УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РУЛЕВОЙ СИЛЫ В МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ Российский патент 2003 года по МПК B64C13/38 

Настоящее изобретение относится к устройству в механической системе управления летательным аппаратом (ЛА), в котором из кабины ЛА можно воздействовать на поверхности управления ЛА через систему управления посредством, по меньшей мере, одного элемента управления, непосредственно подсоединенного к системе управления, например посредством штурвала, штурвальной колонки или пары педалей, как определено в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение, кроме того, относится к способу регулирования силы, которая, для достижения требуемого угла дифферента, должна быть приложена к элементу управления для управления поверхностями управления ЛА, причем указанный элемент управления оперативно соединен с механической системой управления и содержит, например, штурвал, штурвальную колонку или пару педалей, как определено в ограничительной части пункта 6 формулы изобретения.

Обеспечение ЛА малого и среднего размеров механическими системами управления, в которых при ручном управлении полетом только мускульная сила пилота воздействует на поверхности управления через кабели и систему управления, уже известно. Цель в этом случае состоит в проектировании поверхности управления так, чтобы аэродинамические и механические силы, действующие из поверхности управления в полете, не стали настолько велики, чтобы для пилота было трудно изменить положение поверхностей управления. Некоторые обычные известные решения включают в себя использование различных типов вспомогательных поверхностей управления, так называемых триммеров, в комбинации с аэродинамической балансировкой поверхностей управления, для достижения управляемых величин силы.

Для известных решений, однако, проблемы все еще остаются. Например, может быть трудно оптимизировать динамическую связь между приложенным крутящим моментом и положением колонки/штурвала, и, в частности, может быть трудно для пилота воздействовать на поверхности управления в критической ситуации, например, когда внезапно потеряна устойчивость в положении со сбалансированным креном, и ЛА в результате этого сильно накреняется в каком-либо направлении, что может иметь место в результате сильного обледенения.

Одна из задач настоящего изобретения заключается в создании устройства описанного в начале типа, которое предоставляет дополнительную помощь пилоту при ручном управлении полетом. Задача решается посредством создания устройства, имеющего характеристики, указанные в пункте 1 формулы изобретения.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа, описанного в начале типа, посредством которого получают дополнительную помощь при ручном управлении полетом. Задача решается способом, имеющим признаки, указанные в пункте 6 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления устройства также имеют любой или некоторые из признаков, указанных в зависимых пунктах.

Устройство согласно изобретению имеет несколько преимуществ.

Посредством этого устройства может быть получен линейный градиент мощности. Требуемое значение может быть присвоено для статического градиента мощности. Требуемые значения могут быть присвоены вязкому демпфированию и трению штурвала. Требуемая величина может быть присвоена влиянию массы системы на штурвальную колонку/штурвал.

Обратная связь по положению также предоставляет преимущество, заключающееся в том, что возможно влиять на собственную частоту системы, которая не является просто определяемой внешней нагрузки и моментом инерции системы. Без обратной связи по положению невозможно линеаризировать любую нелинейную силу в основной механической системе. Обратная связь по положению означает, что может быть получена линейная корреляция между крутящим моментом, приложенным к штурвальной колонке/штурвалу, и углом дифферента.

Изобретение более подробно описано ниже на примере вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает упрощенную общую схему вспомогательной системы управления поверхностями согласно изобретению,
фиг. 2 изображает упрощенное описание способа управления вспомогательной системой управления поверхностями.

В описании всех чертежей одинаковые позиции используются для идентичных или аналогичных частей.

