорость или изменял ее соответствующим образом. Автомат тяги служит для освобож­дения пилота от решения этой задачи.

Автомат тяги (А Т) — средство автоматического управления, обеспе­чивающее стабилизацию и управление продольным движением самолета на этапах захода на посадку и посадки путем изменения тяги двигателей при возникновении рассогласования между значениями текущей и заданной скорости. ‘

Простейший АТ реализует следующий закон управления рычагами управления двигателей (РУД):

‘ Р8руТд= кдУ(У, ад — V), (11.29)

где 8**- автоматическое отклонение рычагов управления двигателями от балан­сировочного положения с помощью AT; V, Узад — соответственно текущее и заданное значения скорости; кду — передаточный коэффициент по скорости, определяющий, на сколько градусов в секунду должна измениться скорость перемещения РУД при возникновении рассогласования между значениями текущей и заданной скорости в 1 км/ч.

Другими словами, скорость перемещения РУД пропорциональна рас­согласованию между текущей и заданной скоростью полета. Как видно из закона управления (11-29), сервопривод АТ имеет скоростную обратную связь. Исполнительный механизм сервопривода включается по параллель­ной схеме в прямую систему управления двигателями. Совместное управ — 390

ление тягой со стороны пилота и АТ исключается. При воздействии пилота на РУД АТ выключается и освобождает механическую проводку управле­ния двигателями. Сервоприводы АТ выполняются, как правило, электро­механическими.

Рассмотрим функциональную схему аналогового электромеханического АТ (рис. 11.11). В состав АТ входят задатчик скорости ЗС, датчик рас­согласования между значениями текущей и заданной скорости-указатель скорости с индексом УС-И, вычислитель В и сервопривод рычагов управ­ления двигателями СПЬруа с исполнительным механизмом автомата тяги ЯМА Г. Вычислитель и сумматор сервопривода объединены в электронный блок вычислителя автомата тяги ВАТ. Указатель скорости УС-И отли­чается от обычного электромеханического указателя скорости тем, что наряду со стрелкой, показывающей значение текущей приборной скорости, в нем имеется индекс заданной приборной скорости, управляемый пилотом с помощью задатчика скорости ЗС. Стрелка указателя УС-И связана с ротором бесконтактного синусно-косинусного трансформатора (БСКТ). Индекс указателя связан с ротором синусно-косинусного трансформатора (СКТ). Статорные обмотки СКТ и БСКТ соединены между собой. Ротор­ная обмотка СКТ запитана напряжением переменного тока, а с роторной обмотки БСКТ снимается сигнал переменного тока иДу, фаза которого пропорциональна рассогласованию между положением индекса и стрелки. Этот сигнал меняется либо вследствие изменения положения стрелки и как следствие согласованного вращения ротора БСКТ, либо вследствие отра­ботки двигателем следящей системы индекса с одновременной отработкой ротора СКТ.

АТ работает в четырех режимах: согласования, стабилизации, управ­ления скоростью и «Уход». В режиме согласования в указателе скорости УС-И происходит непрерывное «обнуление» сигнала текущей скорости с помощью электромеханической следящей системы. В момент подачи питания на указатель индекс заданной скорости перемещается в направ­лении положения стрелки текущей скорости. Когда индекс установится напротив стрелки, сигнал с БСКТ станет равным нулю и АТ готов к работе. Сервопривод АТ в это время не имеет жесткого зацепления с механической проводкой управления двигателями. Таким образом происходит запоми­нание текущей скорости и обеспечивается подготовка АТ к безударному включению для стабилизации скорости.

При включении режима стабилизации скорости следящая система указа­теля скорости размыкается и формируется сигнал разности u4v между опорным значением скорости V0, которую имел самолет в момент вклю­чения режима стабилизации, и значением текущей скорости. Индекс при этом остается неподвижным и под действием внешних возмущений отклоне­ние от опорной скорости воспринимается АТ как рассогласование, которое необходимо парировать. Сигнал иДу поступает на вход вычислителя В, где формируется сигнал ив, пропорциональный иДу. Сервопривод преобразует этот сигнал в перемещение рычагов ИМАТЪр]а. С тахогенератора ТГ на вход сумматора сервопривода поступает сигнал скоростной обратной связи исос, пропорциональный скорости отработки рычагов ИМ А Т.

Рис. 11.12. Процесс устранения начального отклонения скорости с помощью авто­мата тяги

Таким образом, скорость отработки рычагов ИМ А Т будет пропор­циональна рассогласованию AV = V0 — V. Сервопривод будет отрабаты­вать РУД до тех пор, пока тяга двигателей не увеличится (уменьшится) настолько, что скорость самолета примет заданное значение и стрелка указателя УС-И вернется к индексу.

В режиме управления скоростью пилот, воздействуя на индекс указателя УС-И с помощью задатчика, устанавливает заданную скорость. В резуль­тате в УС-И формируется сигнал u4v, пропорциональный AV = Узад — V, который отрабатывается сервоприводом так же, как рассогласование AV = V„ — V.

В режиме «Уход» датчик УС-И отключается от вычислителя. Управ­ляющий сигнал и„ формируется вычислителем независимо от параметров положения и движения самолета таким образом, что сервопривод плавно с постоянной скоростью перемещает РУД во взлетное положение.

Исполнительный механизм ИМАТ, кроме двигателя-генератора, вклю­чает редуктор, муфты сцепления и предельного момента, а также предох­ранительную муфту. Муфта сцепления соединяет двигатель-генератор с ре­дуктором. Предохранительная муфта устанавливается на входном валу механизма и обеспечивает возможность управления двигателем при закли­нивании муфты предельного момента или шестерен редуктора. Приложив соответствующее усилие к РУД, пилот может «пересилить» АТ и устано­вить РУД в желаемое положение. Рабочий диапазон перемещения рычагов ИМАТ ограничен концевыми выключателями.

Управление движением и особенности законов управления. Качество работы АТ и ее влияние на процесс управления продольным движением оцениваются по качеству переходных процессов управления скоростью.

Рассмотрим процесс устранения начального отклонения скорости V0 — V (рис. 11.12) с помощью АТ с законом управления (11.29). Появление рассогласования по скорости AV в момент времени tx начинает пари­роваться АТ перемещения РУД со скоростью рб^. Поначалу будем предполагать, что стабилизация скорости с помощью АТ происходит во время предпосадочного маневра, когда САУН стабилизирует высоту и угол наклона траектории воздействием на руль высоты. Тогда изменения углов атаки и тангажа парируются САУН.

392 .

В результате изменения тяги двигателей будет изменяться скорость самолета и в момент времени t2 рассогласование ДУ станет равным нулю. Однако вследствие инерционности двигателей и самолета производная AV будет присутствовать. Поэтому самолёт проскочит опорное значение ско­рости. Это вызовет изменение знака AV и отработку РУД в обратную сторону.

Для демпфирования колебаний самолета по скорости в закон управ­ления АТ должен обязательно включаться сигнал, пропорциональ­ный AV.

Достаточно точного и надежного датчика этого сигнала на эксплуати­руемых ВС нет, поэтому приходится использовать операцию дифференци­рования, заменяя AV на AV ТурДТур + 1). Тогда закон управления АТ принимает следующий вид:

Тур

рй? утд — кду (V», — V) + ку ————— AV, (11.30)

1ур + 1

где ку, Ту-соответственно передаточный коэффициент по воздушному ускорению и постоянная времени изодромного фильтра.

Тогда в начале устранения рассогласования AV благодаря наличию сигнала, пропорционального AV, АТ увеличит скорость отработки РУД, а затем притормозит. Это обеспечит плавный апериодический выход самолета на заданную скорость, как это показано на рис. 11.12.