Упрощенная общая диаграмма, показанная на фиг.1, изображает систему элерона, которая на каждом крыле содержит элерон 1, который соединен посредством кабелей 2 элерона с элементом управления 3 в форме, например, штурвала. Система элерона содержит два элемента управления 3, на один из которых в полете вручную воздействует пилот 4. В каком-либо месте на кабелях 2 элерона имеется серводвигатель 5, который посредством переключателя на два положения 12 может быть или соединен (как показано), или, альтернативно, отсоединен. Сервопривод 6 связан с серводвигателем 5. Датчик крутящего момента 7 и датчик угла 8, которые передают информацию на блок управления 9, который также принимает информацию от датчика угловой скорости 10 на серводвигателе 5, имеются на каждом элементе управления 3 (показано только для одного элемента управления). Альтернативно, датчик угла 8 может быть расположен на серводвигателе 5 и/или датчике угловой скорости 10 на элементе управления. Из этой информации блок управления 9 формирует сигнал управления для требуемого воздействия на серводвигатель 5, причем последний предназначен для регулирования крутящего момента, который пилот 4 должен приложить к элементу управления 3 так, чтобы отношение между приложенным крутящим моментом и углом дифферента элемента управления приняло требуемое, в значительной степени постоянное, значение независимо от угла дифферента элемента управления. Серводвигатель 5 может, таким образом, работать в одном направлении и против крутящего момента, прикладываемого пилотом 4. Из чертежа видно, что серводвигатель может быть тем же, что используют при полете с автоматическим управлением/автопилотом 11, и переключатель на два положения 13 допускает выбор между ручным или автоматическим управлением (автопилотом).

Фиг. 2 изображает упрощенное описание способа управления вспомогательной системой элерона согласно фиг.1, на которой позиция 14 обозначает механическую систему элерона, а позиция 5 обозначает серводвигатель. На чертеже крутящий момент, который возникает на элементе управления в результате действия силы, приложенной пилотом, обозначен М. Угловое положение штурвала, которое в основном пропорционально угловому положению поверхности управления, здесь представлено сигналом обратной связи δ_ω, а угловая скорость штурвала представлена J обозначает момент инерции полной механической системы элерона 14, переданный на штурвал. На фиг.2 система элерона 14 представлена системой второго порядка с жесткостью пружины K_YL, и демпфированием D_YL, в которой жесткость пружины К_YL и демпфирование D_YL относятся к крутящему моменту на оси поверхности управления, и обе относятся к штурвалу. Угловое ускорение штурвала обозначено
Серводвигатель 5 имеет коэффициент усиления K_S и постоянную электродвижущую силу К_E, которые пропорциональны угловой скорости Чтобы устранить влияние противоэлектродвижущей силы серводвигателя и скомпенсировать изменения сопротивления двигателя, например из-за температурных флуктуаций, обычно используют управляемый током двигатель. Вспомогательная система элерона также имеет коэффициенты усиления с замкнутой обратной связью К_M, К_L и К_D, где К_M представляет собой коэффициент усиления сигнала крутящего момента М, К_L представляет собой коэффициент усиления сигнала обратной связи δ_ω, и К_D представляет собой коэффициент усиления сигнала Значения коэффициентов усиления с замкнутой обратной связью вычисляют заранее, исходя из требуемых значений жесткости пружины k_f, собственной частоты ω₀ и относительного демпфирования z полной вспомогательной системы элерона, измеренных на штурвале, где



Из этих уравнений коэффициенты усиления с замкнутой обратной связью К_M, К_L и K_D получают следующим образом:



Сигнал управления и на серводвигатель, таким образом, описывается уравнением:

Сигнал δ_{ω_trim} описан более подробно далее.

Для упрощения описания системы предполагается, что механическую систему элерона 14 можно рассматривать как линейную систему второго порядка. В действительности, система элерона 14 является значительно более сложной. В частности, имеется существенное трение и люфт, которые вместе с упругостью в кабелях 2 поверхности управления вносят вклад в наличие локальных резонансов с локальными частотами. Эти характеристики ограничивают возможности для свободного выбора коэффициентов усиления с замкнутой обратной связью К_M, К_L и К_D, и, следовательно, также динамических характеристик, то есть свободного выбора k_f, ω₀ и z.

Кроме того, сигналы М, которые являются входными сигналами механической системы элерона 14 через серводвигатель 5, должны быть подвергнуты фильтрации так, чтобы их диапазон частот и амплитуда были такими, что аппроксимация системы элерона в качестве линейной системы второго порядка была бы достоверной. Для достижения этого все входные сигналы М, фильтруют с помощью низкочастотного фильтра. В одном примере частота среза фильтра, который фильтрует сигнал δ_ω угла штурвала и сигнал угловой скорости штурвала, составляет 50 Гц, в то время как частота среза фильтра, который фильтрует сигнал крутящего момента, составляет 15 Гц. Из-за условий прочности рекомендуется фильтровать сигнал крутящего момента М с помощью фильтра, предназначенного для высоких значений сигнала крутящего момента, чтобы получить выходной сигнал, который уменьшается с увеличением сигнала крутящего момента. Также рекомендуется фильтровать сигнал крутящего момента М с помощью фильтра с зоной нечувствительности, в которой сигнал крутящего момента близок к нулю, чтобы получить пороговое значение крутящего момента, которое должно быть преодолено прежде, чем происходит воздействие на серводвигатель 5. Также выгодно фильтровать сигнал крутящего момента с помощью фазокомпенсаторного фильтра. В одном примере амплитуда сигнала угловой скорости штурвала ограничена ограничителем при высоких угловых скоростях.

Серводвигатель 5 функционирует более или менее линейно. Максимальный крутящий момент получают, когда угловая скорость равна нулю, и крутящий момент уменьшается линейно с увеличением вращении.

Элероны 1 на большинстве ЛА с целиком механическими системами управления имеют так называемые триммеры, положение которых регулируют посредством так называемых толкателей триммирования. Обычно используют только систему триммирования (балансирования) на одном крыле, например, на левом крыле, в то время как система на другом крыле составляет резервную систему. Система триммирования функционирует так, что когда при триммировании толкатель триммирования воздействует на угловое положение триммера, элерон 1 поворачивается на некоторый угол. В механической системе это должно означать, что нулевое положение штурвала, которое является положением триммирования, которое штурвал принимает, когда прикладываемый пилотом 4 крутящий момент равен нулю, должно быть отрегулировано.

При триммировании могут иметь место проблемы с вспомогательной системой, если не введена какая-либо компенсация для нового нулевого положения. Эта проблема может быть устранена, прикладывая составляющую δ_{ω_trim} углового регулирования, соответствующую сбалансированному нулевому положению штурвала, к сигналу обратной связи по углу для штурвала. Составляющая углового регулирования может быть получена из сигналов от датчиков положения, расположенных на толкателях триммирования. Необходимо принять во внимание, однако, факт, что эффективность триммера является большей при перемещении вниз из нейтрального положения в сторону более высокого давления под крылом, чем при перемещении вверх в сторону более низкого давления на верхней стороне крыла. Если датчик положения толкателя триммирования устроен так, чтобы сигнал от него был положителен, когда триммер перемещается вниз, и отрицателен, когда триммер перемещается вверх, необходимо принять во внимание также и это. Необходимо принять во внимание также и то, используется ли только обычная система триммирования, резервная система триммирования или их комбинация.

Для специалиста очевидно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, описанными выше, а скорее предоставляет возможности модификаций в рамках идеи изобретения, определенного в нижеследующей формуле изобретения. Устройство, например, может быть построено так, чтобы использовалась следящая система автопилота, расположенная в системе управления, и/или так, чтобы отношение между силой, приложенной к элементу управления, и углом дифферента элемента управления увеличивалось при увеличении скорости ЛА и наоборот, чтобы таким образом дать пилоту естественное чувство скорости при управлении поверхностями. Система может, кроме того, легко использоваться в рулях высоты и рулях.