Однако, как известно, изменение скорости полета самолета вызывает изменение углов тангажа и атаки, что в свою очередь приводит к изме­нению скорости. При расмотрении принципа действия САУу было обра­щено внимание на связь между колебаниями угла тангажа и скорости. Причем изменение угла тангажа опережает изменение скорости, так как носит короткопериодический характер. Поэтому процесс устранения на­чального отклонения AV с помощью АТ принимает более сложный характер. Для демпфирования колебаний самолета по скорости в закон управления АТ включается сигнал, пропорциональный приращению угла тангажа.

Так как сервопривод АТ охвачен скоростной обратной связью, вместо сигнала Аи необходимо использовать его производную ро. Тогда хорошее демпфирование колебаний самолета по скорости будет осуществлять АТ со следующим законом управления:

ТоР Тур

Р^руд ~ KAV О^зад — V) + Кц о + КУ —“

1ур + 1 1ур +

где ку, Т0- соответственно передаточный коэффициент по скорости изменения угла тангажа и постоянная времени изодромного фильтра.

Существенной проблемой в достижении требуемой точности управления скоростью является наличие высокочастотной составляющей помехи fv в сигнале AV с УС-И. Для подавления помехи сигнал AV пропускается через апериодический фильтр с постоянной времени Tv, Тогда удается умень-

393

Рис. 11.13. Структурная схема автомата тяги

 

шить влияние пульсаций скоростного напора из-за атмосферной турбу­лентности и закон управления (11.30) принимает вид

Однако введение фильтра вносит запаздывание в процесс управления, что особенно нежелательно в сравнительно быстродействующем контуре управления скоростью через тягу двигателя. Для борьбы с запаздыванием Используется метод операционного сглаживания. Метод реализуется с по­мощью апериодического фильтра с постоянной времени Tv, на который наряду с зашумленным сигналом (ДV + fv) подается незашумленный сиг­нал производной TvpAV. Тогда на выходе фильтра будем иметь полезный сигнал AV без временной задержки и подавленную помеху:

Однако проблемой является получение незашумленного сигнала про­изводной pAV. Использование для этой цели производной АУ, присутст­вующей в законе управления (11.32), не годится, так как ойа сама содержит те же высокочастотные помехи, усиленные операцией дифференцирования. Поэтому целесообразно для этого использовать сигнал-аналог произ­водной pAV с датчиков другой физической природы с другим спектром помех.

В современных АТ в качестве таких датчиков используются пружинный акселерометр и гировертикаль. Так как корпус акселерометра жестко скреплен с самолетом, он измеряет проекцию вектора перегрузки п на связанную ось ОХ пх, которая связана с проекцией вектора ускорения на связанную ось jx = nx g. В прямолинейном полете проекция вектора уско — 394

рения на скоростную ось OXajx следующим образом определяется через jx, угол тангажа и ускорение свободного падения: jx> = jx — gsmu = jx — go.

В то же время j = pAV. Тогда вместо сигнала pAV можно использовать

разность сигналов g(nx — о). Закон управления АТ при этом принимает следующий вид:

Р«т = т Jx i [AV+Tvg(nx-o)]. (11.34)

‘ I vP т і

Аналогичные проблемы возникают с помехами в сигнале AV и запаз­дыванием, вносимым фильтром l/(Tvp+ 1) при прохождении через него сигнала AV в законе управления (11.32). Поэтому для устранения запазды­вания и подавления помехи используется тот же метод. Тогда закон управления принимает следующий вид:

До сих пор мы рассматривали вопрос стабилизации скорости в гори­зонтальном полете. Проведя аналогичные рассуждения применительно к полету по наклонной траектории, когда АО ф О (снижение на ВПП), можно показать, что изменение угла наклона траектории приводит к появ­лению статических ошибок, так как является возмущающим фактором. Поэтому было бы целесообразно в закон управления АТ включить состав­ляющую, пропорциональную А6. Однако, как известно, пока на борту ВС отсутствуют датчики такого сигнала. Поэтому вместо сигнала АО исполь­зуют сигнал Ли, получаемый пропусканием сигнала с гировертикали через изодромный фильтр с постоянной времени Т„. С учетом интегрирующего сервопривода этот сигнал необходимо еще раз продифференцировать. Тогда закон управления АТ принимает следующий вид:

, ffi кдуТдурт з

р5й — тлТП l[k" + т^ГГ JC(V ~ v»>>+ sT»<-‘ — “И+

Структурная схема АТ (рис. 11.13) реализует закон управления (11.36).

Цифроаналоговые автоматы тяги. Общим недостатком современных аналоговых автоматов тяги является их неблагоприятное влияние на двигатели, выражающееся в слишком большом числе управляющих воз­действий и приводящее к их преждевременному износу. Это объясняется тем, что регулирование сравнительно медленного контура скорости осу­ществляется через быстрый в управлении двигатель. Современные цифро­аналоговые автоматы тяги позволяют уменьшить число воздействий на двигатели и повысить качество управления скоростью.

Рис. 11.14. Функцио­нальная схема цифро­аналогового автомата тяги ‘

В цифроаналоговом АТ (рис. 11.14) управление может вестись в различ­ных режимах: в крейсерском полете-по сигналам навигационного вычисли­теля-вычислительной системы самолетовождения ВСС. При этом реали­зуются режимы стабилизации и управления скоростью или числом М по­лета, вертикальной навигации, стабилизации и управления вертикальной скоростью, выхода на заданный эшелон.

При заходе на посадку, посадке, а также в крейсерском полете при отказе вычислительной системы самолетовождения управление ведется по сигналам вычислительной системы управления полетом ВСУП. При этом этом реализуются режимы стабилизации и управления скоростью или числом М полета, ухода на 2-й круг и «сброс газа». Сигналы, пропор­циональные заданным значениям скорости и числа М, подаются из ВСС и ВСУП в вычислительный блок управления тягой БВУТ в виде последо­вательного биполярного кода.

В качестве датчиков текущих значений пилотажных параметров исполь­зуются цифровая система воздушных сигналов СВС и инерциальная нави­гационная система ИНС. Эти системы выдают в БВУТ сигналы, пропор­циональные текущим значениям скорости, числа М, перегрузки пх, углов тангажа и крена. Кроме того, автомат тяги имеет собственный режим стабилизации числа оборотов 2-й ступени компрессора. Информация о те­кущих оборотах 2-й ступени N2 поступает с электронного регулятора двигателей РЭД.

Стабилизация и управление скоростью или числом М осуществляется путем определения рассогласования между текущими и требуемыми зна­чениями этих параметров и вычисления потребного количества оборотов компрессора высокого давления N2. Воздействие на двигатель осуществ­ляется через два контура: грубый-аналоговый и точный-цифровой. Пер­вый контур реализует воздействие через аналоговый сервопривод СЛ8РУД на рычаги управления двигателями и электронный регулятор двигателя. Этот контур не позволяет с большой точностью выставить заданное число оборотов. Поэтому применяется цифровой корректирующий контур с не­посредственным воздействием на РЭД, т. е. АТ сначала по грубому каналу перемещает РУД, а затем по точному каналу корректирует управление. Таким образом, контур управления через РУД является внешним и замы — 396

кается через двигатели и динамику самолета, а контур управления через РЭД — внутренний и замыкается только через двигатели.

Аналоговый сервопривод АТ состоит из электронного блока управления привода регулирования тяги (БУПРТ) и электромеханического регулятора тяги (МРТ). Кроме перечисленных сигналов БВУТ получает разовые команды с концевых выключателей двигателей («Малый газ» и «Взлетный газ»), с концевиков секторов газа, от стоп-кранов перекрытия топлива и концевых выключателей шасси.