Изобретение относится к механическим системам управления летательным аппаратом. Устройство содержит, по меньшей мере, один элемент управления 3, например штурвал, штурвальную колонку или пары педалей, оперативно соединенный с системой управления. Имеется серводвигатель 5 с датчиками, которые предназначены для того, чтобы при воздействии на элемент управления 3 определять крутящий момент, возникающий на элементе управления 3 вследствие силы, прикладываемой к нему, угол дифферента элемента управления и угловую скорость, с которыми происходит воздействие. Устройство содержит блок управления 9, который на основании параметров, определенных датчиками, управляет серводвигателем 5 так, чтобы отношение между силой, прикладываемой к элементу управления 3, и углом дифферента элемента управления принимало постоянное значение. Способ характеризуется действиями с использованием устройства. Изобретение направлено на улучшение ручного управления полетом. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство в механической системе управления летательным аппаратом, в котором на поверхности управления (1) летательного аппарата можно воздействовать из кабины летательного аппарата через систему управления посредством, по меньшей мере, одного элемента управления (3), например, штурвала, штурвальной колонки или пары педалей, оперативно соединенного с системой управления, отличающееся тем, что серводвигатель (5) также подсоединен к системе управления вместе с датчиками, предназначенными для того, чтобы при воздействии на элемент управления (3) обнаружить крутящий момент, возникающий на элементе управления (3) вследствие действия силы, приложенной к нему, угол дифферента элемента управления и мгновенную угловую скорость элемента управления, причем устройство дополнительно содержит блок управления (9), который на основании условий, определенных датчиками, предназначен для управления серводвигателем (5) так, чтобы отношение между силой, приложенной к элементу управления (3), и углом дифферента элемента управления принимало требуемое, по существу постоянное, значение. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что серводвигатель (5) является серводвигателем, который находится в системе управления и обычно предназначен для взаимодействия с блоком автоматического управления (11). 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что поверхности управления (1) имеют триммеры для балансировки крена и толкатели триммирования для воздействия на них, дополнительно датчики предназначены для определения положения толкателей триммирования, являясь подсоединенными к указанным толкателям триммирования, при этом блок управления, исходя из положений, определенных другими датчиками, предназначен для обработки положения дифферента, которое элемент управления (3) вследствие балансировки крена устанавливает в качестве среднего положения для незадействованного элемента управления (3), на который не принимают никакого усиленного сигнала от серводвигателя (5). 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что блок управления содержит средство фильтрации, предназначенное для того, чтобы на основании параметров, определенных датчиками, отфильтровывать локальные резонансы в механической системе управления. 5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что содержит датчики скорости, предназначенные для определения скорости летательного аппарата, при этом блок управления, исходя из определенной скорости, предназначен для увеличения отношения между силой, прикладываемой к элементу управления (3), и углом дифферента элемента управления при увеличении скорости, и наоборот. 6. Способ для регулирования силы, которая для получения требуемого угла дифферента должна быть приложена к элементу управления (3) для управления поверхностями управления (1) летательного аппарата, причем указанный элемент управления (3) оперативно соединен с механической системой управления и содержит, например, штурвал, штурвальную колонку или пару педалей, отличающийся тем, что при воздействии на элемент управления (3) определяют крутящий момент, возникающий на элементе управления (3) вследствие действия силы, прикладываемой к нему, вместе с углом дифферента и мгновенной угловой скоростью элемента управления так, что серводвигатель (5), соединенный с системой управления, управляет серводвигателем (5) на основании определенных параметров так, чтобы было достигнуто требуемое, по существу постоянное, отношение между силой, прикладываемой к элементу управления (3), и углом дифферента элемента управления. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что серводвигатель, расположенный в системе управления и обычно предназначенный для взаимодействия с блоком автоматического управления (11), используют в качестве серводвигателя (5), который предназначен для усиления входного сигнала на систему управления. 8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что в нем поверхности управления имеют триммеры для балансировки крена и толкатели триммирования для воздействия на них, причем положение толкателей триммирования является определяемым, при этом положение дифферента, которое элемент управления (3) устанавливает из-за регулирования крена, обрабатывают на основании определенных положений в качестве среднего положения для незадействованного элемента управления (3), на который серводвигатель (5) не предназначен для усиления входного сигнала для системы управления. 9. Способ по любому из пп. 6-8, отличающийся тем, что используют средства фильтрации на основании определенных параметров для фильтрации локальных резонансов в механической системе управления. 10. Способ по любому из пп. 6-9, отличающийся тем, что в нем определяют скорость летательного аппарата, при этом отношение между силой, прикладываемой к элементу управления (3), и углом дифферента элемента управления увеличивается при определении увеличения скорости и наоборот.